Motores de Combustão Interna [2Ed] 972895302X

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SOBRE O AUTOR Jorge Martins obteve o seu doutoramento em Motores de Combustão Interna na Universidade de Birmingham. Inglaterra, e actualmente é professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho, onde é responsável pelo Laboratório de Motores Térmicos e Termodinâmica Aplicada. Nesta Universidade lecciona as disciplinas de Máquinas Térmicas e de Termodinâmica do curso de Engenharia Mecânica.

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Nas década de 80 e 90 trabalhou em alguns projectos de investigação na área de motores, como consultor, para empresas da indústria automóvel britânica, tal como a Jaguar, Rolls-Royce, Rover e Ford, além da Lucas. Nos últimos anos, além da sua função de docente e investigador na universidade, tem sido avaliador de projectos internacionais para a Comissão Europeia na área dos motores de combustão interna. Tem publicados mais de três dezenas de artigos científicos em revistas e congressos internacionais.

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Oautor foi colaborador técnico do jornal VOLANTE desde 1989 a 1992, tendo escrito dezenas de artigos técnicos, testes e artigos de opinião entre outros.

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972-8953-02-X

Edições Técnicas

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Publindústria

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SOBRE O AUTOR Jorge Martins obteve o seu doutoramento em Motores de Combustão Interna na Universidade de Birmingham. Inglaterra, e actualmente é professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho, onde é responsável pelo Laboratório de Motores Térmicos e Termodinâmica Aplicada. Nesta Universidade lecciona as disciplinas de Máquinas Térmicas e de Termodinâmica do curso de Engenharia Mecânica.

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Nas década de 80 e 90 trabalhou em alguns projectos de investigação na área de motores, como consultor, para empresas da indústria automóvel britânica, tal como a Jaguar, Rolls-Royce, Rover e Ford, além da Lucas. Nos últimos anos, além da sua função de docente e investigador na universidade, tem sido avaliador de projectos internacionais para a Comissão Europeia na área dos motores de combustão interna. Tem publicados mais de três dezenas de artigos científicos em revistas e congressos internacionais.

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Oautor foi colaborador técnico do jornal VOLANTE desde 1989 a 1992, tendo escrito dezenas de artigos técnicos, testes e artigos de opinião entre outros.

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Edições Técnicas

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Publindústria

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Prefácio

Autor Jorge

Marlin~

Titulo Mo•orcs de Combu:não l ntern:1

Copyrigh1

e

2006 (:!ª Ed ição) da Publindústria. Produç!lo d e Comun icaça.o. Lda.

Todos os din:i1os n:servados Nr11l11mw

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Indico

Motores de Combustão Interna

5.1.4.4. Sistema> não convencionais de controlo da distribuição 5.1.5. Sistema de Arrefecimento 5.1.5 . 1. Arrdeci mento a ar 5.1.5 .2. Circu lação Hquida por termosifão 5.1.5 .3. Circulação líquida forçada 5.1.6. Lubri ficação 5.1.6. 1. Sistema de chapinagem 5.1.6.2. Sistema por pressão e chapinagem 5.1.6.3. Sistema por pressão de óleo 5. 1.6.4. Sistema sob pressão a cárter seco 5.1.6.5. Bombas de óleo 5. 1.6.6. Filtros de óleo 5.1.6.7. Tipos de óleo 5.2. Motores de Ign ição Comandada 5.2. 1. Carburadores 5.2. 1. 1. Combustíveis 5.2.1.2. Princípio de fun cionamento do carburador 5.2. 1.3. Correcção da mistunr 5.2.2. Sistema de lnjecção 5.2.2 . 1. Pri ncípio de fu ncioname nt o 5.2.2.2. lnjecção mecânica 5.2.2.3 . lnjecção electrónica analógica 5 .2.2 .4. lnjecção electrón ica digital 5.2 .2.5 . l njecção monoponto 5.2.2.6. Carburadores electrónicos 5.2.2.7. l njecção di recta 5.2 .3. Sistema de Ignição 5.2.3.1. Sistema de bateria conve nc ional 5.2.3.2. Ignição electrónica analógica 5.2.3.3. Ignição electrónica digital 5.2.3.4. A vela 5.3. Motores de Ignição por Compressão 5.3.1. Sistemas de lnjecção 5.3.2. Componentes dos Sistemas Tradiciona is 5.3.2. 1. Bomba de injecção 5.3.2.2. lnjectores 5.3.2.3. Outros componentes 5.4. Motores a 2 Tempos 5.4.1. Tipos de Lavagem 5.4.1. 1. Lavagem transversal 5.4.1.2. Lavagem em laço 5.4.1.3. Lavagem unidireccional 5.4.2. Compressão de Cárter 5.4.2. I. Válvula rotativa 5.4.2.2. Lamelas 5.4.3. Out ras Geometrias e Componentes 5.4 .3 .1. Alteração do eixo do ci lindro

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5.4.3.2. Motores com válvulas de tulipa 5.4.3.3. Válvula de escape 5.4.3.4. Escape 5.4.3.5. Carburadores 5.4.3.6. lnjecção d~ combustível 5.4.3.7 . Catalisador 5.5. Sobrealimentação 5.5.1. Tipos de Compressores 5.5.2. Compressor Comprex 5 .5.3. Compressão do Ar 5.5.4. O Turbo-Compressor 5.5.5. Motores de Ignição Controlada (4 tempos) 5.5.6. Motores Ignição por Compressão (4 tempos) 5.6. Sensores Usados nos Motores 5.6. 1. Velocidade do Motor e Posição da Cambota 5.6.2. Pressão do Col ector de Admissão 5.6.3 . Posição da Borboleta do Acelerador 5.6.4. Caudal de Ar 5.6.5. Concentração de Oxigénio (sonda À.) 5.6.6. Temperatura 5.6.7. "Knock" (sensor de detonação) 5.6.8. Outros

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173 174 175 175 176 177 177

180 181 183 184 185 186 186 186 187 187 188 189 189 190

Capítulo 6 TERMODINÂMI CA DA COMBUSTÃO 6. 1. Ar e Combustíveis 6.2. Reacção entre o Combust{vcl e o Ar 6.2.1. Coeficiente de Excesso de Ar 6.2.2. Poder Calorífico do Combustível 6.2.3. Pode r Calorífico da Mistura 6.3. Cálcu los em Combustão 6.3.1. Cálc ulo da Quantidade de Ar 6.3.2. Cálculo dos Produtos de Combustão 6.3.3. Combustão Incompleta 6.3.4. Di ssociação

19 1 191 192 192 193 194 196 197 197 199 200

Capítulo 7 COMBUSTÍVEIS E LUBRIFlCANTES 7 .1. Estrutura dos Combustíveis 7 . 1. 1. Parafinas (alcalanos) 7.1.2. Oleofinas (alquenos) 7 .1 .3. Naftalenos (cicloalcanos) 7. 1.4. Aromát icos 7 .2. Propriedades dos Combust íveis 7 .2.1. Est equiometria da Combustão 7.2.2. Pressão de Vapor de Reide Temperatura de Ebulição 7.2.3. Calor Latente de Vaporização 7.2.4 . Flash Point 7.2.5. Limites de Flamabilidade

203 204 205 205 206 206 207 207 207 208 208 209

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Indico

Motores de Combustão Interna

5.1.4.4. Sistema> não convencionais de controlo da distribuição 5.1.5. Sistema de Arrefecimento 5.1.5 . 1. Arrdeci mento a ar 5.1.5 .2. Circu lação Hquida por termosifão 5.1.5 .3. Circulação líquida forçada 5.1.6. Lubri ficação 5.1.6. 1. Sistema de chapinagem 5.1.6.2. Sistema por pressão e chapinagem 5.1.6.3. Sistema por pressão de óleo 5. 1.6.4. Sistema sob pressão a cárter seco 5.1.6.5. Bombas de óleo 5. 1.6.6. Filtros de óleo 5.1.6.7. Tipos de óleo 5.2. Motores de Ign ição Comandada 5.2. 1. Carburadores 5.2. 1. 1. Combustíveis 5.2.1.2. Princípio de fun cionamento do carburador 5.2. 1.3. Correcção da mistunr 5.2.2. Sistema de lnjecção 5.2.2 . 1. Pri ncípio de fu ncioname nt o 5.2.2.2. lnjecção mecânica 5.2.2.3 . lnjecção electrónica analógica 5 .2.2 .4. lnjecção electrón ica digital 5.2 .2.5 . l njecção monoponto 5.2.2.6. Carburadores electrónicos 5.2.2.7. l njecção di recta 5.2 .3. Sistema de Ignição 5.2.3.1. Sistema de bateria conve nc ional 5.2.3.2. Ignição electrónica analógica 5.2.3.3. Ignição electrónica digital 5.2.3.4. A vela 5.3. Motores de Ignição por Compressão 5.3.1. Sistemas de lnjecção 5.3.2. Componentes dos Sistemas Tradiciona is 5.3.2. 1. Bomba de injecção 5.3.2.2. lnjectores 5.3.2.3. Outros componentes 5.4. Motores a 2 Tempos 5.4.1. Tipos de Lavagem 5.4.1. 1. Lavagem transversal 5.4.1.2. Lavagem em laço 5.4.1.3. Lavagem unidireccional 5.4.2. Compressão de Cárter 5.4.2. I. Válvula rotativa 5.4.2.2. Lamelas 5.4.3. Out ras Geometrias e Componentes 5.4 .3 .1. Alteração do eixo do ci lindro

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5.4.3.2. Motores com válvulas de tulipa 5.4.3.3. Válvula de escape 5.4.3.4. Escape 5.4.3.5. Carburadores 5.4.3.6. lnjecção d~ combustível 5.4.3.7 . Catalisador 5.5. Sobrealimentação 5.5.1. Tipos de Compressores 5.5.2. Compressor Comprex 5 .5.3. Compressão do Ar 5.5.4. O Turbo-Compressor 5.5.5. Motores de Ignição Controlada (4 tempos) 5.5.6. Motores Ignição por Compressão (4 tempos) 5.6. Sensores Usados nos Motores 5.6. 1. Velocidade do Motor e Posição da Cambota 5.6.2. Pressão do Col ector de Admissão 5.6.3 . Posição da Borboleta do Acelerador 5.6.4. Caudal de Ar 5.6.5. Concentração de Oxigénio (sonda À.) 5.6.6. Temperatura 5.6.7. "Knock" (sensor de detonação) 5.6.8. Outros

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180 181 183 184 185 186 186 186 187 187 188 189 189 190

Capítulo 6 TERMODINÂMI CA DA COMBUSTÃO 6. 1. Ar e Combustíveis 6.2. Reacção entre o Combust{vcl e o Ar 6.2.1. Coeficiente de Excesso de Ar 6.2.2. Poder Calorífico do Combustível 6.2.3. Pode r Calorífico da Mistura 6.3. Cálcu los em Combustão 6.3.1. Cálc ulo da Quantidade de Ar 6.3.2. Cálculo dos Produtos de Combustão 6.3.3. Combustão Incompleta 6.3.4. Di ssociação

19 1 191 192 192 193 194 196 197 197 199 200

Capítulo 7 COMBUSTÍVEIS E LUBRIFlCANTES 7 .1. Estrutura dos Combustíveis 7 . 1. 1. Parafinas (alcalanos) 7.1.2. Oleofinas (alquenos) 7 .1 .3. Naftalenos (cicloalcanos) 7. 1.4. Aromát icos 7 .2. Propriedades dos Combust íveis 7 .2.1. Est equiometria da Combustão 7.2.2. Pressão de Vapor de Reide Temperatura de Ebulição 7.2.3. Calor Latente de Vaporização 7.2.4 . Flash Point 7.2.5. Limites de Flamabilidade

203 204 205 205 206 206 207 207 207 208 208 209

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Indico

Motores de Combustão lnt1rn1

7.3. 7 .4. 7.5.

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7 .2.6. Temperat ura de Auto- Ignição 7.'2.7. Temperatura Adiabá1ica de Chama 7 .2.8. Poder Calorífico 7 .2.9. Produção .de CO, Gasolina 7 .3. J. Índice de Oct ano Gasóleo Out ros Combustíveis 7 .5. 1. Combustíveis Gasosos 7.5. 1. 1. Gases de petróleo liquefeitos (GPL - LPGJ 7.5. 1. 2. G'ís natural 7.5. 1.3. Hidrogénio 7 .5.2. Álcoo is, Étcres e outros Oxigenados 7.5.2. 1. Álcoois 7.5.2.2. Éteres 7 .5.2.3. Ácidos goTdos (gorduras) 7.5.2.4. Ésteres (biodiesel ) 7.5.2.5. Esteq uiometria da combus tão 7.5.2.6. Pressão de vapor 7 .5.2. 7. Ca lor latente de vaporização 7.5.2.8. Solubilidade 7 .5.2.9. Flash poi nt 7.5.2. 10. Índice de octano (/0) 7.5.2. 1 1. Pré-ignição 7.5.2. 12. Potenc ial de emissão de poluentes 7.5.2.13. Reformação do metanol 7.5.2. 14. Corrosão 7.5.2. 15. Segurança 7.5.2. 16. N itrometano 7.5.3. Combus tíveis Inv ul gares 7.5.3. 1. Acet ile no e amoníaco 7.5.3.2. Combustíveis q ue fo rneçam mais potência 7 .5.4 . Combus t íveis Sintét icos 7.5.5. Carvão (emulsão - "slurry") 7 .5 .6. Óxido Nitroso Ó leos Lubrificantes 7 .6.1. Testes e Propriedades dos Óleos 7.6.2. Óleos Sinté ticos 7 .6.3. Classificação dos Óleos Lubrificantes para Motores 7 .6.4. Outras Propriedades

Capítulo 8 COMBUSTÃO NOS MOTORES 8. 1. Combustão nos Motores de Ignição Comandada ( IC) 8. 1 . 1. Caracterização da Combustão Normal 8.2. Par5metros da Combustão nos Motores de IC 8.2.1. Turbulência 8.2.2. Taxa de Compressão

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2 11 2 12 2 13 2 15 2 17

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8.2.3. Avanço da Ignição 8.2.4. Qualidade da Faísca 8.2.5. Riqueza da M is tu ra 8.2.6. Nívd de Preparação da Mistura 8.2.7. Carga e Velocidade do Motor 8.2.8. Temperatura. Pressão e Humidade do Ar 8.2.9. Características do Combustível 8.3. Câmaras de Combustão nos Motores de IC 8.3. I. Câmaras em '" L"" e em ··T" (de válvulas laterais) 8.3.2. Câmara de Turbulência o u de "Ricardo'" 8.3.3. Câmara em Banheira 8.3.4. Câmara e m Cunha ou Triangu lar 8.3.5. Câmara He mi s férica 8.3.6. Câmara Trnpezoidal ou "Sem Câmara" 8.3.7. Câmara ou Pistão 8.3.8. Câmara de 4 V:llvulas "Telhado de Alpendre" (pent-roof) 8.3.9. Câmara de 4 Válvulas Radiais 8.3. I O. Câmaras com mai s de 4 Válvulas 8.4. Combustão Anormal 8.4.1. Pré- Ignição (ig ni ção~ superfície ) 8.4.2. Auto- lg niç1\o 8.4.3. " Knock" (grilar) 8.4.3.1. De tonação 8.4.4. Parâmet ros Relativos ao "Knock" 8.4.4. 1. Avanço da ignição 8.4.4.2. Combustível 8.4.4.3. Taxa de compressão 8.4.4.4. Turbulência 8.4.4.5. Carga imposta 8.4.4.6. Riqueza da mistura 8.4.4.7. Velocidade do motor 8.4.4.8. Temperatura e pressão de admissão 8.4.4 .9. Temperatura do mo tor 8.4 .4. I O. C5mar a de combus tão 8.4.4. 11 . Prepar ação da mistura 8.4.4. 12. Recirculação de gases de escape (EGR) 8.4.5. Índice de Octano 8.4.5. 1. Outras cond ições que o rigi nam alterações de /O req uerido por um motor 8.4.5.2. Combust íveis 8.4.6. "Rateres" ("backfire") 8.5. Combustão nos Motores de Ign ição nos Motores de Ig nição por Compressão (IPC) 8.5. 1. Características da Combustão 8.5 .2. Preparação da Mistura 8.5.3. T ipo de Combustão 8.5.4. Combustíveis 8.5.5. As fa ses da Combust ão nos Motores de IPC 8.5.5 . 1. Atraso da in flamação

252 25.t 254 254 255 256 256 257 258 259 259 260 260

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Indico

Motores de Combustão lnt1rn1

7.3. 7 .4. 7.5.

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7 .2.6. Temperat ura de Auto- Ignição 7.'2.7. Temperatura Adiabá1ica de Chama 7 .2.8. Poder Calorífico 7 .2.9. Produção .de CO, Gasolina 7 .3. J. Índice de Oct ano Gasóleo Out ros Combustíveis 7 .5. 1. Combustíveis Gasosos 7.5. 1. 1. Gases de petróleo liquefeitos (GPL - LPGJ 7.5. 1. 2. G'ís natural 7.5. 1.3. Hidrogénio 7 .5.2. Álcoo is, Étcres e outros Oxigenados 7.5.2. 1. Álcoois 7.5.2.2. Éteres 7 .5.2.3. Ácidos goTdos (gorduras) 7.5.2.4. Ésteres (biodiesel ) 7.5.2.5. Esteq uiometria da combus tão 7.5.2.6. Pressão de vapor 7 .5.2. 7. Ca lor latente de vaporização 7.5.2.8. Solubilidade 7 .5.2.9. Flash poi nt 7.5.2. 10. Índice de octano (/0) 7.5.2. 1 1. Pré-ignição 7.5.2. 12. Potenc ial de emissão de poluentes 7.5.2.13. Reformação do metanol 7.5.2. 14. Corrosão 7.5.2. 15. Segurança 7.5.2. 16. N itrometano 7.5.3. Combus tíveis Inv ul gares 7.5.3. 1. Acet ile no e amoníaco 7.5.3.2. Combustíveis q ue fo rneçam mais potência 7 .5.4 . Combus t íveis Sintét icos 7.5.5. Carvão (emulsão - "slurry") 7 .5 .6. Óxido Nitroso Ó leos Lubrificantes 7 .6.1. Testes e Propriedades dos Óleos 7.6.2. Óleos Sinté ticos 7 .6.3. Classificação dos Óleos Lubrificantes para Motores 7 .6.4. Outras Propriedades

Capítulo 8 COMBUSTÃO NOS MOTORES 8. 1. Combustão nos Motores de Ignição Comandada ( IC) 8. 1 . 1. Caracterização da Combustão Normal 8.2. Par5metros da Combustão nos Motores de IC 8.2.1. Turbulência 8.2.2. Taxa de Compressão

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2 11 2 12 2 13 2 15 2 17

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8.2.3. Avanço da Ignição 8.2.4. Qualidade da Faísca 8.2.5. Riqueza da M is tu ra 8.2.6. Nívd de Preparação da Mistura 8.2.7. Carga e Velocidade do Motor 8.2.8. Temperatura. Pressão e Humidade do Ar 8.2.9. Características do Combustível 8.3. Câmaras de Combustão nos Motores de IC 8.3. I. Câmaras em '" L"" e em ··T" (de válvulas laterais) 8.3.2. Câmara de Turbulência o u de "Ricardo'" 8.3.3. Câmara em Banheira 8.3.4. Câmara e m Cunha ou Triangu lar 8.3.5. Câmara He mi s férica 8.3.6. Câmara Trnpezoidal ou "Sem Câmara" 8.3.7. Câmara ou Pistão 8.3.8. Câmara de 4 V:llvulas "Telhado de Alpendre" (pent-roof) 8.3.9. Câmara de 4 Válvulas Radiais 8.3. I O. Câmaras com mai s de 4 Válvulas 8.4. Combustão Anormal 8.4.1. Pré- Ignição (ig ni ção~ superfície ) 8.4.2. Auto- lg niç1\o 8.4.3. " Knock" (grilar) 8.4.3.1. De tonação 8.4.4. Parâmet ros Relativos ao "Knock" 8.4.4. 1. Avanço da ignição 8.4.4.2. Combustível 8.4.4.3. Taxa de compressão 8.4.4.4. Turbulência 8.4.4.5. Carga imposta 8.4.4.6. Riqueza da mistura 8.4.4.7. Velocidade do motor 8.4.4.8. Temperatura e pressão de admissão 8.4.4 .9. Temperatura do mo tor 8.4 .4. I O. C5mar a de combus tão 8.4.4. 11 . Prepar ação da mistura 8.4.4. 12. Recirculação de gases de escape (EGR) 8.4.5. Índice de Octano 8.4.5. 1. Outras cond ições que o rigi nam alterações de /O req uerido por um motor 8.4.5.2. Combust íveis 8.4.6. "Rateres" ("backfire") 8.5. Combustão nos Motores de Ign ição nos Motores de Ig nição por Compressão (IPC) 8.5. 1. Características da Combustão 8.5 .2. Preparação da Mistura 8.5.3. T ipo de Combustão 8.5.4. Combustíveis 8.5.5. As fa ses da Combust ão nos Motores de IPC 8.5.5 . 1. Atraso da in flamação

252 25.t 254 254 255 256 256 257 258 259 259 260 260

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279 279 28 1 28 1 28 1

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Motores do Combustlo Interna

8.5.5.2. Combustão explosiva (cinética) 8.5.5.3. Combustão progressiva (d ifus iva) 8.5.5.4. Combustão por difusão 8.6. Parâmetros d:i Combustào no Motores de IPC 8.6.1. Sistema de lnjecção 8.6.1.1. Atomização 8.6.1.2. Penetração do "spray"' 8.6.1.3. Di stribuiçào dos tamanhos das gotas 8.6. l.4. Avanço da injecção 8.6.1.5. Carga ou quantidade de massa i njectada 8.6.2. Turbulência 8.6.3. Taxa de Compressão 8.6.4. Combust íveis 8.6.5. Out ros Parâmetros 8.6.5.1. Pressào e temperaturas de admissão 8.6.5.2. Sobreal imentação 8.6.5.3. Velocidade do motor 8.6.6. Câmaras de Combustão dos Motores de IPC 8.6.6.1. Câmaras de injecção di recta 8.6.6.2. Câmaras de injecção i ndirecta 8.7. Variabil idade da Combustão 8.7.1. Valores Experimentais de VAR,,.; 8.8. Motores com Diferentes Processos de Combustão 8.8. l. Motores de Carga Estrati fi cada 8.8.1. 1. Motor Honda CVCC 8.8. l. 2. lnjccção directa 8.8.2. CA I ("Controlled Auto l gnition") 8.8.3. Motores HCCI ( Homogeneous Charge Compression l gnition)

283 283 28-1 28-1 28-1 286 286 287 288 288 288 289 289 290 290 290 290 290º 291 292 293 294 295 295 296 297 298 300

Capítulo 9 PRODUÇÃO E ELIMINAÇÃO DE POLUENTES 9. 1. Introdução 9.2. Legislação Europeia 9.2. 1. Dados His tóricos 9.2.2. Legislação Europeia Actual (automóveis) 9.2.3. Legis lação Europeia Actual (pesados) 9.3. Poluentes 9.3.1. Proveniência dos Poluentes 9.3. l. l. Motores de ign ição comandada 9.3.1.2. Motores de ignição por compressão 9.3. 1.3. Fontes de poluentes na Europa 9.3.2. Toxicidade dos Poluentes 9.4. Mecanismo de Formação de Poluentes 9.4. 1. Óxidos de Azoto 9.4.2. Monóxido de Carbono 9.4.3. Hidrocarbonetos não Queimados 9.4.4. Partículas ou Fumo 9.5. Soluções para o Problema

303 303 306 307 308 31 1 312 312 312 31 4 314 315 316 316 318 319 320 322

xii

._ )

indico

9.5.1. Soluções Iniciais 9.5.1.1. Legislação federal do Es tados Unidos 9 .5.2. Motores de Carga Estratificada 9 .5.3. Catal isador de Triplo Efei to. Sonda À. ·'Closed-Loop'" e l nj. Electrónica 9.5.3.1. Reacções no catalisador 9.5.4. Motores de Queima Pobre 9.5.5. Motores Diesel 9.5.5.1. Catalisadores de oxidação 9.5.5.2. Redução selecti va de NO, 9.5.5.3. Adsorção de NO< 9.5.5.4. EGR (recirculação dos gases do escape) 9.5.5.5 . Conteúdo de enxofre do combustível 9.5.5 .6. Número de válvulas 9.5.5. 7. Turbulência 9.5.5.8. Avanço da injecção 9.5.5.9. Pressão de injecção 9.9.5 . 10. Componentes 9.9.5. 11. Turbo-compressores e "inter-coolers·· 9.9.5 . 12. Fi ltros de partíc ulas 9.9.5.13. Sis temas de injecção 9.6. Motores a 2 Tempos 9.7. "On-Board Diagnostics" - OBD 9 .7. 1. OBD 1 e OBD li 9.7 .2. Funcionamento 9.7 .3. Códigos 9.7.4. Análise ao Catalisador 9.8. Síntese

323 325 326 326 327 329 329 329 330 330 330 33 1 331 332 332 332 333 333 334 335 336 337 338 339 340

Capítulo 10 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMENTO E CÁLCULO 10. 1. Rendimentos 10. 1.1. Re ndimento de Combustão 10.1.1. l. Dissociação 10 . 1. 1.2. Preparação da mistura 10. 1.1.3. Turbulênci a 10 . 1. 1.4 . Modelo de libertação de calor 10. 1. 1.5. Cálculo da taxa de libertação de calor 10. 1.2. Rendimen to Adiabático 10. 1.2. 1. Transfe rência de ca lor para as paredes da câmara de combustão 10. 1.2.2. Motores adiabáticos 10. 1.2.3. lnflu!ncia das cond ições de funcio namento 10.1.3. Rendimento teórico 10.1 .4. Rendimento Re lativo às Propriedades dos Fluidos 10. 1.4 . 1. Riqueza da mistura 10. 1.4 .2. Calor específico do ar 10. 1.4.3. Propriedades dos gases inte rvenientes 10.1.5. Rendimento Incrente 10. 1.5. 1. Cálculo da t ransferência de calor num motor

341 34 1 342 344 344 344 345 347 347 348 349 350 351 352 353 353 355 356 358

322 322

xm

Motores do Combustlo Interna

8.5.5.2. Combustão explosiva (cinética) 8.5.5.3. Combustão progressiva (d ifus iva) 8.5.5.4. Combustão por difusão 8.6. Parâmetros d:i Combustào no Motores de IPC 8.6.1. Sistema de lnjecção 8.6.1.1. Atomização 8.6.1.2. Penetração do "spray"' 8.6.1.3. Di stribuiçào dos tamanhos das gotas 8.6. l.4. Avanço da injecção 8.6.1.5. Carga ou quantidade de massa i njectada 8.6.2. Turbulência 8.6.3. Taxa de Compressão 8.6.4. Combust íveis 8.6.5. Out ros Parâmetros 8.6.5.1. Pressào e temperaturas de admissão 8.6.5.2. Sobreal imentação 8.6.5.3. Velocidade do motor 8.6.6. Câmaras de Combustão dos Motores de IPC 8.6.6.1. Câmaras de injecção di recta 8.6.6.2. Câmaras de injecção i ndirecta 8.7. Variabil idade da Combustão 8.7.1. Valores Experimentais de VAR,,.; 8.8. Motores com Diferentes Processos de Combustão 8.8. l. Motores de Carga Estrati fi cada 8.8.1. 1. Motor Honda CVCC 8.8. l. 2. lnjccção directa 8.8.2. CA I ("Controlled Auto l gnition") 8.8.3. Motores HCCI ( Homogeneous Charge Compression l gnition)

283 283 28-1 28-1 28-1 286 286 287 288 288 288 289 289 290 290 290 290 290º 291 292 293 294 295 295 296 297 298 300

Capítulo 9 PRODUÇÃO E ELIMINAÇÃO DE POLUENTES 9. 1. Introdução 9.2. Legislação Europeia 9.2. 1. Dados His tóricos 9.2.2. Legislação Europeia Actual (automóveis) 9.2.3. Legis lação Europeia Actual (pesados) 9.3. Poluentes 9.3.1. Proveniência dos Poluentes 9.3. l. l. Motores de ign ição comandada 9.3.1.2. Motores de ignição por compressão 9.3. 1.3. Fontes de poluentes na Europa 9.3.2. Toxicidade dos Poluentes 9.4. Mecanismo de Formação de Poluentes 9.4. 1. Óxidos de Azoto 9.4.2. Monóxido de Carbono 9.4.3. Hidrocarbonetos não Queimados 9.4.4. Partículas ou Fumo 9.5. Soluções para o Problema

303 303 306 307 308 31 1 312 312 312 31 4 314 315 316 316 318 319 320 322

xii

._ )

indico

9.5.1. Soluções Iniciais 9.5.1.1. Legislação federal do Es tados Unidos 9 .5.2. Motores de Carga Estratificada 9 .5.3. Catal isador de Triplo Efei to. Sonda À. ·'Closed-Loop'" e l nj. Electrónica 9.5.3.1. Reacções no catalisador 9.5.4. Motores de Queima Pobre 9.5.5. Motores Diesel 9.5.5.1. Catalisadores de oxidação 9.5.5.2. Redução selecti va de NO, 9.5.5.3. Adsorção de NO< 9.5.5.4. EGR (recirculação dos gases do escape) 9.5.5.5 . Conteúdo de enxofre do combustível 9.5.5 .6. Número de válvulas 9.5.5. 7. Turbulência 9.5.5.8. Avanço da injecção 9.5.5.9. Pressão de injecção 9.9.5 . 10. Componentes 9.9.5. 11. Turbo-compressores e "inter-coolers·· 9.9.5 . 12. Fi ltros de partíc ulas 9.9.5.13. Sis temas de injecção 9.6. Motores a 2 Tempos 9.7. "On-Board Diagnostics" - OBD 9 .7. 1. OBD 1 e OBD li 9.7 .2. Funcionamento 9.7 .3. Códigos 9.7.4. Análise ao Catalisador 9.8. Síntese

323 325 326 326 327 329 329 329 330 330 330 33 1 331 332 332 332 333 333 334 335 336 337 338 339 340

Capítulo 10 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMENTO E CÁLCULO 10. 1. Rendimentos 10. 1.1. Re ndimento de Combustão 10.1.1. l. Dissociação 10 . 1. 1.2. Preparação da mistura 10. 1.1.3. Turbulênci a 10 . 1. 1.4 . Modelo de libertação de calor 10. 1. 1.5. Cálculo da taxa de libertação de calor 10. 1.2. Rendimen to Adiabático 10. 1.2. 1. Transfe rência de ca lor para as paredes da câmara de combustão 10. 1.2.2. Motores adiabáticos 10. 1.2.3. lnflu!ncia das cond ições de funcio namento 10.1.3. Rendimento teórico 10.1 .4. Rendimento Re lativo às Propriedades dos Fluidos 10. 1.4 . 1. Riqueza da mistura 10. 1.4 .2. Calor específico do ar 10. 1.4.3. Propriedades dos gases inte rvenientes 10.1.5. Rendimento Incrente 10. 1.5. 1. Cálculo da t ransferência de calor num motor

341 34 1 342 344 344 344 345 347 347 348 349 350 351 352 353 353 355 356 358

322 322

xm

lodice

Motores de Combustl o lnlern1

10.2. 10.3. 10.4.

10.5.

10. 1.5.2. Calor ( latentt:J da 'apori1.ação do combu,ti\'cl 1O.1.6. Eficiência da Bo mbagem 10. 1.6.1. Passagem nas ,-ál ,·ulas 10. 1.6.2. Nümero de Mach e Índice de Mach 10. 1.6.3. Prc>sào média d e bombagem 10. 1.6..1. Ga,es rc1'iduai~ 10 . 1.6.5. Passagem na vál \'ula limitadora do ar (acelerndor) 1O.1. 7. Rendimento Mecânico 10.1.7.1. Pi stão. ~egmento s e ci lindro 10.1. 7 .'.L Ch umaceiras 10. 1.7.3. S istenrn de distribuição 10. 1.7.4. Acessór ios 10.1.7.5 . At rito toia l l 0.1. 7 .6. Medição das perdas d e atrito 10. 1.8. Efic iência Vo lumétrica l 0. 1.8. l. Mode los de cálculo do> flux os de g:ís no motor 10. 1.8.2 . Efeito de sin tonia e ine rcial d os gases de admissão e escape 10.1.8.3. Cálc ul o de escape do motor a 2 lempos 10. 1.8.4. Calo r latente de vaporização do combust ível 10.1.8.5. Temperatura d o motor Balanço de Energia do Mo to r Cálc ulo da Energia Descarregada nos Gases do Escape Cálculo da Riqueza da Mistu ra 10.4. 1. Métodos de Cálculo 10.4.1. 1. Shell -Thorn ton 1 10.4.1.2. Shell-Thornto n li 10.4.1.3. Equação de Spindt 10.4.2. Riqueza d a Mis tura (sào média d e bombagem 10. 1.6..1. Ga,es rc1'iduai~ 10 . 1.6.5. Passagem na vál \'ula limitadora do ar (acelerndor) 1O.1. 7. Rendimento Mecânico 10.1.7.1. Pi stão. ~egmento s e ci lindro 10.1. 7 .'.L Ch umaceiras 10. 1.7.3. S istenrn de distribuição 10. 1.7.4. Acessór ios 10.1.7.5 . At rito toia l l 0.1. 7 .6. Medição das perdas d e atrito 10. 1.8. Efic iência Vo lumétrica l 0. 1.8. l. Mode los de cálculo do> flux os de g:ís no motor 10. 1.8.2 . Efeito de sin tonia e ine rcial d os gases de admissão e escape 10.1.8.3. Cálc ul o de escape do motor a 2 lempos 10. 1.8.4. Calo r latente de vaporização do combust ível 10.1.8.5. Temperatura d o motor Balanço de Energia do Mo to r Cálc ulo da Energia Descarregada nos Gases do Escape Cálculo da Riqueza da Mistu ra 10.4. 1. Métodos de Cálculo 10.4.1. 1. Shell -Thorn ton 1 10.4.1.2. Shell-Thornto n li 10.4.1.3. Equação de Spindt 10.4.2. Riqueza d a Mis tura (pecífica

s _re lação de esca la entre motores(-) - CapA

C5

1cmpo f'-l T - 1cmpcra1u ra ( K ou ºC J T - número de tempos do motor - Cap.4 V-e ne rg ia interna (JJ 1 - 'elocidade (m/s) V - volume (m"J v- velocidade méd ia (m/s) l i ' - 1rabalho (J) IV - po1ência ( W) t - fr:acç:lo molar ou mássica (-) z - conccntraçlio de CO nos gases de escape (-) - Cap.6 z - índ ice de Mach (-)

a pre,sào constan te (J/kg·K) consumo e'pecífico (g/kW·h1 e, - capacidade calorífica e'pecífica a volume con>tantc (J/kg·K) d - diâmetro da ha~tc da válvula (m m ) - Cap. I O D - diâmetro do cilindro 1mi e - eficiência(-) f - coeficiente de atrito(-) /' - fracção de calor fornecido (-) F - força (N) h - coeficiente de transfe rênc ia de calor (W/m'· K) h - fracção de hidrogénio no combustível(-) - Cap.6 H - en1alpia (J ) I - inércia (kg·m'J I - índice de rotaciona lidade ("swirl"' ou .. tumble"') (-) - Cap. I O k - condut ibilidade térmica (W/m·K) k - concen1ração de CO, nos gases de e scape (-) - Cap.6 1 - comprimen to da biela (m) 1- fracção de lastro no combustível(-) - Cap.6 L - di stancia (m) m - massa (kg) caudal mássico (kg/s) M - massa molar (kg/kmol) M- número de Mach (-) n - número de ci 1indros (-) n - constante (-) - Cap. I O N - nº de moles (kmo l) N - velocidade de rotação (rot/s) -

m-

Nu - número de Nusselt (Nu= hkl ) (-) o- fracção de oxigénio no combustível ( -) - Cap.6.3 o - concentração de o, nos gases de escape (-) - Cap.6.3.2 OIF - relação mássica oxigénio-combus tível p - pressão (Pa) proa - pressão média de a tri to (kPa) pme - pressão média efectiva (bar) pmi - pressão méd ia indicada (bar) Q - poder calorífico de um combustível (J/kg ou MJ/kg) Q - calor (J) - Cap.3 R - constante específica de um gás [J/(kg· K)] R - raio da cambota (=012) ( m)

(

pvL) (-)

Re - número de Reynolds Re=µ

1-

LETRAS GREGAS f3 -

quocienle entre pressões

(,8 = .& )[-] Pi

f3 -

ângulo de corte da válvu la(º) - Cap. I O /j - relação de combustão a pressão constante (-1 LI - diferença E' - 1axa de compressão

efl- riqueza da mis tura (~=

(fr-t fr- )(-)

y- quociente ent re capacidades caloríficas (-) 1) -

rendimento (-)

À-

coeficiente de excesso de ar ( Â.

(J, )(-)

=

/ F..,

µ - viscos idade (Pa.s) 1C = 3.141591-l 6- ângulo de cambota(º) - Cap.10 6 - ângulo de cambota (rad) - Cap.1 1 6- ângu lo (rad) - Cap.4 p - massa volúmica (kg/m 1 ) C1 - relação de expansão (-] w - aceleração angular ( rad/s') D - velocidade de rotação (rad/s) T '1' - relação de combustão a volume constante do ciclo misto ('I' =!2.=-1..) [-)

Pi

Ti

s - di stânc ia entre pi stão e cambota (m) - Cap.4

xviii

xlx

-

Motores dt Combusllo Interna ~~~~~~~~~~

C' 0

-

codicicnte de descarga referido i1 área da dlvula ( 1í

~,;)

l rn ' 1

Glossário de Símbolos e Termos

s - fracç ão de enxofre (- l - Cap.6 S - entropia IJ/K 1

cr - capacidade calorífica e>pecífica

s _re lação de esca la entre motores(-) - CapA

C5

1cmpo f'-l T - 1cmpcra1u ra ( K ou ºC J T - número de tempos do motor - Cap.4 V-e ne rg ia interna (JJ 1 - 'elocidade (m/s) V - volume (m"J v- velocidade méd ia (m/s) l i ' - 1rabalho (J) IV - po1ência ( W) t - fr:acç:lo molar ou mássica (-) z - conccntraçlio de CO nos gases de escape (-) - Cap.6 z - índ ice de Mach (-)

a pre,sào constan te (J/kg·K) consumo e'pecífico (g/kW·h1 e, - capacidade calorífica e'pecífica a volume con>tantc (J/kg·K) d - diâmetro da ha~tc da válvula (m m ) - Cap. I O D - diâmetro do cilindro 1mi e - eficiência(-) f - coeficiente de atrito(-) /' - fracção de calor fornecido (-) F - força (N) h - coeficiente de transfe rênc ia de calor (W/m'· K) h - fracção de hidrogénio no combustível(-) - Cap.6 H - en1alpia (J ) I - inércia (kg·m'J I - índice de rotaciona lidade ("swirl"' ou .. tumble"') (-) - Cap. I O k - condut ibilidade térmica (W/m·K) k - concen1ração de CO, nos gases de e scape (-) - Cap.6 1 - comprimen to da biela (m) 1- fracção de lastro no combustível(-) - Cap.6 L - di stancia (m) m - massa (kg) caudal mássico (kg/s) M - massa molar (kg/kmol) M- número de Mach (-) n - número de ci 1indros (-) n - constante (-) - Cap. I O N - nº de moles (kmo l) N - velocidade de rotação (rot/s) -

m-

Nu - número de Nusselt (Nu= hkl ) (-) o- fracção de oxigénio no combustível ( -) - Cap.6.3 o - concentração de o, nos gases de escape (-) - Cap.6.3.2 OIF - relação mássica oxigénio-combus tível p - pressão (Pa) proa - pressão média de a tri to (kPa) pme - pressão média efectiva (bar) pmi - pressão méd ia indicada (bar) Q - poder calorífico de um combustível (J/kg ou MJ/kg) Q - calor (J) - Cap.3 R - constante específica de um gás [J/(kg· K)] R - raio da cambota (=012) ( m)

(

pvL) (-)

Re - número de Reynolds Re=µ

1-

LETRAS GREGAS f3 -

quocienle entre pressões

(,8 = .& )[-] Pi

f3 -

ângulo de corte da válvu la(º) - Cap. I O /j - relação de combustão a pressão constante (-1 LI - diferença E' - 1axa de compressão

efl- riqueza da mis tura (~=

(fr-t fr- )(-)

y- quociente ent re capacidades caloríficas (-) 1) -

rendimento (-)

À-

coeficiente de excesso de ar ( Â.

(J, )(-)

=

/ F..,

µ - viscos idade (Pa.s) 1C = 3.141591-l 6- ângulo de cambota(º) - Cap.10 6 - ângulo de cambota (rad) - Cap.1 1 6- ângu lo (rad) - Cap.4 p - massa volúmica (kg/m 1 ) C1 - relação de expansão (-] w - aceleração angular ( rad/s') D - velocidade de rotação (rad/s) T '1' - relação de combustão a volume constante do ciclo misto ('I' =!2.=-1..) [-)

Pi

Ti

s - di stânc ia entre pi stão e cambota (m) - Cap.4

xviii

xlx

Motores de Combustlo Interne

ÍNDICES

Gloss6rio do Símbolos e Termos

rct - retida 5 - .. sw irl ..

O - início a - acrial: aproveit ado (calor). ar, a1ri10 "'' - árvore de camcs

ad - admissão ap - apoio ~1r - ar nrr - arrefecimenlo

B - bombagem C- combu st ão

e - combuslão , compressão, cilindro, relativo à ci l indrada cc - câmara de combus tão D - Diese l (molor) e - escape. efecti vo E - entrada esc - escape est - es1equ iomé1rico esteq - estequiomé1rico f - combusiíve l F - fri o g - geométrica ge - gases de escape i - indicado, infe rior l - ine rente TC- ignição comandada (motor de) j - ju sa nte m - moniante, médio M - mecânico; do motor, relativo a massa max - máxi mo med - média mist - mistura mo - moe nte MT - máquina térmica oh - oscil ante hidrodinamico om - oscilante mis lo opt - óptimo p - a pressão constante p - pe rdas , pist ão, produ tos de combustão P - referente às propriedades do fluido pi - inferior a pressão constanle (refe re nte a poder calorífi co) PMI - ponto morto inferi or PMS - po nto morto superi or Q - quente R - resistente real - da reacção que acontece real me nte rest - restante

""

s -sede (da válvula). seco, s upe ri or S - eguidor plano ·' ' - s.:guidor de rolamento 1 - teórico T- total 101- total turb - turbulência 1• - a volume constanle, válvula v - varrido (vo lum e varrido) V - relali vo ao volume vol - volumétrica

GLOSSÁRIO DE TERMOS (siglas e palavras inglesas, francesas e portuguesas) AIF - re lação a r-combu stível (em massa) biodiesel - és ter de óleo vegetal biogás - gás proveniente de decomposiç ão de matéria orgânica rico em metano b/ower - ventil ador boost - sobre-pressão originada por sobrealime ntação do motor borboleta - válvula (circ ular que se move angularmente) restri tora da entrada de ar para o colector de admi ssão by-pass - passagem alte rn at iva e - átomo de carbono C/H - re lação entre o número de á tomos de carbono e de hidrogénio choke - válvu la restritora da entrada de ar para o carburador, enriquecendo assim a mistura Cll - índice de cetano calc ulado closed-loop - co nt rolo em " malha fechada" CNG (compressed natural gas) - gás natural comprimi do common-rail - sistema de injecção (motores Diesel) no qual uma conduta fornece o combustível a pressão constante a vários injectores CPU (central processing un it) - controlador electrónico cracking - processo químico de "divisão" de cadeias de hidrocarbonet os cross-flow - culassa com a entrada da admissão e saída do escape e m lados opostos cruzeta - peça com movimen to de t rans lação interposta entre pis tão e biela cu/assa - cabeça do motor cu toff rntio - duração da inj ecção no cic lo Diese l Cv - cavalo vapor (equivale nte ao fran cês eh ou ao al e mão PS) DeNOx - catali sadores que reduze m o teor dos NOx detonação - denominação i ncorrecta de knock (combustão anormal ) DI - injecção directa (motores Diesel) DLC (diagnostic link connector) - ligação para diagnóst ico (sistemas OBD)

JUC i

Motores de Combustlo Interne

ÍNDICES

Gloss6rio do Símbolos e Termos

rct - retida 5 - .. sw irl ..

O - início a - acrial: aproveit ado (calor). ar, a1ri10 "'' - árvore de camcs

ad - admissão ap - apoio ~1r - ar nrr - arrefecimenlo

B - bombagem C- combu st ão

e - combuslão , compressão, cilindro, relativo à ci l indrada cc - câmara de combus tão D - Diese l (molor) e - escape. efecti vo E - entrada esc - escape est - es1equ iomé1rico esteq - estequiomé1rico f - combusiíve l F - fri o g - geométrica ge - gases de escape i - indicado, infe rior l - ine rente TC- ignição comandada (motor de) j - ju sa nte m - moniante, médio M - mecânico; do motor, relativo a massa max - máxi mo med - média mist - mistura mo - moe nte MT - máquina térmica oh - oscil ante hidrodinamico om - oscilante mis lo opt - óptimo p - a pressão constante p - pe rdas , pist ão, produ tos de combustão P - referente às propriedades do fluido pi - inferior a pressão constanle (refe re nte a poder calorífi co) PMI - ponto morto inferi or PMS - po nto morto superi or Q - quente R - resistente real - da reacção que acontece real me nte rest - restante

""

s -sede (da válvula). seco, s upe ri or S - eguidor plano ·' ' - s.:guidor de rolamento 1 - teórico T- total 101- total turb - turbulência 1• - a volume constanle, válvula v - varrido (vo lum e varrido) V - relali vo ao volume vol - volumétrica

GLOSSÁRIO DE TERMOS (siglas e palavras inglesas, francesas e portuguesas) AIF - re lação a r-combu stível (em massa) biodiesel - és ter de óleo vegetal biogás - gás proveniente de decomposiç ão de matéria orgânica rico em metano b/ower - ventil ador boost - sobre-pressão originada por sobrealime ntação do motor borboleta - válvula (circ ular que se move angularmente) restri tora da entrada de ar para o colector de admi ssão by-pass - passagem alte rn at iva e - átomo de carbono C/H - re lação entre o número de á tomos de carbono e de hidrogénio choke - válvu la restritora da entrada de ar para o carburador, enriquecendo assim a mistura Cll - índice de cetano calc ulado closed-loop - co nt rolo em " malha fechada" CNG (compressed natural gas) - gás natural comprimi do common-rail - sistema de injecção (motores Diesel) no qual uma conduta fornece o combustível a pressão constante a vários injectores CPU (central processing un it) - controlador electrónico cracking - processo químico de "divisão" de cadeias de hidrocarbonet os cross-flow - culassa com a entrada da admissão e saída do escape e m lados opostos cruzeta - peça com movimen to de t rans lação interposta entre pis tão e biela cu/assa - cabeça do motor cu toff rntio - duração da inj ecção no cic lo Diese l Cv - cavalo vapor (equivale nte ao fran cês eh ou ao al e mão PS) DeNOx - catali sadores que reduze m o teor dos NOx detonação - denominação i ncorrecta de knock (combustão anormal ) DI - injecção directa (motores Diesel) DLC (diagnostic link connector) - ligação para diagnóst ico (sistemas OBD)

JUC i

Glosdrlo de Símbolos e Termos

Motores de Combustlo lntern• - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

pop orr ,.,,,..., - vülvula limi1adora da pressão de admissão num turbo-compressor pour point - temperatura a partir da qual uma sub,tância come ça a '"escorrer.. rn/.:nri - motor fun cionando sem carga resistente r:im-pip.: - condu1a~ de admissão estudadas para o r iginarem efeitos de ressonància e/ou de iné rcia no

DME - éter dimetílico DOHC (double crhead camshaft) - dupla :ín·ore de carnes à cabeça down.ada e;1equiomt!tric11 (mistura) - mis1ura que. aquando da sua combus1ão. usa todo o ar para que imar iodo o combustível

r:11.:rc - (cm

en~rg)

ingl~s ... backfire .. )

comhu •tão na conduta de e;cape ou de admissão

RGE - recircu lação de gases de escape RON (rescarch oclane number) - índice de octano .. research ..

Euro li. Ili. IV e V- limites europeus de emissões de poluentes Fi.20: 1) nos motores Di ese l, mas para garantir a s uavidade o s co nstrutores têm bai xado deste va lor.

2.2.2.2 Sistemas de jojecção

A base de uma boa comb us tão prende-se com a maneira como o combustível é injectado. Assim, tem-se visto u ma gra nde evolução nos últimos anos, desde a simples bomba injectora (ut ilizada desde os anos 30) até aos sofis ticados sistemas e lectró nicos de injecção, que têm aparecido no mercado con trolando os injec tores-bomba e os sistemas de "common-rail". A necessidade destes sistemas advém da necessidade e m iniciar e acabar a injecção em pontos dete r minados, de variar o ca udal d e combust íve l ao longo da injecção e de prod uzi r pré e pós injecções. Desta maneira consegue-se utilizar injecção directame nte na câmara de combustão sem incorrer em problemas de não s uavidade e d e e missão de poluen tes e fumos. Os recentes avanços na tecnologia dos mo tores diesel assentou no desenvo lvimento de sistemas e lectrónicos de injecção directa, u sando pressões e levadíss imas (- 2000 bar) d e modo a melhorar a pre paração da mistu ra por pulve r ização.

31

1

Motores de Co mbustão Interna

- - - - - - - - - - - - · - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -C_, ap. 2: Hist6rla das M6qulnas Ttrmicas

2.2.1.6 Outras áreas de evolução

O uso de sobrealimentação é actualmente universal nos automóveis. pois esta técnica quase só tem benefícios. Com a sobrealimentação e com os no,·os siste ma s de injecção. os motores Diesel evoluíram ao nível da suav idade. ruído e principalmen te prestações. sendo actua lmente tanlo ou ma is performantes que motores a gasolina com a mesma cilindrada. pelo que são mesmo usados em carro' de cariz de~portivo. Os turbo compressores dos motores recen1es s5o. geralmente. de geometria variável. de modo a produzirem mel hor resposta (redução do chamado "turbo- lag .. ) e maiore~ pressões de a limentação.

Durante a dt:cada de 80 ass1st1u-se a uma .. corrida·· aos motores turbo-comprimidos. em re,pos ta à .. moda·· criada pelos motores d e Fórmula 1 e de CART-INDY. Me s mo que não muito eficiente para automóveis do dia- a-dia. esta solução tornou -se popular. mas foi sendo abandonada no final dos anos 80. Em ~ua substitui ção apareceram motores com soluções mais convencionai s (por exemplo multiválvulas). mas mu ito mai s elaborados. Actua lmente o uso de turbo-compressores em motores de ignição comandada está relegado para alguns automóveis desport ivos. Os compressores volumétricos ligado, à cambota têm ainda um .. nic ho·· de mercado. geralmente nos carros mais desportivos dos const rutores de veículos luxuosos. Nas dua s últimas décadas tem-se v isto o recu rso a motores de 3. 4 e mais vá lvulas por cilindro no in tuito de me lh orar as s uas prestações. A passagem de 2 para 3 ou 4 vá l vulas implica uma perda de suav idade a bai xas rotações mas ofe rece ganhos aprec iáveis a médios e altos regimes, permitindo red uzir a cilindrada, mantendo os va lores de potência e b inário. Actualmente o número de modelos com mo tores " multi válv ul as" é superior aos tradicionais 2vál vu las-por-ci 1indro. Para o futuro prevê-se a adopção de injecção directa na maioria dos motores, pois es te sistema permite o controlo da combustão e assim a minimização da produção de poluentes e do cons umo de combustíve l. Actualmente os s iste mas d e injecção directa existentes somente usam o se u potencial em rotações e cargas bai xas. pelo que ainda têm um e levado potencial para evolução. Um outro campo de evolução que permitirá baixar significativamente os co nsumos é a variação de abertura de válv ulas (eli mi nando a válvula do acelerador) e a variação da taxa de comp ressão.

2.2.2. Motor Diesel Este tipo de motor uti li za -se na quase tota lid ade dos veíc ul os rodoviário s pesados. e m nav ios e e m algumas instalaçõe s es tac io ná ri as de potênc ia e locomot ivas, mas o s eu uso e m automóveis é agora mui to im portan te , mercê das importantes evol uções que nele tê m sido rea li zadas. No que respeita aos gases po luentes produzidos, trata-se de um motor menos po lu en te que o a gasolina, mas o facto de produzir partículas (fumo) e os NOx não poderem ser elimi nados eficazm e nte por sistemas catalíti cos no escape, têm obri gad o a grandes in vestimentos e m desenvolvimento (muito s uperiores ao motor a gasol ina) de modo a aj us tar-se às ex igen tes legislações de anti-poluição. Da mesma fo r ma que o motor de ignição comandada, a relação curso/diâmetro destes motores tem vindo a ba ixar ao lo ngo dos anos, sendo contudo ligeiramente superior à unid ade. A velocidade máx ima tem sido aumentada, na busca de e levadas potênc ias e da s ua utilização numa gama larga de rotaçõe s, embora a passagem dos motores de cãmara auxiliar para os de injecção direc ta tenha reduzido a sua velocidade.

30

Os motores de elevada potência (superior a 2000 kW) não têm tido u m desenvolvi mento tão ráp ido como os de utilização rodo viária. em virtude de desde há mu ito tempo se consegu irem va lo res de rendim en to térmico muito e levados. mas a limilação à emissão de poluentes obrigou ao se u desenvolvimen10 nes ta área. Seguidamen te aprese ntam-se outros pontos de desenvolv imento destes motores.

2.2.2.1 Câmaras de combustão

As câmaras de combustão que proporcion am e levados rendimentos são as de injecção di recta, cm que o combustível é injectado sobre o pistão. Estas têm s ido utilizadas desde há muitos anos em motores gra ndes e len1os. em que se pretende baixos consumos. Em motores Diesel rápidos tem s ido habitua l a utilização de pré-câmaras de turbulência. principalmente para melhorar a s ua vidade dos motores e aumentar o seu regime de rotação. Porém , na última década a evolução tem s ido no sentido da eli minação das pré-câmaras, consegui ndo-se melhorias de cons umo perto dos 20% e melhoria s s ignificativas na emissão de poluentes, pelo que actualmente a tota li dade dos motores us ados em veícu los é de injecção directa. A necessidade de aumentar as prestações e reduzir o níve l dos po lu entes levou també m ao uso de 4 válvu las por cili nd ro, começa ndo esta tec no log ia a se r habitual nos diferentes motores. A grande diferença e ntre o desenho das câmaras de 4 válvu las dos motores a gasolina e dos Diesel é que as válvu las nestes últimos geralmente são p aralelas, de modo a pe rmitir um a elevada ta xa de compressão. Esta é geralmen te muito elevada (>20: 1) nos motores Di ese l, mas para garantir a s uavidade o s co nstrutores têm bai xado deste va lor.

2.2.2.2 Sistemas de jojecção

A base de uma boa comb us tão prende-se com a maneira como o combustível é injectado. Assim, tem-se visto u ma gra nde evolução nos últimos anos, desde a simples bomba injectora (ut ilizada desde os anos 30) até aos sofis ticados sistemas e lectró nicos de injecção, que têm aparecido no mercado con trolando os injec tores-bomba e os sistemas de "common-rail". A necessidade destes sistemas advém da necessidade e m iniciar e acabar a injecção em pontos dete r minados, de variar o ca udal d e combust íve l ao longo da injecção e de prod uzi r pré e pós injecções. Desta maneira consegue-se utilizar injecção directame nte na câmara de combustão sem incorrer em problemas de não s uavidade e d e e missão de poluen tes e fumos. Os recentes avanços na tecnologia dos mo tores diesel assentou no desenvo lvimento de sistemas e lectrónicos de injecção directa, u sando pressões e levadíss imas (- 2000 bar) d e modo a melhorar a pre paração da mistu ra por pulve r ização.

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Motores do Combustlo Interno ~-

Cap. 3: Aníli11 Teórica do Ciclos

-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

2.2.2.3 Catalisadores e filtros de partjculas Com a tecnologia actual não é possível pass ar os li mites de emissões de poluentes europeus e americanos sem pós-tratamento do> gases de escape. Assim. de modo a conseguir-se ··tim par"· gases d e escape. os motores Diese l necessi ta m ta mbém de cata lisadores e fi ltros de part ículas no e~.:ape. E'ta tecnologia es t~ a ser rapidamente desenvolvida de modo a permitir a elimi nação dos óxidos de azoto (catal isado res) e das partículas (fil tros), os dois polue ntes problemát icos ne stes motores.

Capítulo 3 ANÁLISE TEÓRICA DE CICLOS

2.2.2.4 Outras áreas de evolução Se fosse possíve l diminuir ou a nula r as perda s té rmicas de um motor atra vés das paredes, o seu rendimento e levar-se-ia. mas a temperatura das paredes c hegaria a valores muito altos para o bom funcionamento dos metais. Com a utili zação de materiai s ce râmicos, o nível de temperatura não é condicionante e pode-se reduzir ou e limi nar a condução de calor através das paredes, interpondo isolamentos térmicos. E stes motores são denominados " adiabáticos" e foram desenvolvidos por vários cons trutores . Os principais problema s destes motores residem no facto de. se o seu interior está a e levada temperatura , o ar ao entrar vai aquecer em co ntacto com as co ndutas e paredes do c ilindro e ao passar pelas válvu las, diminuindo a sua den s idade, resultando num e nc himento mássico baixo. Alé m disso os gase s de escape libertam-se a temperaturas muito altas, não se aproveitando a sua entalpia. Por ou tro lado, como a tem peratura óptima de funcionamento é muito elevada, estes motores teriam tendência a demorare m muito tempo a aq uecer, o u seja, passariam muito tempo em condi ções não optimizadas. Por esta s razões e porque seria também necessário desenvo lver óleos que funcionas sem a temperaturas muito elevadas, o intere sse nos motores "adi abáti cos" red uzi u-se na última d écada, não te ndo at ing id o a fase de comercia lização. Actualmente está-se a evolu ir o motor Diesel de modo a que funcione com mistura homogénea de ar e combustível a cargas baixas. Tal deverá anular as desvantagens deste motor, tornando-o suave, sile nc ioso e limpo, mantendo, o u mes mo eleva nd o, o seu rendimento térmico (Cap.8.8.3).

O funcionamento dos motores pode ser analisado pelo recurso à termodinâmica, dividindo o se u ciclo de funcionamento em diferentes processos: admissão, compressão, fo rn ec ime nto de calor, expansão, etc. Estes vários processos ideais podem ser agrupados de modo a produzir-se o cic lo globa l de fun cioname nto do motor. Cada processo poderá ter vários níve is de aproximação ao processo fí sico, apresen ta ndo-se neste capítu lo a análi se teórica mai s s implis ta. Tendo por base os c iclos teóricos, o modo· de fu nci onamento dos vários tipos de motores pode-se dividir em (Fig.3.1 ): · ciclo de Otto ou de vol um e constante · ciclo de Diesel ou de pressão constante · ciclo misto ou de pressão limitada

Como es te tipo de motor se adapta muito bem ao uso do turbo-compresso r, estes estão a ser desenvolvidos de modo a proporc ionarem e levada pressão de adm issão, levando a que os motores Diesel se tornaram, recentemente, muito poten tes, podendo a sua cilindrada ser reduzida s ignific ati vamente (- 1400 cm 3 ) se m perda d e pres tações.

J10..

. +~

J

,Q,.,

'o~

v.....

a) Ciclo de Otto

v......

voi.m.

b) Ciclo de Otto a média carga

c) Ciclo de Diesel

V.._ d) Ciclo misto

Fig.3.1 - Vários ciclos teóricos

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Motores do Combustlo Interno ~-

Cap. 3: Aníli11 Teórica do Ciclos

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2.2.2.3 Catalisadores e filtros de partjculas Com a tecnologia actual não é possível pass ar os li mites de emissões de poluentes europeus e americanos sem pós-tratamento do> gases de escape. Assim. de modo a conseguir-se ··tim par"· gases d e escape. os motores Diese l necessi ta m ta mbém de cata lisadores e fi ltros de part ículas no e~.:ape. E'ta tecnologia es t~ a ser rapidamente desenvolvida de modo a permitir a elimi nação dos óxidos de azoto (catal isado res) e das partículas (fil tros), os dois polue ntes problemát icos ne stes motores.

Capítulo 3 ANÁLISE TEÓRICA DE CICLOS

2.2.2.4 Outras áreas de evolução Se fosse possíve l diminuir ou a nula r as perda s té rmicas de um motor atra vés das paredes, o seu rendimento e levar-se-ia. mas a temperatura das paredes c hegaria a valores muito altos para o bom funcionamento dos metais. Com a utili zação de materiai s ce râmicos, o nível de temperatura não é condicionante e pode-se reduzir ou e limi nar a condução de calor através das paredes, interpondo isolamentos térmicos. E stes motores são denominados " adiabáticos" e foram desenvolvidos por vários cons trutores . Os principais problema s destes motores residem no facto de. se o seu interior está a e levada temperatura , o ar ao entrar vai aquecer em co ntacto com as co ndutas e paredes do c ilindro e ao passar pelas válvu las, diminuindo a sua den s idade, resultando num e nc himento mássico baixo. Alé m disso os gase s de escape libertam-se a temperaturas muito altas, não se aproveitando a sua entalpia. Por ou tro lado, como a tem peratura óptima de funcionamento é muito elevada, estes motores teriam tendência a demorare m muito tempo a aq uecer, o u seja, passariam muito tempo em condi ções não optimizadas. Por esta s razões e porque seria também necessário desenvo lver óleos que funcionas sem a temperaturas muito elevadas, o intere sse nos motores "adi abáti cos" red uzi u-se na última d écada, não te ndo at ing id o a fase de comercia lização. Actualmente está-se a evolu ir o motor Diesel de modo a que funcione com mistura homogénea de ar e combustível a cargas baixas. Tal deverá anular as desvantagens deste motor, tornando-o suave, sile nc ioso e limpo, mantendo, o u mes mo eleva nd o, o seu rendimento térmico (Cap.8.8.3).

O funcionamento dos motores pode ser analisado pelo recurso à termodinâmica, dividindo o se u ciclo de funcionamento em diferentes processos: admissão, compressão, fo rn ec ime nto de calor, expansão, etc. Estes vários processos ideais podem ser agrupados de modo a produzir-se o cic lo globa l de fun cioname nto do motor. Cada processo poderá ter vários níve is de aproximação ao processo fí sico, apresen ta ndo-se neste capítu lo a análi se teórica mai s s implis ta. Tendo por base os c iclos teóricos, o modo· de fu nci onamento dos vários tipos de motores pode-se dividir em (Fig.3.1 ): · ciclo de Otto ou de vol um e constante · ciclo de Diesel ou de pressão constante · ciclo misto ou de pressão limitada

Como es te tipo de motor se adapta muito bem ao uso do turbo-compresso r, estes estão a ser desenvolvidos de modo a proporc ionarem e levada pressão de adm issão, levando a que os motores Diesel se tornaram, recentemente, muito poten tes, podendo a sua cilindrada ser reduzida s ignific ati vamente (- 1400 cm 3 ) se m perda d e pres tações.

J10..

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,Q,.,

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v.....

a) Ciclo de Otto

v......

voi.m.

b) Ciclo de Otto a média carga

c) Ciclo de Diesel

V.._ d) Ciclo misto

Fig.3.1 - Vários ciclos teóricos

1 32

33

~

Cap. 3: An61i11 Teór ica da Ciclos

Motoru dt Combustão Interne

Na realidade a progressão das propriedades dos gases dentro do cilindro de um motor real (Fig.3.2) ~ significatirnrnen te diferente da análise teórica. Ao passar através do motor. o fluid o operante é submetido a uma séri e de transform ações quím icas e físicas (compressão. ex pan são. combustão. transferência de calor atravé' das paredes. etc.) q ue \'ào constituir o ciclo do mo to r. A :tnál ise quantitativa des,es fenómenos é muito complexa. pelo que se recorre a aproximações teórica., . Uma fo r ma de reduzir a an:lli'e para u m n ível aceitável é a ut ilização das seguintes aproxi ma çõe,. vu lgarment..: conhecida' como hipóteses para ar padrão: · o fluid o operante tem sem pre as propriedades do ar: · o fluido operante comporta-se se mpre como um gás pe r fe ito: · o proc esso de combus tão é subst ituído pe la ad ição de ca lor a parti r de uma font e e x terna: · o processo de escape é subs tituído por uma rejeição de calor. que restitui o fluido operante ao seu estado inic ial.

r,.

'7 1rr -- 1--T

0

Pela prime ira le i sabemos que o trabalho útil é: W,.,.,., = Q0 - Q,. ou seja. o trabalho produzido pela máquina é dado pela dife rença entre o calo r fornecido pela fonte quente (combus tão ) e o ca lor forn ec ido à fonte fr ia (à a tmosfera). O rendimento será a razão entre o trabalho motor (e feito útil ) e a e nergia paga (e ne rgia quími ca potencia l do combustível). TJ.l/T

(3.1)

- (}

Depe ndendo do modo com que se d á a ig n ição do combustível. os motores de com bustão int e rna div idem -se em doi s gra ndes g ru pos:

t1

Uma o utra simplificaçào uti lizada na aná lise é a de se considerarem os calores específicos do ;1r constan tes. e à temperatura ambiente (25 ºC).

=ºw

· de ignição comandada o u de ignição por faí sca (vulgo motores a gasolina): · de ignição por compressão (vu lgo motores Di esel) .

vo lume

Fig.3.2 - Ciclo real de um motor de combustão interna

As hipóteses d e a r padrão anteriormente aprese ntadas levam a uma s implificaç ão cons iderável na anál ise sem a introdução de erros sign ificativos, pois a q uanti dade de co mbustíve l q ue se adi ciona ao ar é relativame nte ba ixa (7 %). Ass im , esta aná lise simplificada permite o estudo quali tat ivo da in fl uência dos parâ met ros principai s no desempenho dos motores reais. Motore s térmicos como os de ignição comandada ou de ignição por compressão são sis temas abertos que admitem ar fresco nas co ndições ambientes e expe lem gases que imados a a lta temperatura. No cic lo teórico, o processo de escape é substi tuído por um processo de trans ferência de calor para um reservatório térmico a baixa temperatura, q ue regene ra os gases para as propriedades iniciais do c ic lo .

Cons idera-se q ue os pri me iros motores fun cio nam de um modo seme lhante ao proposto por Nicho la us Otto, pe lo q ue o ciclo ideal se de nomi na Ciclo de Otto. O segun do ti po de mo tor foi inventado por Rudo lf Diesel. e por essa razão c hama-se Ciclo de Diesel. A grande dife rença en tre estes cic los teó ricos reside na fa se de fornecimen to de calor, que no ciclo de Otto se considera a volume cons tan te (e portanto ins tantâneo) e no de Diesel se dá a pressão constante , dura nte parte da descida d o p istão.

3.2. CICLO TEÓRICO A VOLUME CONSTANTE (OTTO) A representação grá fi ca deste c ic lo está feita na F ig.3 .3, para o s d iagramas p - V e T -S.

3 3

3.1. RENDIMENTO DOS CICLOS TEÓRICOS Aplicando o 1º princípio da termodinâmica a um ciclo motor, temos que : W .:1c:10 + Q dr10

i

E

a

[ ~

'

= t1U =O Entropia

A segunda lei da termodinâ mica d iz-nos q ue para se produzir trabalho tem de se trocar calor com duas fonte s té rm icas, uma que nte (a T,) e o utra fr ia (a T F)' não sendo possível tran s formar todo o ca lor da font e q uente e m trabalho . O rendimento de uma máqu in a tér mica q ue funcione reversive lmente en tre essas duas fon tes será:

34

Fig.3.3 - Ciclo teórico de Otto

As tran sformaçõe s ter modinâm icas das fig uras acima representadas são:

35

~

Cap. 3: An61i11 Teór ica da Ciclos

Motoru dt Combustão Interne

Na realidade a progressão das propriedades dos gases dentro do cilindro de um motor real (Fig.3.2) ~ significatirnrnen te diferente da análise teórica. Ao passar através do motor. o fluid o operante é submetido a uma séri e de transform ações quím icas e físicas (compressão. ex pan são. combustão. transferência de calor atravé' das paredes. etc.) q ue \'ào constituir o ciclo do mo to r. A :tnál ise quantitativa des,es fenómenos é muito complexa. pelo que se recorre a aproximações teórica., . Uma fo r ma de reduzir a an:lli'e para u m n ível aceitável é a ut ilização das seguintes aproxi ma çõe,. vu lgarment..: conhecida' como hipóteses para ar padrão: · o fluid o operante tem sem pre as propriedades do ar: · o fluido operante comporta-se se mpre como um gás pe r fe ito: · o proc esso de combus tão é subst ituído pe la ad ição de ca lor a parti r de uma font e e x terna: · o processo de escape é subs tituído por uma rejeição de calor. que restitui o fluido operante ao seu estado inic ial.

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Pela prime ira le i sabemos que o trabalho útil é: W,.,.,., = Q0 - Q,. ou seja. o trabalho produzido pela máquina é dado pela dife rença entre o calo r fornecido pela fonte quente (combus tão ) e o ca lor forn ec ido à fonte fr ia (à a tmosfera). O rendimento será a razão entre o trabalho motor (e feito útil ) e a e nergia paga (e ne rgia quími ca potencia l do combustível). TJ.l/T

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Depe ndendo do modo com que se d á a ig n ição do combustível. os motores de com bustão int e rna div idem -se em doi s gra ndes g ru pos:

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Uma o utra simplificaçào uti lizada na aná lise é a de se considerarem os calores específicos do ;1r constan tes. e à temperatura ambiente (25 ºC).

=ºw

· de ignição comandada o u de ignição por faí sca (vulgo motores a gasolina): · de ignição por compressão (vu lgo motores Di esel) .

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Fig.3.2 - Ciclo real de um motor de combustão interna

As hipóteses d e a r padrão anteriormente aprese ntadas levam a uma s implificaç ão cons iderável na anál ise sem a introdução de erros sign ificativos, pois a q uanti dade de co mbustíve l q ue se adi ciona ao ar é relativame nte ba ixa (7 %). Ass im , esta aná lise simplificada permite o estudo quali tat ivo da in fl uência dos parâ met ros principai s no desempenho dos motores reais. Motore s térmicos como os de ignição comandada ou de ignição por compressão são sis temas abertos que admitem ar fresco nas co ndições ambientes e expe lem gases que imados a a lta temperatura. No cic lo teórico, o processo de escape é substi tuído por um processo de trans ferência de calor para um reservatório térmico a baixa temperatura, q ue regene ra os gases para as propriedades iniciais do c ic lo .

Cons idera-se q ue os pri me iros motores fun cio nam de um modo seme lhante ao proposto por Nicho la us Otto, pe lo q ue o ciclo ideal se de nomi na Ciclo de Otto. O segun do ti po de mo tor foi inventado por Rudo lf Diesel. e por essa razão c hama-se Ciclo de Diesel. A grande dife rença en tre estes cic los teó ricos reside na fa se de fornecimen to de calor, que no ciclo de Otto se considera a volume cons tan te (e portanto ins tantâneo) e no de Diesel se dá a pressão constante , dura nte parte da descida d o p istão.

3.2. CICLO TEÓRICO A VOLUME CONSTANTE (OTTO) A representação grá fi ca deste c ic lo está feita na F ig.3 .3, para o s d iagramas p - V e T -S.

3 3

3.1. RENDIMENTO DOS CICLOS TEÓRICOS Aplicando o 1º princípio da termodinâmica a um ciclo motor, temos que : W .:1c:10 + Q dr10

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= t1U =O Entropia

A segunda lei da termodinâ mica d iz-nos q ue para se produzir trabalho tem de se trocar calor com duas fonte s té rm icas, uma que nte (a T,) e o utra fr ia (a T F)' não sendo possível tran s formar todo o ca lor da font e q uente e m trabalho . O rendimento de uma máqu in a tér mica q ue funcione reversive lmente en tre essas duas fon tes será:

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Fig.3.3 - Ciclo teórico de Otto

As tran sformaçõe s ter modinâm icas das fig uras acima representadas são:

35

Cap. 3: A"'list Teórica da Ciclos

Motores de Combustão I nterna ------------------------------~

Adiabátjcp (isentrópjca 1. O flu ido é com primido pe la realização de trabalho W, , . definido pe la área ( 1-2-5-6- 1) do diagrama p- V.

'.!

'.! - 3

Isocóriça. Dá-se a explosão instantânea da m ist ura ar-combustível. na posição de PMS. A quantidade de calor fornecida (área abaixo da linha 2-3 no diagrama T-S) é defin ida por O:.•= C,(T3-T2)

3-4

Adiabáticy Cisentrópjcal. O fl ui do é expand ido. realiza ndo o trabalho WJ,. definido pela área (-l-3-5-6-4) do diagrama p-V.

4 - 1

Isocórjca. Corresponde à perd a de ca lor ex plicitada no di agrama T-S abai xo da linha 4 - 1. O calor perdi do é defi nido por Q,., = C,:( T4-T /).

Na represe ntação des te ciclo falta a "lavagem" do motor, ou seja a su bs titui ção dos gases qu e imados por frescos, que se poderia re presentar pelas tran sforma ções jsobárjcas qu e aparecem na Fig.3.1-a por 5-6 e 6- 1. A prime ira representa o escape e a seg uinte, a admi ssão. Como ambas são efectuadas à pressão atmosférica, anulam-se mutuam e nte , pode ndo desprezar-se. Note-se qu e na Fi g.3. 1-b (motor em carga parcial), o escape e a ad missão não são efectuados à mesma pressão, pe lo que te remos que entra r com es ta diferença de pressões no cálculo do c ic lo.

naqual : ô.V=V,-V:=Vv sendo

epor outrolado:

O rendimento do ciclo é:

r. - 1 17=.!!:_= 1_IQ•. ,1= 1- r. -T, = 1 -2!._~ Q" Q,_, r, - r 2 ri r1 _ 1 r,

temos :

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20

taxa de compressão

fig.3.5 - Potencial de melhoria de rendimento com a

O rendimento des te ciclo aparece-nos na Eq.3 .3 somente como função da tax a de compressão. No e ntanto, o uso deste motor a carga mais baixa que a máx ima é tradic ionalme nte conseguido pelo abai xamento da pressão de admissão, com a inclu são d e uma válvu la lim itadora de caudal. O que aco ntece é que o motor passa a receber me nos e nerg ia (menos ar e me nos combustíve l) e gasta algu ma des ta pa ra mante r a admissão a baixa pressão (a admissão trabalha como uma bo mba de vác uo - Fig.3.1 -b). Porém, os no vos motores de injecção directa conseguem bai xar a carga sem incorrer neste inconveniente . pois so mente injectam menos comb ustív el, admitindo a mesma quant idade de ar (com técnic as de combu stão como a "carga estratificada" - ver Cap.8.8. 1). Na re alidade fa c tores tai s como o diagrama de di stribui ção (ver Cap. 1.6), d ese nho da câmara de combustão, carbon ização e atrito têm também uma importâ ncia s ign ific ativa no r e ndimento global do mo tor rea l.

3.2.1. Ciclo a Carga Parcial no Motor de lnjecção Directa

r.. =(!:i),_, =(~),_, = T, T3

CD

,,.§e 0.60

e

e.

e como

e:

.,

,,.5e

0.65

r =-1!...

J-;

Este c iclo (Fig.3.6) faz a admissão da mesma q uant idade de ar, mas a carga é diminuída pelo uso de me nos combustíve l, resu ltando numa mi stura mai s pobre.

Ti

Assim , para desenvolve r mos as equações r e lativas a este c ic lo, será necessário considerar a quantidade de calor a fornecer ao ciclo pelo combustível, responsáve l pela e lev ação da pressão e temperat ura a volume constante (2 ~ 3'):

..!.=~-i.~=--1..

e vem- nos

36

(taxa de compressão), e

,_,

()

T, V, Ti= ~

V. =....!... v2

o

elevação da taxa de compressão de uma unidade

!! · D , V,=C·-4

V v- vo lume varrido (c m' ) (geralmente conhecido por " cilindrada") C - cu rso (cm) D - diâmetro do ci lindro (cm)

Definindo t:

se

0.70

fig.3.4 - Rendimento do ciclo de Otto

p · ô. V R· T,

m =- 1 - -

A massa da mistura é:

A Eq.3.3 mostra que o re ndi me nto do ciclo de 0 110 depende somente da taxa de compressão. aumentando com esta (Fig.3.4). Porém. o funcionam ento real dos motores seguindo este c ic lo (motores de ignição comandada) está sujeito a uma anomalia da combustão vu lgarme nte chamada .. gri lar·· (mas aqui conhecida pela sua denominação inglesa ··knoc k .. , ver Cap.8.4.3) que li mita o valor da s ua taxa de compressão para um máximo de l '.!. em motorc~ normais usando gasolina. embora se possa ultrapassar os 15 usando co mbu stíve is es peciab. Como a Fig.3.5 indica. o potencial de melhoria de re ndime nto para es ta taxa de compressão (resultante do aumento de 12: 1 para 13: 1) é infe rior a 2%. decrescendo à medida que e~ t a taxa aumenta.

(3.31

m . e, . (T,. - Ti)= m1 · Qp1

37

Cap. 3: A"'list Teórica da Ciclos

Motores de Combustão I nterna ------------------------------~

Adiabátjcp (isentrópjca 1. O flu ido é com primido pe la realização de trabalho W, , . definido pe la área ( 1-2-5-6- 1) do diagrama p- V.

'.!

'.! - 3

Isocóriça. Dá-se a explosão instantânea da m ist ura ar-combustível. na posição de PMS. A quantidade de calor fornecida (área abaixo da linha 2-3 no diagrama T-S) é defin ida por O:.•= C,(T3-T2)

3-4

Adiabáticy Cisentrópjcal. O fl ui do é expand ido. realiza ndo o trabalho WJ,. definido pela área (-l-3-5-6-4) do diagrama p-V.

4 - 1

Isocórjca. Corresponde à perd a de ca lor ex plicitada no di agrama T-S abai xo da linha 4 - 1. O calor perdi do é defi nido por Q,., = C,:( T4-T /).

Na represe ntação des te ciclo falta a "lavagem" do motor, ou seja a su bs titui ção dos gases qu e imados por frescos, que se poderia re presentar pelas tran sforma ções jsobárjcas qu e aparecem na Fig.3.1-a por 5-6 e 6- 1. A prime ira representa o escape e a seg uinte, a admi ssão. Como ambas são efectuadas à pressão atmosférica, anulam-se mutuam e nte , pode ndo desprezar-se. Note-se qu e na Fi g.3. 1-b (motor em carga parcial), o escape e a ad missão não são efectuados à mesma pressão, pe lo que te remos que entra r com es ta diferença de pressões no cálculo do c ic lo.

naqual : ô.V=V,-V:=Vv sendo

epor outrolado:

O rendimento do ciclo é:

r. - 1 17=.!!:_= 1_IQ•. ,1= 1- r. -T, = 1 -2!._~ Q" Q,_, r, - r 2 ri r1 _ 1 r,

temos :

temos

=E,_,

(3.21

T

T

T T.

T

T,

T3 7; T,

T,

V,

177 = 1-

I

t:r-'

1

•

~- 3

CD~ ,, - 2

.!! (;

e o.ss

.e

o;

E

0.50

11

13

15

17

1 -

0-------· 10

6

taxa d e compressão

12

14

18

18

20

taxa de compressão

fig.3.5 - Potencial de melhoria de rendimento com a

O rendimento des te ciclo aparece-nos na Eq.3 .3 somente como função da tax a de compressão. No e ntanto, o uso deste motor a carga mais baixa que a máx ima é tradic ionalme nte conseguido pelo abai xamento da pressão de admissão, com a inclu são d e uma válvu la lim itadora de caudal. O que aco ntece é que o motor passa a receber me nos e nerg ia (menos ar e me nos combustíve l) e gasta algu ma des ta pa ra mante r a admissão a baixa pressão (a admissão trabalha como uma bo mba de vác uo - Fig.3.1 -b). Porém, os no vos motores de injecção directa conseguem bai xar a carga sem incorrer neste inconveniente . pois so mente injectam menos comb ustív el, admitindo a mesma quant idade de ar (com técnic as de combu stão como a "carga estratificada" - ver Cap.8.8. 1). Na re alidade fa c tores tai s como o diagrama de di stribui ção (ver Cap. 1.6), d ese nho da câmara de combustão, carbon ização e atrito têm também uma importâ ncia s ign ific ativa no r e ndimento global do mo tor rea l.

3.2.1. Ciclo a Carga Parcial no Motor de lnjecção Directa

r.. =(!:i),_, =(~),_, = T, T3

CD

,,.§e 0.60

e

e.

e como

e:

.,

,,.5e

0.65

r =-1!...

J-;

Este c iclo (Fig.3.6) faz a admissão da mesma q uant idade de ar, mas a carga é diminuída pelo uso de me nos combustíve l, resu ltando numa mi stura mai s pobre.

Ti

Assim , para desenvolve r mos as equações r e lativas a este c ic lo, será necessário considerar a quantidade de calor a fornecer ao ciclo pelo combustível, responsáve l pela e lev ação da pressão e temperat ura a volume constante (2 ~ 3'):

..!.=~-i.~=--1..

e vem- nos

36

(taxa de compressão), e

,_,

()

T, V, Ti= ~

V. =....!... v2

o

elevação da taxa de compressão de uma unidade

!! · D , V,=C·-4

V v- vo lume varrido (c m' ) (geralmente conhecido por " cilindrada") C - cu rso (cm) D - diâmetro do ci lindro (cm)

Definindo t:

se

0.70

fig.3.4 - Rendimento do ciclo de Otto

p · ô. V R· T,

m =- 1 - -

A massa da mistura é:

A Eq.3.3 mostra que o re ndi me nto do ciclo de 0 110 depende somente da taxa de compressão. aumentando com esta (Fig.3.4). Porém. o funcionam ento real dos motores seguindo este c ic lo (motores de ignição comandada) está sujeito a uma anomalia da combustão vu lgarme nte chamada .. gri lar·· (mas aqui conhecida pela sua denominação inglesa ··knoc k .. , ver Cap.8.4.3) que li mita o valor da s ua taxa de compressão para um máximo de l '.!. em motorc~ normais usando gasolina. embora se possa ultrapassar os 15 usando co mbu stíve is es peciab. Como a Fig.3.5 indica. o potencial de melhoria de re ndime nto para es ta taxa de compressão (resultante do aumento de 12: 1 para 13: 1) é infe rior a 2%. decrescendo à medida que e~ t a taxa aumenta.

(3.31

m . e, . (T,. - Ti)= m1 · Qp1

37

•

Motores de Combustão Intern a ----~-----------------~~

T). (y-l}·QLHI' - = 1+ . 1

T2

R · T, · e 1 -

1 IF

)

( y-1 )

1+ --'f'---4--.,

.~,

e,_, J +À AI

....L =I+

/ F·....

~

Q,,,

B

Q..

À=

Yr- ·Qp;

E ~- ~-4V

{y-t}·B

=t+~-E~

é uma constante (supondo que a m istura é sempre csteq.)

R·T,(i+ yP)

1'F

(A I ) / F

l+

no qual

e

R·T,

Ili

· -A -

T

~~

coef. de excesso de ar:

Cap. 3: An61ise Te6rica do Ci clos

- -l)·C

J + À(AI

com C= Q,.

À -

_

O trabalho em jogo total ( inerent e menos o de bombagem) é:

~..-,

B ( 1 1 ) E- 1 W= p ·V,·-;;:; e • - I -V, ·(po-p,)E 1

Neste caso o numerador e o denominador da ex pressão do rendimento (Eq.3.2) serão ambos d ivid id os por T::

T. T,.. _ _!_

-1- ri ri =117!!__) ri

1

(y-l)·C .

-e'"' . l + .. -,-_, E [

(y-l)·C.

er-'

Volume

Fig.3.6 - Ciclo Otto (carga parcial a linha interrompida)

pelo que o rend ime nto fica: W 1]=-=

p, ·V,. ~-1 (er-1-1)- p,. V, -(p- 1) E-1 E

Q,,

E,_,

1 I ] - -1 1+ À(A1F) I < "'

lq= 1- E!-1 1

J

l+À(fF.J..

1+.y;. ·Qpi

13.4)

que como atrás tínhamos avançado, nos prova que o rendimento é somente fu nção da taxa de compressão. ou seja não é função da carga ou da riqueza da mistura.

3.2.2. Ciclo a Carga Parcial e Mistura Esteq uiométric a (com bombagem)

no qual

f3 =

Po é a relação entre as pressões atmosférica (p0 ) e de admissão (p ,) p,

.__l~--~-l---

ficando

UJ_- ~.· ~ -1) 1

A carga deste c iclo pode se r vi sta como a relação entre o trabalho total produ zido ( inerente menos o de bombagem) e o trabal ho máximo poss íve l (p 1=p0 ):

w...,

Po · V, · ....!!_ ·(e 1- • E1- 1

~

....... Volume

Fig.3.7 - Ciclo Otto a carga parcial

.,.

....

.-------------~

.......•• ...

..

.,.

"' A quantidade de calor fornec ido em 2-3 tem a ver com as cond ições (p, T,m) no ponto 1, e podemos escrever:

··~------------~

º'

OI

OI

W/Wmax

Fig.3.B- Variação do rendimento com a ca rga

38

1)

A variação do rendimento com esta relação (carga) e com Fig.3.9 (para e= l 2: 1).

Como a porção l- l '-5- 1 pertence às duas áreas, anul ase, pelo q ue não é considerado. Assim , os traba lhos em jogo são:

w= w,._2 + w3-• + W5_,. + w,."° + w,_, + w,_,.

-

1 (p- l)·(e-1)-e 1 - 2 ft- ,8·B·(e1- • - 1)

o

o...

13.5)

-ê:;::_!= - 1 __ _

Neste caso temos o ciclo com duas áreas a cons iderar (Fig .3. 7): · trabalho posi tivo : 1-2-3-4- 1 · trabalho negati vo (bombagem): 5 -6 -7- 1-5

E

m

f3

podem ser vistas nas Fig.3.8 e

,-------------~

..

....

.. ..

...

··~------------~ lO

"

Fig.3.9 - Variação do rendimento com fJ

39

'-----:i

•

Motores de Combustão Intern a ----~-----------------~~

T). (y-l}·QLHI' - = 1+ . 1

T2

R · T, · e 1 -

1 IF

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( y-1 )

1+ --'f'---4--.,

.~,

e,_, J +À AI

....L =I+

/ F·....

~

Q,,,

B

Q..

À=

Yr- ·Qp;

E ~- ~-4V

{y-t}·B

=t+~-E~

é uma constante (supondo que a m istura é sempre csteq.)

R·T,(i+ yP)

1'F

(A I ) / F

l+

no qual

e

R·T,

Ili

· -A -

T

~~

coef. de excesso de ar:

Cap. 3: An61ise Te6rica do Ci clos

- -l)·C

J + À(AI

com C= Q,.

À -

_

O trabalho em jogo total ( inerent e menos o de bombagem) é:

~..-,

B ( 1 1 ) E- 1 W= p ·V,·-;;:; e • - I -V, ·(po-p,)E 1

Neste caso o numerador e o denominador da ex pressão do rendimento (Eq.3.2) serão ambos d ivid id os por T::

T. T,.. _ _!_

-1- ri ri =117!!__) ri

1

(y-l)·C .

-e'"' . l + .. -,-_, E [

(y-l)·C.

er-'

Volume

Fig.3.6 - Ciclo Otto (carga parcial a linha interrompida)

pelo que o rend ime nto fica: W 1]=-=

p, ·V,. ~-1 (er-1-1)- p,. V, -(p- 1) E-1 E

Q,,

E,_,

1 I ] - -1 1+ À(A1F) I < "'

lq= 1- E!-1 1

J

l+À(fF.J..

1+.y;. ·Qpi

13.4)

que como atrás tínhamos avançado, nos prova que o rendimento é somente fu nção da taxa de compressão. ou seja não é função da carga ou da riqueza da mistura.

3.2.2. Ciclo a Carga Parcial e Mistura Esteq uiométric a (com bombagem)

no qual

f3 =

Po é a relação entre as pressões atmosférica (p0 ) e de admissão (p ,) p,

.__l~--~-l---

ficando

UJ_- ~.· ~ -1) 1

A carga deste c iclo pode se r vi sta como a relação entre o trabalho total produ zido ( inerente menos o de bombagem) e o trabal ho máximo poss íve l (p 1=p0 ):

w...,

Po · V, · ....!!_ ·(e 1- • E1- 1

~

....... Volume

Fig.3.7 - Ciclo Otto a carga parcial

.,.

....

.-------------~

.......•• ...

..

.,.

"' A quantidade de calor fornec ido em 2-3 tem a ver com as cond ições (p, T,m) no ponto 1, e podemos escrever:

··~------------~

º'

OI

OI

W/Wmax

Fig.3.B- Variação do rendimento com a ca rga

38

1)

A variação do rendimento com esta relação (carga) e com Fig.3.9 (para e= l 2: 1).

Como a porção l- l '-5- 1 pertence às duas áreas, anul ase, pelo q ue não é considerado. Assim , os traba lhos em jogo são:

w= w,._2 + w3-• + W5_,. + w,."° + w,_, + w,_,.

-

1 (p- l)·(e-1)-e 1 - 2 ft- ,8·B·(e1- • - 1)

o

o...

13.5)

-ê:;::_!= - 1 __ _

Neste caso temos o ciclo com duas áreas a cons iderar (Fig .3. 7): · trabalho posi tivo : 1-2-3-4- 1 · trabalho negati vo (bombagem): 5 -6 -7- 1-5

E

m

f3

podem ser vistas nas Fig.3.8 e

,-------------~

..

....

.. ..

...

··~------------~ lO

"

Fig.3.9 - Variação do rendimento com fJ

39

'-----:i

Cap. 3: Anál ise Teórica de Ciclos

Motores de Combustão Interna

3.3. CICLO TEÓRICO A PRESSÃO CONSTANTE (DIESEL)

O rendimento do ciclo será

A principal diferença entre es te ciclo e o de Oito reside na fase de fornecime n to de calor. No ciclo de Diesel este é fornecido a pressão constante. Como já foi referi do, outra diferença consiste na taxa de compressiio. que é maior que a do c iclo de Otto. A taxa com pressão tem de ser elevada para que no final da compressão a temperatura do ar seja suficie n temente alta de modo a produzir a ignição do combustível que é injectado. Esta i njecção ocorre durante parte da descida do pistão. pelo que a combus tão não é considerada instantânea. como no ciclo de Otto.

'7 =~= 1 _IQ,_,I= 1 _ c1. (r, -r,)

ºº

Da definição de õ e s abendo que

º 2-3

e

p

r. -1

1

_ _'._2!_~

(T) - T2)

r

T2 T) - t T,

r-1 ( T, = T, . T3 . 72 = V, . õ . .!j_ T, T3 T2 T, V, V2

( J

)r-1 = õ'

A representação do ciclo de Diesel nos diagramas p -V e T-S pode ser visto na Fig.3. 1O. pois

V,=

v,

Q2-J 2

vem-nos

e

1J=I

E g_

~

E

~

(3.6)

O rendimento do c ic lo de Diese l depe nde não somente da taxa de compressão, mas também de o. Na realidade o representa a q uantidade de combustível i njectado, pe lo que o rendimento do c iclo de Diesel depende da carga do motor. Como o rendimen to diminui com o aumento de o aumento de carga reduz irá o seu rendime nto. Em carga n ula (o =I ) este ciclo apresenta o mesmo rendi me n to q ue o de O tto com a mesma taxa de compressão.

~

"-

15'7-l Er-1.y-(ô -l)

o,

Q4.1

4 1

Entropia

Volume

Repare - se então q ue, enquanto q ue a redução de carga melhora o rend i mento do ciclo de Diesel, ela reduz o rendimen to ao c iclo de Otto (a área en tre as linhas de admissão e de escape da Fig.3. 7 terão de ser subtraídas à á rea do cic lo, reduzindo o se u valor e com ele o rendimento).

Fig.3. 1O- Ciclo de Diesel

Neles pode-se identificar as segu intes transformações: - 2

2 -3

3 - 4

4 - 1

w,.,. que

Adiabática (jsentróp ical. Compressão do ar, fornecendo-se o trabalho aumenta a energia inte rn a (área debaixo da lin ha 1-2 do di ag rama p - V).

Isobárica. O combustíve l é injectado e queimado duran te o a ume nto d e volume (combustão não ins tantânea), segu i ndo um p rocesso de fornec i mento de calor a p ressão constante Q~._. = C_- ( T3 -T). Adiabática. O flu ido é expa nd ido rea lizando o traba l ho W 3 ., à custa da sua energia in te rn a, definido pela área limi tad a superiorm e n te pe la l in ha 3-4, do d iagrama p- V.

É possível calcu lar o rendimen to teór ico de um motor de c iclo de D iese l em carga máxima, calculando a quantidade de ar q ue ele pode adm iti r (ci li ndrada ou vol u me varrido). Dividindo este valor pe la rdação ar-combustíve l (este tipo de motor funcion a se mpre em excesso de a r), calcula- se a quan tidade de combustível injectado num ciclo, o u seja, sabe-se a quantidade de ca lor fornecido e com ele a variação de temper atura (T3 - T2 ) :

.

m,

·QP,

pois

T3 -T,

co m

m ·cP-(T3 -T,)=m1 ·Qp1

=--~~--

cP -(m. +m1 )

lsoc órjca. Corresponde à perda de calor Q,., = C: (T,-T, ).

m=m.+m1 Para se ca lcu la r o rendimento deste ciclo é necessário considerar a quan tidade de ca lo r que se fo rnece a pressão constante, denominada re lação de combustão a pressão constante ("cutoff ratio", e m inglês), q ue na verdade é uma relação entre volumes:

Õ=V3_ T3 V, -T2

40

QP, - poder ca lorífico do combustíve l (inferio r a pressão constante) e pode-se ca lcular o valor da relação de combustão a pressão constante função do coeficiente de excesso dé ar (À.) : V

-2.=J+ V2

Q

pi

eP • [1 +À.(fp> ...J. T, ·e'-'

=Õ

(3.7)

41

Cap. 3: Anál ise Teórica de Ciclos

Motores de Combustão Interna

3.3. CICLO TEÓRICO A PRESSÃO CONSTANTE (DIESEL)

O rendimento do ciclo será

A principal diferença entre es te ciclo e o de Oito reside na fase de fornecime n to de calor. No ciclo de Diesel este é fornecido a pressão constante. Como já foi referi do, outra diferença consiste na taxa de compressiio. que é maior que a do c iclo de Otto. A taxa com pressão tem de ser elevada para que no final da compressão a temperatura do ar seja suficie n temente alta de modo a produzir a ignição do combustível que é injectado. Esta i njecção ocorre durante parte da descida do pistão. pelo que a combus tão não é considerada instantânea. como no ciclo de Otto.

'7 =~= 1 _IQ,_,I= 1 _ c1. (r, -r,)

ºº

Da definição de õ e s abendo que

º 2-3

e

p

r. -1

1

_ _'._2!_~

(T) - T2)

r

T2 T) - t T,

r-1 ( T, = T, . T3 . 72 = V, . õ . .!j_ T, T3 T2 T, V, V2

( J

)r-1 = õ'

A representação do ciclo de Diesel nos diagramas p -V e T-S pode ser visto na Fig.3. 1O. pois

V,=

v,

Q2-J 2

vem-nos

e

1J=I

E g_

~

E

~

(3.6)

O rendimento do c ic lo de Diese l depe nde não somente da taxa de compressão, mas também de o. Na realidade o representa a q uantidade de combustível i njectado, pe lo que o rendimento do c iclo de Diesel depende da carga do motor. Como o rendimen to diminui com o aumento de o aumento de carga reduz irá o seu rendime nto. Em carga n ula (o =I ) este ciclo apresenta o mesmo rendi me n to q ue o de O tto com a mesma taxa de compressão.

~

"-

15'7-l Er-1.y-(ô -l)

o,

Q4.1

4 1

Entropia

Volume

Repare - se então q ue, enquanto q ue a redução de carga melhora o rend i mento do ciclo de Diesel, ela reduz o rendimen to ao c iclo de Otto (a área en tre as linhas de admissão e de escape da Fig.3. 7 terão de ser subtraídas à á rea do cic lo, reduzindo o se u valor e com ele o rendimento).

Fig.3. 1O- Ciclo de Diesel

Neles pode-se identificar as segu intes transformações: - 2

2 -3

3 - 4

4 - 1

w,.,. que

Adiabática (jsentróp ical. Compressão do ar, fornecendo-se o trabalho aumenta a energia inte rn a (área debaixo da lin ha 1-2 do di ag rama p - V).

Isobárica. O combustíve l é injectado e queimado duran te o a ume nto d e volume (combustão não ins tantânea), segu i ndo um p rocesso de fornec i mento de calor a p ressão constante Q~._. = C_- ( T3 -T). Adiabática. O flu ido é expa nd ido rea lizando o traba l ho W 3 ., à custa da sua energia in te rn a, definido pela área limi tad a superiorm e n te pe la l in ha 3-4, do d iagrama p- V.

É possível calcu lar o rendimen to teór ico de um motor de c iclo de D iese l em carga máxima, calculando a quantidade de ar q ue ele pode adm iti r (ci li ndrada ou vol u me varrido). Dividindo este valor pe la rdação ar-combustíve l (este tipo de motor funcion a se mpre em excesso de a r), calcula- se a quan tidade de combustível injectado num ciclo, o u seja, sabe-se a quantidade de ca lor fornecido e com ele a variação de temper atura (T3 - T2 ) :

.

m,

·QP,

pois

T3 -T,

co m

m ·cP-(T3 -T,)=m1 ·Qp1

=--~~--

cP -(m. +m1 )

lsoc órjca. Corresponde à perda de calor Q,., = C: (T,-T, ).

m=m.+m1 Para se ca lcu la r o rendimento deste ciclo é necessário considerar a quan tidade de ca lo r que se fo rnece a pressão constante, denominada re lação de combustão a pressão constante ("cutoff ratio", e m inglês), q ue na verdade é uma relação entre volumes:

Õ=V3_ T3 V, -T2

40

QP, - poder ca lorífico do combustíve l (inferio r a pressão constante) e pode-se ca lcular o valor da relação de combustão a pressão constante função do coeficiente de excesso dé ar (À.) : V

-2.=J+ V2

Q

pi

eP • [1 +À.(fp> ...J. T, ·e'-'

=Õ

(3.7)

41

M otores de Combustão Interno

----------------------------------C•p. 3: Anilise Teórica de Ciclos

na qua l (A/FJ, ,, é a re lação e>teq ui ométrica a r -combustível.

3 -.t

Isobárica. O combustível é injectado e quei mado d urante o aumento de vol ume (combustão não instantânea). seg uindo um processo de fornecimen to de calo r a pressão constante Q_._ , = e, (T,- T_.>.

-l - 5

Adjabátjca. O flu ido é expandido realizando o trabalho w,_5 à c usta da sua ener gia interna. defin ido pela área lim itada superiormente pela linha 4-5. do diagrama p-V.

5- 1

Isocórica. Corresponde à perda de c al or

Pode-se substituir o valor de ô da Eq .3.7 na equação do rend imento (Eq.3.6). fica ndo este função da taxa de compressão E e do coeficiente de excesso de a r À (Fig.3. 11):

[

r

1+

'7=1 -

Q,.

cr

.[1+Ã{yP)J.r, ·Er-• Q,,,

l

-1 (3.8)

Q_,_, = C,

( Tj- T ,).

r · e,, . [1 +-i{fF)Jr, E

a 0.66 . - - - - - - - - - - - - - - - --

E

- - -- --..

&.

~

Ê 0.63 g

~

5

0.60

'i:i

ee

s Qs

o.s1

l

0.54 ....__ __ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ __,

Entropia

Volume

15

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Fig.3.12 - Ciclo teõrico misto

coef. excesso de ar (l.)

Fig.3.11 - Variação do rendimento do ciclo de Diesel com o coeficiente de excesso de ar

Para se calcular o rendimen to deste c iclo é necessári o cons ide rar a q ua ntidade de ca lo r que se fo rnece a pressão co nstante, de nominada re lação de combus tão a vo lume consta nte ( 'I'), e a re lação de co mbustão a pressão constante (ô) que na verd ade são re lações e ntre pressões e e ntre vo lum es: 'I'

3. 4. CICLO TEÓRI CO A PRESSÃO LIMITADA (MISTO OU DUAL)

=f!1_ =Ti Pi

e

T2

o=v._ r. V3 -T3

O rendime nto d o c ic lo será

Num motor de igniç ão por compressão há um in ic ia l a ume nto bru sco de pressã o, a q uando da vaporização e combustão das prime ira s gotas de combust ível, a pós o que a co mb ustão se torn a ma is suave e d epe nde da taxa de inj ecção do combus tível. Ass im, o cic lo teóri co de Diesel não é o ma is ad eq ua do para descrever o fu nc io name nto des te tipo d e motor, para o que se utili za o ciclo misto. Neste. o fornecime nto d e cal or s upõe-se e m duas e tapas, u ma a vo lume consta nte e o utra a pressão consta nte.

w

lºs-•I

17=-= I

ºª o u sej a

=l

ºl-l +QH

1]

= 1-

E r-1

c,, (T5 -r, ) C,. (T3 - T2 )+ Cr (T, - T3 )

5 7 '1'-1 ('1' - 1+ y'I' (ô .:._ !)]

(3 .9)

(3.10)

A repr esentação d o c iclo misto nos d iag ra mas p- V e T-S p ode ser vista na Fig.3.12. Ne les pode-se ident ificar as segui ntes transformações: 1- 2

2 - 3

3.4.1. Ciclo em Carga Parcial

Ad ia bática lisent rópjca). Co mpressão do ar, fo rnece ndo-se o traba lho W1•2 , q ue aume nta a e nergia interna (área deba ixo da lin ha 1-2 do diagra ma p -V) .

A c a rga parc ial no ciclo misto apresenta-se na Fig.3. 13. Haveria d uas for mas d e re duz ir a carga nes te ciclo: proporciona lmente no forn eci me nto de c alor a volume c o nstante e a pressão consta nte; andando d o po nto 4 pa ra a esqu erda (até 4').

Isocórica. Dá-se a explosão instantânea da mistura ar-combu stíve l, na posição de PMS. A qu antid ad e de ca lor fo rn eci da (área abaixo da linha 2-3 no diagrama T-S) é de fi nida por Q2 _3 = C,·(TJ- T:>

42

43 J........

M otores de Combustão Interno

----------------------------------C•p. 3: Anilise Teórica de Ciclos

na qua l (A/FJ, ,, é a re lação e>teq ui ométrica a r -combustível.

3 -.t

Isobárica. O combustível é injectado e quei mado d urante o aumento de vol ume (combustão não instantânea). seg uindo um processo de fornecimen to de calo r a pressão constante Q_._ , = e, (T,- T_.>.

-l - 5

Adjabátjca. O flu ido é expandido realizando o trabalho w,_5 à c usta da sua ener gia interna. defin ido pela área lim itada superiormente pela linha 4-5. do diagrama p-V.

5- 1

Isocórica. Corresponde à perda de c al or

Pode-se substituir o valor de ô da Eq .3.7 na equação do rend imento (Eq.3.6). fica ndo este função da taxa de compressão E e do coeficiente de excesso de a r À (Fig.3. 11):

[

r

1+

'7=1 -

Q,.

cr

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( Tj- T ,).

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Ê 0.63 g

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o.s1

l

0.54 ....__ __ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ __,

Entropia

Volume

15

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Fig.3.12 - Ciclo teõrico misto

coef. excesso de ar (l.)

Fig.3.11 - Variação do rendimento do ciclo de Diesel com o coeficiente de excesso de ar

Para se calcular o rendimen to deste c iclo é necessári o cons ide rar a q ua ntidade de ca lo r que se fo rnece a pressão co nstante, de nominada re lação de combus tão a vo lume consta nte ( 'I'), e a re lação de co mbustão a pressão constante (ô) que na verd ade são re lações e ntre pressões e e ntre vo lum es: 'I'

3. 4. CICLO TEÓRI CO A PRESSÃO LIMITADA (MISTO OU DUAL)

=f!1_ =Ti Pi

e

T2

o=v._ r. V3 -T3

O rendime nto d o c ic lo será

Num motor de igniç ão por compressão há um in ic ia l a ume nto bru sco de pressã o, a q uando da vaporização e combustão das prime ira s gotas de combust ível, a pós o que a co mb ustão se torn a ma is suave e d epe nde da taxa de inj ecção do combus tível. Ass im, o cic lo teóri co de Diesel não é o ma is ad eq ua do para descrever o fu nc io name nto des te tipo d e motor, para o que se utili za o ciclo misto. Neste. o fornecime nto d e cal or s upõe-se e m duas e tapas, u ma a vo lume consta nte e o utra a pressão consta nte.

w

lºs-•I

17=-= I

ºª o u sej a

=l

ºl-l +QH

1]

= 1-

E r-1

c,, (T5 -r, ) C,. (T3 - T2 )+ Cr (T, - T3 )

5 7 '1'-1 ('1' - 1+ y'I' (ô .:._ !)]

(3 .9)

(3.10)

A repr esentação d o c iclo misto nos d iag ra mas p- V e T-S p ode ser vista na Fig.3.12. Ne les pode-se ident ificar as segui ntes transformações: 1- 2

2 - 3

3.4.1. Ciclo em Carga Parcial

Ad ia bática lisent rópjca). Co mpressão do ar, fo rnece ndo-se o traba lho W1•2 , q ue aume nta a e nergia interna (área deba ixo da lin ha 1-2 do diagra ma p -V) .

A c a rga parc ial no ciclo misto apresenta-se na Fig.3. 13. Haveria d uas for mas d e re duz ir a carga nes te ciclo: proporciona lmente no forn eci me nto de c alor a volume c o nstante e a pressão consta nte; andando d o po nto 4 pa ra a esqu erda (até 4').

Isocórica. Dá-se a explosão instantânea da mistura ar-combu stíve l, na posição de PMS. A qu antid ad e de ca lor fo rn eci da (área abaixo da linha 2-3 no diagrama T-S) é de fi nida por Q2 _3 = C,·(TJ- T:>

42

43 J........

Cap. 3: Anélise Te6r ica da Ciclos

Motores de Combustão Interna

Foi a seg unda metodologia que se em prego u ne ste tex to. pois nos modernos motores D iesel ex istem uma ou várias pré-injecções (ver Cap.9.5.5. 13) que se conside ram as responsáveis pe la in ic ial e levação de pressão. A injecção propriamente dita se rá. as;, im . assumida como a resu ltante c m pressão constante. Como a quant idade da pré-inj ecção não varia muito com a carga. consid era -se que a quantidade de calor fornecida a volume cons tante não varia com a carga.

Nas quais

o

(y-l)·Q,. ·~ ) R·T, ·er-• l+-tl::Vr- . ,

B(A,e)

·(T3 -T2 )= 'f' · 1111 ·Q,.

A volume constante: m· c,

~

~ :..

1 T, (y-l)·'f'·Q,,,. peloque -=I+ R·T.·er-• 1+(A/ )

T,

- - - . . . J S'

I F "'

1

l

Tal como no c iclo de Diesel, poderemos aprese nt ar Fig.3.13 - Ciclo misto em carga parc ial a Eq .3. 1O fu nção d a carga imposta ao motor , para o que deveremos equacionar as várias transfor mações no referente à q uant idade torn l de ca lor que se consegue fornecer ao moto r (enc her o volume da cili ndrad a com mi stura estequiométr ica):

m·c, ·[(r1 -r2 )+r·(T,. -r1 )]=mf ·Qp1 Assim, div idindo ambos os termos da fracção da equação do rendimen to ( Eq .3.9 ) por T2

2

T,. _ 1+ B(Ã.,e)+(y- 1)· A('t', e)

TJ = 1

º 2-J +QH

1

Cv(7;. -T,) =1 C,(T,-T2 )+Cr(T,. -r,)

T;.

A pressão con stante:

m·cP·(T,.-T,)=(1- 't'') ·mf ·Q,,,

Repare-se que

'f''= Ã ·'l'

T,.= 1+

Tz

(r.. r,)

r, --1+r· - -r; T2 7;

T;

(3.111

como

Considerando

Qv= Q,.,

Qr = Q v + QP (carga máx ima)

Q'p= Q.....

T,.

't' =

Qv

&

V,.

V,.

vfe

T,.

e

r..

. l+~-t(-A/ 1 -)

I F .., =C(Ã,'t',e)

=(V,.)r-' =(V,.)r-' v,. Vi

Q'T = QV + Q 'p

é o excesso de ar da mistura (a carga tem valor in verso)

T,. = [C(À, 't', T,. E

é a fracção do ca lo r fo rnec ido a volu me constan te (carga máx ima) e pode-se e screver

QT 't''=

V,.

(1-A't')·Q "' ·er-• r r- 1· R· A('t',ê)·T,

r;-=v;=v;=

chega-se a

Â=ºT Q~

r

T2

i;. _ T,

IQs·-ol

r,. r,. r,. -=-T, T,. T

Para calcular T/T, faremo s

Volume

=A('l',e)

e)]'-'

~· = (~f' ·C(,'t',e)7-° l + B(,e)+~-l) · A('P,e)

é a fracçã o d o calor fornecido a volume constante, a carga parcial

Q' T

e o rendimento (Eq.3.11) fica

Na Eq .3. 11 temos

r1+ ·(r•. _r1)= i +(r-I)·~.

-T

r

T,.

T. 1+ B(Ã.,e)+ .....1.. (r- 1) T,

r,

r

2

Tl

T,-

R·T, ·ê

1 )

l +Â(A/ F ~7} ~,

11=1- -1

- l+B(À,e)

(MARTINS,

2004)

)r-• C(2,'l',e}1-' · l+B(2,e)+(r- i)·À('P,i)

(E

r

.

- 1

(3. 12)

B(Ã,E)

Os valores do rendi mento função da carga podem ser vis tos na Fig .3. 14 para uma taxa de compressão de 18 e uma fracção de fo rneci me nto de calo r a vol ume constante ( 'l') igual a 0.1 (repare-se q ue o valor de 'f'' aumenta com a di mi nuição da carga).

1 44

r

45

~

.. , ·:·

Cap. 3: Anélise Te6r ica da Ciclos

Motores de Combustão Interna

Foi a seg unda metodologia que se em prego u ne ste tex to. pois nos modernos motores D iesel ex istem uma ou várias pré-injecções (ver Cap.9.5.5. 13) que se conside ram as responsáveis pe la in ic ial e levação de pressão. A injecção propriamente dita se rá. as;, im . assumida como a resu ltante c m pressão constante. Como a quant idade da pré-inj ecção não varia muito com a carga. consid era -se que a quantidade de calor fornecida a volume cons tante não varia com a carga.

Nas quais

o

(y-l)·Q,. ·~ ) R·T, ·er-• l+-tl::Vr- . ,

B(A,e)

·(T3 -T2 )= 'f' · 1111 ·Q,.

A volume constante: m· c,

~

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1 T, (y-l)·'f'·Q,,,. peloque -=I+ R·T.·er-• 1+(A/ )

T,

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I F "'

1

l

Tal como no c iclo de Diesel, poderemos aprese nt ar Fig.3.13 - Ciclo misto em carga parc ial a Eq .3. 1O fu nção d a carga imposta ao motor , para o que deveremos equacionar as várias transfor mações no referente à q uant idade torn l de ca lor que se consegue fornecer ao moto r (enc her o volume da cili ndrad a com mi stura estequiométr ica):

m·c, ·[(r1 -r2 )+r·(T,. -r1 )]=mf ·Qp1 Assim, div idindo ambos os termos da fracção da equação do rendimen to ( Eq .3.9 ) por T2

2

T,. _ 1+ B(Ã.,e)+(y- 1)· A('t', e)

TJ = 1

º 2-J +QH

1

Cv(7;. -T,) =1 C,(T,-T2 )+Cr(T,. -r,)

T;.

A pressão con stante:

m·cP·(T,.-T,)=(1- 't'') ·mf ·Q,,,

Repare-se que

'f''= Ã ·'l'

T,.= 1+

Tz

(r.. r,)

r, --1+r· - -r; T2 7;

T;

(3.111

como

Considerando

Qv= Q,.,

Qr = Q v + QP (carga máx ima)

Q'p= Q.....

T,.

't' =

Qv

&

V,.

V,.

vfe

T,.

e

r..

. l+~-t(-A/ 1 -)

I F .., =C(Ã,'t',e)

=(V,.)r-' =(V,.)r-' v,. Vi

Q'T = QV + Q 'p

é o excesso de ar da mistura (a carga tem valor in verso)

T,. = [C(À, 't', T,. E

é a fracção do ca lo r fo rnec ido a volu me constan te (carga máx ima) e pode-se e screver

QT 't''=

V,.

(1-A't')·Q "' ·er-• r r- 1· R· A('t',ê)·T,

r;-=v;=v;=

chega-se a

Â=ºT Q~

r

T2

i;. _ T,

IQs·-ol

r,. r,. r,. -=-T, T,. T

Para calcular T/T, faremo s

Volume

=A('l',e)

e)]'-'

~· = (~f' ·C(,'t',e)7-° l + B(,e)+~-l) · A('P,e)

é a fracçã o d o calor fornecido a volume constante, a carga parcial

Q' T

e o rendimento (Eq.3.11) fica

Na Eq .3. 11 temos

r1+ ·(r•. _r1)= i +(r-I)·~.

-T

r

T,.

T. 1+ B(Ã.,e)+ .....1.. (r- 1) T,

r,

r

2

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T,-

R·T, ·ê

1 )

l +Â(A/ F ~7} ~,

11=1- -1

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(MARTINS,

2004)

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(E

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.

- 1

(3. 12)

B(Ã,E)

Os valores do rendi mento função da carga podem ser vis tos na Fig .3. 14 para uma taxa de compressão de 18 e uma fracção de fo rneci me nto de calo r a vol ume constante ( 'l') igual a 0.1 (repare-se q ue o valor de 'f'' aumenta com a di mi nuição da carga).

1 44

r

45

~

.. , ·:·

Motores de Combustão Interna

Cap. 3: An61ise Teórica de Ciclos

para a esquerda (diminuição) o u para a direita (aumento) . Mas para percebermos melhor o funcionamento deste ciclo reportemo-nos à Fig .3. 16.

0.680 0.660 "'0.640

~

0.620

~

o..

e.

0.600 ~-----------------~ 0.2 0.4 0.6 0.B l lÃ

Fig.3.14 - Rendimento do ciclo misto função da carga (para 'f'; Q.1J ....

p,~

Como seria de prever, o rendim ento aumenta com o abaixamento da carga, poi s a quantidade de ca lor fornecida a volume constante ( 'f') mantém-se constante. A redução da carga é conseguida à custa da redução da zona de fornecimento d e calor a pressão constante, pelo que o c iclo se aproxima do de Otto.

3.5. CICLO TEÓRICO A VOLUME CONSTANTE SOBRE EXPANDIDO (MILLER) Quando, num motor de ignição con trolada, se abre a válvu la de escape, os gases presentes den tro do cilindro estão com elevada entalpia (pressão e temperat ura) q ue é descarregada (perdida) pelo escape. Se fosse possíve l aproveitar parte desta enta lpia, o rendimento do ciclo seria aumentado. Tal é o princípio do c iclo de Mill er (ve r F ig .3.15).

o

~ ~

o..

7

-=====e ... 1

5

Volwne

a) Fecho da admissão atrasado e "back·flow'

bl Fecho da admissão adiantado

Fig.3.16 - Ciclo de Miller

Na Fig.3.16-a, entre 5 e 6 dá-se o tempo de escape, seguido pela admissão 6-5. No entanto a válvula de admissão permanece a berta até ao pon to 1, pelo que parte do ar que en trou no cil indro foi empurrado de vo lta para a admissão ("back-fl ow"). Na Fig.3. 16-b a vál vula de admissão é fechada antes do pi s tão chegar ao PMI (no ponto 7), pelo q ue a descida deste implicará uma expansão (baixando a pressão) logo seguida por uma co mpressão até ao ponto 2. No ponto 1 a pressão é atmosférica, pelo que se considera q ue a compressão começa nesse ponto. Assim , o volume de admissão em ambos os casos é L1 V=V 1- V 2 , que é também o volume de compressão. Re lati vamente à taxa de compressão , este cic lo é diferente do de Otto ou de Diesel, pois a compressão não se dá do PMI ao PMS. Este novo concei to de taxa de compress ão é denom inada " retida" (e,.) e é dada por:

V,

i8.

~

............. ""'

P•c. t--Volwne

e,.,= v, Considerando a c ilindrada como V..= Vr V 2, podemos também definir a taxa de compressão "geométrica" (e, ) :

v,

e=s V 2

Uma característica importante do ciclo de Miller é a relação de expansão (O'), que mais uma vez é uma relação entre volumes, ou seja entre o valor no PMI e o valor na altura em que se começa a compressão: Fig.3.15 - Ciclo teórico de Miller

V

a-=-1.

v,

O trabalho extra que é aproveitado está representado nesta figura pela zona a ci nzento. O ciclo de Otto é re presen tado por 1-2-3-4' -1. A variação da carga do ciclo de Mi ller consegue-se movendo o pon to 1 (no diagrama p-V)

46

e

O"=!:._ => e,...,

e

e,,.=~

a

Na realidade este valor dá-nos a relação entre a expansão e a compressão, que é unitária nos ciclos de Otto e de Diesel. Quan to maior for O' ma ior será o aproveitamento do trabalho de expansão.

47

Motores de Combustão Interna

Cap. 3: An61ise Teórica de Ciclos

para a esquerda (diminuição) o u para a direita (aumento) . Mas para percebermos melhor o funcionamento deste ciclo reportemo-nos à Fig .3. 16.

0.680 0.660 "'0.640

~

0.620

~

o..

e.

0.600 ~-----------------~ 0.2 0.4 0.6 0.B l lÃ

Fig.3.14 - Rendimento do ciclo misto função da carga (para 'f'; Q.1J ....

p,~

Como seria de prever, o rendim ento aumenta com o abaixamento da carga, poi s a quantidade de ca lor fornecida a volume constante ( 'f') mantém-se constante. A redução da carga é conseguida à custa da redução da zona de fornecimento d e calor a pressão constante, pelo que o c iclo se aproxima do de Otto.

3.5. CICLO TEÓRICO A VOLUME CONSTANTE SOBRE EXPANDIDO (MILLER) Quando, num motor de ignição con trolada, se abre a válvu la de escape, os gases presentes den tro do cilindro estão com elevada entalpia (pressão e temperat ura) q ue é descarregada (perdida) pelo escape. Se fosse possíve l aproveitar parte desta enta lpia, o rendimento do ciclo seria aumentado. Tal é o princípio do c iclo de Mill er (ve r F ig .3.15).

o

~ ~

o..

7

-=====e ... 1

5

Volwne

a) Fecho da admissão atrasado e "back·flow'

bl Fecho da admissão adiantado

Fig.3.16 - Ciclo de Miller

Na Fig.3.16-a, entre 5 e 6 dá-se o tempo de escape, seguido pela admissão 6-5. No entanto a válvula de admissão permanece a berta até ao pon to 1, pelo que parte do ar que en trou no cil indro foi empurrado de vo lta para a admissão ("back-fl ow"). Na Fig.3. 16-b a vál vula de admissão é fechada antes do pi s tão chegar ao PMI (no ponto 7), pelo q ue a descida deste implicará uma expansão (baixando a pressão) logo seguida por uma co mpressão até ao ponto 2. No ponto 1 a pressão é atmosférica, pelo que se considera q ue a compressão começa nesse ponto. Assim , o volume de admissão em ambos os casos é L1 V=V 1- V 2 , que é também o volume de compressão. Re lati vamente à taxa de compressão , este cic lo é diferente do de Otto ou de Diesel, pois a compressão não se dá do PMI ao PMS. Este novo concei to de taxa de compress ão é denom inada " retida" (e,.) e é dada por:

V,

i8.

~

............. ""'

P•c. t--Volwne

e,.,= v, Considerando a c ilindrada como V..= Vr V 2, podemos também definir a taxa de compressão "geométrica" (e, ) :

v,

e=s V 2

Uma característica importante do ciclo de Miller é a relação de expansão (O'), que mais uma vez é uma relação entre volumes, ou seja entre o valor no PMI e o valor na altura em que se começa a compressão: Fig.3.15 - Ciclo teórico de Miller

V

a-=-1.

v,

O trabalho extra que é aproveitado está representado nesta figura pela zona a ci nzento. O ciclo de Otto é re presen tado por 1-2-3-4' -1. A variação da carga do ciclo de Mi ller consegue-se movendo o pon to 1 (no diagrama p-V)

46

e

O"=!:._ => e,...,

e

e,,.=~

a

Na realidade este valor dá-nos a relação entre a expansão e a compressão, que é unitária nos ciclos de Otto e de Diesel. Quan to maior for O' ma ior será o aproveitamento do trabalho de expansão.

47

Cap. 3: An•llu Te6rica de Ciclos

Motores de Combustão Interna

3.5.1. Ciclo de Miller com

E, 01

Fixa

3.5.2. Ciclo de Miller com e g Fixa

Considerando cilindrada (volume varrido V.J fixa e vol ume da câmara de combustão variáve l possível manter a tal\a de compressão retida no valor limite de ocorrência de ··grilar" ("ºknockººJ com a diminuiç ão da carga (aumen to de 1.1) .

i•

.a

fF _(%L FI

Â.=7)i71-

Uma mistura estequiométrica apresenta À.=l e 4>=1, para misturas ricas À.>1 e para mi sturas pobres À> 1 e 4>< l .

"

º"

excesso de ar

-(fI 1A.,, )

. ...

%10

l"UulO da camboUI

""'

Fig.4.3 - Velocidade do pistlo (edimansionalizada pela velocidade média)

4.2.2. Grandezas Importantes Existem outras grandezas que são importantes para a especificação do motor, poi s permitem compará-lo com outros motores, por exemplo de tamanho diferente.

4.2. OUTROS PARÂMETROS 4.2.2.1 Pressão média efectjya

4.2.1.Relação Ar-Combustível, Excesso de Ar e Riqueza da Mistura Um motor de com bustão interna está limitado pela quantidade de ar que pode entrar em cada ciclo, pois tem um volume varrido fixo. Relativamente à quantidade de ar admitido, o motor

64

Um parâmetro importante na comparação entre motores é a chamada pressão média efectiva (pme), que é definida como o trabalho efectuado por unidade de volume varrido do motor. Com a pme é possíve l comparar motores de cilindrada diferente, de modo a disti nguir aquele para o qual a cilindrada foi mais bem aproveitada para produção de trabalho. A pme pode aparecer função do binário (B)

65

Motores de Combustão Interna

pme=

Cap. 4: Parlmetros de Funcionamento

1f BT

Vy

ou em termos de potência

w.. -T

pme= VyN 2

em que Tsignifica o número de tempos do motor. Como o motor a 2 tempos realiza um ciclo em cada rotação da cambota. o que é metade do motor a 4 tempos. o cálculo da sua pme é dividido por 2. na comparaçào com o m o tor a 4 tempos. Assim. se dois motores a 2 e a 4 tempos tiverem a mesma pme e a mesma ci lindrad a, o motor a dois tempos terá o dobro do binário e da potência efecti va.

4.2.2.2 Velocidade médja do pjstão Já foi v is to que a ve locidade média d o pistão é: v .,,, = 2 C N . A velocidade média do pistão para o reg i me de potênc ia máxima permite-nos avaliar se o motor é intri nsecamente lento ou rápido. Repare-se que é esta ve locidade que co ndiciona a velocidade de entrada dos gases no motor, não interessando se o motor é grande ou pequeno.

4.2.2.3 Potência específica aerjal Este va lor é dado pelo quociente entre a potência máxima e a área projectada dos pistões:

· W v_, W =--=pme-ª nAP T com

n - nú mero de cil indros A" - área p rojectada de um pi stão (=7tlY/4) T - núme ro de tempos do motor

e também nos dá uma ideia do ti po de mo tor, pois d e pende so mente da velocidade méd ia do pistão e da pressão mé dia efec ti va. Porém, se o lh armos para a fra cção da esq uerda, vemos que es ta potênc ia represen ta a energia que é fo rnec ida por unidade de área (e por unidade de tempo) ao pistão e que também representa a potência térm ica q u e é descarregada pe la unidade de área da câmara de comb ustão. Assim, este valor é um parâmetro muito im porta nte que si nte ti za num só valor as características térmicas, mecânicas e d e escoamento de fluidos do motor. O valor de 25 kW/dm ~ é normal para um motor actual, podendo facilmente ser triplicado em motores de competi ção muito elaborados. Comparando dois motores de igual cilindrada, igual potência específica aerial e igual relação CID, o que tiver mais cilindros terá mais potência, sendo esta proporcional à área dos pistões. Por exe mplo , um motor de 2000 c m 3 e 4 c ilindros com 140 Cv será equi valente a um 6 ci lindros da mes ma cil indrada com 160 Cv, somente como resultado do aumento da á rea dos pistões. Geralmen te estabelece-se a potê ncia específica como a re la tiva à cilindrada (kW/L), sendo estes valo res equivalen tes em difere n tes motores (estamos a fala r d e automóveis). Tal acontece porque a relação CID é se melhante e m todos estes motores, assim como o vo lume de

66

cada cilindro (entre 300 e 500 cm 3 ). res ultando em valores de área de pistões aproximadamente proporcionai s à ci li ndrada. Assim. é aceitável apresentar os dados de stes motores em gráficos potência-cilindrada (ve r Fig.5.143. pg.156). embora o parâmetro correspondente à cilindrada seja o binário.

4.2.3. Comparação entre Motores Na secção anterior já começámos a fazer comparações entre motores, no r espeito à potência específica aerial. Reparemos. com o seg uinte exemplo. qu e parâmetros poderemos comparar em motores (Tab.4. l ). O motor da esq ue rd a é u m peq ueno motor m o noc il índrico de aeromodelismo. arrefecido por ar, com somente l .5 cm 3 , q ue roda a mai s de 11 000 rpm e que queima gasolina. O outro motor tem 12 cilindros e uma cilindrada to ta l de ma is de 5 m 3 , roda a 164 rpm e pesa mais de 420 toneladas. A comparação apresen tada na tabela refere-se a um c ilindro d e cada motor. Os dois motores são muitíssimo diferentes como poderemos ana.lisar das 7 primeira s linhas da tabela, embora sejam ambos de 2 tempos e com lavagem em laço. O pe so do motor dividido pelo número de c ilindros. por exemp lo, apresenta uma relação de 300 mil vezes entre o motor ma ior (Diese l) e o menor. No entanto , os últimos 4 parâmetros são se melhantes. O motor de navio usa um compressor exterior para fazer a lavagem, enq uanto que o motor de modelismo u s a compressão do cárter. Se este m otor dispusesse também de um compressor externo ao motor , os va lores seriam ainda mais semel hantes, poi s a pme aumentaria tal como a sua velocidade, o que elevaria a sua potência específica para um valor equivalente ao do motor de navio.

Tab.4.1 - Comparação entre dois motores 2 tempos (TAYLOR. 1992)

diâmetro (m) curso (m) cilindrada oor ci lindro (L) nntência oor cilindro ílcW'l velocidade de rotacão .el de controlo e lectrónico modelam uma c urva de binário muito estável. de modo a que n ão haja grande variação de veloc idade do m o tor na tra nsi ção entre rampas.

Motores de Combustão Interna

~ --­

M \

4.4.7. Estabilidade do Motor Se um motor for s ubm et ido a um binári o resiste nte, como por exemplo o necessári o p ara manter o veículo a uma dada ve loc idade, o motor terá de produzir um binário i gual, para manter essa ve locidade. Se o bin ári o moto r fo r s uperior, o veículo aument a d e ve locidade até se atingir um novo equ ilíbrio. Se se manti ver o ace lerador na mesma pos ição e o veículo roda r numa estrada com d ifere nte d ec li ve (o u co m diferente ven to frontal) , dar-se-á uma mudan ça d e ve locidade para uma nova si tuação d e eq uilíbrio . Na Fig.4.1 9 sobrepuseram-se as c urvas d e binário d e um motor de ignição comandada (B,c) e de um Diesel (8 0 ) com duas curvas de binário res is te nte (B. , e B•:), que representam duas rampas de in c linação diferente. Repare-se que o binário do motor a gasoli na correspond e a carga parc ial. com uma pend en te negati va s upe rior à situação de carga plena. No caso do motor Diesel, a carga parc ial corres ponde efecti vame nte a injecção de metade do caudal de comb ustível refere nte a carga total. obtendo-se uma linha como a indi cada a traço interrompido na Fi g.4. 18.

...

B.,

~

)1': ')(

W,=Ws

-Bo

:::>

B,;xN,=BsXNs

em qu e os índices E e S representam en tradas e saídas e as le tra s potênc ia, bin ário e ve locidade do moto r.

11,c;

1 E 1 Veloadade 1 - -,

~

face a rampas de diferente inclinação

Di ese l) viajare m na rampa e tran si ta re m para a rampa B•:• sem modificações da posição d o acelerador , o motor a gaso lina i ncorrerá numa perda d e ve locidade inferior à do motor Diesel, e m v irtude das s uas cur vas de bin ário te rem declives diferentes . Uma curva de binário com e le vada p e nde nte negati va proporci ona uma boa estabilidade d e velocidade ao veículo. Na si tuação in versa. ao passar de uma rampa de maior para me nor i nclinação, o motor menos estáve l aumentará (o u diminu irá) mais a

82

4.4.8. Desempenho dos Veículos Função do Binário e Potência dos Motores

~

Fig.4.19 - Binilrio de motores Diesel e a gasolina Se os veículos (u m a gasoli na e outro com m otor

Para aume n tar a cst:ib ili dade do motor era vulg ar proj e ctarem-se as condutas de admissão es tre itas e longas e usarem-se vtll v ul as d e admissão e e scape d e peq uen o diâmetro. Des ta maneira m e lh orava-se o e n c him e nto a bai xas ve locidad e. à cus ta dos efe itos in e rciai s das colu nas g a sosas. No e ntanto. a p o tê nc i a máxim a era sacrificada. Motores des te tip o aparecem. por exemp lo, nos Yo l kswagen d as prime iras gerações. Actu almente proj ecta 111 -se motores co m e le vadas potências específicas. por vezes com o bintlrio mtlx imo a ve loc id a des muito e levadas. É do co nhecime nto comum que um motor que tenha binário máxim o a um a velocidad e b aixa (4000 rpm) o motor se rá ""pontudo". sendo necessá rio utilizar-se basta nte a caixa de veloc id ad es. Por o utro lado, o primei ro ti po de m o tor se rá bastante estável, não se ndo necess:irio mudar a velocidade de caixa em s ubid as m ais ou menos suaves. A vantagem do segundo tipo de m o to r é a s ua m aio r potê ncia.

Por via da regra. um elevad o binário resu lta e m ace le rações r:ipidas e nquanto qu e uma grande potênc ia proporci o na veloc idades máx imas elevadas. A caixa de velocidades é um tran s mi ssor d e potência. variando o binário d e e ntrada com o de saída com as respectivas velocidades:

B.,

.g

Exi;,tem si~te111as de con trolo que actu am sobre o acelerador de maneira a proporciona r um a velocidade con;,tante r·cruise control""). escolh ida pelo condu tor. que ass im não neces~ita de controlar a ca rga do motor. Se o veícu l o não dispuser des te sistema. o condutor ler á que abrir e fechar a bor bole ta de mod o a consegui r manter u ma ve locidade con stante numa estrada com var iação d e in c lin ação.

W.

B e N re prese ntam

Ass im se compreende que num m o tor com o mesmo binário a duas rotações diferentes (2000 e 2500 r pm, por exemplo), se e m 3ª velocidad e rodar a 2000 rpm e em 2ª rodar a 2500 rpm (rod an do o ve ículo à mes ma velocidade) . o binário que tran s mite as rodas é 25% s upe rior se u sar a 2ª velocidade e m vez d a 3ª. A potên cia foi trans mitida integra lmente do motor às rodas , mas como às 2500 rpm a p otên c ia e ra s upe r ior em 25% à potê nc ia à s 2000 rpm (o binário e ra o mes mo) , o biná rio res ult a nte apresenta a mes ma variação. Vejamos de qu e maneira se re lacionam o binário e a aceleração do veícul o. Suponhamos que um veículo com in érci a l ( k g· m ') roda a uma certa velocid ade, à qu a l necess ita de vence r um binário res is te n te B• ( N.m ). para o que utili za uma dada relação de caixa e uma dete r mi nada posição do acelerad or. Se es te for rapidamen te acc ionado (abertura da válvu la do acelerador)

--

83

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 'C-"a-"'p. 4: Perãmetros do Funclonomento

Motores de Combustão Interna

para a posição de carga total. o veículo vai sofrer uma aceleração. pois o binário resistente fo i mantido e o binário motor foi aumentado (para 8 11 ). A aceleração angular das rodas w em s·:) é dada pela segunda derivada do respectivo ângulo e: d~e

OJ=-.-

dr

8 11 -B, I

Se a aceleração for efectu ada com uma re lação de caixa mais baixa (em 2' em vez de 3') a aceleração será mais forte. em virtude do binário nas rodas ser superior. A velocidade máxima do veículo é limitada pe lo valor de potência absorvida pela aerodinâmica do veíc ul o, adic ionada às suas perd as mecânic as. Para ser au mentada deve-se melhorar a aerodinâm ica. minim izar us perda s mecân icas, maximizar a potência do motor e escolher uma relação fina l da caixa de modo a faz er co in cidir a máxima potência do motor com a velocidade máx ima do veículo. Relat ivamente ao consumo de um veícu lo. em velocidade estabilizada a massa do veículo não é signifi cati va. mas a aerodinâ.mica joga um papel importante, assim como o atrito entre pneus e asfalto. Mas ainda mais importante é o rendimento total do motor e da transmissão. Na m1n1mização dos consumos no c ircuito urbano, o factor primordial é a massa total do veícu lo, ainda que a aerodinâmica e o rendimento do motor sejam importantes. Neste último ponto é importante opti m izar os en r iquecimen tos de aceleração, que são min imizados pela utilização de s istemas de inj ecção e lect rón ica digital MPI e ainda mais nos motores de injecção directa. Como nas cond ições reais de utilização os veícu los podem passar grande parte da s ua vida em trajectos pequenos, é fundamental que o aquecimento do moto r se dê o mais r apidamen te possível. Por esta razão os motores deverão ter um volume de lfquido refri gerante reduzido e o uso de bombas de água e léctricas de ve loc idade variável poderó. também ajudar. E nquanto o motor não aquecer não haverá ci rculação.

4.5.1.Taxa de Compressão Ourante a primeira parte da subida do pi>tão (FigA.20>. a janela de escape permanece aberta. pelo que não é possível dar-se a compressão dos gases dentro do cilindro. Somente após o fecho desta janela começa a compressão propriamente dita. Assim . poderemos especificar duas taxas de compressão: V

- geométrica: E6 =....!.. V,.

v,..,

- mistura dos gases queimados com os frescos - saída pelo escape de alguma mi stura fres ca - permanência no cilindro de gases que imados O desenho do escape (ver Cap.5.4.3.4 e Cap. 10. 1.8.3) destes motores é fundamental para o se u bom func ionamento, poi s permi te que parte dos gases fres cos exp ulsos pelo escape sejam "devolv idos" ao cilindro, consegu indo-se, nalguns casos, apris ionar mais mistura do que a que teoricame nte lá cabe ri a.

14

fecho do escape

PMS

Fig.4.20 - Geometria do motor 2 tempos

- retida: E,....,= Vcc

A ex istência destas duas relações dó. mot ivo a dificuldades na comp'aração ent re motores diferentes, pois os construtores poderão apontar um a ou outra como a .. taxa de compressão" do seu motor. Por esta razão vemos especificações de taxas de compressão para motores a 2 tempos de ignição comandada variando de 6: l (retida) até 1S: 1 (geométrica).

4.5.2. Eficiências de Enchimento O motor a 2 tempos é de aná lise mais complexa do q ue o motor a 4 tempos, pois não existe segregação en tre os v~rios proce ssos do ciclo. Ass im. enquanto que no motor a 4 tempos geralmen te é su fi ciente apresentar a efi ciência volu métrica como med ida da eficácia do processo de lavagem (re tiragem dos gases de escape e forn eci mento de gases frescos) , no motor a ·2 te mpos são necessári os vários parâm etros (ver na Fig.4.2 1 o sign ificado da si mbologia) (BLAIR, 1996):

4.5. O MOTOR A 2 TEMPOS O fun cionamento do mo tor a 2 tempos (Cap. 1.7) caracteriza- se pe la realização de dois processos (expan são-escape ou admissão-compressão) em cada deslocamento do pis tão, o que resulta em:

PMI

- re lação de en trega

RE=m'°"'

- rendimento de retenção

1],., =-...!!!....

mw m

("del ivery ratio") ("trapping e ffi c iency ")

mfom

- rendimen to de lavagem (pureza) 'lia.= m,.. m,_, - eficiência d e fornec imento

e jórn

- eficiê ncia de enc hi mento

= m,., mw

("scaveng ing efficiency" ou "p uri ty") ("chargi ng efficiency")

e...,i, = m_, ("relative cyl inder charge") m"

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 'C-"a-"'p. 4: Perãmetros do Funclonomento

Motores de Combustão Interna

para a posição de carga total. o veículo vai sofrer uma aceleração. pois o binário resistente fo i mantido e o binário motor foi aumentado (para 8 11 ). A aceleração angular das rodas w em s·:) é dada pela segunda derivada do respectivo ângulo e: d~e

OJ=-.-

dr

8 11 -B, I

Se a aceleração for efectu ada com uma re lação de caixa mais baixa (em 2' em vez de 3') a aceleração será mais forte. em virtude do binário nas rodas ser superior. A velocidade máxima do veículo é limitada pe lo valor de potência absorvida pela aerodinâmica do veíc ul o, adic ionada às suas perd as mecânic as. Para ser au mentada deve-se melhorar a aerodinâm ica. minim izar us perda s mecân icas, maximizar a potência do motor e escolher uma relação fina l da caixa de modo a faz er co in cidir a máxima potência do motor com a velocidade máx ima do veículo. Relat ivamente ao consumo de um veícu lo. em velocidade estabilizada a massa do veículo não é signifi cati va. mas a aerodinâ.mica joga um papel importante, assim como o atrito entre pneus e asfalto. Mas ainda mais importante é o rendimento total do motor e da transmissão. Na m1n1mização dos consumos no c ircuito urbano, o factor primordial é a massa total do veícu lo, ainda que a aerodinâmica e o rendimento do motor sejam importantes. Neste último ponto é importante opti m izar os en r iquecimen tos de aceleração, que são min imizados pela utilização de s istemas de inj ecção e lect rón ica digital MPI e ainda mais nos motores de injecção directa. Como nas cond ições reais de utilização os veícu los podem passar grande parte da s ua vida em trajectos pequenos, é fundamental que o aquecimento do moto r se dê o mais r apidamen te possível. Por esta razão os motores deverão ter um volume de lfquido refri gerante reduzido e o uso de bombas de água e léctricas de ve loc idade variável poderó. também ajudar. E nquanto o motor não aquecer não haverá ci rculação.

4.5.1.Taxa de Compressão Ourante a primeira parte da subida do pi>tão (FigA.20>. a janela de escape permanece aberta. pelo que não é possível dar-se a compressão dos gases dentro do cilindro. Somente após o fecho desta janela começa a compressão propriamente dita. Assim . poderemos especificar duas taxas de compressão: V

- geométrica: E6 =....!.. V,.

v,..,

- mistura dos gases queimados com os frescos - saída pelo escape de alguma mi stura fres ca - permanência no cilindro de gases que imados O desenho do escape (ver Cap.5.4.3.4 e Cap. 10. 1.8.3) destes motores é fundamental para o se u bom func ionamento, poi s permi te que parte dos gases fres cos exp ulsos pelo escape sejam "devolv idos" ao cilindro, consegu indo-se, nalguns casos, apris ionar mais mistura do que a que teoricame nte lá cabe ri a.

14

fecho do escape

PMS

Fig.4.20 - Geometria do motor 2 tempos

- retida: E,....,= Vcc

A ex istência destas duas relações dó. mot ivo a dificuldades na comp'aração ent re motores diferentes, pois os construtores poderão apontar um a ou outra como a .. taxa de compressão" do seu motor. Por esta razão vemos especificações de taxas de compressão para motores a 2 tempos de ignição comandada variando de 6: l (retida) até 1S: 1 (geométrica).

4.5.2. Eficiências de Enchimento O motor a 2 tempos é de aná lise mais complexa do q ue o motor a 4 tempos, pois não existe segregação en tre os v~rios proce ssos do ciclo. Ass im. enquanto que no motor a 4 tempos geralmen te é su fi ciente apresentar a efi ciência volu métrica como med ida da eficácia do processo de lavagem (re tiragem dos gases de escape e forn eci mento de gases frescos) , no motor a ·2 te mpos são necessári os vários parâm etros (ver na Fig.4.2 1 o sign ificado da si mbologia) (BLAIR, 1996):

4.5. O MOTOR A 2 TEMPOS O fun cionamento do mo tor a 2 tempos (Cap. 1.7) caracteriza- se pe la realização de dois processos (expan são-escape ou admissão-compressão) em cada deslocamento do pis tão, o que resulta em:

PMI

- re lação de en trega

RE=m'°"'

- rendimento de retenção

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- rendimen to de lavagem (pureza) 'lia.= m,.. m,_, - eficiência d e fornec imento

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("scaveng ing efficiency" ou "p uri ty") ("chargi ng efficiency")

e...,i, = m_, ("relative cyl inder charge") m"

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• Motores de Combustão Interne

C1p. 4: Parimetros do Funcionamento

com

Q ., motores reai s apresentam rendimentos de lavagem geralmente en tre as curvas de remoção

m ,,~. -

total e de mistura total (FigA.23J. embora nalguns casos a curva possa cair abaixo da de mistura total por haver curto-circuito de gases frescos para o escape e falta de remoção dos gases de escape .

massa (de g:h fre,co) fornecida por ciclo m .. - massa relativa ao volume varrido na' condições da admissão 111,.., - massa dt: gás fre sco fornecido ret ida dentro do cilindro 111,.,,,,- massa total que fica no cilindro (gás fr esco +queimado)

Fig.4.21 - Diagrama da lavagem dum motor a

Para relações de entrega relativamente elevadas a lavagem unidireccional (ver Cap.5.4.1.3) ;1presenta rendiment os de lavage m superi ores aos outros tipos de la vagem . porque geralmen te emprega-se e m motores de cur so muito maior que o diâmetro. com fornecimento da mi s tura no local oposto ao local de remoção dos gases de escape.

2 tempos

Em motores que qu eimem mi sturas pobres, parte dos gases que imado' retidos no cilindro do ciclo anterior ( m,.,.;,.. nu Fig.4 .2 1) são ar (m,,,,.,,,.,,). pe lo que a pureza absoluta dos gases terá de entrar em linha de conta com este ar, pelo que poderemos introduzir: - pureza absoluta

PA

ffln:I

+

ml\ são extremame nte baixos, com uma reduzida saia e com dois segmentos e são arrefecidos interiormente por jactos de óleo. As duas árvores de carnes por banco de cilindros são comandadas por uma cascata de rodas dentadas (como as da Fig.5.51. pg.1 12). sistema mais prec iso e controláve l que por corrente (WRIGHT, 2004 ).

rotação dos motores que actua lmente rodam perto das 19 000 rpm.

Todos os component es são diferentes dos de série. embora sejam seme lhantes. Um bom exemplo são as ve las. que embora não tenham eléctrodo de massa sa liente (ac im a das 17 000 rpm as vibrações tendem a parti-los) e sejam mais pequ enas (para aproveitar es paço para as vá lvu las), o as pecto geral é semelhante ao das convencio na is (Fig.4.25).

Até 1965 os motores dos carros de Formula 1 tinham uma cilindrada de 1500 cm 3 , o que os tornava pouco potentes. Desde 1966 que os motores passaram a se r limitados a 3 litros, apresentando nessa altura cerca de 400 Cv, va lor que foi continuamente c rescendo até 1981. em que chegaram aos 520 Cv (Fig.4.26). Nessa áltura alguns construtores começaram a desenvolver motores turbo de 1500 cm ) cuja potência escalou até cerca de 950 Cv em 1988 (motores de corrida , pois os motores de qualificação dizia-se fazerem 1500 Cv WRIGHT, 200 1).

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Fig.4.25 - Vela convencional e de Formula 1 (segundo plano!

600

~

"e

oQ.

400

200

O'-------------- ---' 1960

1970

1980

1990

2000

2010

ano

Fig.4.26 - Potência dos motores de Formula 1 ao longo dos anos

Nessa altura houve restrições ao co nsumo de modo a que os motores não turbo co ntinu assem a ser usados. Novas res trições foram impostas tanto ao nível da form ulação do combustíve l como na cilindrada (os motores não sobrealimentados passaram para 3.5 litros). Quando os motores passaram novamente para 3 litro s ( 1995) a s ua potência já andava nos 700 Cv e actualmente chega aos 900 Cv, ou seja 300 Cv por litro de cilindrada. O aumento da vida útil dos motores para o dobro em 2004 não pareceu travar este aumento. Este espectacular aumento de potência deveu-se princ ipalm ente ao aumento da ve locidade de

88

no qual

=k

x (caudal de ar teó ri co) x (poder calorífico do combu stível) x (rendimento térmico ) x ( e fici ência volumétrica ) x (rendimento mecânico) k é uma con stante (re lação A/F. etc.) (cauda l de ar teór ico)= (cilindrada) x (pressão de admissão) x (rpm/2) (rendimento térmico) =(rend. teórico) x (rend. indicado)

Como na Formula 1 os regulamentos estipulam: - cilindrada - combust ível (e portanto o se u poder ca lorífi co) - pressão de admissão (inte rdi ção de sobrealimentação) a potência d estes motores se rá dada por: W= K

X

(rpm) X T/1co X T/ind X TJmec X C.'Oi

.•

800

~

W

'

1000

~

Nes tes moto res (ta l como em qualquer outro) a potência efectiva é função de:

O rendimento teórico e o rendimento ind icado são dependentes da taxa de compre ssão (dependente do combustível e desenho das câmaras d e combustão). das potências descarregadas na refrigeração e no escape e do rendimento de combu stão , e vêm sido melhorados ao longo dos tempos por melhorias de d esenho. O rendim ento mecânico baixa com a subida de ve locidade do motor, mas para a mesma velocidade tem vi ndo a aumentar mercê de novos materi ais e me lh or proj ec to . O uso de pistões só com um seg mento d e compressão e sa ia cu rtíssima. o uso de seg uidores para actuação de válvulas e o uso de um quase vácuo no cárter (diminuindo as perdas aerodinânicas da s bielas e ca mbo ta e elim inando o óleo que poderia absorver potência) têm esse intuito. A eficiência volumétrica tem aumentado ao longo dos anos, mas o aumento da velocidade do motor é- lhe desfa voráv el. No início da década de 90 a e fi ciência vo lumétri ca destes motores poderia chegar aos 140%, mas actualmente andará pe los 130%, em vi rtude das elevadas ve locidad es d e rotação . A lguns motores já apresentaram mesmo valores s uperiores a 150% (BORETTI et ai, 1994). Embora hajam muitas variáveis em jogo, ao longo dos anos tem -se visto qu e a potência dos motores tem sido proporcional à sua veloc idade de rotação (Fig.4.27), ou seja o produto dos 3 rendimentos pela efic iência volumétrica manteve-se constante. De notar que o motor Mercedes W 196 (Fig.4.28), embora u sasse combustível sofi s ticado (uma mistura de álcoois e outros produtos) cai sobre a linh a, mostrando que a sua sofisticação em termos de desenho (provave lmente câmara de combustão) era inferior à dos motores mais modernos. Esta figura (Fig.4.27) faz - nos perceber a evolução destes motores: aumentar a ve loci dade d e rotação man tendo o produto dos 3 rendimentos e da eficiência volumétrica. O nível de sofist icação imposto aos motores pode ser visto na Fig.4.29, em que nos aparece a ve locidade de rotação máxima dos motores rela tivamente ao ano de cons tru ção.

89

Motores de Combustão Interna

Cap. 4: Parlm1tro1 de Funcionamento

300

compacta e criaria problema~ de turbu lênc ia (pouca) e o tempo de combustão 5eria aumentado. No campo da distribuição. a recuperação (fecho) das vá lrnl as pneumaticamente (iniciado pela Renault em 1986) permitiu um signi fic ativo aumento das rot ações. deixando o -.i~tema de distribuição de ser o limitador da veloc idade máxima do motor.

Mercedes-llmor

V10 3.0 l

;;!250 > !:1.200

Fcrd-Co&W0 !:1.200

Fcrd-Co&W0 e hiper-eutética~. contendo até l 6'k de ,iJício. fata' liga-. têm menores coeficientes de expansão térmica . pdo que os pistões podem ser fabricados com tolerfincias mais apertadas. além de serem menos densas e mais resistentes. tanto e'truturalmente como ao desgaste. Assim. os pi stões são mais finos. mai' curtos e com muito menor mas-.a que há umas década-. atrás e com maior rcsistên e hiper-eutética~. contendo até l 6'k de ,iJício. fata' liga-. têm menores coeficientes de expansão térmica . pdo que os pistões podem ser fabricados com tolerfincias mais apertadas. além de serem menos densas e mais resistentes. tanto e'truturalmente como ao desgaste. Assim. os pi stões são mais finos. mai' curtos e com muito menor mas-.a que há umas década-. atrás e com maior rcsistênem dúvida o VTEC da Honda (Fig.5.67. d o ti po 3). que pe r mit iu de,envolver. em 1990. 160 Cv de um motor J e -1 ci lin d ros com 1600 c m3. garantindo sua vidade e economia. Este sistema trabalha com 3 ca mes e 3 ba lan ce iros para cada 2 válvulas (de admissão ou de escape). A bai xa rotação. o carne ce ntral e nc ontra -se d esact ivado e cada came ac tua uma válvu la (Fig.5.68). Na lguns motore; o came da seg unda v~ílvula de admissão é ma i' pequeno. c riando grande vorticidade (turbul ênc ia ) na entrada da mistura a ba i1rns rotações. Ac ima duma dada rotação um c ircuit o de óleo sob pressão foz com que os 3 ba lan ce iros act ucm solid a ria me nte. sen do o central o controlador, po is esse came é o de maiores â ng ulo s. obrigando as v:\lvulas a maiores aberturas (Fi g.5.68).

cOmandado

Nc:stas condições o mo tor te m de trnbalhar co mo uma bomba . pois a mi s tura qu e admite tern de: passar por umn v::í lvula parcia lmente fechada (borboleta do a ce le rador). produzindo uma depn:ssão na admissão. Sc:ndo possível d iminuir drasticamente o tempo de abertura da vá lvula de: adm issão. a \ á ll'Ula de estrangulamento da mistura (borboleta) é desnecessária. pois o .:ontro lo de entrada de mi>tura faz-se pela \ari:u;iio do tem po de abertura da vá lvu la de admi>são. m in imizando ª' perdas por bombage m e conseque nte mente o cons umo a baixas cargas e principalmente ao ··ra lcnt i··.

GEOM ETR IA VARIÁVEL DE COLECTORES ! quando efec tuada' no colector de admissão. e introd uzir vá lvulas ou outros siste mas no colector de escape é de c lt!vad o risco. em virtude das e le vadas temperaturas a que es te funciona . embora algun s construto res o façam (Fig.5.70) . Embora haja casos em que o comprime nt o das condutas de admissão pode ser variado conti nua mente (Fig.5.71 ). os processos ma is habituais de variação de geometria do colector de admissão cons istem na introdu ção de válvu las qu e põem e m li gação partes do colector geralme nte separadas. aum e ntando ou diminuindo o percu rso dos gases e dos volumes de ressonância (F ig.5.72) .

Fig.5.70 - Válvula restritora no escape

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Fig.5.68 - Esquema de funcionamento do sistema Honda VTEC

Fig.5.67 - Sistema Honda VTEC

Sistemas do ti po 4 so men te existe comercializado (e m 2004) o Valvetronic da BMW (Fig.5.69), que proporciona uma grande liberdade d e accionamento das válvu las de admi ssão, tend o pe rmitido a el imin ação da válvu la de borboleta (a celerador) da admissão. Um grand e po te nc ial que es tes sistem as poss uem é a poss ib il idade de se diminuir as perdas de bombagem existentes aquando d o funcionamento do motor a baixa carga.

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....-.... a) Posição de máxima abertura Fig.5.69 - Sistema BMW Valvetronic

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/@/&J/i:§J admissão curta

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admissão lonp.a

Fig.5.71 - Variação do comprimento da admissão

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Fig.5.72 - Motor V6 com 3 fases de indução

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b) Posição de mínima abertura

A Fig.5.72 retrata um colector d e admissão com três geometrias diferentes, controladas pelas aberturas ou fec hos das vá lvulas B e C .

e) Montagem no motor V8

Com as v~ l v ula s B e C's fechada s, a admissão co mporta- se como um conjun to de 2 colec tores individuai s. com bom enchime nto a baixas rotações . Com a abertura das válvulas C 's (ponto D d a Fig.5.73), o motor respira melhor poi s o volume e comprimentos de ressonância aumentam . A partir da velocidade

111

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Fig.5.73 - Curvas de binário relativas ao colector de admissão da Fig.5.71

119

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Cap. 5: Descriçl o dos Motore s

Motores de Combustão lnt1rn 1

(e fim) da abertu ra . permitindo uma reduzida variação d as característi cas do motor. quando comparado com o> ou tros sistema>. O primeiro >i,tcma comercial que realmente permitiu uma vari ação efect iva do funcio namen to da' válv ul as foi >em dúvida o VTEC da Honda (Fig.5.67. d o ti po 3). que pe r mit iu de,envolver. em 1990. 160 Cv de um motor J e -1 ci lin d ros com 1600 c m3. garantindo sua vidade e economia. Este sistema trabalha com 3 ca mes e 3 ba lan ce iros para cada 2 válvulas (de admissão ou de escape). A bai xa rotação. o carne ce ntral e nc ontra -se d esact ivado e cada came ac tua uma válvu la (Fig.5.68). Na lguns motore; o came da seg unda v~ílvula de admissão é ma i' pequeno. c riando grande vorticidade (turbul ênc ia ) na entrada da mistura a ba i1rns rotações. Ac ima duma dada rotação um c ircuit o de óleo sob pressão foz com que os 3 ba lan ce iros act ucm solid a ria me nte. sen do o central o controlador, po is esse came é o de maiores â ng ulo s. obrigando as v:\lvulas a maiores aberturas (Fi g.5.68).

cOmandado

Nc:stas condições o mo tor te m de trnbalhar co mo uma bomba . pois a mi s tura qu e admite tern de: passar por umn v::í lvula parcia lmente fechada (borboleta do a ce le rador). produzindo uma depn:ssão na admissão. Sc:ndo possível d iminuir drasticamente o tempo de abertura da vá lvula de: adm issão. a \ á ll'Ula de estrangulamento da mistura (borboleta) é desnecessária. pois o .:ontro lo de entrada de mi>tura faz-se pela \ari:u;iio do tem po de abertura da vá lvu la de admi>são. m in imizando ª' perdas por bombage m e conseque nte mente o cons umo a baixas cargas e principalmente ao ··ra lcnt i··.

GEOM ETR IA VARIÁVEL DE COLECTORES ! quando efec tuada' no colector de admissão. e introd uzir vá lvulas ou outros siste mas no colector de escape é de c lt!vad o risco. em virtude das e le vadas temperaturas a que es te funciona . embora algun s construto res o façam (Fig.5.70) . Embora haja casos em que o comprime nt o das condutas de admissão pode ser variado conti nua mente (Fig.5.71 ). os processos ma is habituais de variação de geometria do colector de admissão cons istem na introdu ção de válvu las qu e põem e m li gação partes do colector geralme nte separadas. aum e ntando ou diminuindo o percu rso dos gases e dos volumes de ressonância (F ig.5.72) .

Fig.5.70 - Válvula restritora no escape

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Fig.5.68 - Esquema de funcionamento do sistema Honda VTEC

Fig.5.67 - Sistema Honda VTEC

Sistemas do ti po 4 so men te existe comercializado (e m 2004) o Valvetronic da BMW (Fig.5.69), que proporciona uma grande liberdade d e accionamento das válvu las de admi ssão, tend o pe rmitido a el imin ação da válvu la de borboleta (a celerador) da admissão. Um grand e po te nc ial que es tes sistem as poss uem é a poss ib il idade de se diminuir as perdas de bombagem existentes aquando d o funcionamento do motor a baixa carga.

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....-.... a) Posição de máxima abertura Fig.5.69 - Sistema BMW Valvetronic

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Fig.5.71 - Variação do comprimento da admissão

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Fig.5.72 - Motor V6 com 3 fases de indução

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b) Posição de mínima abertura

A Fig.5.72 retrata um colector d e admissão com três geometrias diferentes, controladas pelas aberturas ou fec hos das vá lvulas B e C .

e) Montagem no motor V8

Com as v~ l v ula s B e C's fechada s, a admissão co mporta- se como um conjun to de 2 colec tores individuai s. com bom enchime nto a baixas rotações . Com a abertura das válvulas C 's (ponto D d a Fig.5.73), o motor respira melhor poi s o volume e comprimentos de ressonância aumentam . A partir da velocidade

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Fig.5.73 - Curvas de binário relativas ao colector de admissão da Fig.5.71

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Cap S DHc r1çao do s MC»l oru

Motofts dt Combu11io ln1trna

rclcru.t.1 por I .. dc \c 'c ahrir t ~uoh cm ;.1 \~Íl \u l ;.1 B. d~ 11H11Ju ..1 4uc h.q:.i 11\lcrlt.·rc1 1\.'1a en tre º ' l:d1 ntlr n' t..ln' dut' h;,11H.:n,. o 4uc melhora o rc,pir;.11 d o motor LI ~dlJ 1ul.1\:-1 0

5.1.5. Sistema de Arrefecimento

(Ht 1\11

E:.m \Hlude da l.'.t1nlhu,1 ~1n 'e d,u .J h:111pcra1ura' t>2000"("1 uu muito 'upcnor~' ~1 temperatura dC r unl.'IOll;tlHCJllO d~I ' flJr~t.Ji.:", Jo i.: ilindro C l."âlllJí:I Jt..• i.'. OlllhU,lau. t!"(l'. I C Ullla ~crta 4uantid.1Jc d'"· '"·~dor tra11, l erid.1 do' ga'c" de unn l·H1'1~io p~1ra ,1, J11.1' p.ircd..:'. por clc110 J" g.raJ 1cnte Uc 1c1npcratura. L ,l,i 4t1•1Ut1J..it.h.: d e t.:.tlur lcm de 'cr n.:t1raJa du motor. pu1 ' de nutro m 1H.io ª' tcmpt.·ratura' do' 111;.11cri;.11' clc\;U·'c.: 1.1m at l.! \a lnrc' l!UC 1111p ~"'11l il11 .1rL1m .1 '"'1 opcract~-10. L lllJ rc,lfl'J~ào e .1 tc111per~1tu rn m ~1x1ma qul· o olc perde c alor para " cilindro por IH t.: 10 du,tã o i.:o nJir10 11a o m o tor rela ti va me nte à ... ua laxa t.Je co mprc,,ão. pc: I\, aparecimcn1 0 do ·· "noc" .. . Por c'ta ra1 ão a~ tc! rn perat ura' mai ' c k \•aJa, d .1 t.:â mÍmplc' e gcra lmcnlc uu10rcgul:1dora. poi' quanto malOr for a carga térmica do 11101or. maior será o d i ferencial de tempcralura e o caudal de água. Para que o fluxo 'e dê facilmenle. " condu1a' 'ão ampla, e i.em gra ndes curva1ura' ou outra' de,conlinuidade'. A diferença de tcmperalura enlre o ponlo mai' frio e mai> quente nu molor po1k 'er >upc rior a 4U°C. exce"1vo para um conlrolo correclo de lcmperalura. De modo a que haja arrcfcci men10 do "rad iador" quando o veícul o c'tá parado . cxislc um vcn 1i h1dor cm frente ao radiador. l igado à camhola do molor (Fig. 5 .80). funcionando continuamenle .

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5.1.5.3. Circu lação líquida forç a da A ci rculação líquida forçada (Fig.5.82) é uni vcr,almenle empregue no campo aulornobilí>lko pela' sua' inúmera' vunl agcns: pcrm ilc um contro lo de temperatura de funcionamento cn ire limilc' apenado,, u•a um "radiador" de pequena' dimcn>1ie,, facilila o aquecimento do habi táculo e a polência necc!o'ária para o 'eu funcionamento é diminuia.

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F1g.S 78 - Alhetas num motor refrigerodo 1 ar

Fig S 79 - Corte do motor Porsche refrigerado 1 ar

No arrefcc imenlo a líquido podemo' con,iderar doí' ,;,lema> diferenlc': por l e rm usirão e forçada. Na circulação líquida por termo,ifão (Fig.5.l!OJ a força motora da movimentação do líquido provém da' diferença' de den,idade da água 4uen1c e fria . Quando 'e e leva a lempe ratura da água. a s ua den,idade baixa ( por dilatação). clevando->e. quando no 'cio de água mai~ fria. DeMa ma neira. se ti ve r mo~ um circuito aberto com iigua quente num do~

Nesle si,lema exislc também um "'radiador". mas de dimen,õe' mais red uzidas d o que na c irculaçã o por 1er mosif50. em vi rt ude das veloc idades da água no 'eu interior serem mais elevadas. elevando o coeficien1e de lransferência de calor. Me,mo com uma menor área de transferênci a de calor. a difercnç:1 enlre ª' lem peratura' exlrema' é. gera lmcnle. inferio r a 1OºC. de modo a não promover grandes dife renças de 1empera1ura no molor. O d ese nho do' "radiadores" actuais é bas1an1e sofblicado. lendo os con,lrulore' recorrido a desenhos de alheia' (exlerio re,, que é o meio com 111:1i' limitação no re l'erenle à 1ransferência de ca lor) mu ito elaboradas.

ramos venicais e fria no outro. dar-s_e-á uma circulação nalural. na qual a água quenle sobe no 'eu ramo e a fria de,ce no oulro. A água said qucnle do molor. ;endo di r igida para o permulador de ca lor. e rroneame nle de nomi nado "radiador" (Fig.5.80). Ne,te aparelho a ág ua é arrefecida pela passagem de ar frio na 'ua 'uperfície cx lerior. que é do1ada de a lheia' (Fig.5.8 1). Pelo explicado se compreende que o modo de lran, ferência de calor no "radi ador" seja predominan1emen1e por convecção em vez d e por radiação. como o •eu nome >ugere. ventilador hpdo à ciinbota

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MOTOR

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Fig.S.80 - Sislema de "termosifão·

Fig.S.81 - Arrefecedor da igua de um motor antigo !tubos com alhetas circuluest

É nccc»(orio. po r1un10 . haver um de,nívc l apreci(ovcl entre a s aída do molor e o "radiador". Quando se aplica este t ipo d e arrefcci mcn lo num automóve l é forçoso us ar-se urna frente

122

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déclrico CUU\ôMllbdcJ

lennost.tlte-..n1'".,,IC

MOTOR

Quando é necc\Sário aumentar a polência tran>ferida dum ccno local (sede da v:í lvu l:t de e'cape. por exemplo). facilmente 'e Fig.S.82 - Sislemo de arrefec1men10 de aumenrn o caudal de líquido nc"c local, melhorando lambém a circuloçlo liquida forçada incidênc ia sobre as superfície" de modo a aumcnt:ir n coeficienle de lran,ferência de calor local e a diminuir a 1empera1ura da parede.

5.1.5.2. Circulação líquida oor termos ilã o

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Fig.S.83 · Radiador

Quando o moior eslá fr io é nece"ário que o aqu ecimenlo 'eja o mai, r:lpido po,sível. de modo a mininuzar o tempo cm que o mo1or 1rabalha a 1cmperatura> nno ópl imas. Como geralme nie a bomba de circulação forçada ( Fig .5.82) cs1á directarnc nte ligada à cambolll. ela roda >emprc q ue o moior es1á c m funcionamento. Para reduzir o 1empo de uquec imenlo. ex is le uma vá lvula t erm oslálica (Fig.5.82 e Fi g.5 .84 ) que sorne nle perm ile a pa>'agem do lí4uido para o radiador a panir d e um" cala 1empera tura. vulgarmenic t!5-90ºC . Para 1empera1uras infe r iores a válv ula fecha. não permilindo arrefecimen10 ao mo1or. Quando o ve ículo eslá parado com o moior em funcionamento. como não h á c irc u lação de a r atravé' do " radiador" . a lemperalura do flui do •ub iria pcrigosamenle. caso n ão exi-iiS>e um venlilador con lrolado por uma válvula eléc1rica 1crmoq(l11 ca (Fig.5.85) . que o liga acima dos 90-95ºC. Desle modo co 111rolar-se-:l a 1em pcr:11ura máxi m a do rnoior pe lo lado do "rad i ~1 do r".

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..,....-Moto res d1 Comlunl io ln11rn1

Ca p. 5. D11criçl_!!os Moto'es

Como a capacidade de 1ra1i.fe rê nc1a de calor é rcdut1da (ba,lanlc inferior à da ái;uaJ. c'le' moiorc' trabalham. geralmenlc. a lcmpcratura' nwi' elevada' do que '" arrdecido' a lí4uido.

mullo alia. penalitundo o veícu lo no 'cu codk1cn1c de peneiração aerodinâm ico . A c 1rcu laçào por 1e rm o'lfào ~ >Ímplc' e gcra lmcnlc uu10rcgul:1dora. poi' quanto malOr for a carga térmica do 11101or. maior será o d i ferencial de tempcralura e o caudal de água. Para que o fluxo 'e dê facilmenle. " condu1a' 'ão ampla, e i.em gra ndes curva1ura' ou outra' de,conlinuidade'. A diferença de tcmperalura enlre o ponlo mai' frio e mai> quente nu molor po1k 'er >upc rior a 4U°C. exce"1vo para um conlrolo correclo de lcmperalura. De modo a que haja arrcfcci men10 do "rad iador" quando o veícul o c'tá parado . cxislc um vcn 1i h1dor cm frente ao radiador. l igado à camhola do molor (Fig. 5 .80). funcionando continuamenle .

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F1g.S 78 - Alhetas num motor refrigerodo 1 ar

Fig S 79 - Corte do motor Porsche refrigerado 1 ar

No arrefcc imenlo a líquido podemo' con,iderar doí' ,;,lema> diferenlc': por l e rm usirão e forçada. Na circulação líquida por termo,ifão (Fig.5.l!OJ a força motora da movimentação do líquido provém da' diferença' de den,idade da água 4uen1c e fria . Quando 'e e leva a lempe ratura da água. a s ua den,idade baixa ( por dilatação). clevando->e. quando no 'cio de água mai~ fria. DeMa ma neira. se ti ve r mo~ um circuito aberto com iigua quente num do~

Nesle si,lema exislc também um "'radiador". mas de dimen,õe' mais red uzidas d o que na c irculaçã o por 1er mosif50. em vi rt ude das veloc idades da água no 'eu interior serem mais elevadas. elevando o coeficien1e de lransferência de calor. Me,mo com uma menor área de transferênci a de calor. a difercnç:1 enlre ª' lem peratura' exlrema' é. gera lmcnle. inferio r a 1OºC. de modo a não promover grandes dife renças de 1empera1ura no molor. O d ese nho do' "radiadores" actuais é bas1an1e sofblicado. lendo os con,lrulore' recorrido a desenhos de alheia' (exlerio re,, que é o meio com 111:1i' limitação no re l'erenle à 1ransferência de ca lor) mu ito elaboradas.

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Fig.S.80 - Sislema de "termosifão·

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Quando é necc\Sário aumentar a polência tran>ferida dum ccno local (sede da v:í lvu l:t de e'cape. por exemplo). facilmente 'e Fig.S.82 - Sislemo de arrefec1men10 de aumenrn o caudal de líquido nc"c local, melhorando lambém a circuloçlo liquida forçada incidênc ia sobre as superfície" de modo a aumcnt:ir n coeficienle de lran,ferência de calor local e a diminuir a 1empera1ura da parede.

5.1.5.2. Circulação líquida oor termos ilã o

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Fig.S.83 · Radiador

Quando o moior eslá fr io é nece"ário que o aqu ecimenlo 'eja o mai, r:lpido po,sível. de modo a mininuzar o tempo cm que o mo1or 1rabalha a 1cmperatura> nno ópl imas. Como geralme nie a bomba de circulação forçada ( Fig .5.82) cs1á directarnc nte ligada à cambolll. ela roda >emprc q ue o moior es1á c m funcionamento. Para reduzir o 1empo de uquec imenlo. ex is le uma vá lvula t erm oslálica (Fig.5.82 e Fi g.5 .84 ) que sorne nle perm ile a pa>'agem do lí4uido para o radiador a panir d e um" cala 1empera tura. vulgarmenic t!5-90ºC . Para 1empera1uras infe r iores a válv ula fecha. não permilindo arrefecimen10 ao mo1or. Quando o ve ículo eslá parado com o moior em funcionamento. como não h á c irc u lação de a r atravé' do " radiador" . a lemperalura do flui do •ub iria pcrigosamenle. caso n ão exi-iiS>e um venlilador con lrolado por uma válvula eléc1rica 1crmoq(l11 ca (Fig.5.85) . que o liga acima dos 90-95ºC. Desle modo co 111rolar-se-:l a 1em pcr:11ura máxi m a do rnoior pe lo lado do "rad i ~1 do r".

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Moto re s dt Combustlo lnte rn1

C1 p. S: Ducriçi!._!loa Motores

parn arrefecer n 1iquido de arr cf ec 11ncn10 do motor. 'ohrea4 uecc ndn-o. Nc''ª .._Íl llõlc.jfÍo

dc vcr- ~c-ü

d~'\ l igar o , j,,.tcma de ar condicionado e parar o veíc ulo. mantendo o motor t! lll funua le mperatura baix e. Notc-'e que alg un s motore' tê m '"tema' de proiecção que aciuam o modo "'limp horne'" (um funcionamento em ··modo segu ro··) quando a 1c mpe ra1ura do motor pass a de um ceno val or. e o poderão parar para co ndições e m que haja perigo de destruição.

Fig.5.84 - Vtlvul1 _termostática

Fig.S.85 - Termostato el6cwco

Além do coniro lo exte rior de temperatura operado pela> dua' vá lvula• 1ermo> lát icas, o ,;,tema líquido te m um o utro podc rO>O con trolo de temperatura: à pre"ão atmos fé rica a água e ntra e m ebulição a 1OO"C. A esta tem peratu ra (pode rá se r um po uco maior para •obrepre,sões do circui to de arrefecime nto ou para outro' líquido•.) o líqu ido \Obre uma >upcrfíc ie que nte inicia a nuclcação de bo lha> de vapor. o que aume nta ' ig nificat iva om:nte o nível de 1rans ferê nc ia de calor (e m 10 vezes) e limita a tempe rat ura máxi ma das parede> arrefec idas. Tal e fe ito não exis te no arrefeci mento a ar. pe lo que não haverá limite superior de tempe ratura das paredes. Se fos>e poss íve l estabelect:r o a parecimento de nuc leação. o caud al de arrefecime nto poderia ser red uzido e m quase 5 vezes. A válvula tcrmostática ex is t e e m virtude de 'e us ar uma bomba de circul;oção ligada à cambota do motor. Se u bomba fos,e ligada a um motor eléctrico de velocidad e va riáve l. o controlo do s is tema se ria mais s imp lifi cado. pois e la es taria parada durante o aquec im e nto do motor e variaria o caudal de acordo com a temperatura exte rior e com a produção interna de calor. mantendo uma temperatura m_ais es tá ve l. Este tipo de bombas está a ser desenvo lvida. prevendo-se a intens i ficação do seu uso aq ua ndo do aume n10 da te ns ão e léctrica do; s is te mas e léctricos do< automóve is. Um outro proces>o de dimi nuir o te mpo de aq uec imento é a redução da massa do motor ( nomeadamente da c ulassa ) e do vo lume do fl uido de arrefec imen to. Além do '" radiador'" de água. alguns ca rro> também nece»ita m de um "radiador·· de óleo. montado por bai xo do de água ou atrás des te. Veíc ulos que d isponh am de ar condicionado possuem ai nda o conde nsador des ie >istema. gera lme nte colocado à frente do '"radiador" de água ( Fig .5.86) e menores do tados de t urbo compressor co m Fig.5.86 - Rad iador 1 condenudor de A/C " int er cooling". necess itam que es te permutador de ca lor 1poi1dos por duplo ventilodor se coloque també m à frente de todos o utros.

º'

Ass im. esies carros têm todas as e ntrada> fro ntais de ar com duas o u três fiadas de permutadores de calor. incl uindo o "inter-coole r ". o condensador. o radi ador de água e o de ó leo. Por vezes acontece que. cm s ituações de alta 1c mpera1uru ambien1 e e grande soli citaç ão do motor (po r exemp lo na 'ubida de uma montanha . no Verão) . •e o veículo não c irc ul ar a g ra nde veloc idade. a 1e mpe r:o1ura do ar saind o do conden>ador do ar cond icionado não é >uficiente

124

5.1.6. Lubrificação Para q ue duas s uperfíc ies metálica' po.sam de s lizar entre , i . é nccessaroo inte r por uma película de um líqu ido lubrifi ca nie. de modo a reduz ir o contac to enlre metab . Se os metai s des lizasse m se m e.ia pel íc ula o atri to c r iado fari a com que a • ua temperaiu ra >e e levaS>c a té ao ponto de fusão. dando orige m ao processo gera lme nte co nhec ido por i;rip:q.:cm . Q, me tais fundidos ligam-se. impo,sibilitado a continuação do mo vime nto .

º'

Alé m de impedi r o contacto entre as supe rfícies e m movime nto e ass im reduz ir a s perdas mecânicas. a lubrificação permi te também ajuda r a C>tanquecidade do pis iiio e a re fri geração das panes móve i> como seja a do pi>tão. Ü> ele mento' a l ubrificar num m olor ,:io: - apoio' da cambota ; · moenle• da s bielas; ·ci li nd ros. pist ões e segmentos; - apo ios da á rvore de came,. cames e imp ul sores; . comando das vá lvula s ; - o utros po n1os, var ian do de motor para molo r. Co nsoante a aplicação. ª'si m hú diferente> ,i q e ma' de lubrificação. Ü> moto rc' a ntigo" niio e ram sujei tos a e, forços nem a ve loc idades tão grand e' co moº' motores mode rnos e por isso os se us "i>1e mas de lub rifi cação podiam ser mai s si mp les .

5.1.6.1. Sistema de ch apjnagem

O modo mais sim ples de proceder 11 lubrificação de um motor é dotar o cárter com óleo e pe rmitir q ue a s cabeças das bielas no seu movimento circular contac te m com ele. "c hapinando-o" para várias localizaçõe' do motor: apoio' da cambota e árvore de ca mes e rcstanle si,,te ma de di s1ribu ição. q ue ne> le> motore• geralmc nle se encont ra no cárter (válvula> laterais). O procesi.o de '"chapinar'" o óleo aquece-o e degr ada -o. mas o sistema é some nte usado no> motores mai s básicos. Por vezes as bielas dis põem de '"colhere s" (Fig.5.87). q ue mergulham no ó leo e intensificam a lubrifi cação do' 'c us casqu ilho\ .

ª'

u fig .S.87 - Biela com "colher·

125

Moto re s dt Combustlo lnte rn1

C1 p. S: Ducriçi!._!loa Motores

parn arrefecer n 1iquido de arr cf ec 11ncn10 do motor. 'ohrea4 uecc ndn-o. Nc''ª .._Íl llõlc.jfÍo

dc vcr- ~c-ü

d~'\ l igar o , j,,.tcma de ar condicionado e parar o veíc ulo. mantendo o motor t! lll funua le mperatura baix e. Notc-'e que alg un s motore' tê m '"tema' de proiecção que aciuam o modo "'limp horne'" (um funcionamento em ··modo segu ro··) quando a 1c mpe ra1ura do motor pass a de um ceno val or. e o poderão parar para co ndições e m que haja perigo de destruição.

Fig.5.84 - Vtlvul1 _termostática

Fig.S.85 - Termostato el6cwco

Além do coniro lo exte rior de temperatura operado pela> dua' vá lvula• 1ermo> lát icas, o ,;,tema líquido te m um o utro podc rO>O con trolo de temperatura: à pre"ão atmos fé rica a água e ntra e m ebulição a 1OO"C. A esta tem peratu ra (pode rá se r um po uco maior para •obrepre,sões do circui to de arrefecime nto ou para outro' líquido•.) o líqu ido \Obre uma >upcrfíc ie que nte inicia a nuclcação de bo lha> de vapor. o que aume nta ' ig nificat iva om:nte o nível de 1rans ferê nc ia de calor (e m 10 vezes) e limita a tempe rat ura máxi ma das parede> arrefec idas. Tal e fe ito não exis te no arrefeci mento a ar. pe lo que não haverá limite superior de tempe ratura das paredes. Se fos>e poss íve l estabelect:r o a parecimento de nuc leação. o caud al de arrefecime nto poderia ser red uzido e m quase 5 vezes. A válvula tcrmostática ex is t e e m virtude de 'e us ar uma bomba de circul;oção ligada à cambota do motor. Se u bomba fos,e ligada a um motor eléctrico de velocidad e va riáve l. o controlo do s is tema se ria mais s imp lifi cado. pois e la es taria parada durante o aquec im e nto do motor e variaria o caudal de acordo com a temperatura exte rior e com a produção interna de calor. mantendo uma temperatura m_ais es tá ve l. Este tipo de bombas está a ser desenvo lvida. prevendo-se a intens i ficação do seu uso aq ua ndo do aume n10 da te ns ão e léctrica do; s is te mas e léctricos do< automóve is. Um outro proces>o de dimi nuir o te mpo de aq uec imento é a redução da massa do motor ( nomeadamente da c ulassa ) e do vo lume do fl uido de arrefec imen to. Além do '" radiador'" de água. alguns ca rro> também nece»ita m de um "radiador·· de óleo. montado por bai xo do de água ou atrás des te. Veíc ulos que d isponh am de ar condicionado possuem ai nda o conde nsador des ie >istema. gera lme nte colocado à frente do '"radiador" de água ( Fig .5.86) e menores do tados de t urbo compressor co m Fig.5.86 - Rad iador 1 condenudor de A/C " int er cooling". necess itam que es te permutador de ca lor 1poi1dos por duplo ventilodor se coloque també m à frente de todos o utros.

º'

Ass im. esies carros têm todas as e ntrada> fro ntais de ar com duas o u três fiadas de permutadores de calor. incl uindo o "inter-coole r ". o condensador. o radi ador de água e o de ó leo. Por vezes acontece que. cm s ituações de alta 1c mpera1uru ambien1 e e grande soli citaç ão do motor (po r exemp lo na 'ubida de uma montanha . no Verão) . •e o veículo não c irc ul ar a g ra nde veloc idade. a 1e mpe r:o1ura do ar saind o do conden>ador do ar cond icionado não é >uficiente

124

5.1.6. Lubrificação Para q ue duas s uperfíc ies metálica' po.sam de s lizar entre , i . é nccessaroo inte r por uma película de um líqu ido lubrifi ca nie. de modo a reduz ir o contac to enlre metab . Se os metai s des lizasse m se m e.ia pel íc ula o atri to c r iado fari a com que a • ua temperaiu ra >e e levaS>c a té ao ponto de fusão. dando orige m ao processo gera lme nte co nhec ido por i;rip:q.:cm . Q, me tais fundidos ligam-se. impo,sibilitado a continuação do mo vime nto .

º'

Alé m de impedi r o contacto entre as supe rfícies e m movime nto e ass im reduz ir a s perdas mecânicas. a lubrificação permi te também ajuda r a C>tanquecidade do pis iiio e a re fri geração das panes móve i> como seja a do pi>tão. Ü> ele mento' a l ubrificar num m olor ,:io: - apoio' da cambota ; · moenle• da s bielas; ·ci li nd ros. pist ões e segmentos; - apo ios da á rvore de came,. cames e imp ul sores; . comando das vá lvula s ; - o utros po n1os, var ian do de motor para molo r. Co nsoante a aplicação. ª'si m hú diferente> ,i q e ma' de lubrificação. Ü> moto rc' a ntigo" niio e ram sujei tos a e, forços nem a ve loc idades tão grand e' co moº' motores mode rnos e por isso os se us "i>1e mas de lub rifi cação podiam ser mai s si mp les .

5.1.6.1. Sistema de ch apjnagem

O modo mais sim ples de proceder 11 lubrificação de um motor é dotar o cárter com óleo e pe rmitir q ue a s cabeças das bielas no seu movimento circular contac te m com ele. "c hapinando-o" para várias localizaçõe' do motor: apoio' da cambota e árvore de ca mes e rcstanle si,,te ma de di s1ribu ição. q ue ne> le> motore• geralmc nle se encont ra no cárter (válvula> laterais). O procesi.o de '"chapinar'" o óleo aquece-o e degr ada -o. mas o sistema é some nte usado no> motores mai s básicos. Por vezes as bielas dis põem de '"colhere s" (Fig.5.87). q ue mergulham no ó leo e intensificam a lubrifi cação do' 'c us casqu ilho\ .

ª'

u fig .S.87 - Biela com "colher·

125

C1 p. S: Oetc riçio do s Molo res

Mol OfH d• Cornb u11h ln1t,n1

5.1.6.2. Sistema por pres s ão e cbap inagem 5. 1.6.4. Sis tema sob pre ssã o a cárter seco E'te ,i,tcma cmprcga·'t! cm motorc!ri. lento' e pouco pu~acJo,. 'cndo rnai' ,ofi, l icado que

o anlerior. poh po"ui uma bomba de ólt:o que o dislr1bui pelo' apoio' da eu con taclo com o imp ubor o u ba lanceiro . Em vinudc da força cen 1rífuga exercida na cabeça d;1 bie la. a lgum ó leo sai pela folga la1era l. dcposi 1ando-'c n:os parede' dos ci lindros, lu br ifica ndo-o" O óleo regrc>Sa ao cárter po r gravidade, depois de 1er s ido u1 ilizado em cad a u ma destas localizações.

O óleo no C:.n.:r deve e ncon lrar ->e en1 re dois limi le>. um 'upcrior.: outro in ferio r. O l imi te inferior ob r iga a q ue a "peeu con taclo com o imp ubor o u ba lanceiro . Em vinudc da força cen 1rífuga exercida na cabeça d;1 bie la. a lgum ó leo sai pela folga la1era l. dcposi 1ando-'c n:os parede' dos ci lindros, lu br ifica ndo-o" O óleo regrc>Sa ao cárter po r gravidade, depois de 1er s ido u1 ilizado em cad a u ma destas localizações.

O óleo no C:.n.:r deve e ncon lrar ->e en1 re dois limi le>. um 'upcrior.: outro in ferio r. O l imi te inferior ob r iga a q ue a "pe pane' do motor cc,•aria, 'e não hou vc,\c uma vá lvu la de d.:ri vaçào. que todo' 11101orc' "'ando e'te tipo de filtra ge m po"uem. para 'q ue a lubrificação 'e dê cm quai>qucr circun,tâncias.

5.1.6.7. Jj oos de óleo

º'

Verificou-se que 1150 é ncceS>ário filtrar todo o óleo que flu i no motor. em virtude do se u s ujam ento não !.er muito inten,o. Assim. em muitos motore c lassificaçõe• de óleo> que destingue con•oante :1' '"ª' caracter"11ca' e trabalho a que erá o m elhor. dotado de o utras carac terísticas tai s como lavage m do motor ou não envenenamento do cat alisador. Nos motorei. Diese l exii.te m as denominações CA a C I. OCA é uti l izado em 'erv iço• leves e o C I em 'er viço• mais pesado> .

5.2. MOTORES DE IGNIÇÃO COMANDADA Nesta secç1io aprcse ntar->e-ão os varios s istemas específicos dos motores de ign ição comandada, tanto 1H:ces.6rios para prod uzir a mistura (carburadore' ou • i!.lemas de injecção). comoº' de ig nição. incluindo uma dc,crição do controlo destes mot ore,.

º'

Fig.5.92 - Fillro de óleo (papel!

Fig.5.93 - P11mutador óleo·6gua IBMWI

Nalgu n' motores. o< projectis tas incluíram um permutador de calor óko-água (Fig.5.93). que tem como objectivo contro lar a temperatura do óleo. ou seja. arrefecê- lo. No entanto. du rante o período de aquec imento do motor. como a ág ua aquece mai' rapidamente que o óleo. a

121

5.2.1. Carburadores Os vulgares motore' de ignição comandada queimam uma mistura de ar e ga>o lina. o que lhes pe rm ite obter trabalho. Para que a queima (ou co mbu stão) deMa mistura 'e faça de uma mane ira corrccta e inte gral. é geralme nte necessári o que 'e miMurem quantidade' exacta,,

129

• Si-~---1

., !,

''

Cap. S: Oe1cuçlo dos Mo tor es

Mot ores de Combus tio ln11rna

impurcLa> do óleo (geralmente lillra part ícula> a té 20 µm) . E'te filtro é 1nd1 cado para reter pequena' panícula>. pelo que oferece uma 'ignifica ti va perda de carga. Se todo o óleo proveniente da bomba Pª"ªr pelo filtro. o si qema denomina-'e por

1:.1D....5fr.k (Fig.5.9 1-a). A bomba terá de debitar um grande ca udal de óleo com

monia~em

1r:1n,fcrência de calor ne,lc permuwdor dtí - 'e no 'cntido águ:1 -6lco, ou "'Jª· ajuda o aquecimento rápido do óleo . É vu lgar c'tc permutador 'er colocado na ha'c do filtro de óleo. Outro' veículo,, geralmen te com motore' potente,, têm um "radiador" de óleo. ou '4.:jt1. um permutador ólc:o-ar. colocado por Irá' ou por baixo do "radiador" normal.

e l cvad~'

perdas de carga e com o grave problema de ob,trução total do fluxo . Quando i-io acontece. o fornec imento de óleo h diferente> pane' do motor cc,•aria, 'e não hou vc,\c uma vá lvu la de d.:ri vaçào. que todo' 11101orc' "'ando e'te tipo de filtra ge m po"uem. para 'q ue a lubrificação 'e dê cm quai>qucr circun,tâncias.

5.1.6.7. Jj oos de óleo

º'

Verificou-se que 1150 é ncceS>ário filtrar todo o óleo que flu i no motor. em virtude do se u s ujam ento não !.er muito inten,o. Assim. em muitos motore c lassificaçõe• de óleo> que destingue con•oante :1' '"ª' caracter"11ca' e trabalho a que erá o m elhor. dotado de o utras carac terísticas tai s como lavage m do motor ou não envenenamento do cat alisador. Nos motorei. Diese l exii.te m as denominações CA a C I. OCA é uti l izado em 'erv iço• leves e o C I em 'er viço• mais pesado> .

5.2. MOTORES DE IGNIÇÃO COMANDADA Nesta secç1io aprcse ntar->e-ão os varios s istemas específicos dos motores de ign ição comandada, tanto 1H:ces.6rios para prod uzir a mistura (carburadore' ou • i!.lemas de injecção). comoº' de ig nição. incluindo uma dc,crição do controlo destes mot ore,.

º'

Fig.5.92 - Fillro de óleo (papel!

Fig.5.93 - P11mutador óleo·6gua IBMWI

Nalgu n' motores. o< projectis tas incluíram um permutador de calor óko-água (Fig.5.93). que tem como objectivo contro lar a temperatura do óleo. ou seja. arrefecê- lo. No entanto. du rante o período de aquec imento do motor. como a ág ua aquece mai' rapidamente que o óleo. a

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5.2.1. Carburadores Os vulgares motore' de ignição comandada queimam uma mistura de ar e ga>o lina. o que lhes pe rm ite obter trabalho. Para que a queima (ou co mbu stão) deMa mistura 'e faça de uma mane ira corrccta e inte gral. é geralme nte necessári o que 'e miMurem quantidade' exacta,,

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• Si-~---1

Mo to ru dt Combuatlo ln1trn 1

C1p. S. Oeac riçao dos Motores

"'ª"ª'· A

4uc ;er~o de cerca de 14.5 parte' de ar para uma parte de ga'°lina (cm c\ta relação cnlrc ar e g~t,ol1n;a '-·hama·'e r elação AIF. St! ela ror quimu:amcnh: curn:o lina var ie ao longo tio ano e d e país para país. No Inverno e la apre>e n1ará uma maior percentagem de co rnpone nlc' rnai' volátci>. ao passo que no Verão o u em pai>c' quente> e la aprc>e n1 :1rá uma menor 4uantidadc dc,>C'> co mponente>. Depoi> da m istura ar-ga>olin:1 >e r admitida no motor el :1 é comprimida e queimada. A combustão é ini c iada pela faisca da vela e cstcnde-'e numa frente de c hama esférica a todo o vol u me da mi s tura. a té h parede' do cil indro (a combu"ão ne>te' n11>1orc' c>tá d e tal hada no Cap .8 . 1 ). A ga,olina deve 'cr capaz de 'er submetida h alia;. pre»Õe> e temperatura> ex"tcnte' duran te a combu,130 sem que a miMura expluda por , ; só. Quando 1a l acon1ccc. cria·'e uma

130

também denominado ""dctonaç5u··). A'"rn.

.. knock ... A qualidade antr -.. kn ock .. da ga,olina medc -'c pelo d1amado í ndi ce de octa n o ou / O. Uma ga,ol ina com maior /O não produzirá mai' potência. É o motor que pode ler 'ido projcctado par:i trabalhar com uma ga'° lrna de alio /O e por i"o aprc,c111.1 maior polên~ia.

a

A maior parte do' mo1orc' a gasolina pode queimar relaçõc, ar/co mbu , 1ivc l d c>dc 9 / l (li mite de mi ,tu ra ric:1) al é 19/1 ( limite de mistura pobre). n1'1' pe rto destes limit e> a combustão d á-se com g rande perda d e rendi m e nt o e de po tênc ia. Co mo 'e >abc. rend imento (té rm ico) é :1 razão e ntre a potê ncia út il d o mo to r e a potê ncia té rmi ca fornecid a (caudal de combu,1ível). Para se obter o re nd imento óp 1imo (rninimo consumo) a relac;ão ar/gaM>lina d eve andar à volta de 16/ 1 e para se ob ter u maior potê ncia e la deve situar ->c por vo lta de l 3/ I. Um ,;,te m a que forn eça a mi stura de ga>u lina e ar ao motor deve. port anlo. >cr capa1. de cri:1r d iferente., rique1.a' de mi>lura. além de d i fe rc rllcs c audai> d esta m i>tura. quando 'e acciona mai' ou me nu' o ped al do acele rador.

º' , ;,1cma' de

ta >e mis ture com o ar. Um c arburador e le mentar pode >cr vi;.to n a (Fig.5.94). El e é con>tilufdo por:

- ruhil. onde u ma certa quantidade de gasolina é mantida a um nível cert o. por meio d e uma bói a e válvu la d e agulha: - pul vcrjzjldor. loc:ilizado no ponto ma is est rei to d o .. ve n1u ri .. . por on d e o co mbu stíve l é in trod u zido n o >eio d o ar: - q l jbre oy .. gjc!cu c''. formado por um orifício calibrado, de forma a impor uma ma ior queda de pre,>ào com o aume n to do cauda l do combu,1ivcl: - válvyla do ar, vu lgarmente d e nominada .. borbole ta ... que >crve pa ra do,ear o ca udal de mis tura. li gada ao pedal do ace lerador. O caudal de ga,oli na d epe nde da q ueda de pressào do ar no .. ven1uri ... ma' aumenta mai' rapidamen te do 4ue e'te ú lt imo. originando mi , 1ura> mai> rica' com o aume nto do caudal de ar. Como se pode depree nder. não se con>egue. com um carburador e lementar. produzir uma mi >l ura con>1an1c. além do que, para drferentt:' cond rçõe' de íuncionamen10. o mo to r necessita de difere nte., valore' de riqueza de m i>tura.

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Mo to ru dt Combuatlo ln1trn 1

C1p. S. Oeac riçao dos Motores

"'ª"ª'· A

4uc ;er~o de cerca de 14.5 parte' de ar para uma parte de ga'°lina (cm c\ta relação cnlrc ar e g~t,ol1n;a '-·hama·'e r elação AIF. St! ela ror quimu:amcnh: curn:o lina var ie ao longo tio ano e d e país para país. No Inverno e la apre>e n1ará uma maior percentagem de co rnpone nlc' rnai' volátci>. ao passo que no Verão o u em pai>c' quente> e la aprc>e n1 :1rá uma menor 4uantidadc dc,>C'> co mponente>. Depoi> da m istura ar-ga>olin:1 >e r admitida no motor el :1 é comprimida e queimada. A combustão é ini c iada pela faisca da vela e cstcnde-'e numa frente de c hama esférica a todo o vol u me da mi s tura. a té h parede' do cil indro (a combu"ão ne>te' n11>1orc' c>tá d e tal hada no Cap .8 . 1 ). A ga,olina deve 'cr capaz de 'er submetida h alia;. pre»Õe> e temperatura> ex"tcnte' duran te a combu,130 sem que a miMura expluda por , ; só. Quando 1a l acon1ccc. cria·'e uma

130

também denominado ""dctonaç5u··). A'"rn.

.. knock ... A qualidade antr -.. kn ock .. da ga,olina medc -'c pelo d1amado í ndi ce de octa n o ou / O. Uma ga,ol ina com maior /O não produzirá mai' potência. É o motor que pode ler 'ido projcctado par:i trabalhar com uma ga'° lrna de alio /O e por i"o aprc,c111.1 maior polên~ia.

a

A maior parte do' mo1orc' a gasolina pode queimar relaçõc, ar/co mbu , 1ivc l d c>dc 9 / l (li mite de mi ,tu ra ric:1) al é 19/1 ( limite de mistura pobre). n1'1' pe rto destes limit e> a combustão d á-se com g rande perda d e rendi m e nt o e de po tênc ia. Co mo 'e >abc. rend imento (té rm ico) é :1 razão e ntre a potê ncia út il d o mo to r e a potê ncia té rmi ca fornecid a (caudal de combu,1ível). Para se obter o re nd imento óp 1imo (rninimo consumo) a relac;ão ar/gaM>lina d eve andar à volta de 16/ 1 e para se ob ter u maior potê ncia e la deve situar ->c por vo lta de l 3/ I. Um ,;,te m a que forn eça a mi stura de ga>u lina e ar ao motor deve. port anlo. >cr capa1. de cri:1r d iferente., rique1.a' de mi>lura. além de d i fe rc rllcs c audai> d esta m i>tura. quando 'e acciona mai' ou me nu' o ped al do acele rador.

º' , ;,1cma' de

ta >e mis ture com o ar. Um c arburador e le mentar pode >cr vi;.to n a (Fig.5.94). El e é con>tilufdo por:

- ruhil. onde u ma certa quantidade de gasolina é mantida a um nível cert o. por meio d e uma bói a e válvu la d e agulha: - pul vcrjzjldor. loc:ilizado no ponto ma is est rei to d o .. ve n1u ri .. . por on d e o co mbu stíve l é in trod u zido n o >eio d o ar: - q l jbre oy .. gjc!cu c''. formado por um orifício calibrado, de forma a impor uma ma ior queda de pre,>ào com o aume n to do cauda l do combu,1ivcl: - válvyla do ar, vu lgarmente d e nominada .. borbole ta ... que >crve pa ra do,ear o ca udal de mis tura. li gada ao pedal do ace lerador. O caudal de ga,oli na d epe nde da q ueda de pressào do ar no .. ven1uri ... ma' aumenta mai' rapidamen te do 4ue e'te ú lt imo. originando mi , 1ura> mai> rica' com o aume nto do caudal de ar. Como se pode depree nder. não se con>egue. com um carburador e lementar. produzir uma mi >l ura con>1an1c. além do que, para drferentt:' cond rçõe' de íuncionamen10. o mo to r necessita de difere nte., valore' de riqueza de m i>tura.

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Motores 4• Co111;h slio l•t•rH

Clfl 5 0 Hcuçlo dos MolotH

f REQUER IM ENTOS DE R IQUEZA DA MISTURA

u,;l r

m i~t urü :-. pohrc'.

H .t

aintl;.t g~rnh o' dt!

rcn'oci:odos ao uso d e mi ,t ura< pobre,, o que me lho ra ui nda mais a economia (C:op . 10 . 1.4). Id ealmente um mo tor de ve ria 4uci 111ar urna mi , tura cste4uio mét ric a (caca d e 14.5 parle> de ar para uma d e g:1'olina ) e to talmente vapor izada. pa ra dele 'e obter o me lho r efeito. Como à fr e nte ,e ver:í (Cap.9 .5.3). e'ta mi>t ura e"equiomé tr ica permite uma e limi n:ição máxima do' poluente;. no rn l a lis a d o r d e lripl o eíe ito. pe lo q ue tende a 'er U>ada c=m toda' as condoçõe,. Poré m. ada c=m toda' as condoçõe,. Poré m. triçõe< à entrada do ar tível no poço emuhionanle. O ar aí pre,enlc c ncon1ra-'e à

~

"'º'"

cfciLo

v.::n1un

multo

.JJ.

l -..

Es1e carburador apre,enla uma maneira de corrig ir a mi slura em ludo d ifcrenlc da do ca'o anlerior (Fig.5.99). O ·'ven1ur i" não é fixo (c hamando -,e. por vezes. de "ven1uri" variáve l). ma' 1em um t:mbolo que prndu1 a redução de á rea da condu1a (no 'eu movimen10 de,cendente) . com a mesma função do "ve nluri". Soli dária com o êmbolo. existe uma agulha que lrabalha num ª'>en10 ci rc ular. A secção da agulha é variáve l. pe rmi1indo um maior ou menor escoamen10 de combu,tível. con,oan1e e'liver mais e levada ou mai;. profundamente in1rod uzida no orifício.

A posição d o êmbolo é de1crmi nada pelo equilíbrio das fo rça' 3u.olln11 resu ltante' do se u peso (e de uma mola) e da d iferença de pressões na sua parte inferior (a tmosférica) e 'uperior. ligada Fig.5.99 - Carburador SU ao colector de admissão. Nilo necessiia de c ircuilo de "ralen1i ". pois o cal ibre da a g ulha mais o faclo do ê mbolo descer é s ul"icie n1c para prod uzi r a mistu ra requerida. O enriquecimento de acelernção é também conseguido au1o ma1icame n1e, li mi1and o-se a velocidade de su bid a do êmbo lo. usando um amorteced or hidr6uli co. Qua nto a borbole1a se abre rapidamen1c . uma baixa pre"i\o esiabc lcce-se na zona da agul ha, aumen1a ndo o c audal de gasoli na antes d o ê mbolo 'ubir. O enriquccimen10 u baixas 1empera1ura• conseguc-;.e baixando o ª"en10 da agul ha. As, im , uma á rea ma ior exi,1id ent re a agulha e ª"c n10. po"ibi liwndo um maior c audal de combus1ível.

VANTAGENS E D ESVANTAGENS DOS CARBURA DORES As principai' van1agen' do' carburadore' rc,idem no facto de •Crem ,i,1ema' baralo>. de confiança (lêm-'e u'ado na 'ua forma aclual no' últ imo' 80 ano\) c pra1icamen 1e univcr\ai' (um carbu rador pode re l irar-'c dum mo1or e 'er colocado noutro. prati ca mcnle 'em modificaçõe').

135

C•p. S: Ducfiç io

Motoru dt Combustio lntern•

d~o 1or u

f

5.2.2. Sistema de lnjecção

A' princ1p:•1' dewan1agcn' do cart>urador advêm dele necc\'iitar cJc urna con,i.riçiio no ··vcnturi ... o

1

que redu1 a potêrn.:1a máxim;_1. e de ele 'cr inca.paz ele produ1ir

uma

mi,tura de ar e g.a!'\olina com

-~

,uficienle preci,:io. Para rcdu1ir a con,lrição do "ven turi"'. º' con,1rutore!\ opiaram por aumentar o seu d1lmc1ro. o que le va a deficiência' de func1onamen10 a carga' t>:11xa,. Para colrna1ar e-ic problema 1nven1aram-'c carburadores de corpo duplo (Fig.5.100). no' quais somente um corpo fum.:iona para carga!\ pequ~na~ e u ~egundo

corpo en tra cm funcionamenlo quando ;,e prime m:ii' o acelerador. Ou1ra 'olução é o uso de vcn1uris duplos (Fig.5. 100).

A u1ilização da injecçào de gasolina iniciou-se na Alemanha do e nlre Guerra,, com a procura de mais po1ência. Se fos>e Pº''ível injeclar o combus1ível dcnlro da câmara de combu sliio do:mo1ore,, não haveria a res1rição de um carb urador e a gasolina (não vaporizada) não ocuparia lugar. levando a que mai;, ar en1ra"c no mo1or. Além do que o coleclor de adm1>sào poderia ser do1ado de efc i10' de rc"on5ncia ("ram pipes"). melhorando o " respi rar" do motor. A sua 1axa de compre.são poderia ser aumen1ada. em vir1ude da ga,olina ao se r injec1ada baixar a 1empcra1Ura da mi,1ura (ao vaporitar). e le vando ainda mais a polencia. Assi m. apareceu um :-i-iema de injecção direcla desenvolvido pela Bo,ch (a par1ir da lccnologia Diesel 1 que equipou o primeiro c:1rro de série (com mo1or a 4 1empos) a gaso lin a com injecçào: o revo lucionário e bonilO Mcrcedcs-Be nz 300SL de 1954. seguindo-se o SLR e o W 196 (Fi g.5. 1O 1). Cedo. po rém. a injccção direcl a deu lugar ~ injecção indircc1a. como a con hecemos ac 1Ualmen1e e diferentes marcas apareceram: Bendix. Lu cas. Kugelfis her. Rocesle r. Marelli. Solex. Weber. ele. Mesmo gran des fabrican1es de automóveis como Genera l Mo1ores. Chrysler e Ford desenvol veram os seu' próprio' sis1ema>.

Fig.5.100 - Carburador duplo com "venluris" duplos

Ger:ilmcnl e é necessá rio fo rn ecer a mi s 1ura a 4 ou mais cil ind ros us ando um 'ó ca rburador. Uma 1ravagc111. ace le r ação ou c ur va or igin :1 4u e al g uma ga,ol ina líquida co rre ndo pelas paredes do colt:ctor de admissão seja de;viada para um ci l indro. em de1rimen10 do< ou1ros. Es1as mesmas sol icitações ex1eriores podem 1ambém induzir o nível da c uba do carburador a descontrolar-se. prod uzindo mai s uma veL mis1ura' não pcrfeila, . Uma perda de po1ência dos molores com carburador simples é originada pelo aquecimcn10 do co lecrnr de admissão. Por um lado a mi;.1ura aquece e expande-se. diminuindo a ma"a a ser :"pirado. Por ou1ro lado uma mi ,1ura aquecida é mais propensa ao "knock". o que obrigu a diminuir a 1axa de co mprcs,ão e com ela a potênc ia e rendimento do molor.

Fig.5.101 - Molor de injecçlo direc11 do Mercedes W196

Os sila e diminuir a;, emissões de poluentes. Es1ranho é que. face a 1an1as vantagens. os carburadores não lenham sido comple1amentc eclipsados pelos s istemas de injecção. Is10 deveu-se à excessiva complexidade. delicadeza e cuslO des1es sis1emas. nomeadamen1e º' mecânicos.

Um ou1ro problema é o arranque a qlando quen1e 1rans mi1e calor para o carburador. vapor izando a gasolina aí prese nle. Como os vapores de ga;olina sào mais denso!\ que o ar. ao se rem produzidos enchem todo o volume do co lcclOr de ad missão dc,dc a!\ vá lvu la:- de admi"ão alé ao fillro de ar. desloc:1ndo o ar que uí se encon1rava. Quando se 1en1a pôr novamenle o mo1or em marcha. toda essa gu,olina vaporizada (e sem cslar mis1urada 1:om ar e portunlO sem possibilidade de ser que im ada) 1c m de ser uspirada pelo mu1or. se m eslc funcionar (prob lema co nhecido por "vapou r lock"). Es1a é a razão pela qual al guns constru1ores aco nselhavam qu e quando se pret endesse arrancar um mot or quenl e se dever ia carregar no acelerador a fundo. Desl a forma , lodo o vapor passaria pelo molor no mínimo 1e mpo possível.

No s is1e ma c láss ico de injccção indirecla, o combu s1ível é injec iado peno da(s) vál vu la(s) de admissão de cada um dos ci l in dros. podendo a injecção ser con1ínua ou pulsa n1e . Es1es sis1e m as 1em o nome genérico de ín jeccão mu!tjpont o. ( Fi g.5. 102) e m virtude de haver injecção de combus1ível em vários pon1os do motor. Na li1era1ura denominam-se por tf.fPI. que são as inic iais de "Mu lti Poinl l njeclion" ou "Pon l njecli o n". Ou1ros s is le mas existe m onde um só injeclo r ocupa o l ugar do carburad or. Chama -se jnjeccào monopon(o , ( Fig.5.103. Fig.5 . 104) por essa razão. Na li1 er a1ura in glesa denomi nam -se po r SPI (S ing le Poin l I ~jec 1ion) ou TBI (Troule Bod y lnjec tio n).

A última dc,va n1a gc m {a não regu lação da mi s1ura com a l1i1ude o u variação de pressão auno,féricu. Quando um molor fun c iona em m e nor pressào. a mi s1ura fica mai s rica. em vi rtude de c arburadores medirem o ca udal volúmico do ar e ni\o o má,sico. Algu ns carburadore,. porém. aprcsen 1a vam compensação de alli1udc. m ecânic a ou elec1róni ca.

º'

Escape Fig.5.102 - Sislema de injecçlo MP/lmultipon101

137 136

..L

C•p. S: Ducfiç io

Motoru dt Combustio lntern•

d~o 1or u

f

5.2.2. Sistema de lnjecção

A' princ1p:•1' dewan1agcn' do cart>urador advêm dele necc\'iitar cJc urna con,i.riçiio no ··vcnturi ... o

1

que redu1 a potêrn.:1a máxim;_1. e de ele 'cr inca.paz ele produ1ir

uma

mi,tura de ar e g.a!'\olina com

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corpo en tra cm funcionamenlo quando ;,e prime m:ii' o acelerador. Ou1ra 'olução é o uso de vcn1uris duplos (Fig.5. 100).

A u1ilização da injecçào de gasolina iniciou-se na Alemanha do e nlre Guerra,, com a procura de mais po1ência. Se fos>e Pº''ível injeclar o combus1ível dcnlro da câmara de combu sliio do:mo1ore,, não haveria a res1rição de um carb urador e a gasolina (não vaporizada) não ocuparia lugar. levando a que mai;, ar en1ra"c no mo1or. Além do que o coleclor de adm1>sào poderia ser do1ado de efc i10' de rc"on5ncia ("ram pipes"). melhorando o " respi rar" do motor. A sua 1axa de compre.são poderia ser aumen1ada. em vir1ude da ga,olina ao se r injec1ada baixar a 1empcra1Ura da mi,1ura (ao vaporitar). e le vando ainda mais a polencia. Assi m. apareceu um :-i-iema de injecção direcla desenvolvido pela Bo,ch (a par1ir da lccnologia Diesel 1 que equipou o primeiro c:1rro de série (com mo1or a 4 1empos) a gaso lin a com injecçào: o revo lucionário e bonilO Mcrcedcs-Be nz 300SL de 1954. seguindo-se o SLR e o W 196 (Fi g.5. 1O 1). Cedo. po rém. a injccção direcl a deu lugar ~ injecção indircc1a. como a con hecemos ac 1Ualmen1e e diferentes marcas apareceram: Bendix. Lu cas. Kugelfis her. Rocesle r. Marelli. Solex. Weber. ele. Mesmo gran des fabrican1es de automóveis como Genera l Mo1ores. Chrysler e Ford desenvol veram os seu' próprio' sis1ema>.

Fig.5.100 - Carburador duplo com "venluris" duplos

Ger:ilmcnl e é necessá rio fo rn ecer a mi s 1ura a 4 ou mais cil ind ros us ando um 'ó ca rburador. Uma 1ravagc111. ace le r ação ou c ur va or igin :1 4u e al g uma ga,ol ina líquida co rre ndo pelas paredes do colt:ctor de admissão seja de;viada para um ci l indro. em de1rimen10 do< ou1ros. Es1as mesmas sol icitações ex1eriores podem 1ambém induzir o nível da c uba do carburador a descontrolar-se. prod uzindo mai s uma veL mis1ura' não pcrfeila, . Uma perda de po1ência dos molores com carburador simples é originada pelo aquecimcn10 do co lecrnr de admissão. Por um lado a mi;.1ura aquece e expande-se. diminuindo a ma"a a ser :"pirado. Por ou1ro lado uma mi ,1ura aquecida é mais propensa ao "knock". o que obrigu a diminuir a 1axa de co mprcs,ão e com ela a potênc ia e rendimento do molor.

Fig.5.101 - Molor de injecçlo direc11 do Mercedes W196

Os sila e diminuir a;, emissões de poluentes. Es1ranho é que. face a 1an1as vantagens. os carburadores não lenham sido comple1amentc eclipsados pelos s istemas de injecção. Is10 deveu-se à excessiva complexidade. delicadeza e cuslO des1es sis1emas. nomeadamen1e º' mecânicos.

Um ou1ro problema é o arranque a qlando quen1e 1rans mi1e calor para o carburador. vapor izando a gasolina aí prese nle. Como os vapores de ga;olina sào mais denso!\ que o ar. ao se rem produzidos enchem todo o volume do co lcclOr de ad missão dc,dc a!\ vá lvu la:- de admi"ão alé ao fillro de ar. desloc:1ndo o ar que uí se encon1rava. Quando se 1en1a pôr novamenle o mo1or em marcha. toda essa gu,olina vaporizada (e sem cslar mis1urada 1:om ar e portunlO sem possibilidade de ser que im ada) 1c m de ser uspirada pelo mu1or. se m eslc funcionar (prob lema co nhecido por "vapou r lock"). Es1a é a razão pela qual al guns constru1ores aco nselhavam qu e quando se pret endesse arrancar um mot or quenl e se dever ia carregar no acelerador a fundo. Desl a forma , lodo o vapor passaria pelo molor no mínimo 1e mpo possível.

No s is1e ma c láss ico de injccção indirecla, o combu s1ível é injec iado peno da(s) vál vu la(s) de admissão de cada um dos ci l in dros. podendo a injecção ser con1ínua ou pulsa n1e . Es1es sis1e m as 1em o nome genérico de ín jeccão mu!tjpont o. ( Fi g.5. 102) e m virtude de haver injecção de combus1ível em vários pon1os do motor. Na li1era1ura denominam-se por tf.fPI. que são as inic iais de "Mu lti Poinl l njeclion" ou "Pon l njecli o n". Ou1ros s is le mas existe m onde um só injeclo r ocupa o l ugar do carburad or. Chama -se jnjeccào monopon(o , ( Fig.5.103. Fig.5 . 104) por essa razão. Na li1 er a1ura in glesa denomi nam -se po r SPI (S ing le Poin l I ~jec 1ion) ou TBI (Troule Bod y lnjec tio n).

A última dc,va n1a gc m {a não regu lação da mi s1ura com a l1i1ude o u variação de pressão auno,féricu. Quando um molor fun c iona em m e nor pressào. a mi s1ura fica mai s rica. em vi rtude de c arburadores medirem o ca udal volúmico do ar e ni\o o má,sico. Algu ns carburadore,. porém. aprcsen 1a vam compensação de alli1udc. m ecânic a ou elec1róni ca.

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Escape Fig.5.102 - Sislema de injecçlo MP/lmultipon101

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e.,. S: Oucoçlo dos MotOIH

Mtlo'H tlt Combusllo hoer ..

.... ..

"l.ll!Japanu'

[>Cape

111

Fig.5.103 - Sisiema de injecção SP/ (monopontol

f ig.5.104 - lnjector SPI

...

Fig.5.107 - Sistema K·Jelronic

o,

r

} ! ,1

ai Atomizad o fig .5.105 - lnjector MPI

b) Em jacto

OISTRI

fig .5.108 - Esquema do sistema K-Jetronic pr.110 dt medlÇIO do 1;3!Jlblde ar

injector es (Fig.5. 105) pode rão produ Lir um ··spray .. ma is o u me no' atomizado . O prime iro (Fi g.5 . 106-a) le rá mais fa c ilid ade e m vapo rizar e nq ua nto que o ;egundo ( Fig.5. 106- b) pode rá ,c r orie ntado para um local que nte. 1:11 como a traseira da ca beça da v:íl vul:t de admiS>ão . loca l q ue pro porciona rá a vaporiL:tção int egral da gasolina injcciada .

..

-

Fig.5.109 - Sistema L-Jetronic

fig .5.11 O - Esquema do si stema L· Jetronic

Po'le r iormc n1c. e m al g un ~ , ;, te mas e lectró nico,. o caud al máS>ico de a r passou a 'er medido pelo método de Cio uuente ( Fig.5. 111 ). no qual um f ilame nt0 de reduzida' dime n,õe' (Fi g .5. 11 2) é ma ntido a uma certa te m peratura (ao r ubro). O a ume nt o do caudal de ar impl ica uma maior pot ê nc ia e lé ct rica a forn ecer ao fi o para que este mante nh a a refe rida te mpe ratura . O contro lador e lectró ni co do mo to r converte essa potê nc ia num si nal que é interpretado como um c audal de ar. de te rminando a quant idade de ga;,olina a ser injectada. A última e tapa cons is te no e nvio de s in a i ~ e léctricos paraº' injec1o res . de mod o a que e les abram dura nte um certo lapso de te mpo, inj ec 1ando uma de te rm inad a q uantidade de gasolina.

Fig.5.106 - Tipos de "spray"

5.2.2.1. Princ ípio de func jonamento Os s is te mas de inj ecção tê m de me dir o cauda l máss ico de ar e injec ta r um a quantidade pro po rc io nal de gasolina . A massa de ar pode se r med ida po r um 'ensor que po,s ui um prato q ue e vo lu i numa cond uta de secção c rc,ce nle. Na s ua po• ição de repouso t apa compl eta me nte a e nt rada e ·vai -'e des locando (abrindo a pa!.sage m) com o ca uda l c resce nte de ar ( Fig.5. 107). Este processo é usado. por exe mplo . no' s i; te ma; Bosch K-J e tronics ( mecâ ni co - t'i g.5. 107. Fig.5. 108) e L-Jet ro n ics (electró ni co · Fi g.5 .109, Fig. 5 . 11 0). Outros s is te ma s de medi ção do ar já uti l izados inc lue m medir as ro1açõe, do mo tor e a pos ição da borbo le ta do ace lerado r o u me dir o ca udal de ar po r meio da de pre"ão num .. venturi ... Es tes si nai ' geram . pos ter iorme nte, uma dada pressão de al imentação dos injcc lo rcs ( injecção cont ínua ) o u impu lsos de fluxo de duração vari:í ve l (injccçào inte rmite nte ). Es te' s is te mas mede m o c:tu dal volúmico do ar. se ndo nccess:íri o c alcular a s ua pr c~s ã o para obte r o cauda l má'5ico. ind ispe ns:ivel em 11101ore' 'obrea lime ntado•. o u q uand o ;.uje i1 0' a var iaçõc' de p re~'ão almo,fé ri ca (\ubida de mo nt a nha;., por exe mplo).

138

Fig.5.11 1 - Esquema do medidor do e1udal por fio quente

Fig.5. 112 - Fio quente

O método e m q ue se fa z a medição direc la do caudal de ar de nomina-se fluxo de ar. Outros s iste mas e lec 1rónicos e mecâ ni cos util izam um mé todo dife re nte . A pressão do co lec tor de admi ssão e a ve loc idade do m otor são me didas e a pa rtir de sses dados o c audal de ar é cal c ulad o. se ndo a quantidade de gaso lin:1 a ser injcc1ada calc ul ad a de uma fo r ma s imilar ao de;.crito a nte r io rme nte. Es te método c ha m:1-;.e medi ção por yelocjdade-de n• jdade . Para ma is detalhes 'obre a medição do caudal de a r ver Cap. 10.5. 1. 1.

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e.,. S: Oucoçlo dos MotOIH

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Fig.5.103 - Sisiema de injecção SP/ (monopontol

f ig.5.104 - lnjector SPI

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Fig.5.107 - Sistema K·Jelronic

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ai Atomizad o fig .5.105 - lnjector MPI

b) Em jacto

OISTRI

fig .5.108 - Esquema do sistema K-Jetronic pr.110 dt medlÇIO do 1;3!Jlblde ar

injector es (Fig.5. 105) pode rão produ Lir um ··spray .. ma is o u me no' atomizado . O prime iro (Fi g.5 . 106-a) le rá mais fa c ilid ade e m vapo rizar e nq ua nto que o ;egundo ( Fig.5. 106- b) pode rá ,c r orie ntado para um local que nte. 1:11 como a traseira da ca beça da v:íl vul:t de admiS>ão . loca l q ue pro porciona rá a vaporiL:tção int egral da gasolina injcciada .

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Fig.5.109 - Sistema L-Jetronic

fig .5.11 O - Esquema do si stema L· Jetronic

Po'le r iormc n1c. e m al g un ~ , ;, te mas e lectró nico,. o caud al máS>ico de a r passou a 'er medido pelo método de Cio uuente ( Fig.5. 111 ). no qual um f ilame nt0 de reduzida' dime n,õe' (Fi g .5. 11 2) é ma ntido a uma certa te m peratura (ao r ubro). O a ume nt o do caudal de ar impl ica uma maior pot ê nc ia e lé ct rica a forn ecer ao fi o para que este mante nh a a refe rida te mpe ratura . O contro lador e lectró ni co do mo to r converte essa potê nc ia num si nal que é interpretado como um c audal de ar. de te rminando a quant idade de ga;,olina a ser injectada. A última e tapa cons is te no e nvio de s in a i ~ e léctricos paraº' injec1o res . de mod o a que e les abram dura nte um certo lapso de te mpo, inj ec 1ando uma de te rm inad a q uantidade de gasolina.

Fig.5.106 - Tipos de "spray"

5.2.2.1. Princ ípio de func jonamento Os s is te mas de inj ecção tê m de me dir o cauda l máss ico de ar e injec ta r um a quantidade pro po rc io nal de gasolina . A massa de ar pode se r med ida po r um 'ensor que po,s ui um prato q ue e vo lu i numa cond uta de secção c rc,ce nle. Na s ua po• ição de repouso t apa compl eta me nte a e nt rada e ·vai -'e des locando (abrindo a pa!.sage m) com o ca uda l c resce nte de ar ( Fig.5. 107). Este processo é usado. por exe mplo . no' s i; te ma; Bosch K-J e tronics ( mecâ ni co - t'i g.5. 107. Fig.5. 108) e L-Jet ro n ics (electró ni co · Fi g.5 .109, Fig. 5 . 11 0). Outros s is te ma s de medi ção do ar já uti l izados inc lue m medir as ro1açõe, do mo tor e a pos ição da borbo le ta do ace lerado r o u me dir o ca udal de ar po r meio da de pre"ão num .. venturi ... Es tes si nai ' geram . pos ter iorme nte, uma dada pressão de al imentação dos injcc lo rcs ( injecção cont ínua ) o u impu lsos de fluxo de duração vari:í ve l (injccçào inte rmite nte ). Es te' s is te mas mede m o c:tu dal volúmico do ar. se ndo nccess:íri o c alcular a s ua pr c~s ã o para obte r o cauda l má'5ico. ind ispe ns:ivel em 11101ore' 'obrea lime ntado•. o u q uand o ;.uje i1 0' a var iaçõc' de p re~'ão almo,fé ri ca (\ubida de mo nt a nha;., por exe mplo).

138

Fig.5.11 1 - Esquema do medidor do e1udal por fio quente

Fig.5. 112 - Fio quente

O método e m q ue se fa z a medição direc la do caudal de ar de nomina-se fluxo de ar. Outros s iste mas e lec 1rónicos e mecâ ni cos util izam um mé todo dife re nte . A pressão do co lec tor de admi ssão e a ve loc idade do m otor são me didas e a pa rtir de sses dados o c audal de ar é cal c ulad o. se ndo a quantidade de gaso lin:1 a ser injcc1ada calc ul ad a de uma fo r ma s imilar ao de;.crito a nte r io rme nte. Es te método c ha m:1-;.e medi ção por yelocjdade-de n• jdade . Para ma is detalhes 'obre a medição do caudal de a r ver Cap. 10.5. 1. 1.

1J!

Cap. 5. Desc riçio doa Motor u

Motores tl l Comltu 11h lnt1 rn a

injc:ctun reg imes. Esta experiê nc ia deu-se e m 1946 e abriu as portas à M e rced cs- Ben z e à Bosc h para p osteriores desenvolvime ntos des te ~is t ema (Fig .5. 101 ). A inj eccã o djrecta era cara e barulhenta (exactamente como num mo to r Diesel) e desneceS>ária nos motores de 4 tempos. Quando empregue e m carros des p orti vo' ou de com pet ição. estes argumentos não era m s ign ificativos, mas para uso nos automóveis do dia a d ia. e ra preferíve l arranjar um sistema mais simples. Assim nasceu a injecção indirecta na• condutas de admissão. perto das respecti vas vá lvu las. ac tualmente conhecida p or multipo nto (MP/). No primeiro sistema MP/ da Bosch. a ga,olina era injectada para perto da• válvul a• de admissilo e como o motor era de 6 c il indros. havia 6 circuitos indepe nden te> de injecç:lo. todos

140

Fig.S.114 - Sistema do in1ecçlo mecãnico K·Jetromc da Bosch

A abert ura dos injecto res (7) dá-se alimentação da gasol ina . cont rolada controlador-diMribuidor ( 1b). Cortt: de foi int rodu zido cm 1983. le vando a con,umo e polue ntes .

por meio da pressão de pela bomba (3) e pe lo injccção em de>aceleração signi ficativas reduções d e

Se ndo to talme nte mecâ nico. o K -Jeiron ic não era capa l do con trolo minucio'o req ue rido pelas severa' re>t rições de poluentes. principalmente nos períodos de aquecimento e aceleração. Foi. assim, dotado de um controlo ekctrónico. tornando-'c no K E-Jct roni c ( K = .. kontinuierlich .. =cont ínu o: E=electrónico). mas ficou exccs!>ivamentc caro de modo a que !>Ó veículo' m uito di,pcndio'º' o podiam usar (p.cx . o Rol1' - Roycc

Fig.5.115 - Sistomo do injecçlo meclnico Kugolfisher

141

C1p. 5• 011cr i~ dos Mo1orH

Mo1oru d• Co'"hs110 ln 1•'"'

U\OU · O porque.

~e

a ch:c lró nica 'e ~1 varia,,i:. o '''terna rnccánu:o continuaria a funcionar).

Outro~ ~istcmas nh.: cânico~ ê~tavurn nc:rr.'a "ltura di.._ponivcis no mercado. como o Ku gclfi:rr.her

temperatura ( 19) e da sond a ~ ( 1R). E'tc ,;,tema di,põc aintla da vál v ula de ar (21 e Fig .5.1 18 ) para o "ralcnt i" e de um injec tor auxiliar ( 12 ) '"ado para arranque' a fr io .

( Fig.5.115 ). As princ ipais

v an tag~1h

do:ro.

~i~lt:mas

clcctrónicos rdativamc:nte

ao~

mecânico'. ,50 o reduzido

número de peça' em movimenlo. o menor ruído. a não nccc~'icJudc de ultra pn:ci,fio no fabrico

5.2.2.3. lnj e c ção electcón jca a nalóg ic a

do' compone nte'- e o maior controlo ,obre

ª' condiçõc' de operação.

O modo de funcionamento de um ' is tcma e lec trónico de injccção pode ser s udnlamcn tc dc,cri10 da 'egui nte maneira : Apó' a rnediçãu tio caudal d~ ar e de outra' variávei' do motor. um c irc uito clectrónico tlctermina a quantidade de combu,tível a injectar. e nvia esta in,trução ao injector por meio de impulso' cléctrico>. dando origem à abe rtura da 'ua e lec troválvu la e à injecção de uma quant idade exacta de ga,olina. Este prindpio de fun ciona mento foi cx po, to cm 1957 na conf'erê nci:1 da "Society of Automotivc Engi nccrs" capc' ao nível das legi•lações dos USA dos ano:. 80 e 'cguintes, era necessário obter-se uma preci,ão >uperior a 1% no t eor da mi , tura. para toda a gama de cargas e ro tações do motor. A forma de c hegar a e"e co ntrolo apertado. é calc ular e medir o valor cxacto de combus tível a injcctar. Para me lhorar a preci•ào. e'tc' valore;. em vez de 'erem ca lc ulado>. podem 'cr introduzido' na m em ó ri a do contro lador e lt:c tró nico e c hamado' a partir daí. o que requer uma e levada quantidade de dado> armate nado' e um s is tema e!ectrónico digit:ol de t ratamento de>>a informação. A'sim apareceram os ,;,temas electrónico' di g itais de injccção.

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~adopri.ueootdo1 lll~'dol. .

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Fig.S.120 - Mapa tridimensoon;il da injecção

Fig.S.119 - Memõroa do controlador da injecção

As quantidade> exacta' a injectar em diferentes condições de carga e velocidade são determinadas co m o motor no banco de e ns ai o e g uardadas na me mória do controlador em forma de tabela d e dua' e niradas (Fig.5.119. Fig.5. 120). Quando o motor e-iá a trabalhar. os sensore> que medem :1 carga do motor e a ,ua veloc idade e nviam e"a informação parn o controlador elcctrónico que os compara com valore' memori1.ados. Se e'te' coincid irem

º'

141

ca!culando-'e a exacta ona»a de ga,olina a injectar. A carga do motor po de 'er calculada por in\lrumento' que medem a prc"ão do colcctur de admi »àu. a po,iç:lu da borboleta ou o ca udal d e ar. E-te ,;na! é analógico e é po,1criormente con vertid o c m digital. por meio de um co nver>or analógico-do gi tal (A/D) . Q, 'i nai , analógicos ':lo >implc' ,;na" de tCn>:lu c léctriea (voltagem). Suponhamo' que a carga do motor é medida por um medidor de caudal de fio quente. Quando não há :ir a c ircular. e'te sistema de medição (íio que nte mai> u ma ponte ) aprese nta uma tcn,ão de O Volt. Aquando do m:íx imo caudal de ar. o >inal é o de tensão máxi m a. por exemplo. 5 Volt. Ent re cste' dois extremos exi>IC uma variação contínua de po,síveis valores. rela tivo' :1 v alore' intermédio> d e ca ud ais de ar. No convcn.or (A/D) esta tensão é convert ida num valor cligit•I. o u seja num núm ero i11 1ciro (0. 1. 2. 3. etc.). A O Volt corresponde o valor O. e a 5 Vol t c t>rrc,po ndc . por exemplo. 255. >C se u'ar um c ontrolad o r de 8 bit, . Exi> tcm. portanto. exact:1111entc 256 diferen tes valore' nos q uab a c a rga pude 'er expreS>a. Eiindo 16 co luna> (velocidade') e 8 linhas (cargas). teremos 128 diferen te' va lore' memorizado> nessa matriz (um em cada quadrado d o tabuleiro). E'tes foram os valores obtidos aquando do te,te motor. cada um sendo um núm ero inteiro de O a 255. Uma dada ve locidade e uma d:1da carga do motor permitem c>colher a col una e a linha. em cuja intersecção (quadrado) está g u:trdada a informação requerida. Entre cada 2 lugares adjacentes de me mória (quadrados) existem 16 posições dis tintas a fim de permitir uma interpolação l inear e ntre "''"' 2 valores memor izados. Sendo ª"im exis tem. na realidade. 256 colunas. 128 linhas. originando 32768 d ife re ntes combinações de velocidade e carga. Est e é o processo d e usur uma memória relativamen te pequena e cobrir um vasto leq ue de condições de funcionamento do motor. Actua l mente os controladores são de 16 b its (com 65 536 valores) ou mes mo 32 b it s (-4.3x ! O" valores di st intos possíveis). O valor re tirado da me mória é co nve rtido num período de te mpo. durante o qual o i njector é mantido abe rto . Se o motor e•tiv cr fri o. em aceleração. com a borbolet:1 tota l men te :1bcrta ou outra qua lquer condição que não exacta men te a ele tes te (ideal). o s inal é modificado por mei o de al goritmo,. te ndo todos cs,cs valores em con>ideração. Os dado' relativos a e»a> caracte rísticas (temperatura. pre>São. etc.) e,,tão também armazenado' em memóri:i . noutros mapas. tendo também s ido resultado de experimentação em banco de ensaio. Assim con•egue-se optimizar toda e qualquer condição de utiliz ação do motor com ab,oluta liberdade. Actualmentc utilizam-'c algoritmos que ..aprendem .. com o diferente funcionamento d o motor. Por exemp lo. a formulação da gasolina varia :to longo do tempo e de m:orca para marca.

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C1p. 5: Ouc riçao dos Molores

M otores d• Comb ustio lntetu

MODO DE F UNC IONAMENTO DO CONTRO LADOR F.l.EC'TRÓN ICO

com um par d e valore' prev iamente en,aiado~. a quan1idadc .o inJcctar \ed l ida dorcct.omcntc da memória e :1 inJccção decorrerá normalme nte. Se o par de valor.:' não co 1111;1dor com uni par

O medidor de caudal indica a quantidade de ar por unidade de 1cmpo. cnquanlo que o coniro lador clcciró n ico lem de calcular a quan1idade a injeelar p or cad:1 cido. Para que o con1rolador tenha a informação que ncco,ita (ma"a d e ar por cada enchimento de ci l in dro) é necc":irio enirar com a ve locidade do motor 'eu' cálculo,, Sempre que a ca mbota d:I meta volla. é gerado um 11npul'o e léc 1ricu. Enlrc cada tloi' ompuho' con,ecu1i vo' um conden,ador é carregado e o valor da lcn,ào eléc 1ric:1 ( vol 1agem) no fim tia meia vnl1:1 dá a indicação d o invc"o da velocidade do molor. Multiplicando c'ta quantidade pelo valor tio caud al d e ar. d á- no' a quantidade de ar admitida por cada cili ndro. Todo' c'te> cálculo,. até à produção do impulso de injccç5o. dão->e com operaçõe; (adições e multiplicaçõe>. além de operaçõe' lógicas) realizadas nu' c ircui tos integrados. A., co rrecçõc>. co mo por exemplo operação a baixa temperat ura. >ão introduzidas mai., tarde nu cálcu lo da duração d e injecçào. de modo simi lar.

memori zado. l\Crá t:ft:ctuada uma intt:rpolação entre os valort:' mcmorit.ado' mai' próximo'.

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5.2.2.4. l nj eccã o e! ectrón jca djq jtal Para que fo,,e possí ve l controlar as emissõe' de poluentes cios e>capc' ao nível das legi•lações dos USA dos ano:. 80 e 'cguintes, era necessário obter-se uma preci,ão >uperior a 1% no t eor da mi , tura. para toda a gama de cargas e ro tações do motor. A forma de c hegar a e"e co ntrolo apertado. é calc ular e medir o valor cxacto de combus tível a injcctar. Para me lhorar a preci•ào. e'tc' valore;. em vez de 'erem ca lc ulado>. podem 'cr introduzido' na m em ó ri a do contro lador e lt:c tró nico e c hamado' a partir daí. o que requer uma e levada quantidade de dado> armate nado' e um s is tema e!ectrónico digit:ol de t ratamento de>>a informação. A'sim apareceram os ,;,temas electrónico' di g itais de injccção.

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Fig.S.120 - Mapa tridimensoon;il da injecção

Fig.S.119 - Memõroa do controlador da injecção

As quantidade> exacta' a injectar em diferentes condições de carga e velocidade são determinadas co m o motor no banco de e ns ai o e g uardadas na me mória do controlador em forma de tabela d e dua' e niradas (Fig.5.119. Fig.5. 120). Quando o motor e-iá a trabalhar. os sensore> que medem :1 carga do motor e a ,ua veloc idade e nviam e"a informação parn o controlador elcctrónico que os compara com valore' memori1.ados. Se e'te' coincid irem

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ca!culando-'e a exacta ona»a de ga,olina a injectar. A carga do motor po de 'er calculada por in\lrumento' que medem a prc"ão do colcctur de admi »àu. a po,iç:lu da borboleta ou o ca udal d e ar. E-te ,;na! é analógico e é po,1criormente con vertid o c m digital. por meio de um co nver>or analógico-do gi tal (A/D) . Q, 'i nai , analógicos ':lo >implc' ,;na" de tCn>:lu c léctriea (voltagem). Suponhamo' que a carga do motor é medida por um medidor de caudal de fio quente. Quando não há :ir a c ircular. e'te sistema de medição (íio que nte mai> u ma ponte ) aprese nta uma tcn,ão de O Volt. Aquando do m:íx imo caudal de ar. o >inal é o de tensão máxi m a. por exemplo. 5 Volt. Ent re cste' dois extremos exi>IC uma variação contínua de po,síveis valores. rela tivo' :1 v alore' intermédio> d e ca ud ais de ar. No convcn.or (A/D) esta tensão é convert ida num valor cligit•I. o u seja num núm ero i11 1ciro (0. 1. 2. 3. etc.). A O Volt corresponde o valor O. e a 5 Vol t c t>rrc,po ndc . por exemplo. 255. >C se u'ar um c ontrolad o r de 8 bit, . Exi> tcm. portanto. exact:1111entc 256 diferen tes valore' nos q uab a c a rga pude 'er expreS>a. Eiindo 16 co luna> (velocidade') e 8 linhas (cargas). teremos 128 diferen te' va lore' memorizado> nessa matriz (um em cada quadrado d o tabuleiro). E'tes foram os valores obtidos aquando do te,te motor. cada um sendo um núm ero inteiro de O a 255. Uma dada ve locidade e uma d:1da carga do motor permitem c>colher a col una e a linha. em cuja intersecção (quadrado) está g u:trdada a informação requerida. Entre cada 2 lugares adjacentes de me mória (quadrados) existem 16 posições dis tintas a fim de permitir uma interpolação l inear e ntre "''"' 2 valores memor izados. Sendo ª"im exis tem. na realidade. 256 colunas. 128 linhas. originando 32768 d ife re ntes combinações de velocidade e carga. Est e é o processo d e usur uma memória relativamen te pequena e cobrir um vasto leq ue de condições de funcionamento do motor. Actua l mente os controladores são de 16 b its (com 65 536 valores) ou mes mo 32 b it s (-4.3x ! O" valores di st intos possíveis). O valor re tirado da me mória é co nve rtido num período de te mpo. durante o qual o i njector é mantido abe rto . Se o motor e•tiv cr fri o. em aceleração. com a borbolet:1 tota l men te :1bcrta ou outra qua lquer condição que não exacta men te a ele tes te (ideal). o s inal é modificado por mei o de al goritmo,. te ndo todos cs,cs valores em con>ideração. Os dado' relativos a e»a> caracte rísticas (temperatura. pre>São. etc.) e,,tão também armazenado' em memóri:i . noutros mapas. tendo também s ido resultado de experimentação em banco de ensaio. Assim con•egue-se optimizar toda e qualquer condição de utiliz ação do motor com ab,oluta liberdade. Actualmentc utilizam-'c algoritmos que ..aprendem .. com o diferente funcionamento d o motor. Por exemp lo. a formulação da gasolina varia :to longo do tempo e de m:orca para marca.

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C111 . S: Oescriçlo das Motores

Moloru de C0Mtt11slh h11arfta

-

pelo que a relação HIC não é conqa ntc. kvando a que a rt:lação AIF e'tequiométriea também varie. A" im . º'valore' retirado' do' Vta maneira o ptimi tar ainda mai' '" co ndições de operação.

11

ª'

5.2.2.5. lnj ecção monoponto

ª'

Corno jd foi referido. primeiras injccçõcs de gasolina fo ram geralmente u'adas com o intuito de aumentar a potência ao motor, ma,. a partir da década de 70. e las foram um mei o de permitir a redução de poluente' emitido' nos ga'e' de e'capc. principalmente no' USA. Na diminuição de emi;.sõe' de poluente>. o ,;,tema de controlo (e lec tr6 nico digital) é mai~ impo rtante do que o loc:1l da injecç:io de g;"olina. Daí que os con,trutore' norte americano' optassem pela e l im inação dos v(írio• inj ectores. rcdutindo os c ustos. A injccç5o passo u a fazer-se num 'ó ponto (no local do carburador), dando orige m ~ injecção mo nopo nto (SPI) .

f~r1 fig.5.12t - Sistema de injecçlo monoponto (SPll Mono-Jelronic da Bosch

Com o s is tema SPI (Fig.5.103. Fig.5. 104 da pag. 138) perde-se a rapidez de re,posta dos si>temas MP/ (Fig.5. 102 da pag.137). poi' a gasolina Pª''ª a ser inj ectada longe das vá lvulas de admissão e a distribuição da ga.,o li11:1 pelos c ilindros poderá ser incorrectame nte cfectuada com o motor frio. O combustível líquido ex i"entc no colector de admissão poderá dirigir-'e predominantemente para um cilindro cm detrimento dos restante>. Mas a prcparaçiio da mistura poderá ser mais eficaL com o sistema SPI. além de este ter me nor custo.

VANTAGENS E DESVANTAGENS O u'o da injecção monoponto veio alter;1r a anterior filo,ofia de injccçiio. cm que o combu,tívcl era injectado perto de cada vál vula de admi"ão. Com o novo 'istema pcrde-;.e o rápido aumento da quantidade de ga,olina a entrar"º' ci lindro>- (o ponto de injecção ;itua->-c a un' 20 cm da;. válvula;., o que tem de 'er percorriJo pela gasolina). factor importantís,imo para 'e obterem boa' re,posta' de acele ração. Além disso. a distribuição da gasolina pe lo' cilindro' poderá ser incorre.:tamente efectuada com o motor frio . Para se evitar esta anomalia. introduzem-'e aquecedore• cléctricos no ponto em que a gasolina molha ª' parede" Sendo l!léctrico. o aqueci mento é muito rápido e pode ser desl igado quando o motor c hegar à temperatura de funcionamen to normal.

O siste ma SPI teve dois mo tivos para o aparecimento. o, e ngenhe iros da Bendix. aquando do desenvolvimento do s istema electróni co digital de injecção. conc lu íram que o uso de injecção seque ncia l diminuía dra,ticamente a c mi "ão de poluentes dos motores. Em co njunto com e ngenheiros da Genernl Motorc' (Cadillac) de,envolveram· este ~i, tema para um motor V8. ,omente para lhe s 'er co municado que o 'eu c us to era proibit ivo e que o devcri:1m abandonar. A sol ução foi retirar os 8 injcctores e s ubsti t uí lo' por 2. um para cada banco de 4 c i lindros, u>ando-se o mes mo s istem a e lectr6n ico. Na Ford. a tran,ição para o s istema SPI deu-se a partir de carburadores e lec tróni cos. O ,.,iste ma denominado EEC-11. e ra um carburador baseado na tecnologia de microprocessadores digitais. O s is te ma seguinte. o EEC- 111. serviu-se dos sensore~ e ci rcuitos elcctr6nicos existe ntes. ma' usava um injector colocado no local do ca rburador. Ambos os s is tc rntis da G . M. e da Ford foram introduzidos em 1980. usava m a pre"ão do ar no colector de admi S\ão para cálcul o da ma"a de gasol ina a injec tar e us avam 2 injectores cm cada motor V8.

14'

Para que este' "'aq uecedore>'' não elevem a sua temperatura acima de determinado valor de segurança. empregam -'e aquecedores PTC ("positive tcmperaturc coeficient"). no' quais a suj rcsbtênc ia

eléc t ric~1

aume nta para

valore~

muito

alto' ( 1000 vcze, superiore,). acima de urna determinada temperatura (Fig.5. 122). A temperatura do PTC estabil itará

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T emp«Mur a

Fig.5. t 22 - Aumento da res istência com a t1mper11ura dos aquecedores PTC

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C111 . S: Oescriçlo das Motores

Moloru de C0Mtt11slh h11arfta

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pelo que a relação HIC não é conqa ntc. kvando a que a rt:lação AIF e'tequiométriea também varie. A" im . º'valore' retirado' do' Vta maneira o ptimi tar ainda mai' '" co ndições de operação.

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5.2.2.5. lnj ecção monoponto

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Corno jd foi referido. primeiras injccçõcs de gasolina fo ram geralmente u'adas com o intuito de aumentar a potência ao motor, ma,. a partir da década de 70. e las foram um mei o de permitir a redução de poluente' emitido' nos ga'e' de e'capc. principalmente no' USA. Na diminuição de emi;.sõe' de poluente>. o ,;,tema de controlo (e lec tr6 nico digital) é mai~ impo rtante do que o loc:1l da injecç:io de g;"olina. Daí que os con,trutore' norte americano' optassem pela e l im inação dos v(írio• inj ectores. rcdutindo os c ustos. A injccç5o passo u a fazer-se num 'ó ponto (no local do carburador), dando orige m ~ injecção mo nopo nto (SPI) .

f~r1 fig.5.12t - Sistema de injecçlo monoponto (SPll Mono-Jelronic da Bosch

Com o s is tema SPI (Fig.5.103. Fig.5. 104 da pag. 138) perde-se a rapidez de re,posta dos si>temas MP/ (Fig.5. 102 da pag.137). poi' a gasolina Pª''ª a ser inj ectada longe das vá lvulas de admissão e a distribuição da ga.,o li11:1 pelos c ilindros poderá ser incorrectame nte cfectuada com o motor frio. O combustível líquido ex i"entc no colector de admissão poderá dirigir-'e predominantemente para um cilindro cm detrimento dos restante>. Mas a prcparaçiio da mistura poderá ser mais eficaL com o sistema SPI. além de este ter me nor custo.

VANTAGENS E DESVANTAGENS O u'o da injecção monoponto veio alter;1r a anterior filo,ofia de injccçiio. cm que o combu,tívcl era injectado perto de cada vál vula de admi"ão. Com o novo 'istema pcrde-;.e o rápido aumento da quantidade de ga,olina a entrar"º' ci lindro>- (o ponto de injecção ;itua->-c a un' 20 cm da;. válvula;., o que tem de 'er percorriJo pela gasolina). factor importantís,imo para 'e obterem boa' re,posta' de acele ração. Além disso. a distribuição da gasolina pe lo' cilindro' poderá ser incorre.:tamente efectuada com o motor frio . Para se evitar esta anomalia. introduzem-'e aquecedore• cléctricos no ponto em que a gasolina molha ª' parede" Sendo l!léctrico. o aqueci mento é muito rápido e pode ser desl igado quando o motor c hegar à temperatura de funcionamen to normal.

O siste ma SPI teve dois mo tivos para o aparecimento. o, e ngenhe iros da Bendix. aquando do desenvolvimento do s istema electróni co digital de injecção. conc lu íram que o uso de injecção seque ncia l diminuía dra,ticamente a c mi "ão de poluentes dos motores. Em co njunto com e ngenheiros da Genernl Motorc' (Cadillac) de,envolveram· este ~i, tema para um motor V8. ,omente para lhe s 'er co municado que o 'eu c us to era proibit ivo e que o devcri:1m abandonar. A sol ução foi retirar os 8 injcctores e s ubsti t uí lo' por 2. um para cada banco de 4 c i lindros, u>ando-se o mes mo s istem a e lectr6n ico. Na Ford. a tran,ição para o s istema SPI deu-se a partir de carburadores e lec tróni cos. O ,.,iste ma denominado EEC-11. e ra um carburador baseado na tecnologia de microprocessadores digitais. O s is te ma seguinte. o EEC- 111. serviu-se dos sensore~ e ci rcuitos elcctr6nicos existe ntes. ma' usava um injector colocado no local do ca rburador. Ambos os s is tc rntis da G . M. e da Ford foram introduzidos em 1980. usava m a pre"ão do ar no colector de admi S\ão para cálcul o da ma"a de gasol ina a injec tar e us avam 2 injectores cm cada motor V8.

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Para que este' "'aq uecedore>'' não elevem a sua temperatura acima de determinado valor de segurança. empregam -'e aquecedores PTC ("positive tcmperaturc coeficient"). no' quais a suj rcsbtênc ia

eléc t ric~1

aume nta para

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Fig.5. t 22 - Aumento da res istência com a t1mper11ura dos aquecedores PTC

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J

Mol OfH de Comb us1h lnlH RI

nc:-.:-.c valor. H:.í. no entanto. v::rntagcn~ rcla t1v::1mcnte ao:-. s1~1t:ma~ ··convencionai:-.·· de injecção:

como a injecçào 'e dá longe das válvulas. h:í s uficiente espaço e tempo pa ra que se dê atomiLação. vuporização e homogt: nt:it:ição da mi~1ura ar-ga~olina e com is!-.o melhorar a combu:-. tão. pc:rmitindo o u'o de m i "t ura' pobres. A outr::1 decisiva vantagem é o mai' b:.1ixo

preço do 'istcma SPI.

5.2.2.6. Carburadores electrónjcos O carburador convencional não con,cgue a preci,ão de mis t ura requerida (cerca de 1%) para que o catalisado r d e triplo efeÜo funcione eficazmente. pe lo que e le íoi dotado de 'istemas muito e laborados de co ntrolo da mi stura. Assim apareceu o carburador elcct rónico. que u'a :-.cn,orc:-. e sbtt:ma' de controlo simi l are~ ao~ u:i.ado ~ nos ' istemas de i njecção. grande~ co11,1 rutorcs de automóveis Ford e General Mo 1orcs ;1prescntar:11n os primeiros carburadores clcc 1rónicos cm 1977. ma s rnp idamc n1c (cm 1980) os deixaram de usar. preferindo os

º"'

'istcm" SPI .

5.2.2.7. lnjecc ão d jrecta Alguns motores ac tuai s a gasol ina aprese ntam uma no va sol ução de produção de m istura: a injecçilo d irec ta . Neste sistema o co mbu stí vel é i11jec1ado dircciamente na câmara de combustão. funcionando o motor e m dois modos: a ) mj'1ura homogénea : a cargas elevada> o combu stível é injectado simultaneamente com a entrada de ar pela válv ula de admissão. de modo a produzir uma mi st ura homogéne:1 e estequ iométrica (Fig.5. 123): b) estr;u jfjcacão da ca rga: a cargas baixas ( Fig.5. 123) o combus tí ve l é injec t ado durante o 1cmpo de compressão. de modo a formar uma mis tura heterogé nea ( Fi g.5.124). Na zona da ignição (vela) deverá haver uma mi s tura aproxi madament e estequiométrica (para proporcionar uma combustão est:lvc l). mas o restante volume te rá um a mi stura pobre ou 'ºmente ar. Dei. te modo consegue-se diminuir a carga do motor sem utilizar a borboleta. ou seja. sem a d iminuição drástica de rend imen to. comum aos motores a gasolina e m carga parcia l. Porém. os motores actuais de injecção directa aind~ não conseguem controlar a e>tratificação da carga de modo a poderem eliminar a borbole ta. e o funcionamento em modo b) é some nte co nseguido para baixas velocidades do motor. Todo' os con,truto res estão desenvolver motore' de injecção din:ct a. embora o dese nho (do pistão. da adm i.'»ão e da posição do

141

,.....,

l IOffiOllénc:i Estratlllt a te n, ão. pa>.sa pelo interrup to r (p lat inado') e pelo primário do trans formador ou ~. Às extre midades dos platinados está ligado e m paralelo (pela massa) um co nde n sador. E sta é a cons tituição do ci rc uito primário. Sempre que o .. plat inado .. é aberto. a corrente é inte rro mpida ne>tc circuit o . dando o r igem à formação de um impulso de elcvadí,sima tensão na bobine. Este impul s o e léc lri co é env i ~t d o. at ravés d o distribujdor . "à~ do cilindro onde >e da rá uma faísca . provoca ndo a ignição da mi , tura. E'tc' 3 e lcmen 10' compõem o ~ sec undá rio o u d e a lta 1en,ão. Num mo tor multic il índ rico. haverá somente um " pla1inado.. e uma bobine. >endo o platinado aberto uma ve z por cada ci l indro e por cada 2 volt as da cam bota (uma vez cm cada cic lo). O di>lribuidor tem a função de en viar o impul 'o e léctrico para o c ili ndro ce rto. Sem pre que os .. pl a tinados" inte rrompem o c ircui10 primári o, h á 1e ndência para que uma faí ,ca s alte e nt re os se u' terminai,. o que o dc,1ruiria rapidamenie. Para que 1al não aco nteça u'a-'e o condcn,ador. que armazena a energia excenden tá ria. não pe rm it in do que essa faísc a se form e e o ri gi nando u ma violent a variação d e corrente e con,eque n1e men1e uma faí,c a a 1e n>ão mai qucrd a e r:ípida à di rciia ). cnq uanlO que para a av~1 n çar com o abaixamenlO da prc "ão de admi \>:iO. um , ;,lema de medi ção da prc":'io (dcpre"ào Fig.5 . 13:1 ) do culccto r d e adm1 "ão .

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e da rá uma faísca . provoca ndo a ignição da mi , tura. E'tc' 3 e lcmen 10' compõem o ~ sec undá rio o u d e a lta 1en,ão. Num mo tor multic il índ rico. haverá somente um " pla1inado.. e uma bobine. >endo o platinado aberto uma ve z por cada ci l indro e por cada 2 volt as da cam bota (uma vez cm cada cic lo). O di>lribuidor tem a função de en viar o impul 'o e léctrico para o c ili ndro ce rto. Sem pre que os .. pl a tinados" inte rrompem o c ircui10 primári o, h á 1e ndência para que uma faí ,ca s alte e nt re os se u' terminai,. o que o dc,1ruiria rapidamenie. Para que 1al não aco nteça u'a-'e o condcn,ador. que armazena a energia excenden tá ria. não pe rm it in do que essa faísc a se form e e o ri gi nando u ma violent a variação d e corrente e con,eque n1e men1e uma faí,c a a 1e n>ão mai ãO. se o mo tor está a s ofrer uma aceleração bru,ca (condi ção trans ie n1e). etc. Mc,mo com todos es tes contro los poder:í haver a ocorro?ncia de ""knock"". em virtude de ci rc unstância' dificilmente po ndc rá vei,. co mo 'cja m a quantidade de depó,itos na câma ra de combu,tão. Neste' casos. pode-'e ulilitar um 'en;.or de detonação ("" knoc ~· ·). que atra,ará a ignição nc"e c il ind ro nos c iclos 'eg uin1e;.. Como um controlo digital é um ,;,1ema caro. é importante ren tabilitá-lo e a melhor maneira é incluir num único controlador os ,;, lema;. de injeeção e ignição e todo' º' outro' nece"ários para o fun ciona me nto do moto r o u dp veíc ulo. A'5 im apareceram ,;,tema' como o Motro nic da Bo,c h. em qu e o motor é optimizado s imultaneamente no re,peitante à ignição e à injecção e 'e us am os me;. mo' 'en;.orc' para os diferente' s i;.tema,_ São rarosº' caso;. de uuio móvei' que ut ilizaram um • i;.1ema di gital pa ra co mandar 'ºmente a ig ni ção. Ne;.le cuso e;.tá o moio r ··Energy"" a carburador da Re nault do' a no' 80. que co m ci.te sii.te ma co nseg uiu si muliane:imente um motor polente. s uave e económico para a é poca.

Vçht QllC'MIÇ

Ym.fu;J

centr~I

a) Diferença entre velas fri as e velas quentes

b) Diferentes veles

Fig.5. t4 t - A vela

As vela' deve m conservar urna tempera tura ó ptima de funcionamento. que não 'eja alta demais de forma a produzir inflamação e'pontãnea da mii.tura (:1nte' da faísca e denominada p ré-ig nição - C;op.8.4.1 ). nem ba ix a demai,. originando irregul:1ric.lade' de funcionamento e depó,iw,. A"i m. há moiore• que ncce"itam de vela' q ue funcio ne m a temperatura' mai' elevadas para o que 'e limitam ª' perda, de calor para a cuia"ª· E'tai. vela' denominam-'e ve lai. q uente' (Fig.5. 141 -a). lendo um baixo grau térmico. O 1r:1jecto para di"ipação de ca lor é. nes te ca,o. mai' longo do que no da' ve l"' frias. Quanto ao ª'pecto cxte rior. iodas ª' vdas são •emelhantes. com cxccpção do de•enho dos eléctrodo,. Na Fig.5. 141 -b podemo' ver alguma• vela' dife re nt es. A mais convencional é a da direita. com ro'ca M 14 c elécirodo de ma"ª cu r vado ;obre o centra l. O cl~ctrodo de ma"ª da ve la à •ua e'qucrd a é l:11era l. o elêctrodo cent ral da vel:t 'eg uintc é de platina e a vela da esquerda te m ro,ca M 10 e 4 eléc1rodos de massa rudi ai>. O pequeno difimclro da ro,ca maxim iza o espaço dispo nível para as válv ulas na câmara de combu st ão.

5.2.3 .4. A..H.l..íl Para que a fuí;.c a Pº"ª ser produz i\la de ntro do c ilindro é nccc"ário '"ªr um compo nente que ,eja de re moção fá c il e que isole e lec tri eamente os co ntactos o nde ;.e produzirão as faiscai.. Ei.te co mpon e nt e c hama -se vela. e está represe ntado na Fig.5. 14 1. É formada por um eléc1rodo ce ntral e um lateral. entre os quais salta a fa í;.ca. O cabo vindo do dii.tribuidor é ligado ao te rminal. que por s ua vez está ligado ao eléctrodo central. En volvendo c' te te r minal existe um iso lador cerâmico e . na s ua parte inferior. um corpo metálico com rosca. que serve pa ra po, ic ionar a ve la na câmara de combustão e para fazer a ligação da massa (cula\Sa) ao e léctrodo lateral. A vedação entre o isolador cerâ mi co e o corpo met álico é feito por meio de anilha' inleriore,. e nquan to que a vedação e ntre a vela e a cuia"ª 'e faz po r meio de uma anilha deformável. Q, eléctrodo' ' ão gera lme nt e fa bricado' em liga' de

154

5.3. MOT-ORES DE IGNIÇÃO POR COMPRESSÃO Os motore' de ignição por compre"ão (vulgo Die,el ) e ram conhecido' pelo 'eu func ioname nto le nto e ruido'º· fum :1 ndo e dei tando c heiro' pelo ç,cape (F ig .5. 142). mai. apresentando me lhore' re ndimentos que motores de ignição comandada. principalmente a carga parci a l. Por se r ba,tante e fi c iente. este tipo de motor 'empre ;.e usou em apl icações em que o baixo consu mo e ra primord ial c as suas desvantagen; não fo"em lim i1a1iva,. pelo que foi u'ado c m barco,. locomotiva, . camiõe~ e in,l alaçõe' fixa,_ Embora qua'e sempre lenham existido aulomóvc i, com moiore' Die;.el. foi de,de a décad:1 de 70 que o seu u.,o foi alargado a c~ te mercado. nomeadamente no' taxis. Q , motore~ usado' e ram. i.em exccpçào. dotado\ de

º'

155

Mott rn de Com buSllo lnt1in1

"'"tum poderá 'cr 4uc111"'c.la a4uanc.lo da 'egunda faí,ca. prod111indo o cham:1do ··ralerc·· (ver Cap.8.4.6). que é a queima atmo,férka d" mi,lura no e'capc e/ou adnu":io (a 'cg unda faí,ca 'aliará na altura do cruzamento da' vá lvula,. pelo que a vá lvula de ac.l m i"ão c'tará aberta e haverá de,envolvimento e.la combu, 1ão pela mi, lura eãO. se o mo tor está a s ofrer uma aceleração bru,ca (condi ção trans ie n1e). etc. Mc,mo com todos es tes contro los poder:í haver a ocorro?ncia de ""knock"". em virtude de ci rc unstância' dificilmente po ndc rá vei,. co mo 'cja m a quantidade de depó,itos na câma ra de combu,tão. Neste' casos. pode-'e ulilitar um 'en;.or de detonação ("" knoc ~· ·). que atra,ará a ignição nc"e c il ind ro nos c iclos 'eg uin1e;.. Como um controlo digital é um ,;,1ema caro. é importante ren tabilitá-lo e a melhor maneira é incluir num único controlador os ,;, lema;. de injeeção e ignição e todo' º' outro' nece"ários para o fun ciona me nto do moto r o u dp veíc ulo. A'5 im apareceram ,;,tema' como o Motro nic da Bo,c h. em qu e o motor é optimizado s imultaneamente no re,peitante à ignição e à injecção e 'e us am os me;. mo' 'en;.orc' para os diferente' s i;.tema,_ São rarosº' caso;. de uuio móvei' que ut ilizaram um • i;.1ema di gital pa ra co mandar 'ºmente a ig ni ção. Ne;.le cuso e;.tá o moio r ··Energy"" a carburador da Re nault do' a no' 80. que co m ci.te sii.te ma co nseg uiu si muliane:imente um motor polente. s uave e económico para a é poca.

Vçht QllC'MIÇ

Ym.fu;J

centr~I

a) Diferença entre velas fri as e velas quentes

b) Diferentes veles

Fig.5. t4 t - A vela

As vela' deve m conservar urna tempera tura ó ptima de funcionamento. que não 'eja alta demais de forma a produzir inflamação e'pontãnea da mii.tura (:1nte' da faísca e denominada p ré-ig nição - C;op.8.4.1 ). nem ba ix a demai,. originando irregul:1ric.lade' de funcionamento e depó,iw,. A"i m. há moiore• que ncce"itam de vela' q ue funcio ne m a temperatura' mai' elevadas para o que 'e limitam ª' perda, de calor para a cuia"ª· E'tai. vela' denominam-'e ve lai. q uente' (Fig.5. 141 -a). lendo um baixo grau térmico. O 1r:1jecto para di"ipação de ca lor é. nes te ca,o. mai' longo do que no da' ve l"' frias. Quanto ao ª'pecto cxte rior. iodas ª' vdas são •emelhantes. com cxccpção do de•enho dos eléctrodo,. Na Fig.5. 141 -b podemo' ver alguma• vela' dife re nt es. A mais convencional é a da direita. com ro'ca M 14 c elécirodo de ma"ª cu r vado ;obre o centra l. O cl~ctrodo de ma"ª da ve la à •ua e'qucrd a é l:11era l. o elêctrodo cent ral da vel:t 'eg uintc é de platina e a vela da esquerda te m ro,ca M 10 e 4 eléc1rodos de massa rudi ai>. O pequeno difimclro da ro,ca maxim iza o espaço dispo nível para as válv ulas na câmara de combu st ão.

5.2.3 .4. A..H.l..íl Para que a fuí;.c a Pº"ª ser produz i\la de ntro do c ilindro é nccc"ário '"ªr um compo nente que ,eja de re moção fá c il e que isole e lec tri eamente os co ntactos o nde ;.e produzirão as faiscai.. Ei.te co mpon e nt e c hama -se vela. e está represe ntado na Fig.5. 14 1. É formada por um eléc1rodo ce ntral e um lateral. entre os quais salta a fa í;.ca. O cabo vindo do dii.tribuidor é ligado ao te rminal. que por s ua vez está ligado ao eléctrodo central. En volvendo c' te te r minal existe um iso lador cerâmico e . na s ua parte inferior. um corpo metálico com rosca. que serve pa ra po, ic ionar a ve la na câmara de combustão e para fazer a ligação da massa (cula\Sa) ao e léctrodo lateral. A vedação entre o isolador cerâ mi co e o corpo met álico é feito por meio de anilha' inleriore,. e nquan to que a vedação e ntre a vela e a cuia"ª 'e faz po r meio de uma anilha deformável. Q, eléctrodo' ' ão gera lme nt e fa bricado' em liga' de

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5.3. MOT-ORES DE IGNIÇÃO POR COMPRESSÃO Os motore' de ignição por compre"ão (vulgo Die,el ) e ram conhecido' pelo 'eu func ioname nto le nto e ruido'º· fum :1 ndo e dei tando c heiro' pelo ç,cape (F ig .5. 142). mai. apresentando me lhore' re ndimentos que motores de ignição comandada. principalmente a carga parci a l. Por se r ba,tante e fi c iente. este tipo de motor 'empre ;.e usou em apl icações em que o baixo consu mo e ra primord ial c as suas desvantagen; não fo"em lim i1a1iva,. pelo que foi u'ado c m barco,. locomotiva, . camiõe~ e in,l alaçõe' fixa,_ Embora qua'e sempre lenham existido aulomóvc i, com moiore' Die;.el. foi de,de a décad:1 de 70 que o seu u.,o foi alargado a c~ te mercado. nomeadamente no' taxis. Q , motore~ usado' e ram. i.em exccpçào. dotado\ de

º'

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C•p. 5: Oucr içlo dos Motores

Motor es de Combu11lo tnterna

t câmara auxi liar de turbu lí: nc i:1 (ver Cap.8 .6.6.2). de 11wdo a ba ixar o ruído e a durcLa da combu stão e au mentar a 'ua velocidade (e com ela a ,ua baixa potência).

,en~ivclmcntc

~e a

metade 1200 120-300 -18

3-6 7-25

Este' motores estão também a ter uma evolução s ignificativa cm termo' de dc.,cnho e. principalmente. de \istcma de injccção. Tal como nos moture' ma" pequenos, também na' apli cações na vais e e;tacionárias se tem que c umprir uma legislação muito re,t nt1va no respeit ante a e missões de poluentes. pelo qu.: també m 'e estão a int roduzir contro los de injecção electró nicos e s i,tema' de "co mmon rail ".

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~

L

º'

a ga,olin~1 da mc,ma potência. E'h!' rc!\uhado' ba,c:..iram .,c IH)\ l 1na de ekvada, prt!!\laçõc') ma~ º' bi nári o' ~ão 'ignificati vamente (50 %) maiorc' de igni\:~º por

No início da década de 80 o motor Diesel foi ganhando mai ' adepto\ , tanto pelo me nor con,umo (o preço do' combu stívei' aumentou muito) co mo pelo me no r nível de poluente' que prod uz ia . No entanto. rapidamente cCnla esforços laterais (contra o ci li ndro). reduzindo o desgaste e o atri to. A cruzeta permite também o uso de "duplo efeito", ou seja. o cilindro ser usado para produzi r potênc ia de ambos os lados do pistão. Os motores Diesel ( no meadi1111 e nte os de tracção autom óvel ) podem emi tir J tipos de fum o pe lo e'cape (Fig. 5.142). que mo•t ram diferente> prob le ma': - Fumo preto (partícula> e ntre 0.02 a 0.1 2 µm de diàmetro): combustível adulterado ou mis tura excessivamente rica. que poderá ser resultante de: injccc,:ão cxces'i va de combu,tívcl; filtro de a r s ujo: falta de prc\\ão do turbo-compressor.

fig.5.144 - Motor com cruzeta

157

!

C1p. S: Ou cri çl o doa Motores

M otores de Comltu s1io lntern1

.

I,

Fu mo a1ul (-0.5 ~lm) : """Ira ra--agem aclu almenle (e no futuro) nccc"ária,. Este ,;,lema é incapaz do 'ºfi,ticado contro lo exigido no> motorc' ac1uai> 4uc º'ªm pré e pó' injecçõe' e modulação da i njecção pri ncipal. mes mo que >e Pº"ª cont rolar elcc tronicamenle arnbo'. a bomba eº' i njcclorc> . Por e!>la razão lem ' ido preterido pelo> o utro' '1\lc ma,, nomeadamen te pe lo "common-rai l" . O com ando da bomba tem de ser efecluado a tempo e requer alg uma potência. Geralmente es tá ligada à cambota por corren te ou correia.

A inj ccção do mo ior Diesel in icia-'c :1nles do PMS e contin ua d uran te a dc,cida do 1>i,1ào, pelo q ue a prc,são cxi, lc nle de ntro do ci lin d ro terá de se r c m muit o ull rapa"ada pela do s i, tema de injccção. Aclual me nlc. motore' peq uenos e grande,, lento' e r:ípido' a prese ntam prc"ões de injecção aproxirnando-'e do' 2 000 bar ('.200 MPa). de rnotlo a proporcio narem urna boa preparação de mi>t ura. O sistema de injecção deverá \:lli,fazcr ª' segu intes condiçõc' (c, lc ª"unlo 'erá abordado com mai' de ta lhe no Cap.8 .6. I ): Pylverjtação . Quan to mai' pc4uen:1' forem ª' go ta> mai' facilme nte >C dará a combu\lão. po i< a área 'uperficial da lotali >ejam maio re' q ue o ut ras. de modo ;1 c hegarem a regiõe> d i>li nt:i' da cânrn rn. Got as pequ e na' vapori zam perto do bi co do injector e nqua nl que golas maiores te rminarão a sua vaporização pe n o das pa redes da câm ara de com bu s tão. u'ando o ar de•ta reg ião. - Gradi e nte de jnj eccào. Os rece ntes sistemas de injecção co nt ro lado> e lectron ica rnente e co m injeclores de rapid ís.i ma resposta (piezo-e léc lricos) permite m uma l iberdade ext re ma dos grad ie ntes de injecção. o q ue oplim iza a combustão. reduzi ndo o ruído e ;1 em issão de po luente> (ver Cap.9.5.5.13) .

O s i,lerna de bomba- injcctor (b da Fig.5. 145 e Fig .5. 146) foi desenvolvido para e levar as pre"õe' de injccçiio m uito acima dos 1500 bar cm motores de injccção dirccia não au tomóvel. Este 'istema obriga à in, 1;1lação de cada bom ba -injcc lor de modo a ;er ac1uad:1 pe la á r vore de ca rnes. o u ao uso de bal a nceiros e hastes en tre e'le' e le me ntos. pois terá de have r uma bo rn ba-i njec to r por cada c il indro e cada te rá de ser actuada po r um c arne. Este s iste ma proporc io na as mais e levadas prcs,ões (>2000bar) pois o i njector (20) e a bo mba (2). c>'lâo no me,mo corpo. Foi nes te si,1cma q ue >e iniciou ( na década de 80 ) o con trolo clect rónico da injecçiio (7. 8. 9 e 10 da Fig.5.146). lendo >ido po;sível mel horar o arra nqu e a frio e reduzir draslic:11nenlc a emi.,>ilo de fumo>.

Actu a lmc nlc há 3 mane ira' de injeclar o combustível 11, elevadas pre"Õe\ necc,;.ár ias para promover uma combu,lão relativamen te li mpa e >uave (Fig.5.145): a) bomba d e inj ccção (em li nha o u rotativa) ligada b) bomba - inj ect or : c) sistema "commo n -rn ir·.

ªº' injectore' por tubos me tálico>:

Alg uns mowre' TDI da Vollr.swagen º 'ara m eMe si,lema de modo a usarem e levada' pre.sõc' de injecção.

li

Fig.5.146 - Bomba·in1ector controlado electron1camente

As e levada' pre"õe' que e' tc' 'iste ma- proporcionam melhoram a preparação da m"tura (gola' mai' fina\) . reduzindo d ra, ticame nle a produção de paníc ula,,

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C1p. S: Ou cri çl o doa Motores

M otores de Comltu s1io lntern1

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Fu mo a1ul (-0.5 ~lm) : """Ira ra--agem aclu almenle (e no futuro) nccc"ária,. Este ,;,lema é incapaz do 'ºfi,ticado contro lo exigido no> motorc' ac1uai> 4uc º'ªm pré e pó' injecçõe' e modulação da i njecção pri ncipal. mes mo que >e Pº"ª cont rolar elcc tronicamenle arnbo'. a bomba eº' i njcclorc> . Por e!>la razão lem ' ido preterido pelo> o utro' '1\lc ma,, nomeadamen te pe lo "common-rai l" . O com ando da bomba tem de ser efecluado a tempo e requer alg uma potência. Geralmente es tá ligada à cambota por corren te ou correia.

A inj ccção do mo ior Diesel in icia-'c :1nles do PMS e contin ua d uran te a dc,cida do 1>i,1ào, pelo q ue a prc,são cxi, lc nle de ntro do ci lin d ro terá de se r c m muit o ull rapa"ada pela do s i, tema de injccção. Aclual me nlc. motore' peq uenos e grande,, lento' e r:ípido' a prese ntam prc"ões de injecção aproxirnando-'e do' 2 000 bar ('.200 MPa). de rnotlo a proporcio narem urna boa preparação de mi>t ura. O sistema de injecção deverá \:lli,fazcr ª' segu intes condiçõc' (c, lc ª"unlo 'erá abordado com mai' de ta lhe no Cap.8 .6. I ): Pylverjtação . Quan to mai' pc4uen:1' forem ª' go ta> mai' facilme nte >C dará a combu\lão. po i< a área 'uperficial da lotali >ejam maio re' q ue o ut ras. de modo ;1 c hegarem a regiõe> d i>li nt:i' da cânrn rn. Got as pequ e na' vapori zam perto do bi co do injector e nqua nl que golas maiores te rminarão a sua vaporização pe n o das pa redes da câm ara de com bu s tão. u'ando o ar de•ta reg ião. - Gradi e nte de jnj eccào. Os rece ntes sistemas de injecção co nt ro lado> e lectron ica rnente e co m injeclores de rapid ís.i ma resposta (piezo-e léc lricos) permite m uma l iberdade ext re ma dos grad ie ntes de injecção. o q ue oplim iza a combustão. reduzi ndo o ruído e ;1 em issão de po luente> (ver Cap.9.5.5.13) .

O s i,lerna de bomba- injcctor (b da Fig.5. 145 e Fig .5. 146) foi desenvolvido para e levar as pre"õe' de injccçiio m uito acima dos 1500 bar cm motores de injccção dirccia não au tomóvel. Este 'istema obriga à in, 1;1lação de cada bom ba -injcc lor de modo a ;er ac1uad:1 pe la á r vore de ca rnes. o u ao uso de bal a nceiros e hastes en tre e'le' e le me ntos. pois terá de have r uma bo rn ba-i njec to r por cada c il indro e cada te rá de ser actuada po r um c arne. Este s iste ma proporc io na as mais e levadas prcs,ões (>2000bar) pois o i njector (20) e a bo mba (2). c>'lâo no me,mo corpo. Foi nes te si,1cma q ue >e iniciou ( na década de 80 ) o con trolo clect rónico da injecçiio (7. 8. 9 e 10 da Fig.5.146). lendo >ido po;sível mel horar o arra nqu e a frio e reduzir draslic:11nenlc a emi.,>ilo de fumo>.

Actu a lmc nlc há 3 mane ira' de injeclar o combustível 11, elevadas pre"Õe\ necc,;.ár ias para promover uma combu,lão relativamen te li mpa e >uave (Fig.5.145): a) bomba d e inj ccção (em li nha o u rotativa) ligada b) bomba - inj ect or : c) sistema "commo n -rn ir·.

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Alg uns mowre' TDI da Vollr.swagen º 'ara m eMe si,lema de modo a usarem e levada' pre.sõc' de injecção.

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Fig.5.146 - Bomba·in1ector controlado electron1camente

As e levada' pre"õe' que e' tc' 'iste ma- proporcionam melhoram a preparação da m"tura (gola' mai' fina\) . reduzindo d ra, ticame nle a produção de paníc ula,,

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Cap. 5: Ducriçlo dos Motorea

Mota ru dt Combulllo lnttrn•

O '"lcnw conhecido por ··common-r:1il" (e da Fig.5.145 e Fig .5. 147) é ,cmclhanlc ao "'lema MP/ do' molorc' a ga,olina: uma bomba ( Fig.5.148) eleva a pr.:"ªº do combu-iível 4uc é fornecido a lodo' inJCClore' por uma lubagcm comum (daí a denominação). A"im. :1 prc"ão é contínua e independente da velocidade do motor.

fig.5. t 50 - Esquema (em cortei de bomba de injecção em linha

Fig.5.t51 - Bomba de in1ecção em linha !para molor de 8 cilindros!

vário' conjuntos carni,a-pistão (em número igu al ao do' c ilindro' do motor) e'tava ligada por tu bos mct:\licos aos vários inj eclor es colocados na cabeça do mo1or. pistõc' du bomba de injecçüo são acc ionado' por camc• de um veio li gado ~ ca mbol:l do motor. Um processo de furos nas carn i'ª' e de rotação dos pis1õe' (com um corte radial cm e'pira l) pcrm iic um simples contro lo Jc carga ( Fig.5. 152).

º'

Fig.5. 148 - Bomba de alta pressão 1160 MPal

Fig.5. 147 - Sistema ·common-rail "

Cada i njeclor tem um 'º fi ' licado cunlro lo de abertura (Fig.5. 149) que lhe per mite operar um a elev ada quan tidade de impulso' po r ciclo (act ua lme nle fa la-'e d.: injecção piloto e várias pré-injecçõcs, inj ecções pri nc ipais e pós-injecçõe' em cada ciclo). Cada uma da; injecções parcelares da frase anterior pode ter a c una duração de décimas de milisegundo (0.0001 s). pe lo 4ue não podem i.er as agulhas (como mosirada' na F ig.5.160 da pag. 163) a -.er cont rolada• com um sbtema clectromagnético, tal l MnaJ ct«:tnco como no' •istema' para gasolina.

ª'

Nos inj ectores controlado' e lectronjcamente as agulham conlinuam a ser i.omente mecânicas (funcionamento por diferencial de pressão) e o controlo da injecção é feito por válvulas que abreml fec ham a passagem para a :1gulha (Fig.5. 149). Para permit ir o conlrolo de injccçõcs ao 0. 1 ms (q uantidades aproxima ndo-se de 0. 1 mm') algun' constr utores usa m vá lvu las pi ezo-e léctri ca s com esse potenc ial. pois perm item o do bro da velocidade de abertura q ue os sistemas clcctro- magnéticos.

11.81+-J\flh_

_J\_ ~~

caudal inja;tado

~~

injocçtu prinr:if*

Fig.5. t 49 - Comando do injector ·common-rail"

Os pistões da bomba de injecção trabalham com pressões relat ivamente e levadas (500 bar) mas não dispõem de segmentos, pelo que sào produzido' com tole râncias muito apertada' e u'am o poder lubrificante do ga,óleo para a ;ua lubrificação . A carga é controlada pe lo cu rso útil do êmbolo. que por \Ua vez é controlado pela sua posição angular (Fig.5. 153. Fig.5.154). O cul'o útil inicia-se no princípio do movimento do pistão e ler mina quando a e»piral escavada no êmbolo deixa escapar o gasóleo para o furo de entradaldescarga do cilindro (Fig.5.152).

_ ll ..., . l!f© "" 1 ~m dêb1to

5.3.2.1. Bomba de i njecção

º'

Ante' do aparecime nto do' actuais , ;,temas controlado' electronicarnentc. s is t e mas d e inj ecçã o dos motore' Die,e l eram integra lmente mecânicos, não necessitando nem mesmo de bateria para funcionarem . Uma bom ba d e injecção ( Fig.5.150. Fig.5. 15 1). constituída po r

160

P''"'º

Fig.5.152 - Pistão-camisa da bomba de injecção em linha

cu~tll

Fig.5.153 • ~mbolo

5.3.2. Componentes dos Sistemas Tradicionais

c1lmdro

~ meia carga

cu~+fll

"" ~ c:ir1a máJcima

Fig.5.154 - Funcionamento da bomba de 1n1acçlo am linha

O movimento de vaivém do êmbolo é originado a partir de urna árvore de carnes (Fig.5. 150) que roda dent ro da bomba injectora e actua cada êmbolo impulsionando um rolete a ele ligado. A bomba de injecção tem ainda controlo de início de injecção. que é aumentado com o aumento de ve locidade e com baixa• temperaturas do motor. A bomba de injecção roda a metade da velocidade do moior, pois trata-se de um ciclo de 4 tempo" com uma 1njecção em cada c ilindro em c ada 2 volto' da cambo1a.

161

Cap. 5: Ducriçlo dos Motorea

Mota ru dt Combulllo lnttrn•

O '"lcnw conhecido por ··common-r:1il" (e da Fig.5.145 e Fig .5. 147) é ,cmclhanlc ao "'lema MP/ do' molorc' a ga,olina: uma bomba ( Fig.5.148) eleva a pr.:"ªº do combu-iível 4uc é fornecido a lodo' inJCClore' por uma lubagcm comum (daí a denominação). A"im. :1 prc"ão é contínua e independente da velocidade do motor.

fig.5. t 50 - Esquema (em cortei de bomba de injecção em linha

Fig.5.t51 - Bomba de in1ecção em linha !para molor de 8 cilindros!

vário' conjuntos carni,a-pistão (em número igu al ao do' c ilindro' do motor) e'tava ligada por tu bos mct:\licos aos vários inj eclor es colocados na cabeça do mo1or. pistõc' du bomba de injecçüo são acc ionado' por camc• de um veio li gado ~ ca mbol:l do motor. Um processo de furos nas carn i'ª' e de rotação dos pis1õe' (com um corte radial cm e'pira l) pcrm iic um simples contro lo Jc carga ( Fig.5. 152).

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Fig.5. 148 - Bomba de alta pressão 1160 MPal

Fig.5. 147 - Sistema ·common-rail "

Cada i njeclor tem um 'º fi ' licado cunlro lo de abertura (Fig.5. 149) que lhe per mite operar um a elev ada quan tidade de impulso' po r ciclo (act ua lme nle fa la-'e d.: injecção piloto e várias pré-injecçõcs, inj ecções pri nc ipais e pós-injecçõe' em cada ciclo). Cada uma da; injecções parcelares da frase anterior pode ter a c una duração de décimas de milisegundo (0.0001 s). pe lo 4ue não podem i.er as agulhas (como mosirada' na F ig.5.160 da pag. 163) a -.er cont rolada• com um sbtema clectromagnético, tal l MnaJ ct«:tnco como no' •istema' para gasolina.

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Nos inj ectores controlado' e lectronjcamente as agulham conlinuam a ser i.omente mecânicas (funcionamento por diferencial de pressão) e o controlo da injecção é feito por válvulas que abreml fec ham a passagem para a :1gulha (Fig.5. 149). Para permit ir o conlrolo de injccçõcs ao 0. 1 ms (q uantidades aproxima ndo-se de 0. 1 mm') algun' constr utores usa m vá lvu las pi ezo-e léctri ca s com esse potenc ial. pois perm item o do bro da velocidade de abertura q ue os sistemas clcctro- magnéticos.

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injocçtu prinr:if*

Fig.5. t 49 - Comando do injector ·common-rail"

Os pistões da bomba de injecção trabalham com pressões relat ivamente e levadas (500 bar) mas não dispõem de segmentos, pelo que sào produzido' com tole râncias muito apertada' e u'am o poder lubrificante do ga,óleo para a ;ua lubrificação . A carga é controlada pe lo cu rso útil do êmbolo. que por \Ua vez é controlado pela sua posição angular (Fig.5. 153. Fig.5.154). O cul'o útil inicia-se no princípio do movimento do pistão e ler mina quando a e»piral escavada no êmbolo deixa escapar o gasóleo para o furo de entradaldescarga do cilindro (Fig.5.152).

_ ll ..., . l!f© "" 1 ~m dêb1to

5.3.2.1. Bomba de i njecção

º'

Ante' do aparecime nto do' actuais , ;,temas controlado' electronicarnentc. s is t e mas d e inj ecçã o dos motore' Die,e l eram integra lmente mecânicos, não necessitando nem mesmo de bateria para funcionarem . Uma bom ba d e injecção ( Fig.5.150. Fig.5. 15 1). constituída po r

160

P''"'º

Fig.5.152 - Pistão-camisa da bomba de injecção em linha

cu~tll

Fig.5.153 • ~mbolo

5.3.2. Componentes dos Sistemas Tradicionais

c1lmdro

~ meia carga

cu~+fll

"" ~ c:ir1a máJcima

Fig.5.154 - Funcionamento da bomba de 1n1acçlo am linha

O movimento de vaivém do êmbolo é originado a partir de urna árvore de carnes (Fig.5. 150) que roda dent ro da bomba injectora e actua cada êmbolo impulsionando um rolete a ele ligado. A bomba de injecção tem ainda controlo de início de injecção. que é aumentado com o aumento de ve locidade e com baixa• temperaturas do motor. A bomba de injecção roda a metade da velocidade do moior, pois trata-se de um ciclo de 4 tempo" com uma 1njecção em cada c ilindro em c ada 2 volto' da cambo1a.

161

r

Mo1ores d• Combuslh ln lerna

Cap. 5. Ducriç•o dos Mol ofes

A dc,cric;ão anterior é para ª' bumba\ cm linha. E'tª' não ':io capa1c\ de e levada' \elocidade,, pelo q0t:. com o dc,cnvolvimcniu do' motorc' Dic,cl rápido' (com pré câmara de

combu,15.0). foi nt:cc,,:Jrio m.. ar outro cipo de bomba!\. tt!'i rolativa,, também conhecida' por

··b o mbas d e d is t r ibuido r'" (Fig.5.155). Ne,ta' a árvore de came' é 'ºb'tituída por um prato de perfil ondulado (t ipo carro"el. com 'aliência' - Fig.5 . 156) que roda e vai originar o movimento de vaivém do êmbolo. "°""•Cl.\n.... lob4j.uhi

ai Bico saliente

Fig 5 158 - Esquema de 1njector

Fig.5 155 - Bombe de injecção rotativa

Reportando- no' à Fig.5.157 .

0

vo lume no final do

Fig.5. t 59 - Bicos das egulas dos in1ectores

Uma fotografia de,tas ag ulhas e dc,lc' injcc1o rc' pode ser vi>ta na Fig.5. 160. A pul vcri1.ação con,cguida com º' injcctore' com agulha' de bico cónico é muito s uperior à de» de bico saliente. ncccs,itando tam bém de prc"ÜC> muito m:oi' elevad a' para func ionarem efk;i1.mcr11c. Este 1ipo de injcctor produ1 v:írio' jacto' (",prayo;") r:1dialmc n tc. poi' dcv.: injc cw r combustível para toda a câmara de combu,tào (Fig.5.161). Po r cnolro lado.'" injec torc., de bico ':1l ic11 1e injcctam urn •Ó .. ,pray" com menor pul veri1.ac;ão. poi' 'ão º'ªdº' em cf11nara> auxiliare,, ern que a preparação da mistura 'e faz pe la elevada rotaciona lid:1de do ar ne"a câmara (Fig .5. 16 1). Ma i' detalhe' sobre câmara" e tipo' de conobu•tão pode m ' er vi'to' no' Cap .8.5 e 8.6.

Fig.5. 156 - Prato de bombo ro tativa 16 cilindros!

A bomba rotativa (Fig.5.157) tem 'ºmente um cil indro. No entanto ela po"u i um di,tribuidor que a liga a cada injcctor. 'equcncialmente. Tal como a bomba cm linha . a bomba rotativa também roda a metade da velocidade d:o ca mbota. injectando cm todo'º' ci lindro' cm cada rotação. pelo que o prato 1er:í de ter tanta' .. ,alicncia, .. quanlo' º' ci lindro' d o motor.

bl Bico cónico

"" do\~tQ

Fig.5.157 - Esquema da bomba de injecção ro tativa

ve io (que faz pape l de êmbolo e de disiribuidor) c't:í repleto de ga,6ko. O ve io é \Olidário com o prato. pelo que rodam e ~e movem cm conjunto . Quando o di\lribuidor c,tá "virado"" para uma das 'aída,, o p rato (Fig .5 . l 56J avança (a'ºª >aliência ª"irn o obriga). comprimindo o l íquido que e"t:í na 'ua extremidade. pelo que terá de sair pela janela de di,tribuição para o tubo que o liga ao injec tor. O controlo da quantidade a injeclar é feita pela abenura de um orifício no embolo. que condiciona o seu cur;o útil.

agulha de bico saliente

agulha de bicocómco

~L ~ @j ~-lf'9âDJ produ.ando "'*'"

.......

ótl ul'l't 10 • . . . ,

-..,,,..· ~ c:obrem _,. •

Fig.5. t 60 - Agulhas e 1njectores

fig.5. t61 - Uso de injector de bico cónico (esq.I e de bico soliente ldlr.1

Nos injeclore!'i usados nos sistemas .. commo n-ra il". embora ~ejam mais !'iimple~ exteriormente

(Fig.5. 162) , o 'istema interior de comando e de vá lv ulas (gera lmente servo-válvula' Fig .5. 149 ) necessário para a sua operação é extremamen te complexo . mais rece n tes injectore' apresentam bi co' de injccção vari:ível. ou seja. têm orifício' a duus :11lu r:,.,, diferent~' que abn:rn cm ocasiõe' diferente,, por exemplo durante p ré e pós i njccções e durante a injecçào principal. primeiro\ orifício' a :1brir ,50 de menor di âmetro. originando "~prays"' mai' fino, .

º'

5.3.2.2. lnjectores

º' injcctorcs tradici o nais (do s i,terna a da Fig .5. 145) são totalmc111c noccfonico' (Fig.5.158). abrindo com a pre"ão do g:l\óleo . que incide "obre a extremidade (bico ) da agulha. Na outra extremidade da agu lha exi,te uma mola que a mantém fechada ~o bre o bico do injeclor. com elevada pre~são. Con,,oante as aplicaçõe'. us am-se doi• tipo' de agulha. a de bico saliente (Fig.5.159-a) u sada em motore; de câmara auxiliar e a de bico cónico (Fig.5. 159-b ) º'ada em motore' de injccção directa.

o,

ª'

5.3.2.3. Outros componente s Tal como no' motorc\ de igniçiío comandada. º' molore' Dic,,el a umentam o \CU rend11ncn10 com a e levaçiío da taxa de cumprc»ão. Porém. e'la é limitada a valore> 11 volta de 20: 1 por

163 162

r

Mo1ores d• Combuslh ln lerna

Cap. 5. Ducriç•o dos Mol ofes

A dc,cric;ão anterior é para ª' bumba\ cm linha. E'tª' não ':io capa1c\ de e levada' \elocidade,, pelo q0t:. com o dc,cnvolvimcniu do' motorc' Dic,cl rápido' (com pré câmara de

combu,15.0). foi nt:cc,,:Jrio m.. ar outro cipo de bomba!\. tt!'i rolativa,, também conhecida' por

··b o mbas d e d is t r ibuido r'" (Fig.5.155). Ne,ta' a árvore de came' é 'ºb'tituída por um prato de perfil ondulado (t ipo carro"el. com 'aliência' - Fig.5 . 156) que roda e vai originar o movimento de vaivém do êmbolo. "°""•Cl.\n.... lob4j.uhi

ai Bico saliente

Fig 5 158 - Esquema de 1njector

Fig.5 155 - Bombe de injecção rotativa

Reportando- no' à Fig.5.157 .

0

vo lume no final do

Fig.5. t 59 - Bicos das egulas dos in1ectores

Uma fotografia de,tas ag ulhas e dc,lc' injcc1o rc' pode ser vi>ta na Fig.5. 160. A pul vcri1.ação con,cguida com º' injcctore' com agulha' de bico cónico é muito s uperior à de» de bico saliente. ncccs,itando tam bém de prc"ÜC> muito m:oi' elevad a' para func ionarem efk;i1.mcr11c. Este 1ipo de injcctor produ1 v:írio' jacto' (",prayo;") r:1dialmc n tc. poi' dcv.: injc cw r combustível para toda a câmara de combu,tào (Fig.5.161). Po r cnolro lado.'" injec torc., de bico ':1l ic11 1e injcctam urn •Ó .. ,pray" com menor pul veri1.ac;ão. poi' 'ão º'ªdº' em cf11nara> auxiliare,, ern que a preparação da mistura 'e faz pe la elevada rotaciona lid:1de do ar ne"a câmara (Fig .5. 16 1). Ma i' detalhe' sobre câmara" e tipo' de conobu•tão pode m ' er vi'to' no' Cap .8.5 e 8.6.

Fig.5. 156 - Prato de bombo ro tativa 16 cilindros!

A bomba rotativa (Fig.5.157) tem 'ºmente um cil indro. No entanto ela po"u i um di,tribuidor que a liga a cada injcctor. 'equcncialmente. Tal como a bomba cm linha . a bomba rotativa também roda a metade da velocidade d:o ca mbota. injectando cm todo'º' ci lindro' cm cada rotação. pelo que o prato 1er:í de ter tanta' .. ,alicncia, .. quanlo' º' ci lindro' d o motor.

bl Bico cónico

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Fig.5.157 - Esquema da bomba de injecção ro tativa

ve io (que faz pape l de êmbolo e de disiribuidor) c't:í repleto de ga,6ko. O ve io é \Olidário com o prato. pelo que rodam e ~e movem cm conjunto . Quando o di\lribuidor c,tá "virado"" para uma das 'aída,, o p rato (Fig .5 . l 56J avança (a'ºª >aliência ª"irn o obriga). comprimindo o l íquido que e"t:í na 'ua extremidade. pelo que terá de sair pela janela de di,tribuição para o tubo que o liga ao injec tor. O controlo da quantidade a injeclar é feita pela abenura de um orifício no embolo. que condiciona o seu cur;o útil.

agulha de bico saliente

agulha de bicocómco

~L ~ @j ~-lf'9âDJ produ.ando "'*'"

.......

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Fig.5. t 60 - Agulhas e 1njectores

fig.5. t61 - Uso de injector de bico cónico (esq.I e de bico soliente ldlr.1

Nos injeclore!'i usados nos sistemas .. commo n-ra il". embora ~ejam mais !'iimple~ exteriormente

(Fig.5. 162) , o 'istema interior de comando e de vá lv ulas (gera lmente servo-válvula' Fig .5. 149 ) necessário para a sua operação é extremamen te complexo . mais rece n tes injectore' apresentam bi co' de injccção vari:ível. ou seja. têm orifício' a duus :11lu r:,.,, diferent~' que abn:rn cm ocasiõe' diferente,, por exemplo durante p ré e pós i njccções e durante a injecçào principal. primeiro\ orifício' a :1brir ,50 de menor di âmetro. originando "~prays"' mai' fino, .

º'

5.3.2.2. lnjectores

º' injcctorcs tradici o nais (do s i,terna a da Fig .5. 145) são totalmc111c noccfonico' (Fig.5.158). abrindo com a pre"ão do g:l\óleo . que incide "obre a extremidade (bico ) da agulha. Na outra extremidade da agu lha exi,te uma mola que a mantém fechada ~o bre o bico do injeclor. com elevada pre~são. Con,,oante as aplicaçõe'. us am-se doi• tipo' de agulha. a de bico saliente (Fig.5.159-a) u sada em motore; de câmara auxiliar e a de bico cónico (Fig.5. 159-b ) º'ada em motore' de injccção directa.

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5.3.2.3. Outros componente s Tal como no' motorc\ de igniçiío comandada. º' molore' Dic,,el a umentam o \CU rend11ncn10 com a e levaçiío da taxa de cumprc»ão. Porém. e'la é limitada a valore> 11 volta de 20: 1 por

163 162

f

i

Ca,. 5: Oetcri~ão dos Motort1

Motores de Combu11io ln 11rn1

con•ideraçõc' de ruído e durcta da combu,tão. Para b.1ixo' valore' de taxa de compre"ãn C tempo> é de construção muito mab \Ímple> que o a quatro tempo,, poi' niio necc,sita de ,;,tema de di>tribuição e de lubrificação por press3o e, como já ro: dito. tem o potencial para produzir muita mais potência. pelo que o motor poderá .,er muito mais pequeno. leve e barato que o de potência correspondente a quatro tempos. A inexi.,tência de sistema de di,tribuição implica também menore'> perda• por atrito e menore> inércia,.

Fig. 5.163 - Vela do motor Diesel

injactor de ·common-rail" ldir.)

Q, turbo-comprcs,orc1> ;ão muito bem adaptado>

prt:~"\ãO . ... ãoº' ga~e~ fre"\co' a entrar no

expul,ar

É e'te procc"o de l,1vagcm que é crítico nc,te motor: uma boa lavagem proporciona um motor mui to potente (como tem o dobro dt" tempo' motore>. tem potencial transfcrblcia paru te r o dobro da potência de um a 4 tempo' da mc,ma cili nd rada); uma má lavagem leva a que g~1'o l in a po r Fig.5.164 - Cilindro de motor a 2 tempos queimar saia pe lo escape e que a comb ustão 'eja cortado. mostrando as janelas efectuada com grande percentagem de ga>e' queimado\. levando a elevado> consumo>. elevadf'>ima' emi»õc' de poluente\ e coonbu"õe' lenta> e in com pleta>.

- ..t.·~~ ~-

,,

di,llnto' de adm1'>.iio e e'cape. C\ta ""lavagem"" do ciltndro é leotJ '1multancamcnte. ou 'CJa. ap1h a abertura da jane la de c'cape e de '" ter daõe'> de alimentação superiores a 2 bar (ab,oluta). Os 1urbo-compre>Sore' •ão muito sofis ticado,. tendo geometria variável e baixa inércia. de modo a permitir rápidas variações de carga . A evolução dos motores de câm ara auxi liar para injecção directa deu-se com redução da velocidade máxima. tendo este valor baixado e m cerca de 1000 rpm . Actualmente os fillros de partícu las no e>cape estão a aparecer nos veículos. com o potencia l de elimi narem cerca de 95 % da s partículas produzidas (ver Cap.9.5.5.12). Estes fill ros 'ào frequentemente ""regenerado;"" (queima das partícula\) pela injecção de combustível ou pela injecção muito tardia do gasóleo no motor.

Uma de,crição sobre ~" condiçõc> de funcionamento dt:>te motor. nomeadamente eficiências de funcionamento. foram já abordada' no Cap.4.5.

Tradicionalmente o motor a 2 tempos aparece em 3 dife rentes configurações. a que correspo ndem 3 tipos distintos de lavagem.

5.4.1.1. lavag em transversal

O funcionamento do motor a dois tempos implica não haver segregação e nt re diferentes partes do c iclo, o que o torna ma is difícil de ser co ntro lado. nomeadamente ao nível do processo de lavagem , o que or igi na elevados consu mos e e mi ssão de pol uentes. Embora o motor a 2 1empo~ po»a ""re,pirar" por meio de válvulas de tú lipa. o meio mais frequente de introdu zir e retirar ga,es do ci lindro é por janelas escavadas no cili nd ro ( Fig.5. 164 ). geral me nte controladas pela passagem do pi stão. Como n5o dispõe de tempos

O deflector do> pistõe' (Fig.5.166) usado> nes te tipo de lavagem origina ponto> quentes e limi ta a compacidade da câmara de combustão. E>tc tipo de lavagcm fo i u1>ado em mo tores de

º'

ª'

164

várias

5.4.1. Tipos de Lavagem

A lavagem transversal Fi g.5.165) é a mais tradicional das lavagens dos motore' a 2 tempos, embora act ualmente não seja muito empregue. Ne'>ta lavagem as janela. de admis.ão e éscape estão coloc:1d as em lados oposto' do c il ind ro, frente -a-fre nte. Para que ga,e< fre,co< não pa!.cape o pistão tem um deflec tor (Fig.5. 166) que direcc iona os gases frescos para o to po do cilindro. loc:1I onde se situa a vela e se ini cia r:\ a combustão.

5.4. MOTORES A 2 TEMPOS

ª'

Fig.5.165 - Lavagem transversal

165

f

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Ca,. 5: Oetcri~ão dos Motort1

Motores de Combu11io ln 11rn1

con•ideraçõc' de ruído e durcta da combu,tão. Para b.1ixo' valore' de taxa de compre"ãn C tempo> é de construção muito mab \Ímple> que o a quatro tempo,, poi' niio necc,sita de ,;,tema de di>tribuição e de lubrificação por press3o e, como já ro: dito. tem o potencial para produzir muita mais potência. pelo que o motor poderá .,er muito mais pequeno. leve e barato que o de potência correspondente a quatro tempos. A inexi.,tência de sistema de di,tribuição implica também menore'> perda• por atrito e menore> inércia,.

Fig. 5.163 - Vela do motor Diesel

injactor de ·common-rail" ldir.)

Q, turbo-comprcs,orc1> ;ão muito bem adaptado>

prt:~"\ãO . ... ãoº' ga~e~ fre"\co' a entrar no

expul,ar

É e'te procc"o de l,1vagcm que é crítico nc,te motor: uma boa lavagem proporciona um motor mui to potente (como tem o dobro dt" tempo' motore>. tem potencial transfcrblcia paru te r o dobro da potência de um a 4 tempo' da mc,ma cili nd rada); uma má lavagem leva a que g~1'o l in a po r Fig.5.164 - Cilindro de motor a 2 tempos queimar saia pe lo escape e que a comb ustão 'eja cortado. mostrando as janelas efectuada com grande percentagem de ga>e' queimado\. levando a elevado> consumo>. elevadf'>ima' emi»õc' de poluente\ e coonbu"õe' lenta> e in com pleta>.

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di,llnto' de adm1'>.iio e e'cape. C\ta ""lavagem"" do ciltndro é leotJ '1multancamcnte. ou 'CJa. ap1h a abertura da jane la de c'cape e de '" ter daõe'> de alimentação superiores a 2 bar (ab,oluta). Os 1urbo-compre>Sore' •ão muito sofis ticado,. tendo geometria variável e baixa inércia. de modo a permitir rápidas variações de carga . A evolução dos motores de câm ara auxi liar para injecção directa deu-se com redução da velocidade máxima. tendo este valor baixado e m cerca de 1000 rpm . Actualmente os fillros de partícu las no e>cape estão a aparecer nos veículos. com o potencia l de elimi narem cerca de 95 % da s partículas produzidas (ver Cap.9.5.5.12). Estes fill ros 'ào frequentemente ""regenerado;"" (queima das partícula\) pela injecção de combustível ou pela injecção muito tardia do gasóleo no motor.

Uma de,crição sobre ~" condiçõc> de funcionamento dt:>te motor. nomeadamente eficiências de funcionamento. foram já abordada' no Cap.4.5.

Tradicionalmente o motor a 2 tempos aparece em 3 dife rentes configurações. a que correspo ndem 3 tipos distintos de lavagem.

5.4.1.1. lavag em transversal

O funcionamento do motor a dois tempos implica não haver segregação e nt re diferentes partes do c iclo, o que o torna ma is difícil de ser co ntro lado. nomeadamente ao nível do processo de lavagem , o que or igi na elevados consu mos e e mi ssão de pol uentes. Embora o motor a 2 1empo~ po»a ""re,pirar" por meio de válvulas de tú lipa. o meio mais frequente de introdu zir e retirar ga,es do ci lindro é por janelas escavadas no cili nd ro ( Fig.5. 164 ). geral me nte controladas pela passagem do pi stão. Como n5o dispõe de tempos

O deflector do> pistõe' (Fig.5.166) usado> nes te tipo de lavagem origina ponto> quentes e limi ta a compacidade da câmara de combustão. E>tc tipo de lavagcm fo i u1>ado em mo tores de

º'

ª'

164

várias

5.4.1. Tipos de Lavagem

A lavagem transversal Fi g.5.165) é a mais tradicional das lavagens dos motore' a 2 tempos, embora act ualmente não seja muito empregue. Ne'>ta lavagem as janela. de admis.ão e éscape estão coloc:1d as em lados oposto' do c il ind ro, frente -a-fre nte. Para que ga,e< fre,co< não pa!.cape o pistão tem um deflec tor (Fig.5. 166) que direcc iona os gases frescos para o to po do cilindro. loc:1I onde se situa a vela e se ini cia r:\ a combustão.

5.4. MOTORES A 2 TEMPOS

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Fig.5.165 - Lavagem transversal

165

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- -

n

,CIJI . 5: Ducriç: lo dos Mo1ores

Mo1 o' H de Comht11o httetna

t\

auto rn óvci \ no' ~1110' 4 0 t.: 50. lt:ndo pcr'i~tido até pou...:o tt: mpo a1r:í:i.. com o T ral:lant que fn1

E•le lopo de la va gem lcm a vu n1agcm de permitir lavagen' mai ' c tü.:icntc' que

ª'

produzido na Akmanha Dcmm.:r:í1ica :ué 1990.

antcri orc~.

Reccnle m cnle o co nce ito de la vagem tra nwc r"ll foi C'tendido a um no vo d e,e nho. o QU B (Quc cn ·, Un ivc"i ty of Belfa>! - Fig .5 . 167). no qual o deflector é e'c:nado num do' lado' do pi-ião. criando uma boa lavagem. uma câmara d e comhu\lào co mp:11.: 1a e ckv:1da 1urbulência (o ··, qui>.h .. originado d:1 ~ o n :1 alta do pi-i ão 1ran,forma -'c cm elevado .. 1umblc .. na câmara) .

•

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c ilin de c'cape abram an te> da ' de admi"ào. e la' fec ham pouco de po i' d o PMI. ba,tanle anlc> d o fin al da admi i»ão. que a'>i m poderá pre»uriza r (>obrealimcntar) o c ilindro.

1

fig 5 t66 - Pisllo com deflector. de mo1or

prim.: ipalrncntc em

Fog 5.167 - Lavagem transversal OUB

com lavagem transversal

5.4.1.2. Lavagem em laço A lavagem e m laço (Fig.5 . 168). lambém conhec ida por Schn ürle. é lida como ma is eficiellle que a an terior. 'e ndo a mai' usada nos vário' moiorc> a ga,o lina ac1 ualm e n1e comerc ializados. Eqe, moiore> t ê m vár ia' jan e la' de admi"ào di'Pº"ª' rndi:1l menlc o c upando gra nde pane d o pe rímelro d o c ilind ro. 'endo alguma' orienlada' para cima. na direcção oposta da janel a d e escape. É por cau sa de, t :1 o r ien 1ação do flu7'o de e nt rada que deriva o nome .. laço ...

5.4.1.3. Lavagem un jdireccjonal

"ª'

~

fig .5.168 - lavagem em laço

Nas lavage n> de>crilas an1e ri o rme n1c a en lrada e >aída d o > ga'c' é fei ta apro7' imadamente à me>ma a ltu ra. embora a janela de e'cap e le nha >e mpre que abri r :111tes da de admi \São. Assim. duranle a lavagem O> g a>es fresco' v iajam da ba'e para o topo d o ci lindro. de>locando os queimados para a jan ela de e'capc. Na la vagem unid ireccional a en1rad a e a s aída d os gases dão->e cm locais dife re ntes do c ilindro, uma no 1opo e a outra na ba,e. Gcralmenle na ba 'e d o c ilindro aparece m janela' de adm i-são a ioda u s ua volla e o c'cap c é fe ito por válvulas de 1ú l ipa 'i tuada> na c:1b cça do mo to r ( Fi g.5. 169-a). A configu ração pod e 'er a co n1rária . ou >eja. admi ;,ão por válv ula> na cabeça e e sc ape por jan e las na base (Fi g.5. 169 - b) .

166

Um 1erceiro d e,enho dc>ie lipo d e lavagem é con,cguido com mo 1ore' de pistões opostos (Fig .5. 170). Nes 1c ca'o não é nece,,ário haver válvulas. usando -se janela' radiais duas ba-e> do cilindro. pis 1õe' não 1êm os 1ernpo> morio' coinc idente>. O p i>tão que comanda a janc l:1 de c>cape anda ava nçado em re lação ao da admi»ão. A"im. a jane la d e escape abre anie' da de admi>s ào e esia fecha de poi s da de e>cape. permi 1i ndo a sobre;li i men1ação.

o,

Fig.5.170 - Motor Z tampos de pis11les opostos

A injecção do combus tí ve l é fe ita a meia allura do c ilindro. en ire os dois pistõe> q ue estarão pr67' imos d o' seus PMS,. Quando e.ies moto res são u'ados e m na v io•. ex i>le m duas cambota' que podem ac1uar d irec 1ame n1e as duas h ~ li ces. Estes molores tê m re laçõc' de entrega (ver Cap.4.5.2) muito elevada> de modo a le rem pure La 101al n o fi nal d o e'capc e aprese n1a111 e levado' rendimen10; porq ue :

ª'

perda' mec ânic a\'. - o ciclo a 2 le mpo> minimiza - a 'o hreali111c n1açào diminui a pressão m édia de a1ri1(1 (ver C ap. 10 . 1.7): - u'am um c ic lo le nt o. mai > próx imo do ideal : - a árc:1 de p erda> ôe calor da càmara d e combu,t ào é reduzida.

Fig.5.17t - Cruzeta

1i7

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Mo1 o' H de Comht11o httetna

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E•le lopo de la va gem lcm a vu n1agcm de permitir lavagen' mai ' c tü.:icntc' que

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produzido na Akmanha Dcmm.:r:í1ica :ué 1990.

antcri orc~.

Reccnle m cnle o co nce ito de la vagem tra nwc r"ll foi C'tendido a um no vo d e,e nho. o QU B (Quc cn ·, Un ivc"i ty of Belfa>! - Fig .5 . 167). no qual o deflector é e'c:nado num do' lado' do pi-ião. criando uma boa lavagem. uma câmara d e comhu\lào co mp:11.: 1a e ckv:1da 1urbulência (o ··, qui>.h .. originado d:1 ~ o n :1 alta do pi-i ão 1ran,forma -'c cm elevado .. 1umblc .. na câmara) .

•

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JI '-k ~

l[j]J

c ilin de c'cape abram an te> da ' de admi"ào. e la' fec ham pouco de po i' d o PMI. ba,tanle anlc> d o fin al da admi i»ão. que a'>i m poderá pre»uriza r (>obrealimcntar) o c ilindro.

1

fig 5 t66 - Pisllo com deflector. de mo1or

prim.: ipalrncntc em

Fog 5.167 - Lavagem transversal OUB

com lavagem transversal

5.4.1.2. Lavagem em laço A lavagem e m laço (Fig.5 . 168). lambém conhec ida por Schn ürle. é lida como ma is eficiellle que a an terior. 'e ndo a mai' usada nos vário' moiorc> a ga,o lina ac1 ualm e n1e comerc ializados. Eqe, moiore> t ê m vár ia' jan e la' de admi"ào di'Pº"ª' rndi:1l menlc o c upando gra nde pane d o pe rímelro d o c ilind ro. 'endo alguma' orienlada' para cima. na direcção oposta da janel a d e escape. É por cau sa de, t :1 o r ien 1ação do flu7'o de e nt rada que deriva o nome .. laço ...

5.4.1.3. Lavagem un jdireccjonal

"ª'

~

fig .5.168 - lavagem em laço

Nas lavage n> de>crilas an1e ri o rme n1c a en lrada e >aída d o > ga'c' é fei ta apro7' imadamente à me>ma a ltu ra. embora a janela de e'cap e le nha >e mpre que abri r :111tes da de admi \São. Assim. duranle a lavagem O> g a>es fresco' v iajam da ba'e para o topo d o ci lindro. de>locando os queimados para a jan ela de e'capc. Na la vagem unid ireccional a en1rad a e a s aída d os gases dão->e cm locais dife re ntes do c ilindro, uma no 1opo e a outra na ba,e. Gcralmenle na ba 'e d o c ilindro aparece m janela' de adm i-são a ioda u s ua volla e o c'cap c é fe ito por válvulas de 1ú l ipa 'i tuada> na c:1b cça do mo to r ( Fi g.5. 169-a). A configu ração pod e 'er a co n1rária . ou >eja. admi ;,ão por válv ula> na cabeça e e sc ape por jan e las na base (Fi g.5. 169 - b) .

166

Um 1erceiro d e,enho dc>ie lipo d e lavagem é con,cguido com mo 1ore' de pistões opostos (Fig .5. 170). Nes 1c ca'o não é nece,,ário haver válvulas. usando -se janela' radiais duas ba-e> do cilindro. pis 1õe' não 1êm os 1ernpo> morio' coinc idente>. O p i>tão que comanda a janc l:1 de c>cape anda ava nçado em re lação ao da admi»ão. A"im. a jane la d e escape abre anie' da de admi>s ào e esia fecha de poi s da de e>cape. permi 1i ndo a sobre;li i men1ação.

o,

Fig.5.170 - Motor Z tampos de pis11les opostos

A injecção do combus tí ve l é fe ita a meia allura do c ilindro. en ire os dois pistõe> q ue estarão pr67' imos d o' seus PMS,. Quando e.ies moto res são u'ados e m na v io•. ex i>le m duas cambota' que podem ac1uar d irec 1ame n1e as duas h ~ li ces. Estes molores tê m re laçõc' de entrega (ver Cap.4.5.2) muito elevada> de modo a le rem pure La 101al n o fi nal d o e'capc e aprese n1a111 e levado' rendimen10; porq ue :

ª'

perda' mec ânic a\'. - o ciclo a 2 le mpo> minimiza - a 'o hreali111c n1açào diminui a pressão m édia de a1ri1(1 (ver C ap. 10 . 1.7): - u'am um c ic lo le nt o. mai > próx imo do ideal : - a árc:1 de p erda> ôe calor da càmara d e combu,t ào é reduzida.

Fig.5.17t - Cruzeta

1i7

·1 M otores de Comi.ustio Interna

C1p. 5: Oucriçlo doa Motoras

1

Algun' do' motore' de lavagem unidircceional u'am phlõt:' dt: duplo cfe110. o que ainda mai\ rcdu1. atrito' e ;1 prc"ão médi:1 de atrito (dobro d.: tem po' morto' e pi,tãu U\ando crule1" · Fig.5.171. \Clll co mponente de força radial 'obre o cilind ro).

º'

Uma comparação e ntre

º' 3 tipo' de la vagem

· jane las de admi ssão. que lig.1 m o carburador ao cárter. · jan e la s de transfe r ê ncia . que ligam o cárter ao ci lindro. acim:1 dc,crita' como ad m i"ão :10 ci lindro: · janelas de escape .

foi efcct uada nu Cap.-1.5.2.

1 5.4.2. Compressão de Cárter

escape

·• \ ~ rsc:ape

' -•trtim­ ui~~-~ ' . ., ~•

A maiori ~1 do'\ mo tore' co m L1vage m trun sver:-.a l e e m lac;o usam o c:irter do motor corno

eomprc»or para o proces;o de lavagem ( Fig.5. 172). füt a s olução é s imples e ba rata. pois permite o funcion amen to destes motores sem o u>e> de co mpre,sorc' cxtcriore,. No e ntanto. apresenta alguns pro blemas:

tr:msíeréncia

. o c:lrt e r deixa de ser o loc al para o óleo. pelo que não se pode usar nenhum ,istema de lubrifi caçã o do> anteri o rme nte aprese ntad o> ( no Cap.5. 1.6): . não havendo lu brificação por pressão . não s e podt us:1r lubri fic ação hidrodinâm ica. o briga ndo ao u;o de rolamentos entre os vári o> componente, . solução cara. baru lhe nta e po uco duradou ra: . ;e a cabeç a da biela usa rolamentos. ela não te rá c hapéu . pelo que a ca mbota terá de se r apa rt áve l ( fe ita de peças separadas - Fig.5. 173) para permi t ir a montage m: . a lubrificação pi\lao-c ilindro é feita por óleo perdido. o u seja. o ó leo usado será q ueimado o u ,airá pelo e'cape, o que aumenta o níve l de poluentes : . como o volume varrido usado na compressão de cárter é o me\mO do cilindro. não se con>eg ue uma lavagem pe rfeita. poi s a relação de e ntrega é inferior à unidade (ver Cap.4.5.2).

Fig.5.174 - Planificaçlo do cilindro de um motor com 2 janelas da transfarlncia

Fig.S.175 - Planificaçlo da um cilindro com múltiplas janelas de transferência

Tradic ionalmen te º' motores de la vage m em laço (como o represen tado na Fig.5 .174) têm uma janela c.le admi>>ào, uma de escape e dua ' (uma de cada lado) de tran,ferência. Porém . motore' de e levadas pres tações apresent am várias janelas de cada tipo (Fig.5.175. Fig.5.176). Nalgun' destes motore' as ja nelas ,fotão largas que necessitam de um ;epto (Fig.5.177) de modo a ofe recer algum suporte aos 'cgmento' q ue. como 'ão elá>tico>. se expandiriam para essas grandes aberturas .

__ .

~=-···-

.

.,,._

f ig.5.176 - Vista inferior de cilindro com 4 janelas de transferênc ia (lefaranta 1 Fig.S.175)

fig .5.172 - funcionamento do c6rter como bomba

Fig.5.177 - Janela com septo central (vista do exterior do cilindro)

Fig.5.173 - Cambota aperUvel (3 paçasl

No caso das jane las de trans fe rência há ai nda interesse em indi vidualmente o r ientar o fluxo dos gases de admissão aquando da ;ua en trada no c il indro. Mesmo com toda'> as desvantagens ac ima aprese ntadas quase todos os motores a 2 tempos usa m esta sol ução. A ma nei ra tradic io nal de controlar a entrada e saída dos gases para o cá rter é por janela' descobertas pelo pi s tão. Estes motore' têm 3 tipos de janela' escavadas nos seus cilindro' ( Fig.5. 174. F ig.5. 175):

161

Como já foi re fe rid o, a lubrificação é efectuada por óleo perdido que 'e pode misturar com o combustível (numa proporção q ue pode var iar entre 0.5 e 5%) o u 'cr injectado em cada ciclo para dentro do motor.

169

·1 M otores de Comi.ustio Interna

C1p. 5: Oucriçlo doa Motoras

1

Algun' do' motore' de lavagem unidircceional u'am phlõt:' dt: duplo cfe110. o que ainda mai\ rcdu1. atrito' e ;1 prc"ão médi:1 de atrito (dobro d.: tem po' morto' e pi,tãu U\ando crule1" · Fig.5.171. \Clll co mponente de força radial 'obre o cilind ro).

º'

Uma comparação e ntre

º' 3 tipo' de la vagem

· jane las de admi ssão. que lig.1 m o carburador ao cárter. · jan e la s de transfe r ê ncia . que ligam o cárter ao ci lindro. acim:1 dc,crita' como ad m i"ão :10 ci lindro: · janelas de escape .

foi efcct uada nu Cap.-1.5.2.

1 5.4.2. Compressão de Cárter

escape

·• \ ~ rsc:ape

' -•trtim­ ui~~-~ ' . ., ~•

A maiori ~1 do'\ mo tore' co m L1vage m trun sver:-.a l e e m lac;o usam o c:irter do motor corno

eomprc»or para o proces;o de lavagem ( Fig.5. 172). füt a s olução é s imples e ba rata. pois permite o funcion amen to destes motores sem o u>e> de co mpre,sorc' cxtcriore,. No e ntanto. apresenta alguns pro blemas:

tr:msíeréncia

. o c:lrt e r deixa de ser o loc al para o óleo. pelo que não se pode usar nenhum ,istema de lubrifi caçã o do> anteri o rme nte aprese ntad o> ( no Cap.5. 1.6): . não havendo lu brificação por pressão . não s e podt us:1r lubri fic ação hidrodinâm ica. o briga ndo ao u;o de rolamentos entre os vári o> componente, . solução cara. baru lhe nta e po uco duradou ra: . ;e a cabeç a da biela usa rolamentos. ela não te rá c hapéu . pelo que a ca mbota terá de se r apa rt áve l ( fe ita de peças separadas - Fig.5. 173) para permi t ir a montage m: . a lubrificação pi\lao-c ilindro é feita por óleo perdido. o u seja. o ó leo usado será q ueimado o u ,airá pelo e'cape, o que aumenta o níve l de poluentes : . como o volume varrido usado na compressão de cárter é o me\mO do cilindro. não se con>eg ue uma lavagem pe rfeita. poi s a relação de e ntrega é inferior à unidade (ver Cap.4.5.2).

Fig.5.174 - Planificaçlo do cilindro de um motor com 2 janelas da transfarlncia

Fig.S.175 - Planificaçlo da um cilindro com múltiplas janelas de transferência

Tradic ionalmen te º' motores de la vage m em laço (como o represen tado na Fig.5 .174) têm uma janela c.le admi>>ào, uma de escape e dua ' (uma de cada lado) de tran,ferência. Porém . motore' de e levadas pres tações apresent am várias janelas de cada tipo (Fig.5.175. Fig.5.176). Nalgun' destes motore' as ja nelas ,fotão largas que necessitam de um ;epto (Fig.5.177) de modo a ofe recer algum suporte aos 'cgmento' q ue. como 'ão elá>tico>. se expandiriam para essas grandes aberturas .

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f ig.5.176 - Vista inferior de cilindro com 4 janelas de transferênc ia (lefaranta 1 Fig.S.175)

fig .5.172 - funcionamento do c6rter como bomba

Fig.5.177 - Janela com septo central (vista do exterior do cilindro)

Fig.5.173 - Cambota aperUvel (3 paçasl

No caso das jane las de trans fe rência há ai nda interesse em indi vidualmente o r ientar o fluxo dos gases de admissão aquando da ;ua en trada no c il indro. Mesmo com toda'> as desvantagens ac ima aprese ntadas quase todos os motores a 2 tempos usa m esta sol ução. A ma nei ra tradic io nal de controlar a entrada e saída dos gases para o cá rter é por janela' descobertas pelo pi s tão. Estes motore' têm 3 tipos de janela' escavadas nos seus cilindro' ( Fig.5. 174. F ig.5. 175):

161

Como já foi re fe rid o, a lubrificação é efectuada por óleo perdido que 'e pode misturar com o combustível (numa proporção q ue pode var iar entre 0.5 e 5%) o u 'cr injectado em cada ciclo para dentro do motor.

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Cap. S: Oescriçto dos Motores

Motores d1 Combusli o tnttrn•

O controlo da aclmi"ào \I J m"tura ao cúrtcr pode ,aia cio pi'1 ão v:ílvu la rotativa

'ª

A bai>.a rotação e baixa carg a e la abrirá durante um c urto p fui cortada '"sim cont rola uma abertura ao d rter (Fig.5.179). Esta abertura não é uma j a nela do cil indro. pois está colocada latcralmcnlc no drter. de,carregando sobre a cambota. E''ª abertura n ão é simétrica. abrind o ante' da janela convenc ional e fechando muito an tes d ela. aumentando o caudal de admi»ão do motor. pr incipalmente a baixas rotações . Q, motores de vál vula rotativa notam -'e ex teriorme nte por terem o carburador ligado ao cárter cm veL de ligado ao ci lindro.

Fig.5. t81 - Uso de lamelas no motor a 2 tempos !alta velocidade!

5.4.3. Outras Geometria s e Componentes Por cau'" da' 'uas ineren tes vantage ns. o motor a 2 tempos tem sido base para muito' desenvolvimento• . na tentativa de minimização dos seus defeito• . A v:llvula rotativa e a admis,ào por lamelas foram algu n s desenvolvimentos de sucesso na m e lho ria da admissão. mas muito' ou tro' têm 'ido tentados e usados.

entrada da mistura para o cârtcr

joncla (válvula rota1iva) por onde entra a mistura

Fig.5.178 - Vélvula rota tiva tcambotat

5.4.3.1. Altera ção do ejxo do ci lindro Fig.5.179 - Motor com •él•ula rotativa

de motor de aeromodelo

5.4.2.2. Um.lli.l

"'º

O de válvu la de lamelas (Fig.5.180) na admis,ão permite que a janela de admi-são abra somente quando ho u ver um diferenc ial de pre,sões negativo entre o c arburador e o cárter. anulando o retorno da mistura ao carburado r. Este proce"º· embora int roduzindo uma pcrd:o de carga (a vál vula 'ó abre com diferencial de pre-são). permite que a mi'1ura 'eja livre de e nt rnr no c i lindro sem impo,içõc; de ângulo' de abertura.

lamela,, que

a.brt111 com a ~-cm da mistura

fig .5 180 - Caiu de lamalas para a admissão 10 drter

Um processo para a lterar a si metria das aberturas e fecho das janelas é a deslocação do eixo do cilindro para trás do eixo da cambota (Fig.5. 182). Dest e modo a distância (e m g raus, e portanto cm te m po) en tre a abert ura da janela d e escape e o PM/ fi ca s uperior à di,tância entre o PMI (Fig.5. 183) e o seu fecho. optim izando o func ionamento do motor. Relativamente à janela de ad m i•sào ao cárter acontece o mesmo (relati vamente a PMS). o que é também benéfico. Por uma outra razão es ta des locação do eixo do cil indro é desvantajosa: a bie la fica com mais inclinação na altura da expan~ão. c riando uma maior força entre o pis tão e o cilindro. numa zon a da cami'a em que há janela' de

ª'

fig 5. t 82 - Desvio do

e110

do cilindro

171

170

Cap. S: Oescriçto dos Motores

Motores d1 Combusli o tnttrn•

O controlo da aclmi"ào \I J m"tura ao cúrtcr pode ,aia cio pi'1 ão v:ílvu la rotativa

'ª

A bai>.a rotação e baixa carg a e la abrirá durante um c urto p fui cortada '"sim cont rola uma abertura ao d rter (Fig.5.179). Esta abertura não é uma j a nela do cil indro. pois está colocada latcralmcnlc no drter. de,carregando sobre a cambota. E''ª abertura n ão é simétrica. abrind o ante' da janela convenc ional e fechando muito an tes d ela. aumentando o caudal de admi»ão do motor. pr incipalmente a baixas rotações . Q, motores de vál vula rotativa notam -'e ex teriorme nte por terem o carburador ligado ao cárter cm veL de ligado ao ci lindro.

Fig.5. t81 - Uso de lamelas no motor a 2 tempos !alta velocidade!

5.4.3. Outras Geometria s e Componentes Por cau'" da' 'uas ineren tes vantage ns. o motor a 2 tempos tem sido base para muito' desenvolvimento• . na tentativa de minimização dos seus defeito• . A v:llvula rotativa e a admis,ào por lamelas foram algu n s desenvolvimentos de sucesso na m e lho ria da admissão. mas muito' ou tro' têm 'ido tentados e usados.

entrada da mistura para o cârtcr

joncla (válvula rota1iva) por onde entra a mistura

Fig.5.178 - Vélvula rota tiva tcambotat

5.4.3.1. Altera ção do ejxo do ci lindro Fig.5.179 - Motor com •él•ula rotativa

de motor de aeromodelo

5.4.2.2. Um.lli.l

"'º

O de válvu la de lamelas (Fig.5.180) na admis,ão permite que a janela de admi-são abra somente quando ho u ver um diferenc ial de pre,sões negativo entre o c arburador e o cárter. anulando o retorno da mistura ao carburado r. Este proce"º· embora int roduzindo uma pcrd:o de carga (a vál vula 'ó abre com diferencial de pre-são). permite que a mi'1ura 'eja livre de e nt rnr no c i lindro sem impo,içõc; de ângulo' de abertura.

lamela,, que

a.brt111 com a ~-cm da mistura

fig .5 180 - Caiu de lamalas para a admissão 10 drter

Um processo para a lterar a si metria das aberturas e fecho das janelas é a deslocação do eixo do cilindro para trás do eixo da cambota (Fig.5. 182). Dest e modo a distância (e m g raus, e portanto cm te m po) en tre a abert ura da janela d e escape e o PM/ fi ca s uperior à di,tância entre o PMI (Fig.5. 183) e o seu fecho. optim izando o func ionamento do motor. Relativamente à janela de ad m i•sào ao cárter acontece o mesmo (relati vamente a PMS). o que é também benéfico. Por uma outra razão es ta des locação do eixo do cil indro é desvantajosa: a bie la fica com mais inclinação na altura da expan~ão. c riando uma maior força entre o pis tão e o cilindro. numa zon a da cami'a em que há janela' de

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fig 5. t 82 - Desvio do

e110

do cilindro

171

170

Motorts de Combus1io IAl1tna

Cap. 5. Oucriçio dos Motores

1ran,ferência e de admi,~ão. ou 't dc,te tipo de moior. A m;1io ri a do' construtores preferiu apo iar o d csenvol vi me nlo do> moiore> Orbital , um dc>c nho tradicional com compres,ão de cárter. admi.,ão de ar e injecçào direcla ª""t ida a ar com prunido (Fig.5. 18 -I J. Porém. alguns con> truiore• (como por exe mplo a Toyota e a Lotus) pre feriram u•ar moiore' com lubrificação con vencional e >em janel3', de modo a pcrmrtir o nível de ruído. de vibrações e de lo n gevidade dos motof e' a 4 tempo\. Na realidade os p rincipais problema' de lo ngev id ade do motor con ven cional a 2 tempos reside no; seu s rolamento' e principa lmente nos c ilind ros com jane las qu e gastam prematurame nte os segmentos e pistões.

º'

~ (_) Fig.5.184 - Motor orbital em corte, sendo passivei ver os in1ectores e o uso de rolamentos

m

Fig.5. t 85 - Lavegem em laço invertido

5.4.3.3. Vá lvu la de escape Ta l como a ad rn i"ão. também a janel a de e.cap e te m aberJura/fecho si mé tri ca rcla1i varncnte ao PMI . Mui ias foram:" lcnlativa' d e criar vá l vul as contro lando a jane la de escap e. de m odo a que fechasse m'"' cedo do que abri"c, e principalmente de modo a que varia'>e a 'ua abertu ra ao longo da> rotações.

.

-

li~ ~,'3

No lns1i 1u t Frnnp is du Petrol (IFP ) e em parceria com a Loius C a rs. está-se a dese n volve r uma v:ílvtrla a lternati va q ue fecha p arcialme nte a ja nela do escape (Fig.5.186) em cada ro tação do motor. O co mando desta válvula variaria a sua fo ,e a di íerentc' velocidades do motor. o que rel>ul1aria na variação do â ng ul o de abcrlura e/o u fecho do escape. No m o mento da e se ri ta Fig.5.t86 - Motor Lotus com válvula oscilante no escape desta obra o m otor ainda se encon tra em fa se de desenvolvi mento, te ndo sido alvo de apoio por um projeclo europ e u_ Nenhum motor com válvulas des te t ipo fci comercia li zado. Um outro ti po de válvu la de e.cape. in ventado há cerca de 3 décadas pela Yarnaha (YPVS - Yamaha Power V:ol ve Sysle m ). é ac tu al mente us ado pela ma io ria do' co n, trulores de motores de 2 tempos (após a patente ler presc rito). Trata-se de uma válvula ro tativa (Fig.5. 187) que cor11rola (abre ou fecha) o topo da janela de escape . Esta válv ula permanece na sua po,ição ao longo d o' vário' ciclo' do pistão. sendo a >ua inc linação a lterada wmen te com a alteração da velocidade do motor (ou com a s ua carga).

~

.:

fig .5 t87 - Vál•ula de ucape

172

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Motorts de Combus1io IAl1tna

Cap. 5. Oucriçio dos Motores

1ran,ferência e de admi,~ão. ou 't dc,te tipo de moior. A m;1io ri a do' construtores preferiu apo iar o d csenvol vi me nlo do> moiore> Orbital , um dc>c nho tradicional com compres,ão de cárter. admi.,ão de ar e injecçào direcla ª""t ida a ar com prunido (Fig.5. 18 -I J. Porém. alguns con> truiore• (como por exe mplo a Toyota e a Lotus) pre feriram u•ar moiore' com lubrificação con vencional e >em janel3', de modo a pcrmrtir o nível de ruído. de vibrações e de lo n gevidade dos motof e' a 4 tempo\. Na realidade os p rincipais problema' de lo ngev id ade do motor con ven cional a 2 tempos reside no; seu s rolamento' e principa lmente nos c ilind ros com jane las qu e gastam prematurame nte os segmentos e pistões.

º'

~ (_) Fig.5.184 - Motor orbital em corte, sendo passivei ver os in1ectores e o uso de rolamentos

m

Fig.5. t 85 - Lavegem em laço invertido

5.4.3.3. Vá lvu la de escape Ta l como a ad rn i"ão. também a janel a de e.cap e te m aberJura/fecho si mé tri ca rcla1i varncnte ao PMI . Mui ias foram:" lcnlativa' d e criar vá l vul as contro lando a jane la de escap e. de m odo a que fechasse m'"' cedo do que abri"c, e principalmente de modo a que varia'>e a 'ua abertu ra ao longo da> rotações.

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li~ ~,'3

No lns1i 1u t Frnnp is du Petrol (IFP ) e em parceria com a Loius C a rs. está-se a dese n volve r uma v:ílvtrla a lternati va q ue fecha p arcialme nte a ja nela do escape (Fig.5.186) em cada ro tação do motor. O co mando desta válvula variaria a sua fo ,e a di íerentc' velocidades do motor. o que rel>ul1aria na variação do â ng ul o de abcrlura e/o u fecho do escape. No m o mento da e se ri ta Fig.5.t86 - Motor Lotus com válvula oscilante no escape desta obra o m otor ainda se encon tra em fa se de desenvolvi mento, te ndo sido alvo de apoio por um projeclo europ e u_ Nenhum motor com válvulas des te t ipo fci comercia li zado. Um outro ti po de válvu la de e.cape. in ventado há cerca de 3 décadas pela Yarnaha (YPVS - Yamaha Power V:ol ve Sysle m ). é ac tu al mente us ado pela ma io ria do' co n, trulores de motores de 2 tempos (após a patente ler presc rito). Trata-se de uma válvula ro tativa (Fig.5. 187) que cor11rola (abre ou fecha) o topo da janela de escape . Esta válv ula permanece na sua po,ição ao longo d o' vário' ciclo' do pistão. sendo a >ua inc linação a lterada wmen te com a alteração da velocidade do motor (ou com a s ua carga).

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fig .5 t87 - Vál•ula de ucape

172

173

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Cap. 5: Ou:criçio dos: Motor1s

M o1oru ele Com ltu slio l11te1aa

rneno' cfc1to d e escape de modo a aumcnlar signific:11ivamenle as prestações do motor. principalmcnle quando li gado à válvula de escape (Cap.5.4.3.3) e aos restan te' dispositivo' de aclmbsão (válvu la rolat iva o u l:11ncla' na admissão - C aps.5.4.2. I e 5.4.2.2). Poré m, es te tipo d e esc ape somente funcion a cm motores com amplas abertu ra tlc c'cupc (duração de escape superior a 190" de cambola).

5.4.3.5. Carburadores Não h á mui1:1' r:11:õe' para queº' c arburadores do' 11101orc' u 2 tempos 'ejam difere111es do' a 4 lempos. ma' como e'le l ipo de mo1or se aplica geralmcnle a veículo' 'imples e baralo'. º' carburadorc' são lambém s imples.

fü1c escape (Fig.5. 188) a uxilia a extracção dos gase' queimados do c ilindro (AJ E indica a abe rtura da janela de esca pe) e com isso melhora a entrada de gases fre,cos (en1re a abertura da janela de lrnnsferência - AJT e o seu fecho - FJT). Sim ulla nea mcnle origina sobrepre"ões denlro do c ilindro an1cs do fecho da j anela de escape (FJ E). Seguindo o e;quema da Fig.5.188, o aume n10 da secção na zona divcrgenle origina uma d~pressão que ;.e lrans mile ao cilindro. facili1ando a re 1iragem dos gases des 1e. duran1e grande parle do lempo de e;.cape. A redução da ,ecção na zona convergen le produt onda' de sobreprcssão que viajam a1é ao cilindro, devendo chegar à janela de escape na a llura do seu fecho.

Nas Fig.5.189 e Fig.5. 190 são mo,1rados o e'quema e a fo1ografia de"c li po de carburador. Na Fig.5.189 o carburador lem o "venlu r i" variável pela acção de um pis1ão accionudo pe lo c abo dn acelerador. Uma agu lh a cón ica dose ia a mistura ar-combm1ível. O carburador da Fig.5.190 é mais sofi0' é muilo "ponlutlo"". Pº" lem pouco bintírio 'em o escape e'l~lr a :u.:llwr e quando ele aclua lem . ,c uma elcvadí,,ima potência. Aclualmentc. com sislema' tle atlmi":io ao cárter (vá lvula ro1a1iva ou lamela' ) e. principalmenle. com a vá lvula de e'capc. é po~!'.Íve l aumentar 'ignificativamentc o binário ~• baixo~ e médio' regime,. manlcndo elevadas po1ências.

5.4 . 3 . 4 . ~

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a um a turbina que re tira energia aos g"'e' de e;.capc. 'endo d enom inado' t urbu-co mpressores (i ). Existem a inda º" compre"ore' de o ndas. do' quais o Comprex é o mai s conhecido (Fig.5. 196).

5.4.3.7. Catalisador Um dos problema- que ditou o abandono dos projecto' do' vário> mo to rc' a 2 tempo' foi a dificuldade d e obedecer ªº' c ada vez maii. re,tritivos limite' paraª' emb,õe' de poluenles. O moto r a 4 tempo' u'a no e'cape o c atali'3do r d e triplo efeito (ve r Cap.9.5.3) q ue lhe permite e liminar mai' d" 9K % do' poluente' produzidos. 'endo para i"o imperati vo que u'e uma

Os compre" para aumentar a pres,ão d e alimentação : - comprei.sor (geralmente vo lumétrico) li gado à cambota do motor: - turbo-compressor. usando a energia d os gases de escape; - compre,sor de ondas. utilizando o mov imento ondula1ório do' ga'e' de e'cape:

Os motore' Die;cl ' ão º' que mai;. 'e proporcionam a me lhoria~ decorren1es de,la- téçnica,. pois m. motore:. de igniçfo comandada s ão lim itad o' pelo aparecimento d o .. knock .. (Cap.8.4.3). send o nece,,(irio baixar a s ua taxa de compressão e co m el a o rendimento do motor.

5.5.1. Tipo s de Compress ore s Fig.5.192 - lnjecçlo semi-directa com p1s1ão

Fig.5.193 - lnjecção semi·direcia com vélvula

Na Fi g.5. 194 pode mo' ver v~rio;. tipo>. de comprc"ores volumé t rico,, como 'cjam o d e pii.tfio (a). o c onhec ido por .. G"' (b). o de palhetas (c) . o Ccntrix (d). o Roots (e). o Eaton (f) e o de parafu,o (g) , també m conhec ido por L ysho l m. Exi,tcm també m º' co mprc"orc' centrífu go' (h). geralmente acoplado> a um a turbina que re tira energia aos g"'e' de e;.capc. 'endo d enom inado' t urbu-co mpressores (i ). Existem a inda º" compre"ore' de o ndas. do' quais o Comprex é o mai s conhecido (Fig.5. 196).

5.4.3.7. Catalisador Um dos problema- que ditou o abandono dos projecto' do' vário> mo to rc' a 2 tempo' foi a dificuldade d e obedecer ªº' c ada vez maii. re,tritivos limite' paraª' emb,õe' de poluenles. O moto r a 4 tempo' u'a no e'cape o c atali'3do r d e triplo efeito (ve r Cap.9.5.3) q ue lhe permite e liminar mai' d" 9K % do' poluente' produzidos. 'endo para i"o imperati vo que u'e uma

Os compre". Tal como no comprc"or ··G"" (Fig.5. 194-bJ. nc;.le t ipo de compre"or niio exi"e variaçiio de volume e a;.>i m e;.1e' compre"orc;. 'ão mai> adapiado' para pequeno' aumenlo' de pres;,ão. Dado o seu de;.enho. é um co mpressor que fornece o ar in1e rmi1e n1c , 1al como o ··G··. O compressor Ea1on (Fig.5. 194-f) é scme lhan1e ao Rools. mas o desenho do' lóbulo' é diferenle e e' tes são enviesados. reduz indo a pub:1ção normal do comprc"or Roo1,. Ac1ualmen1c é u'ado cm a lguns mo1ore' da Merccde,. Rela1i vamen1e àque le. o seu re nd imcnlo adiab:\1ico pa,sa lle cerc a d e 50% para mai' d e 60%. O compre,sor parafu,o (Fig.5. 194 -g) 1e m c ara c 1 erí~.iicas parec idas co m o Roo ls. embora a direcção d a passage m do ar seja para lela ao e ixo dos rolorcs ( no Rools e no Eaion a di recçào do ar é perpendic u lar aos e ixos dos ro1ores) . e apresen la m aiore s re ndimen1os. E' 1e li p o de compressor nece;,sila de e le vada precisão de maquinagem , pe lo q ue é c a ro. Neste com pressor os ei xos do' rolo re' podem ser co n verge n1cs . o r igina ndo uma d i minui ção de v o l ume e nl re a e n1rada t! a s:1ída. e mbo rn gcra lme n1e c,1es sej am paralelo;. ilam de elevada' ve loc idade' de fun ciona men 10 e não admi1em pressões d e lrabalho mui10 elevada,. Embora 1enha havillo no passado c ompressore' cen1rífu gos ligados às c ambola' do' mo1ore' (co m elevada mullipl icação de velocidade, com o no Cord 812) g eralmenle u sam->e ligados a uma 1urbina que re1ira a s ua po1ê ncia de funcionaonenlo à e n1alpia do' ga 'e' de e'cape. llc no minand o -'e o conjun10. 1urbo-compre"or (Fig.5. 194 -1). Asi m e;.1e' compre"orc;. 'ão mai> adapiado' para pequeno' aumenlo' de pres;,ão. Dado o seu de;.enho. é um co mpressor que fornece o ar in1e rmi1e n1c , 1al como o ··G··. O compressor Ea1on (Fig.5. 194-f) é scme lhan1e ao Rools. mas o desenho do' lóbulo' é diferenle e e' tes são enviesados. reduz indo a pub:1ção normal do comprc"or Roo1,. Ac1ualmen1c é u'ado cm a lguns mo1ore' da Merccde,. Rela1i vamen1e àque le. o seu re nd imcnlo adiab:\1ico pa,sa lle cerc a d e 50% para mai' d e 60%. O compre,sor parafu,o (Fig.5. 194 -g) 1e m c ara c 1 erí~.iicas parec idas co m o Roo ls. embora a direcção d a passage m do ar seja para lela ao e ixo dos rolorcs ( no Rools e no Eaion a di recçào do ar é perpendic u lar aos e ixos dos ro1ores) . e apresen la m aiore s re ndimen1os. E' 1e li p o de compressor nece;,sila de e le vada precisão de maquinagem , pe lo q ue é c a ro. Neste com pressor os ei xos do' rolo re' podem ser co n verge n1cs . o r igina ndo uma d i minui ção de v o l ume e nl re a e n1rada t! a s:1ída. e mbo rn gcra lme n1e c,1es sej am paralelo;. ilam de elevada' ve loc idade' de fun ciona men 10 e não admi1em pressões d e lrabalho mui10 elevada,. Embora 1enha havillo no passado c ompressore' cen1rífu gos ligados às c ambola' do' mo1ore' (co m elevada mullipl icação de velocidade, com o no Cord 812) g eralmenle u sam->e ligados a uma 1urbina que re1ira a s ua po1ê ncia de funcionaonenlo à e n1alpia do' ga 'e' de e'cape. llc no minand o -'e o conjun10. 1urbo-compre"or (Fig.5. 194 -1). As'àO elevada "empurram" º' de admi"iio. que 'ão comprimido' e 'aem por ( B) . Como o rotor 'e encontra em movimento. não há pa>>agcm de ga;e' de e'cape para a adm.,,\ào. poi' quando e>te' chegam perto de (8). o e'paço cm que e'tão contido' é fec hado (e ntre (B) e (0)). origin"ndo uma nova onda de pre"ào. o que obriga a >agcm de ga;e' de e'cape para a adm.,,\ào. poi' quando e>te' chegam perto de (8). o e'paço cm que e'tão contido' é fec hado (e ntre (B) e (0)). origin"ndo uma nova onda de pre"ào. o que obriga a S!k>

O 1rabalho de comprc"ão é rei irado à cambola. pel o 4ue a operação a c arga p:irci al é exlremarncntc ineficicn1e: u,a. ,e potê ncia do molor para comprimir o ar que anle' p;1" o u na vál vula do acelerador ( p arc ialme nl c fec h ada). fic;indo a uma prc"iio d e valor inferio r à pressão

MOTOR

a1mo!-ifc!rica. Por esta ra1ào muito' con~trutorc:::-i. u'am um "by-pa"·· ao compre"or. para condições de ca rga parcial ( Fig .5. 199).

Com~~sor

{cmbmii.du)

Fig.5. t 99 - Montagem do compressor Ne,1as condiçcie' o compre"or pode c'l ar a rod ar (ab,orvcndo ,omenle pu1anc ia rela1 iva h 'uª' perda, . poi' não co mprime) ou parado. paru o que nccc"i l:I de uma embraiagem 4uc o ligue il cambo1a logo que tal 'eja exigido ( ace lerador a fundo). E,1 a ,; lu ação não é a ideal. poi' quando ;e nccessi 1;1 do bin á r io proporcionado p e lo co mprc"or . o mo1or rcalrnen le perde "força ... poi' nece,s ila de ace lerar o co mpre,•or . vencendo a s ua inércia. Vu lgarme nlc o compressor é manlido a rodar em "3Zio ('e m comprimir) incorrendo-se perda< devida'

"ª'

ao~

atritos.

Fig.5.202 - Turbo-compressor e eixo 4ue roda a velocidades mui lo e levada' ( a1é 100 000 rpm. ou mter·cooler seja mai' de 1500 ro1ações num 'egundo). Pa ra permi1ir e< la velocid ade e agucn1ar os g;"e' 4uen1e' do e"ape (em mo1ores a gaso lina podem ir al é IOOO"CJ o veio é apo iado em c humacci ra' hid rod 1nfimicas (geralme nl c de bronlc com chumbo e c'lanho) que po"uem uma fo lga gc nero'a (0.05 mm) de m o do a h aver um elevado caudal de óleo 4uc produl a refrigeração do cunjun10. Esla grande folga pern111c lam bém o u'o de óleo do molor 'omenle fillrado pelo habi1ual íillrn de papel do mo1 or (20 µm ). Geralmcnle os ga'e' de c>cape e nlram radialmenle na 1urbina e saem axia lmen1e. acon1ecendo o inverso no compre"or ('endo ambo' radiai:10. é vul gar u'ar- 'e um permutador de ca lor ( .. in1er-cooler .. - Fig.5 .2 02) de modo a aumen1ar a densidade da carga a entrar no molor .

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Co mo já foi di10. a sobrcalimc n1ação 'crvc para aumeniar a ma,sa d e ar a c11 1ra r 110 volume fixo de um molor pela e levação da •ua ma''ª volúmica (ou de n , idadc) . A acção de compre"ão origi na um aumento da 1c mpera1ura do gá' que é inde,ejável (pri11cipalmen1e 110' mo lore; de ignição comandada porque promove o aparecimcn10 do "k nock"). A tempera1ura do ar comprimido pode se r reduzida num pennuiador de calor ar-ar ou ar-águ:t, que se de n omina " í nte r -coole r .. (Fi g.5.200). Esse processo pode ser vis10 na Fig.5 .201. co mparado com a compressão a 1empcra1ura co n:10. é vul gar u'ar- 'e um permutador de ca lor ( .. in1er-cooler .. - Fig.5 .2 02) de modo a aumen1ar a densidade da carga a entrar no molor .

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Co mo já foi di10. a sobrcalimc n1ação 'crvc para aumeniar a ma,sa d e ar a c11 1ra r 110 volume fixo de um molor pela e levação da •ua ma''ª volúmica (ou de n , idadc) . A acção de compre"ão origi na um aumento da 1c mpera1ura do gá' que é inde,ejável (pri11cipalmen1e 110' mo lore; de ignição comandada porque promove o aparecimcn10 do "k nock"). A tempera1ura do ar comprimido pode se r reduzida num pennuiador de calor ar-ar ou ar-águ:t, que se de n omina " í nte r -coole r .. (Fi g.5.200). Esse processo pode ser vis10 na Fig.5 .201. co mparado com a compressão a 1empcra1ura co nào para csla combuslào irregular é aumentada pelo aumcnlo de pre!\sào e temperatura do' ga'c~. é nece~~á rio diminuir a taxa de compn.~''ão du' motore~ ,obrealimentado' para e po1~ncia' de rno1orc' de baixa cilindrada (vull!armcnle denominado '"down s iz ingº"). A comprc"ào do ar de admi"ào eleva a 'ua tempcra1u 1·a pelo que é beneficial reduzi-la pela u1ilitação de pcrmuladorc' de c:olor ("'in1cr-cooler,") cnlrc o comprc,>or eª' válvula•. Molores sobrcal imcnl:.tdos ap re!'e111a111 melhore' carac1erís1 icas com 111is1ura> ricas. pois podem uliliznr o calor la1en1e do combustível para re frigera ção da mis1u ra. A ulilização de mcl anol como combuslível (co m o seu elevado calor lalcnlc de vaporização) di,pensa o uso de permu1ador de calor . Os moiores sobrealimc n1ado> ulilizados pelo> carro> de corrida consumimlo mernno l não lê on "in1er-cooler". e mesmo assim a mi,1ura a en1r:1r nos cil indros cslá gcralmcnlc a lcmpc ral ura inferior à :1mbien1e (-20ºC). Para q ue o turbo-compre,sor não ati njJ velocidades elevadas. produLindo prc"ões muito alias. º' motores são providos de uma válvula que diverge parte dos gases de escape de pa"arem pela turhin:1. Esta válvula (" wastegate") responde à pres,ão de admissão. abrindo um "by-pass·· (à turbina) aos ga>es de escape. A pressão da admissão é assim geralmen1e limitad a a 1.4 · l .l! bar (absoluta). Em motores de competição. para limitação de potência é usual utilizar-Sào e a atmo>fcra (" pop o rr valve") . Embora a maioria do' motores sobrealimentados u'e turbo compres,or. alguns const rutore' optaram por comprei.,.ores volumé tricos ligados à cambota. O grande inconvenienle destes compre"orcs é que retiram polência ao motor. mesmo quando não são requeridos (carga parcial ) . além de obrigarem ao uso de menore~ valores de taxa de compressão. Para minimizar a potência retirada ao mo1or para o .,eu accionamcn10 pode-,e: - desligar o compressor para velocidades muito baixas (tc modo. embora haja as perdas de a1ri10 e inércia. as pressões de en1rada e saída do compre,sor são as mesmas. pe lo q ue e le não absorve energia. O rendimento total dos motores sobreal imentados é, geralmente. s uperior a um equivalente (com o mesmo binário máximo) atmosférico. em vinu de do atmosférico ser de maior cili ndrada c consequentemente · ter maiores perdas mecânicas. Actua lm en1e e>tão-se a desenvolver motores de baixa cilindrada ( 1000 cm ' . ou menos) com e levadas pressões de sobrealim entação (a1é 3 bar) de modo a tirar todo o partido do "down>iting'º (baixas perdas mecânicas e baixo peso e volume). proporcionando binário e potência equivalente a um V6 de cerca de 3 litro5. O problema destes motores é o seu funcionamento tran•iente (ace le ração bru,ca). antes do compressor e>tar à pressão normal de funcionamento. Ne•te caso, parte do binário terá de \er fornecido externamen1e. para o que se usa um apoio e léctri co (Fig .5.204). E.te consi,te num motor de corrente contínua colocado na saída da cambota . ao lado do prato da embraiagem.

114

E'te mo1or c lé c trico 'erve também de motor de arranque. dá apoio :10 motor de combu,tão inlcrna (quando a pressão do compre"º' for ba ixa ) e funciona como gerador de energia eléctrica (sub>titui o alternador) . Este' veículo' ca1eon na denominação de " mild h y b r id", tendo também acumulação de energia cléctrica e regeneração de travagem. A acumulação pode-'e faze r por bateria\. ma' é preferível u':1r um \uper-condcn•ador que per mite elevada' corrente' de carregamento ( regeneração da lravagem) e de descarga.

fig .5.204 - Molar el6ctrico de apoio em vafculo hlbrido (montado na cambota)

O apoio e léctrico fo rnece um elevado bin á rio duranle o cu no tempo (2-3 >egundos) necessário para o t urbo-compre>.sor acelernr até à ""1 velocidade norma l. Com o advenw dos s istemas de 42 V e>. te tipo de ve ículo híb ri do scd uinda mais eficiente, pois a s correntes e léctric:1s serão minimizadas . baixando as perdas eléctrica> .

5.5.6 . Motores Ign içã o por Compressão (4 tempos ) A limitação da pre"ào de alimentação dos motores Die>el ª"'enta na rc,i• tência mecân ica e térmica do> matcri:1i' do' seus componentes. pois o aumento de pre,• ão da adm i,são faz elevar o nível lérmico e mecânico em proporção idêntica. Na prática, a taxa de c ompressão de mo1ores Diesel •obrealimentados é reduzida e o excesso de ar é aumentando ( rela1i vamen1e a mo1ores atmo•féricos) a fim de se manterem os níveis de pressão e temperaturas máximas. Des1a maneira é também possível limitar a emissão de NOx e de panículas. Uma análise realizada aos motores de automóvel comercializados em 1990 (altura em que ainda havia vár ios motores Diesel atmosféricos) mostrou que. em média. um motor sobrealimen1ado apresenta um binário de 45% e uma potência cerca de 35% superior a um motor equi valente a1mosférico. Desde es•a alt ura os binários e potência• dos motores Diesel sobrealimentados cresceu mu itbsimo. cifrando-se actualmente em mais do que 50% dos val o res apresentados há 15 anos atrás. No respeitante à me lhoria de rendimento com sobrealimentação, o motor Diese l apresenta valores ao do a gasoli na. pois neste a taxa de compressão é obrigatoriamen1e baixada. Motores Diesel le1iio, ;,ão os mais propensos para o uso de turbo-compressão. com ganhos significativos de rendimento. O caso limite é o turbo co mpound (em que uma turbina fornece energia mecânica ao veio motor) u>ando doi' andares de compressão e "inter-coolers" (permutadores de calor) entre os andare>. que pode chegar a consumo' específico> de 180 g/kW.h (rendimento de 0.53 ). Motore> sobrealimentados dotados de câmara de turbulência apresentam consumos e>pecíficos mínimos de 240g/kW.h (rendimento de 0.35). superi ore~

O uso de turbinas de geometria variável elimina a necessidade do uso da " wa•tega1e" ( normal nos motores a ga•olina). poi' a energia absorvida pela turbina é controlada pelo escoamento dos ga•es de escape nela incidente.

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C•I'· 5: D11crlçlo dos Moloru

Motores de Comb.slio Int e rna

5.5.5. Motores de Igni çã o Control ada (4 tempo s) A pre-são média indicada do' molore' a ga,olina a c arga lotai .! li111i1ada pelo º'knockºº (deionaçào). Como a propen>ào para csla combuslào irregular é aumentada pelo aumcnlo de pre!\sào e temperatura do' ga'c~. é nece~~á rio diminuir a taxa de compn.~''ão du' motore~ ,obrealimentado' para e po1~ncia' de rno1orc' de baixa cilindrada (vull!armcnle denominado '"down s iz ingº"). A comprc"ào do ar de admi"ào eleva a 'ua tempcra1u 1·a pelo que é beneficial reduzi-la pela u1ilitação de pcrmuladorc' de c:olor ("'in1cr-cooler,") cnlrc o comprc,>or eª' válvula•. Molores sobrcal imcnl:.tdos ap re!'e111a111 melhore' carac1erís1 icas com 111is1ura> ricas. pois podem uliliznr o calor la1en1e do combustível para re frigera ção da mis1u ra. A ulilização de mcl anol como combuslível (co m o seu elevado calor lalcnlc de vaporização) di,pensa o uso de permu1ador de calor . Os moiores sobrealimc n1ado> ulilizados pelo> carro> de corrida consumimlo mernno l não lê on "in1er-cooler". e mesmo assim a mi,1ura a en1r:1r nos cil indros cslá gcralmcnlc a lcmpc ral ura inferior à :1mbien1e (-20ºC). Para q ue o turbo-compre,sor não ati njJ velocidades elevadas. produLindo prc"ões muito alias. º' motores são providos de uma válvula que diverge parte dos gases de escape de pa"arem pela turhin:1. Esta válvula (" wastegate") responde à pres,ão de admissão. abrindo um "by-pass·· (à turbina) aos ga>es de escape. A pressão da admissão é assim geralmen1e limitad a a 1.4 · l .l! bar (absoluta). Em motores de competição. para limitação de potência é usual utilizar-Sào e a atmo>fcra (" pop o rr valve") . Embora a maioria do' motores sobrealimentados u'e turbo compres,or. alguns const rutore' optaram por comprei.,.ores volumé tricos ligados à cambota. O grande inconvenienle destes compre"orcs é que retiram polência ao motor. mesmo quando não são requeridos (carga parcial ) . além de obrigarem ao uso de menore~ valores de taxa de compressão. Para minimizar a potência retirada ao mo1or para o .,eu accionamcn10 pode-,e: - desligar o compressor para velocidades muito baixas (tc modo. embora haja as perdas de a1ri10 e inércia. as pressões de en1rada e saída do compre,sor são as mesmas. pe lo q ue e le não absorve energia. O rendimento total dos motores sobreal imentados é, geralmente. s uperior a um equivalente (com o mesmo binário máximo) atmosférico. em vinu de do atmosférico ser de maior cili ndrada c consequentemente · ter maiores perdas mecânicas. Actua lm en1e e>tão-se a desenvolver motores de baixa cilindrada ( 1000 cm ' . ou menos) com e levadas pressões de sobrealim entação (a1é 3 bar) de modo a tirar todo o partido do "down>iting'º (baixas perdas mecânicas e baixo peso e volume). proporcionando binário e potência equivalente a um V6 de cerca de 3 litro5. O problema destes motores é o seu funcionamento tran•iente (ace le ração bru,ca). antes do compressor e>tar à pressão normal de funcionamento. Ne•te caso, parte do binário terá de \er fornecido externamen1e. para o que se usa um apoio e léctri co (Fig .5.204). E.te consi,te num motor de corrente contínua colocado na saída da cambota . ao lado do prato da embraiagem.

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E'te mo1or c lé c trico 'erve também de motor de arranque. dá apoio :10 motor de combu,tão inlcrna (quando a pressão do compre"º' for ba ixa ) e funciona como gerador de energia eléctrica (sub>titui o alternador) . Este' veículo' ca1eon na denominação de " mild h y b r id", tendo também acumulação de energia cléctrica e regeneração de travagem. A acumulação pode-'e faze r por bateria\. ma' é preferível u':1r um \uper-condcn•ador que per mite elevada' corrente' de carregamento ( regeneração da lravagem) e de descarga.

fig .5.204 - Molar el6ctrico de apoio em vafculo hlbrido (montado na cambota)

O apoio e léctrico fo rnece um elevado bin á rio duranle o cu no tempo (2-3 >egundos) necessário para o t urbo-compre>.sor acelernr até à ""1 velocidade norma l. Com o advenw dos s istemas de 42 V e>. te tipo de ve ículo híb ri do scd uinda mais eficiente, pois a s correntes e léctric:1s serão minimizadas . baixando as perdas eléctrica> .

5.5.6 . Motores Ign içã o por Compressão (4 tempos ) A limitação da pre"ào de alimentação dos motores Die>el ª"'enta na rc,i• tência mecân ica e térmica do> matcri:1i' do' seus componentes. pois o aumento de pre,• ão da adm i,são faz elevar o nível lérmico e mecânico em proporção idêntica. Na prática, a taxa de c ompressão de mo1ores Diesel •obrealimentados é reduzida e o excesso de ar é aumentando ( rela1i vamen1e a mo1ores atmo•féricos) a fim de se manterem os níveis de pressão e temperaturas máximas. Des1a maneira é também possível limitar a emissão de NOx e de panículas. Uma análise realizada aos motores de automóvel comercializados em 1990 (altura em que ainda havia vár ios motores Diesel atmosféricos) mostrou que. em média. um motor sobrealimen1ado apresenta um binário de 45% e uma potência cerca de 35% superior a um motor equi valente a1mosférico. Desde es•a alt ura os binários e potência• dos motores Diesel sobrealimentados cresceu mu itbsimo. cifrando-se actualmente em mais do que 50% dos val o res apresentados há 15 anos atrás. No respeitante à me lhoria de rendimento com sobrealimentação, o motor Diese l apresenta valores ao do a gasoli na. pois neste a taxa de compressão é obrigatoriamen1e baixada. Motores Diesel le1iio, ;,ão os mais propensos para o uso de turbo-compressão. com ganhos significativos de rendimento. O caso limite é o turbo co mpound (em que uma turbina fornece energia mecânica ao veio motor) u>ando doi' andares de compressão e "inter-coolers" (permutadores de calor) entre os andare>. que pode chegar a consumo' específico> de 180 g/kW.h (rendimento de 0.53 ). Motore> sobrealimentados dotados de câmara de turbulência apresentam consumos e>pecíficos mínimos de 240g/kW.h (rendimento de 0.35). superi ore~

O uso de turbinas de geometria variável elimina a necessidade do uso da " wa•tega1e" ( normal nos motores a ga•olina). poi' a energia absorvida pela turbina é controlada pelo escoamento dos ga•es de escape nela incidente.

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C1p. 5: Oucuçlo dos Motores

Motores dt Combu11io IRtlfH

5.6. SENSORES USADOS NOS MOTORES

e lern c nl o' rc'i'1 i vo ' uu clc1tH!n to' pic.::1oc lt!c 1rk.o' qut:. geralment e. tê m uma ' :.lida c m tcn,ão u'am tecnologia micro-mccã nu.:a çom integra çào dc,te' 'e n"ores.

Um do' prob le ma s dos se nso r es e se possa medir a pressão médiu. Po ré m. c-ic orifício pode fica r ob,truído por , ujidade ou por uma gota de co mbu , tíve l ou ta po• ição comandava o caudal de injecção de combu , 1íve l. Um , ;, te rna pareci do foi u' ado no si ; te1i1a clcctrónico L -Jclroni c (f'ig .5.208-b). Estes siMe ma' fa ziam um:l medição do caudal vo h~uni c o de ar. pe lo que era necc,sário um sensor de prc;.sao ambie nte de modo a calc ul ;tr-se o caudal m áss ico. Os sensore;. de ca udal de a r actuais (baseado> nos LH -J e lronic da Bo;.c h - f'i g.5.208 c) usa m o princípio do ri o quente (ou film e quente ), e med e m directamen te o cauda l mássico de a r. Um fi no fio (ou pe líc ula . geralmente de platin a) é aquecido pel a passage m de c o rre nte e léct rica e arre fec ido pe la pa":1gcm do ar no co lecto r de adrnis,ào. Se o sensor for manti do a tempe ratura co ns tante. a t ransferê ncia de calor para o ar é proporcional ao 'cu caudal máss ico. Como a resi;.tê ncia c léctr ica do fi o (ou pelícu la) conduto r aume nta com a

117

C•p. 5: Descriçlo dos Molores

Mt lOfH dt CombMstlo lnttrn•

temperatura, ek é colocado num do' braço' de uma ponte de Wheats tone. de modo a que a corrente que por ele Pª"ª Pº"ª variar. mantendo a re, iMê nci a (temperatura). E'"' corrente representa a medição do caudal de ar.

:---

~ a) Bosch K-Jetronic

&= Q b) Bosch l-Jetronic

praticamente não há ox igénio preM: ntc no' gase' de escape. E"e' 'en,ores 'ão u>ado' no' novo' motorc., de injecção direc ta e de carga estratifi cada 4ue funcionam em reg ime de mis t ura pobre e também no' 'en,ore' de riquew da mi,tura . Dado funcionarem em misturas pobres e mu ito pobre" 'ão também "'ªcios no' moderno' motore' Die,cl.

5.6.6. Temperatura

~

ia !

íig.5.210 - Sensor da sonda À

nos ga'e' de e'capc e limi na e'ta difercnçll de potenc ial. pe lo que a tcn,ão cléctrica clli p:1ra perto de 1.cro (Fig.5.2 11 ).

mistura. Mc,mo C.\te:-. ~en.\OfC.\ não dão bon.\ rc:-.uhado!\ para miMura' rica, , poi:-. nc'".: ca'o

09

Fig.5.209 - Sonda lambda

entre o~ cl t':c trodo,. Quando a mi:\tura pa!-.\a 300ºC) o e lect ró lito ce râmi co torna -se condutor e gera uma carga galvânica q ue caracte ri z a o teo r de oxigé ni o d os ga s es de escape . Exi s te a i nda uma f ina camada ce râ mi ca poros a a revesti r o eléctrodo externo da so nda, de modo a protegê- la ex tername nte da agre"ão dos gases de escape. Como a temperatura mínima de fun c ionamento é cerca de 300ºC . alguns destes sen>ores são aquecidos (e lectricamente), de modo a c hegare m à sua temperatu ra normal de func ionamento rapidamente, num motor frio . Estes sensores ide nti fica m-se por te rem mais de um fio (geralmente 3 o u 4). Quando a miMura é rica, há muito po uco oxigénio no~ ga~es de escape, pe lo que ha ver:! uma

É nece":írio medir a temperatura em vário' locai' do motur. tai> como a do líquido de arrefecimento e a do a r de admi s,ào, para que gcr:ll m cnte 'e usam t c rm ís to r es (termómetro' de re'i'tc nciaJ. A tc mperutura do mo tor (líquido de arrefec imento) serve para identificar o aquec imen to do mot o r (período de enri queciment o) e os sobreaqueci mentos . A tempe raturtt da adm issão é 1111w das variáve is usadas no cálculo do avanço da ignição e da injecção. Alguns deste' sensores ( t er móstatos - Fig.5.212 ) somente actuam acima de uma determinada temperatura, ligando (ou des ligando) algum s is tema.

........-.--

...- . :·...

' .~.:e'"

Fig.5.212 - Termóstato

5.6.7. "Knock" (sensor de detonação ) A princ ipa l limita ção dos m ot ores de ign ição coma ndada é o aparecime n to do "knock". Os mo to res modernos possuem se nsores que permitem avaliar a ex i s tência des te tipo de combu\tào dest rutiva , gera lment e medindo o n ível de vibração . Com o aparecimen to do " l nock" o con trolador redu1 o avanço à ignição em todo' ci li ndro' ou ci lind ro a c il indro . c a'o haja se nsores de " ln ock" cm cada câma ra de co mb ustão . Trata-se de se nsores piezoeléctricos es peciai s q ue medem a s vibrações (5-20 kHz) indu z idas por este tipo de co m bustão.

º'

~

3K

fi g.5.213 - Sensor de detonação ("knock")

119 111

C•p. 5: Descriçlo dos Molores

Mt lOfH dt CombMstlo lnttrn•

temperatura, ek é colocado num do' braço' de uma ponte de Wheats tone. de modo a que a corrente que por ele Pª"ª Pº"ª variar. mantendo a re, iMê nci a (temperatura). E'"' corrente representa a medição do caudal de ar.

:---

~ a) Bosch K-Jetronic

&= Q b) Bosch l-Jetronic

praticamente não há ox igénio preM: ntc no' gase' de escape. E"e' 'en,ores 'ão u>ado' no' novo' motorc., de injecção direc ta e de carga estratifi cada 4ue funcionam em reg ime de mis t ura pobre e também no' 'en,ore' de riquew da mi,tura . Dado funcionarem em misturas pobres e mu ito pobre" 'ão também "'ªcios no' moderno' motore' Die,cl.

5.6.6. Temperatura

~

ia !

íig.5.210 - Sensor da sonda À

nos ga'e' de e'capc e limi na e'ta difercnçll de potenc ial. pe lo que a tcn,ão cléctrica clli p:1ra perto de 1.cro (Fig.5.2 11 ).

mistura. Mc,mo C.\te:-. ~en.\OfC.\ não dão bon.\ rc:-.uhado!\ para miMura' rica, , poi:-. nc'".: ca'o

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Fig.5.209 - Sonda lambda

entre o~ cl t':c trodo,. Quando a mi:\tura pa!-.\a 300ºC) o e lect ró lito ce râmi co torna -se condutor e gera uma carga galvânica q ue caracte ri z a o teo r de oxigé ni o d os ga s es de escape . Exi s te a i nda uma f ina camada ce râ mi ca poros a a revesti r o eléctrodo externo da so nda, de modo a protegê- la ex tername nte da agre"ão dos gases de escape. Como a temperatura mínima de fun c ionamento é cerca de 300ºC . alguns destes sen>ores são aquecidos (e lectricamente), de modo a c hegare m à sua temperatu ra normal de func ionamento rapidamente, num motor frio . Estes sensores ide nti fica m-se por te rem mais de um fio (geralmente 3 o u 4). Quando a miMura é rica, há muito po uco oxigénio no~ ga~es de escape, pe lo que ha ver:! uma

É nece":írio medir a temperatura em vário' locai' do motur. tai> como a do líquido de arrefecimento e a do a r de admi s,ào, para que gcr:ll m cnte 'e usam t c rm ís to r es (termómetro' de re'i'tc nciaJ. A tc mperutura do mo tor (líquido de arrefec imento) serve para identificar o aquec imen to do mot o r (período de enri queciment o) e os sobreaqueci mentos . A tempe raturtt da adm issão é 1111w das variáve is usadas no cálculo do avanço da ignição e da injecção. Alguns deste' sensores ( t er móstatos - Fig.5.212 ) somente actuam acima de uma determinada temperatura, ligando (ou des ligando) algum s is tema.

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Fig.5.212 - Termóstato

5.6.7. "Knock" (sensor de detonação ) A princ ipa l limita ção dos m ot ores de ign ição coma ndada é o aparecime n to do "knock". Os mo to res modernos possuem se nsores que permitem avaliar a ex i s tência des te tipo de combu\tào dest rutiva , gera lment e medindo o n ível de vibração . Com o aparecimen to do " l nock" o con trolador redu1 o avanço à ignição em todo' ci li ndro' ou ci lind ro a c il indro . c a'o haja se nsores de " ln ock" cm cada câma ra de co mb ustão . Trata-se de se nsores piezoeléctricos es peciai s q ue medem a s vibrações (5-20 kHz) indu z idas por este tipo de co m bustão.

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3K

fi g.5.213 - Sensor de detonação ("knock")

119 111

Ca p. 6: Ttrmodin l miu d1 Combustio

Mo1or11 de Combustio Intima

5.6.8. Outro s o~ motorc\ e º' veículo' Pº'~ut!m muito!-.

0Ulí0' 'Cn'\Oíe.!' e! actuadore' que pe!rmitcm melhorar e co ntrolar o 'eu funcionamen to. Com o ac.lv.:nto do' ,i,1.:ma' 0110 ("on-board diag n de comb u>lào é norma co ns iderar-se a coluna da dire ita, ou >eja. que o ar é constituído por 2 1% de ox igénio e por 7 9 % de azoto (gera lmente den o minado a.loto atmosférico ou aparente). Assim. por cada mo le de oxigénio haverá l -0.2 095 = 3.773 0.2095

~

moles de azoto aparente.

rn

Ca p. 6: Ttrmodin l miu d1 Combustio

Mo1or11 de Combustio Intima

5.6.8. Outro s o~ motorc\ e º' veículo' Pº'~ut!m muito!-.

0Ulí0' 'Cn'\Oíe.!' e! actuadore' que pe!rmitcm melhorar e co ntrolar o 'eu funcionamen to. Com o ac.lv.:nto do' ,i,1.:ma' 0110 ("on-board diag n de comb u>lào é norma co ns iderar-se a coluna da dire ita, ou >eja. que o ar é constituído por 2 1% de ox igénio e por 7 9 % de azoto (gera lmente den o minado a.loto atmosférico ou aparente). Assim. por cada mo le de oxigénio haverá l -0.2 095 = 3.773 0.2095

~

moles de azoto aparente.

rn

Cap. 6: TerM od inlntic• da Combusth

Motores d• Combuslio lnleru

Co n, idc rando que o a lolo a pare nt e tem urna ma"a mo lar de 28. 16 kg/km o i ( mé di:t do' v.ír ios co mpo ne nie' à exce pção d o ox igé n io). a ma" ª mo la r d o a r será 28 .962 kg/kmo l. E't a 'erá a co mpo,ição d o a r 'eco. '"ª' ele co nté m vapor d e ág ua (ge ralme nt e 0.S'K). pe lo que ª' vá ri a> propr iedades 'er~o allcrn das co m a va riação da h umidade do ar ( Fi g.6. 1 ).

º'

P:.rn mi \lur::i' c'tcq uio mé1ric:.1' amho~ c.:oc fic.:i ct1t t:' apre,c nta m o va ln r u nitá ri o. m a' ~ aument a para mi stura .... rica,, e nqu anto q ue À. au me nta para mi, turu!'- pob re,,

R

I. !

~

i

~

o

6.2.2. Poder Calorífico do Combustível

#o -2 4

'--~~~~~~~~~~~~~~~

2

g .. /

..

O d le u lo d o poder ca lo rí fico d o com b u, 1ívc l (Q. o u PC) Pª"ª pe la d c terrn inaçào lão ( P) e reagente' ( R) e t!.1-1 a d iferenç a d e c nt alpia.

6.2. REACÇÃO ENTRE O COMBUSTÍVEL E O AR Co r1' idc ra ndo um co mbus tíve l d o ti po CMl-l.O, que re aja co m o oxigé n io !O, J do a r. o azoto do a r te r á d e 'er ta m bé m cons ide rado . E m vo lume. o a r con té m 7 9.05 % d e aLoto ( N ,) e 20.95 % d e O,. A•>i m, a pe rce ntage m ( mássica) de O, no a r 'e rá:

mo, m#

= M u, M~

3 998 x 0.2095 = 1. x 0.2095 =0.232 28.962

Co m o

t!.H = t!. U + pt!. V

1e mo> que

Q, = Q, + pt!. V

Nos combu, líveis 'ólido,, tJ. V = O. pelo que Q, = Q•. Nos co mb ust ívei' líqu idos e g a'º'º' tJ. V>O. implic and o que Q,>Q. (0 .3-0 .4%). Como d ife re nças são peque nas. po r vezes con s ide ra-se para pode r c alor ífi co o va lo r a pressão co n, t anle . Q, e o utras vcze > a vo lume con stant e, Q. ( e m MJ / kg).

ª'

o u seja. 1 k g de ar co nté m 0.232 kg de O,.

0 > co mbu , 1íve is que contê m hid rogé n io pro duzem ág ua. e esta pode a parecer no e stado líq uid o o u e m vapo r. A di fe re n ça e ntre ª ' e nta lpia> d o vapo r e do líqu id o é s ig nifi c ativa . pe lo que se te m d e cons iderar n o cálc u lo d o po d e r calo rífico.

6.2.1 . Coeficiente de Excesso de Ar

Deste mo do . cons ide ra -se o pod e r c alorírico s uperior (Q,. o u PCS) quando a água é cond e nsada . a prove itando-se o c alor la te nt e de vaporização (1-1,,, 0 ) . No c a so cont rári o ( vapor de água) o pod e r calorífico d e no mina -se inferior (Q,, ou P C/).

Qu a ndo q uei mamo> u m co mbus tíve l necci.> itamos de um a dada qua nt idade d e ar para a comb us tão se dar, d e mod o a que iodo o co mbus tíve l >ej a que imad o u•and o to d o o a r dispo n ível. Neste ca'o ( todo o ar usado para que imar tod o o combus tível ) di zemos q ue a mi s tura é estenujométrjca. Nem sempre a s m istu ras s ão e s tequiomé tr ic as, ou seja , pod e remos te r exc e,so de ar (mistura pob re) o u d e fi c iê nc ia d e ar ( mi s tura ric a) . E x is te m dois coe ficie ntes para se es peci fic ar a mi \ lura ar -combu , 1ível : cocíici e nte d e excesso d e ar:

(m inJ_ (~L (m /nJ.... (%L.. ('"inJ... 8C (m ,iJ-J t%L =

À=

riqu eza da mis tu ro:

~_()~J_ (~l_ _(m /n..

-(m in) m

1

t9l

rtJilJ

L (%L

~-(m~) ._.. m rr

u""'

"(%r "'~

16. t )

16.2)

A relação e ntre Q,. e no qual

1-1.,,,, H .,, 0

Q,, é:

Q,. = Q,.. - ( m 112 cfm1) x H,,, 0

= 2500 kJ / kg ( a OºC) = 24 42 kJ / kg (a 25ºC)

O poder c al o rífico d os combus tí veis ' ólid o• e líquidos é d eterminado num c a lorímetro. que é um reci pie nte o nde a mi s tura ar-combu s tíve l é que imada a volume cop, la nlc. O ca loríme t ro é ime rso c m :!g ua à te mpe ra tura d e re fe rê n cia, e o a ume nto d e tempe r atura d a :!gua (e d o cal o ríme tro) é me dido de mo d o a d e te rm inar-'e o c alo r e m jogo. Com o to d o o vapo r d e ág ua produz ido é conde.n•ado, d ei. ta man e ira c alc ula->e o Q., do comb us t í vel. Para a de te r m inaçã o do po d e r c alorífic o de co mbustívei s gasosos usa- se u m outro mé todo: um cauda l constante d e co mb us tível e a r é que imado e os g a ses são arre fecidos po r um c audal d e ág ua até perto d a te mpe rat u ra in ic ia l. inc luindo a lo tai conde n, ação d a água presente n os g ases q ueim ados. A po tê ncia té rm ica é c al c ulada a través d a d ife re nç a de te mperatura d a ág ua e do s eu caud a l. As,i m. com este m étod o d ete rmina-se o Q, .. o u seja , e m combu s t íve i;, sólido' e líq uido• d e te rmina -se o pod e r calorífi co (s upe rio r) a vol ume constante c nqu unto que e m

193

Cap. 6: TerM od inlntic• da Combusth

Motores d• Combuslio lnleru

Co n, idc rando que o a lolo a pare nt e tem urna ma"a mo lar de 28. 16 kg/km o i ( mé di:t do' v.ír ios co mpo ne nie' à exce pção d o ox igé n io). a ma" ª mo la r d o a r será 28 .962 kg/kmo l. E't a 'erá a co mpo,ição d o a r 'eco. '"ª' ele co nté m vapor d e ág ua (ge ralme nt e 0.S'K). pe lo que ª' vá ri a> propr iedades 'er~o allcrn das co m a va riação da h umidade do ar ( Fi g.6. 1 ).

º'

P:.rn mi \lur::i' c'tcq uio mé1ric:.1' amho~ c.:oc fic.:i ct1t t:' apre,c nta m o va ln r u nitá ri o. m a' ~ aument a para mi stura .... rica,, e nqu anto q ue À. au me nta para mi, turu!'- pob re,,

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I. !

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o

6.2.2. Poder Calorífico do Combustível

#o -2 4

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2

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O d le u lo d o poder ca lo rí fico d o com b u, 1ívc l (Q. o u PC) Pª"ª pe la d c terrn inaçào lão ( P) e reagente' ( R) e t!.1-1 a d iferenç a d e c nt alpia.

6.2. REACÇÃO ENTRE O COMBUSTÍVEL E O AR Co r1' idc ra ndo um co mbus tíve l d o ti po CMl-l.O, que re aja co m o oxigé n io !O, J do a r. o azoto do a r te r á d e 'er ta m bé m cons ide rado . E m vo lume. o a r con té m 7 9.05 % d e aLoto ( N ,) e 20.95 % d e O,. A•>i m, a pe rce ntage m ( mássica) de O, no a r 'e rá:

mo, m#

= M u, M~

3 998 x 0.2095 = 1. x 0.2095 =0.232 28.962

Co m o

t!.H = t!. U + pt!. V

1e mo> que

Q, = Q, + pt!. V

Nos combu, líveis 'ólido,, tJ. V = O. pelo que Q, = Q•. Nos co mb ust ívei' líqu idos e g a'º'º' tJ. V>O. implic and o que Q,>Q. (0 .3-0 .4%). Como d ife re nças são peque nas. po r vezes con s ide ra-se para pode r c alor ífi co o va lo r a pressão co n, t anle . Q, e o utras vcze > a vo lume con stant e, Q. ( e m MJ / kg).

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o u seja. 1 k g de ar co nté m 0.232 kg de O,.

0 > co mbu , 1íve is que contê m hid rogé n io pro duzem ág ua. e esta pode a parecer no e stado líq uid o o u e m vapo r. A di fe re n ça e ntre ª ' e nta lpia> d o vapo r e do líqu id o é s ig nifi c ativa . pe lo que se te m d e cons iderar n o cálc u lo d o po d e r calo rífico.

6.2.1 . Coeficiente de Excesso de Ar

Deste mo do . cons ide ra -se o pod e r c alorírico s uperior (Q,. o u PCS) quando a água é cond e nsada . a prove itando-se o c alor la te nt e de vaporização (1-1,,, 0 ) . No c a so cont rári o ( vapor de água) o pod e r calorífico d e no mina -se inferior (Q,, ou P C/).

Qu a ndo q uei mamo> u m co mbus tíve l necci.> itamos de um a dada qua nt idade d e ar para a comb us tão se dar, d e mod o a que iodo o co mbus tíve l >ej a que imad o u•and o to d o o a r dispo n ível. Neste ca'o ( todo o ar usado para que imar tod o o combus tível ) di zemos q ue a mi s tura é estenujométrjca. Nem sempre a s m istu ras s ão e s tequiomé tr ic as, ou seja , pod e remos te r exc e,so de ar (mistura pob re) o u d e fi c iê nc ia d e ar ( mi s tura ric a) . E x is te m dois coe ficie ntes para se es peci fic ar a mi \ lura ar -combu , 1ível : cocíici e nte d e excesso d e ar:

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16.2)

A relação e ntre Q,. e no qual

1-1.,,,, H .,, 0

Q,, é:

Q,. = Q,.. - ( m 112 cfm1) x H,,, 0

= 2500 kJ / kg ( a OºC) = 24 42 kJ / kg (a 25ºC)

O poder c al o rífico d os combus tí veis ' ólid o• e líquidos é d eterminado num c a lorímetro. que é um reci pie nte o nde a mi s tura ar-combu s tíve l é que imada a volume cop, la nlc. O ca loríme t ro é ime rso c m :!g ua à te mpe ra tura d e re fe rê n cia, e o a ume nto d e tempe r atura d a :!gua (e d o cal o ríme tro) é me dido de mo d o a d e te rm inar-'e o c alo r e m jogo. Com o to d o o vapo r d e ág ua produz ido é conde.n•ado, d ei. ta man e ira c alc ula->e o Q., do comb us t í vel. Para a de te r m inaçã o do po d e r c alorífic o de co mbustívei s gasosos usa- se u m outro mé todo: um cauda l constante d e co mb us tível e a r é que imado e os g a ses são arre fecidos po r um c audal d e ág ua até perto d a te mpe rat u ra in ic ia l. inc luindo a lo tai conde n, ação d a água presente n os g ases q ueim ados. A po tê ncia té rm ica é c al c ulada a través d a d ife re nç a de te mperatura d a ág ua e do s eu caud a l. As,i m. com este m étod o d ete rmina-se o Q, .. o u seja , e m combu s t íve i;, sólido' e líq uido• d e te rmina -se o pod e r calorífi co (s upe rio r) a vol ume constante c nqu unto que e m

193

C1 p. &: Termodini m1C1 d1 Co mbu11i o Motor11 de Combustio Inte rn e

cumhu,tívci '

l;ª'º'º' 'C!

111 ,,..,,

o que implica que

dc1crmina o pullcr Ç:alorífico (1oiupcri ur) a prc,,ão '-=º º ' ' ~uHc.

Alguma' da' propricdad.:' do' principai' combu,tív.:i, 'ão apr.:scntada' na Tab.6.'.? (n u ver o Cap.7.'.?. e'pcdfico d:" propriedade' do' co mbu\lívei,).

m,

= "'1 +m,., = 1+ (Y,:l., = 1+ A(f,:.l,,,., m,

o u seja . para uma ma,,;1 de ..::ombu, l ível m,. a mas'ª de

mi~tura

16 31

é:

"'-· =m,[1+A(1FJ...J Tab.6 2 - Propriedades de alguns combustlvois

e a>Sim (u,ando Eq .6.3) podc-'c c hegarªº' va lore' do' podcre' ca lorífi co' da rni>lur:i cm : ~alorl0Hc111c 1

vapon1.1i,·:iu

comb u,t ívd tü rmulJ

1

j

_J

c alor c'pccíficu

_lí4u1llo

g para a maioria do\ combu \IÍvci>. podc-'e c alcular o poder calo rífico inferior. co m um erro geralmcnlc inferior a 5%. u 'ando a fórmula de Dulong e Pe1 i 1:

PC/ = 32. 790 I Ci + 1 19.970

Q,.,

Num motor de injecção dirccla ou em rnolorcs e m que eslado líquido : __,,,;_., v 800

de carbono h1Jn.lt;C OIO

term os c.Jc ma''ª : _J

F.....,

~

E •

"I

100

!. o

o

~

80

~

60

~o

u

40

u

a.o

20

....

.. ~ o

• .• 1

1

Q.

o 14.5 AJF 1U 1JOIÓ100

gMolna

34-3

-og6n"'

'-41

14.5 AJF 14 .•

1JO•ólto

gMolinl

_..., 34-3

Fig 6 2 - Poder calorlhco do combus11vel e da mistura estequ1omé1r1ca com ar

195

194

C1 p. &: Termodini m1C1 d1 Co mbu11i o Motor11 de Combustio Inte rn e

cumhu,tívci '

l;ª'º'º' 'C!

111 ,,..,,

o que implica que

dc1crmina o pullcr Ç:alorífico (1oiupcri ur) a prc,,ão '-=º º ' ' ~uHc.

Alguma' da' propricdad.:' do' principai' combu,tív.:i, 'ão apr.:scntada' na Tab.6.'.? (n u ver o Cap.7.'.?. e'pcdfico d:" propriedade' do' co mbu\lívei,).

m,

= "'1 +m,., = 1+ (Y,:l., = 1+ A(f,:.l,,,., m,

o u seja . para uma ma,,;1 de ..::ombu, l ível m,. a mas'ª de

mi~tura

16 31

é:

"'-· =m,[1+A(1FJ...J Tab.6 2 - Propriedades de alguns combustlvois

e a>Sim (u,ando Eq .6.3) podc-'c c hegarªº' va lore' do' podcre' ca lorífi co' da rni>lur:i cm : ~alorl0Hc111c 1

vapon1.1i,·:iu

comb u,t ívd tü rmulJ

1

j

_J

c alor c'pccíficu

_lí4u1llo

g para a maioria do\ combu \IÍvci>. podc-'e c alcular o poder calo rífico inferior. co m um erro geralmcnlc inferior a 5%. u 'ando a fórmula de Dulong e Pe1 i 1:

PC/ = 32. 790 I Ci + 1 19.970

Q,.,

Num motor de injecção dirccla ou em rnolorcs e m que eslado líquido : __,,,;_., v 800

de carbono h1Jn.lt;C OIO

term os c.Jc ma''ª : _J

F.....,

~

E •

"I

100

!. o

o

~

80

~

60

~o

u

40

u

a.o

20

....

.. ~ o

• .• 1

1

Q.

o 14.5 AJF 1U 1JOIÓ100

gMolna

34-3

-og6n"'

'-41

14.5 AJF 14 .•

1JO•ólto

gMolinl

_..., 34-3

Fig 6 2 - Poder calorlhco do combus11vel e da mistura estequ1omé1r1ca com ar

195

194

r

Motores dt Con1bu11lo lnl t rn1

Cap. 6. Ttuuodid111ic1 da Combusllo

1 6.3.1. Cálculo da Quantidade de Ar

6.3. CÁLCULOS EM COMBUSTÃO

Con,idt!rando a 4ucima de um co mbu ~tívd gene;!rico con~tit u ído por cJrbono. h1drogcn 10. oxigénio e la~tro. n;.1' 'cguin t c~ pro po rçõe' má ~'ica':

No ca'o mai!rr. ge ral con:-iidera-M: 4uc um comb u ~t í vt:: I lt:m:

- carbono - hidrogénio - enxofre - oxigénio - hl\tro tk modo :1 q ue uma ma"a uni tária de combu\t ívcl IJ..g,

kg,.

~e---+

h kg,,_

kg1

enxofr~.

«~+lr~+s~-o

~

1

U) tenh:i :

kg ,

kg,,,

kg/

kg/

kg,

Como

a tr ~h

verificdmo\. a relação ox igénio/.;o rnhu,t ível

(Fº)ª"" =(e12 s

I kg,.,..,

--·-+s--·--o---+ - - kg/

+ 32 +

kg/

'-,,--'

tendo e m consideração os peso' mo lecul ares destes e le me ntos. a co mbust ão co m oxigén io dará: e

~xc 12 s

-xS 32

~xCO 12 l

12 xo, s

+

~

32xo,

!!..xH. 2 -

!!.xfio. 2 2 oxigc!nio m:ce'~~no

produto' de

para quci mar

combu ... 1ão

~cr~í:

h o) 32 432 X

~

~

kg,~

kmol0 ,

kg,~

kg,

kg,

kmnlo.

Dado que o ar con té m 0.232 de

s xso, 32

!!.xli,0 2 -

kg,,, +/..l!.!J.J._ kg, kg,

kg ,

kg,

(1)

o,. podemo' c'crevcr: = 11.5c + 4.3 Is + 34.511 - 4.3 lo

16 7)

"""

6.3.2. Cálculo dos Produtos de Combustão

1kg de com b.

O número de mole' de produtos de combus t ão numa reacção compl eta. e't.:quiométri ca e se m dis;,ociação. 'erá :

Relati va mente ao oxigéni o. o seu pe~o molecular é de 32. pelo que o ox igén io necc,sário à queima estequiométrica de 1 kg de combu st ível é:

(pO)""' = (e12 + 32s + 4- 32o) 32

N,

h

1

X

o u sej a

Co mo

(Q)

F ,,..,.

=(~+_!._+!!_ 'f kg,.,.,,., ] +(1-0.2095) (fF-L.• [kmol.,] Mw 12 32 4,t kg kg ....__,._____..1

combustão

L~] kg

(Alf).,,rq-( Olf)...,,•

=(2.664c+0.988s+7.937h - J

1

Considerando que a água foi retirada dos prod utos (a nulando-se o ter mo h/4). fi care mos so mente com CO, e SO, no' produ tos da co mbus tão (que se cons ide r;1m equivalente' so me nte a CO,). Ass im. a ~o n ccnt ração de CO, nos produtos de co mbus t ão será :

~

111

1 = Mw = -- = 4.31 mo, Mo, 0.232

e

A' neces,idadc' e m a r 'e rão:

( ~) F

0 ,..

l

c= 0.522

Exemplo :

et anol

k,.., =N=

L kf,gt ]

=4.3 1 x(2.664c+0.988s+7.937h-o{

c,11,01-1

h=0.130

o=0.348

~

"'

s

12 +TI

Nco,

(A )

~+_!._+ 0.7905 ~ ...... 12

32

M.,

No qual. N,,· é o núme ro de mole ' nos produto' de combu-ião 'eco' ().

N

N,.+(À- 1)\/pl.,.,., M_

donde 'e tira :

k +na\ - 1)

À= ( - k

N,.

(~L.

+1

(6.81

M, . a concentração de

o, >er:í: 0.2095(,l _ 1) Nu, o= N',.

e ( 12

s b) (~ ) (A! ) .. - 12+ 32 + 28 +(1-0.2095) ~.,... +(À-1) I F..,...

N" -( e

(1FM_L.

.,

+~)+o. 7905 (1FJ...., +(À-1) (1FL!!'!.

k-

zo=!'!.!!,_ou >eja

N' ,.

o-

0.2095(..t - l)(Y,,.l,....,

-

+f2)+(..t-o.209s·;l~M.~L M

( 1c2

M.,

As concentrações do' diversos gases no;. produtos de combu>tào (secos)

M~

M .,

32

Alendendo a que CO + V, o , ~ CO,. considerando b a fracção uc CO nos ga,es queimad os. e considerando que se ret irou a água dos gases de escape (n:lo se entra com o h). pode-'e calcular o número de mole' prese nte' nos produtos de combu,tào:

co, (+5 0 ,) co o,

e s - + l.L32

e + s Assim.

k+z=J.1.......R N" ,..

~ão:

e

k

~

k

+z

N' ,._ = __ N" ,._ =__

e + -s

!.L.11 N"

N' ,.

,..

q uando À~~ os gases de e'cape 'ão const itu ídos 'omc ntc por a r. ou seja: o,..,.=0.2 1 Pelo que se pode escrever

1!19 191

r

C1 p. i : Tetmod iRimica 41 Combustio

Motor11 de Co"'bu 1tio In terna

.

N'

'"

(A )

=(~+~)+(1-0.2095) . 12 32 .___,.__..,

combustão

(A )

º-

F .... +(À-1) . F "'" M, M_

~= o

a~sim

e

s

12

32

N',.

"'

M ,w

N,

M,

(6

91

M.

o

+(À- l)~FL.

N

M~

À=l+--x-r;,;r º-" -1 ; F c.NI-"

- +-

N k=~

(A ) +I (,i-I) I F ,,..,

F """

1

o que rc,ulta cm

A concentração de CO, ficará :

N,.

M

(1 ) ~ (À-1)

excesso de ar

(AIF),.,,...,-(0/F).,,,..,

N,..+(Â- l) (AF)'?!!.

k_, = - -- k 1- -º-

das Eq.6.8 e 6.9 podc·'e tirar:

º·-

O c ocl'i cic ntc d e exces s o d e a r (À) pode '"r ca lcu lado d~t 'cguintc m aneira

N

k;

~ N,,.

=

.!!..!:!>:

r;ur-

-- l +(À-l)x (A!F )"'"' x M.,

1

6.3.3. Combustão Incompleta

,.

A combu,t ão incompleta pode ser rc,ultantc da falta de a r (mi>tura rica), da dissoc iação ou somente porque parte da mi,tura não ardeu. A"im podem -no' aparecer CO. H ,. NO e HC (hidrocarbonetos nào queimado>).

N

N,.+(À- 1)\/pl.,.,., M_

donde 'e tira :

k +na\ - 1)

À= ( - k

N,.

(~L.

+1

(6.81

M, . a concentração de

o, >er:í: 0.2095(,l _ 1) Nu, o= N',.

e ( 12

s b) (~ ) (A! ) .. - 12+ 32 + 28 +(1-0.2095) ~.,... +(À-1) I F..,...

N" -( e

(1FM_L.

.,

+~)+o. 7905 (1FJ...., +(À-1) (1FL!!'!.

k-

zo=!'!.!!,_ou >eja

N' ,.

o-

0.2095(..t - l)(Y,,.l,....,

-

+f2)+(..t-o.209s·;l~M.~L M

( 1c2

M.,

As concentrações do' diversos gases no;. produtos de combu>tào (secos)

M~

M .,

32

Alendendo a que CO + V, o , ~ CO,. considerando b a fracção uc CO nos ga,es queimad os. e considerando que se ret irou a água dos gases de escape (n:lo se entra com o h). pode-'e calcular o número de mole' prese nte' nos produtos de combu,tào:

co, (+5 0 ,) co o,

e s - + l.L32

e + s Assim.

k+z=J.1.......R N" ,..

~ão:

e

k

~

k

+z

N' ,._ = __ N" ,._ =__

e + -s

!.L.11 N"

N' ,.

,..

q uando À~~ os gases de e'cape 'ão const itu ídos 'omc ntc por a r. ou seja: o,..,.=0.2 1 Pelo que se pode escrever

1!19 191

Cap. 5: Te,"'odi n1m1ca d• Combu1110

MOIOfH de CoMbustl o lntUU

1 ] (A~'r +[~(1 - -=-)k+z 2 I F ....,,

À= 1

=>

º' compo,los

" ' N" N" -

:

ª'

M

w

(AI

+(..t- l) I F ·ü..,

Mw

= 0 .2095 .

Mw

pod e-'c t:'crever :

À= I +

2o-: 2(0.2095 - o)+ z

X

N'"

()'j..J,..,. ,

=>

º'

valores d e "· b. e .... que po"ibilitam o ace no da eq uação. 'er{a nc l SOOK ) nem todo o combustível se co n ve rte c m CO, e H,O. poi' ;1 C\Sas te mperat ura • d:í-'e uma reacção in ver'ª· de di,so c iação dc,te~ compO'> tO> e m CO. H, e O,. E'ta reacção d e di "oc iaçào existe porque o eq u ilíbri o químico altera-se com a t c m peratura. Ne,le c a'o a rcacçào pode 'er d escrita da 'egu inte forma :

~~· ~-

200

-~~--~-

-~~

Do mes m o modo que a e lev adas 1e mpe ra1uras se d :í a di "oci:ir,;ão. també m oco r re um;1 re acção entre o ox igé nio e o azoto do ar. produlin do- se óxi d os de azulo (NO e NO, ). ge ne ri c amente conhecidos por NO, e altamente p o lue ntes (ver Cap.9 .3. 2 ). U ma das c"arac te rhtic a s d a fo rmação des tes p o lu e n te' é que a s ua velocid ad e de fo rmação é relali va me nle baixa , pelo que a reacção inver"' (form ação d e N, J muito d ifi c i lmente 'e dá co m a rápid a expan,ão do e•cape . Po ré m , e -ia carac le rí-ii ca também res ulta numa muito pe quena prod ução d e NO, cm rn otore' de co mbu,tão H CC I (ver Cap.8. 8.3). poi ' c' te tipo d e combu s tão é muito rápida .

201

Cap. 5: Te,"'odi n1m1ca d• Combu1110

MOIOfH de CoMbustl o lntUU

1 ] (A~'r +[~(1 - -=-)k+z 2 I F ....,,

À= 1

=>

º' compo,los

" ' N" N" -

:

ª'

M

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(AI

+(..t- l) I F ·ü..,

Mw

= 0 .2095 .

Mw

pod e-'c t:'crever :

À= I +

2o-: 2(0.2095 - o)+ z

X

N'"

()'j..J,..,. ,

=>

º'

valores d e "· b. e .... que po"ibilitam o ace no da eq uação. 'er{a nc l SOOK ) nem todo o combustível se co n ve rte c m CO, e H,O. poi' ;1 C\Sas te mperat ura • d:í-'e uma reacção in ver'ª· de di,so c iação dc,te~ compO'> tO> e m CO. H, e O,. E'ta reacção d e di "oc iaçào existe porque o eq u ilíbri o químico altera-se com a t c m peratura. Ne,le c a'o a rcacçào pode 'er d escrita da 'egu inte forma :

~~· ~-

200

-~~--~-

-~~

Do mes m o modo que a e lev adas 1e mpe ra1uras se d :í a di "oci:ir,;ão. també m oco r re um;1 re acção entre o ox igé nio e o azoto do ar. produlin do- se óxi d os de azulo (NO e NO, ). ge ne ri c amente conhecidos por NO, e altamente p o lue ntes (ver Cap.9 .3. 2 ). U ma das c"arac te rhtic a s d a fo rmação des tes p o lu e n te' é que a s ua velocid ad e de fo rmação é relali va me nle baixa , pelo que a reacção inver"' (form ação d e N, J muito d ifi c i lmente 'e dá co m a rápid a expan,ão do e•cape . Po ré m , e -ia carac le rí-ii ca também res ulta numa muito pe quena prod ução d e NO, cm rn otore' de co mbu,tão H CC I (ver Cap.8. 8.3). poi ' c' te tipo d e combu s tão é muito rápida .

201

C1p. 7:

Combu1t 1 ~e i1

t lubriliuntu

Capítulo 7 , COMBUSTIVEIS E LUBRIFICANTES

No capítul o an terior 1ra1ou-;e de comb u;1íveis formado; po r um ; im plc' compo,10. No cn1an10. vu lgare• co mbu,1íve is con;, i,1em de mi. lura; de mai' de 100 com po;,to;,. Seguidamente 1110\lrar-se-:í a estrutura de a lguns del.les compostos, a sua c la;,sificação e algumas da;, ;,uas propriedades.

º'

A maioria do' combu;,tívei;, que u;,amos tem origem no petró leo bruto ("crude oil") e é produzido por refinação (fraccio nada) aquecendo-o a temperatura'> 'upcriorcs a 370ºC. A quantidade de petró leo bruto existente na s r ese r va s ;,omenle pode ser es1im:1da e presentemente aponta-se para um valor de um bilião ( 1O") de barri s . enquanto que na déc ada de 50 se apresen1ava o val or de cem mil mi lhões ( 1O''). ou seja . 1O vezes me nos. Desde o começo do uso do petró leo. j 5 se gastaram cerca de 70 mil milhões de barris, ou seja, qu a se a quantidade est imada nos anos 50 e m uito menos do que as reservas que ac lualmenle se pensam exisi ir. A iec no log ia ac iua l perm ite q ue ·se re tire uma dada q uanl idadc de pcl ró lco da;, j a~idas. que ge ralme nte não ulirapa;,sa os 70% da q ua n1 idade que realmente 1:1 cxi;,1c . ;,cndo por veze, inferior a 50% . Tal sig ni fica que quando as jaz idas "secam" ainda coniê m pclrólco. só que de mais difícil (e não re niáve l ) ext racção. Porém. uma vez que ioda;, juida;, e\lejam "esgo1adas". usar-;,e-ão ou iros métodos mai s sofisticados e m ais caro;,, de m odo a recuperar o restante. Repare-se que nessa al1ura o preço do petróleo será muito mai s e levado. e outras fontes de energia serào 1a lvez mais a1raen1es.

ª'

O pe 1róleo br uto é um conjun10 de hidrocarbone10" pelo que a l-Ua queima produzir:í principalmente dióx ido de carbo no e vapor de água. mas também gera alg uns inqueimado\

2U3

}

C1p. 7:

Combu1t 1 ~e i1

t lubriliuntu

Capítulo 7 , COMBUSTIVEIS E LUBRIFICANTES

No capítul o an terior 1ra1ou-;e de comb u;1íveis formado; po r um ; im plc' compo,10. No cn1an10. vu lgare• co mbu,1íve is con;, i,1em de mi. lura; de mai' de 100 com po;,to;,. Seguidamente 1110\lrar-se-:í a estrutura de a lguns del.les compostos, a sua c la;,sificação e algumas da;, ;,uas propriedades.

º'

A maioria do' combu;,tívei;, que u;,amos tem origem no petró leo bruto ("crude oil") e é produzido por refinação (fraccio nada) aquecendo-o a temperatura'> 'upcriorcs a 370ºC. A quantidade de petró leo bruto existente na s r ese r va s ;,omenle pode ser es1im:1da e presentemente aponta-se para um valor de um bilião ( 1O") de barri s . enquanto que na déc ada de 50 se apresen1ava o val or de cem mil mi lhões ( 1O''). ou seja . 1O vezes me nos. Desde o começo do uso do petró leo. j 5 se gastaram cerca de 70 mil milhões de barris, ou seja, qu a se a quantidade est imada nos anos 50 e m uito menos do que as reservas que ac lualmenle se pensam exisi ir. A iec no log ia ac iua l perm ite q ue ·se re tire uma dada q uanl idadc de pcl ró lco da;, j a~idas. que ge ralme nte não ulirapa;,sa os 70% da q ua n1 idade que realmente 1:1 cxi;,1c . ;,cndo por veze, inferior a 50% . Tal sig ni fica que quando as jaz idas "secam" ainda coniê m pclrólco. só que de mais difícil (e não re niáve l ) ext racção. Porém. uma vez que ioda;, juida;, e\lejam "esgo1adas". usar-;,e-ão ou iros métodos mai s sofisticados e m ais caro;,, de m odo a recuperar o restante. Repare-se que nessa al1ura o preço do petróleo será muito mai s e levado. e outras fontes de energia serào 1a lvez mais a1raen1es.

ª'

O pe 1róleo br uto é um conjun10 de hidrocarbone10" pelo que a l-Ua queima produzir:í principalmente dióx ido de carbo no e vapor de água. mas também gera alg uns inqueimado\

2U3

}

._,. C1p . 7: Combu1tive11 1 lub r1hc1n111 Molores d• Combu11lo lntt1n1

'"""º o

111onóx1do de carbono e hidrocarboneto' não qu.:imado\. além de outro' compo"'" derivado' da' ' uª' impure7.a' (algum enxofre e pouquí,,imu atoto) e por a combu,tão 'cr dcctuada no ,eio do ar (óxido' de atoto). pelo que o seu u'n origina o aumento do efeito de c'tufa e cau'a a poluição atmosférica. O petróleo bruto é um conjun lo de inúmero' hidrocarboneto' (mais de 25 000 Já foram identificado' numa só amo,tr:1). deimo ma io res que as de ga:.óleo. Embora n a Europa .o consumo do ga>óleo esteja a uh rapas.ar o da gasolina. não é fácil (ou económico) produzir muilo ma is gasóleo que ga>olina. pelo que e>ta tendência

H 1 H H-C - H H li H 1 1 1 1 1 11 - C - C - - C - C - C-ll 1 1 1 1 1 H H-C-ll li ll-C - H H 1 1

H

I iso-octano (C,H 1x) (2.2.4 trimetilpcntano)

H

fog .7.1 - Parafinas CnH2(n•1). ligação simples. cadeia aberta

terá de >er travada. Exi,le a possibilidade de produzir hidroca rbone 10' líquido' lipo ga•ol ina ou ga•óleo pelo processo Fisc h cr-Tropsc h a partir do car vão e do gás natur:ll (ou hidrogénio) e m presença de um ca lali sador e gcra l mcn1e :1 te mpe raturas elevadas. Este proces'o foi d esen vo lvido pelos Alemães aquando da 2' Guerra Mundial. pois países do Ei xo não linham ex p loração de petróleo (co m excepção da Roménia). Ac1ualmente somen te a África do Su l con tinua a usar es te proces-o para produção de combustíve is líq uidos a partir do carvão. em b ora haja bastante in1eresse ncs 1c procc"o c m lodo o mu ndo.

º'

7.1.2. Oleofinas (alquenos) As oleofinas são molécula' de fórmula geral C,H ,•. com uma ou mais ligações duplas en tre á1omos de carbono . se ndo as cade ias abertas ( Fig. 7 .2). Oleofinas com mais d e uma 1igação dupla s ão prejudic iais na a rmazen agem de combustíve is . pe lo quç geralmente retirados aq ua ndo da dc,li lao;ão cios combus1ívei>..

'ªº

H H H

li li

7.1 . ESTRUTURA DOS COMBUSTÍVEIS

t=t l

1

H H Os principai' hidrocarbone10' con • 1ituinte• da gasolina e do ga,óleo agrupam-'c cm famíl ia., chamada s parafina'. o lcofi n a'. naf1alcno' e arom:ilico,. Cada fam í lia tem caractcrbtica• co mun ' de ligaçõc' entreº' 'cu' á1omo' que lhe conferem al gum a < propriedade\ e'pccífica,.

l

etileno (C1H ,)

1

1

C=C=C l l 1 H H H

propeno (C;H6 )

Fig 7 2 - Oleolinas C0 H,.. ligações duplas. cad11as abertas

205 204

._,. C1p . 7: Combu1tive11 1 lub r1hc1n111 Molores d• Combu11lo lntt1n1

'"""º o

111onóx1do de carbono e hidrocarboneto' não qu.:imado\. além de outro' compo"'" derivado' da' ' uª' impure7.a' (algum enxofre e pouquí,,imu atoto) e por a combu,tão 'cr dcctuada no ,eio do ar (óxido' de atoto). pelo que o seu u'n origina o aumento do efeito de c'tufa e cau'a a poluição atmosférica. O petróleo bruto é um conjun lo de inúmero' hidrocarboneto' (mais de 25 000 Já foram identificado' numa só amo,tr:1). deimo ma io res que as de ga:.óleo. Embora n a Europa .o consumo do ga>óleo esteja a uh rapas.ar o da gasolina. não é fácil (ou económico) produzir muilo ma is gasóleo que ga>olina. pelo que e>ta tendência

H 1 H H-C - H H li H 1 1 1 1 1 11 - C - C - - C - C - C-ll 1 1 1 1 1 H H-C-ll li ll-C - H H 1 1

H

I iso-octano (C,H 1x) (2.2.4 trimetilpcntano)

H

fog .7.1 - Parafinas CnH2(n•1). ligação simples. cadeia aberta

terá de >er travada. Exi,le a possibilidade de produzir hidroca rbone 10' líquido' lipo ga•ol ina ou ga•óleo pelo processo Fisc h cr-Tropsc h a partir do car vão e do gás natur:ll (ou hidrogénio) e m presença de um ca lali sador e gcra l mcn1e :1 te mpe raturas elevadas. Este proces'o foi d esen vo lvido pelos Alemães aquando da 2' Guerra Mundial. pois países do Ei xo não linham ex p loração de petróleo (co m excepção da Roménia). Ac1ualmente somen te a África do Su l con tinua a usar es te proces-o para produção de combustíve is líq uidos a partir do carvão. em b ora haja bastante in1eresse ncs 1c procc"o c m lodo o mu ndo.

º'

7.1.2. Oleofinas (alquenos) As oleofinas são molécula' de fórmula geral C,H ,•. com uma ou mais ligações duplas en tre á1omos de carbono . se ndo as cade ias abertas ( Fig. 7 .2). Oleofinas com mais d e uma 1igação dupla s ão prejudic iais na a rmazen agem de combustíve is . pe lo quç geralmente retirados aq ua ndo da dc,li lao;ão cios combus1ívei>..

'ªº

H H H

li li

7.1 . ESTRUTURA DOS COMBUSTÍVEIS

t=t l

1

H H Os principai' hidrocarbone10' con • 1ituinte• da gasolina e do ga,óleo agrupam-'c cm famíl ia., chamada s parafina'. o lcofi n a'. naf1alcno' e arom:ilico,. Cada fam í lia tem caractcrbtica• co mun ' de ligaçõc' entreº' 'cu' á1omo' que lhe conferem al gum a < propriedade\ e'pccífica,.

l

etileno (C1H ,)

1

1

C=C=C l l 1 H H H

propeno (C;H6 )

Fig 7 2 - Oleolinas C0 H,.. ligações duplas. cad11as abertas

205 204

Cap. 7: Comb us 11we it 1 lu briti ca nt11

Moto res de Com bu11io Intern a

7.1.3. Naftalenos (cicloalcanos)

7.2. PROPRIEDADES DOS COMBUSTÍVEIS

ª' oleofina' (C.H,.l. ma' toda' ;1< ligaçõc' entre átomo' d1: ca rbono .r ca rbono e por hidrogénio. 'cndo c~tcl\ o~ C,H,~

e le ment de q uebrar. pelo que a sua temperatura de auto-ign ição é elevada. Ass im, são compostos indicados para fa zere m parte da gasoli na (aumentam o se u índice de octano). ma' s ão prejudiciais para o gaO de combustívei' alternativos. Exemplo' s ão o hidrogénio. o gás natural. o GPL (Gases de Pe tróleo Liquefeitos. ou LPG em i ng lês). o bio gás (res u l1ante da decomposição da matér ia o rgânica). os á lcoois, étcrcs e ésterc' e mes mo o carvão pu l ver izado e m "s lurry" ("lama· ou ··emulsão" de pó de carvão em óleo ou água que é injcc lado no' moto re-J. O biodie,e l (Cap .7.5.2.4) u,;i.,e nos motore> de ig nição por compressão .

206

2H, +O,~ 2H,0

Pres,ão de vapor de R eid é a pressão do vapor numa mi>tura líq uid o·va por u 37.8ºC ( IOOºF). As e os gasóleos •ão mi,tura' de inúmeros (>200) hidrocarbonetos com difere ntes tempera tura de ebul ição. pelo que c nafialenos têm a me,ma fórmula que

º'

c:ombu,tívci' reage m _

li H 1

1

7.2.1 . Estequiometria da Combustão

H-C-C- 11 1 ciclo11ropnno (C 3 H.,) li

/

'e'......

H

Fig.7.3 - Naltalenos:

Ü:\ combu~tívei., !liào ba,Í l: amentc conl\tit u ídu' pc>r ca rbono e por hidrogénio. 'cndo c~tcl\ o~ C,H,~

e le ment de q uebrar. pelo que a sua temperatura de auto-ign ição é elevada. Ass im, são compostos indicados para fa zere m parte da gasoli na (aumentam o se u índice de octano). ma' s ão prejudiciais para o gaO de combustívei' alternativos. Exemplo' s ão o hidrogénio. o gás natural. o GPL (Gases de Pe tróleo Liquefeitos. ou LPG em i ng lês). o bio gás (res u l1ante da decomposição da matér ia o rgânica). os á lcoois, étcrcs e ésterc' e mes mo o carvão pu l ver izado e m "s lurry" ("lama· ou ··emulsão" de pó de carvão em óleo ou água que é injcc lado no' moto re-J. O biodie,e l (Cap .7.5.2.4) u,;i.,e nos motore> de ig nição por compressão .

206

2H, +O,~ 2H,0

Pres,ão de vapor de R eid é a pressão do vapor numa mi>tura líq uid o·va por u 37.8ºC ( IOOºF). As e os gasóleos •ão mi,tura' de inúmeros (>200) hidrocarbonetos com difere ntes tempera tura de ebul ição. pelo que c

,,,. "' ""'

.. 250 Q.

I

E

/

_J

~ 200

/ /

150

•O

80

120

Temperatura

180

200

240

(ºC)

fig.7.5 - Curvas de destilação para gasolina

ª'

o

20

40

80

80

100

Volume evaporado (•.4)

7.2.6. Temperatura de Auto - Ignição

Fig.7.6 - Curva de desttlação para o gasóleo

Aquecendo uma mi,tura ar-combu,tívcl. cMa chega a uma temperatura para a 4ual u mi,tura inicia espontaneamente a 'ua combu,tão. E"a temperatura é chamada temperatu ra de auto- ignição. de inflamabilidade ou 'ºmente de ignição (Tab. 7.1 ).

7.2.3. Calor Latente de Vaporização Tab.7.1 - limit11 de tl•m•b ilidatl1. temp. de ignição e pod er c 1loritico (fase gasosa ou de vapor)

Q, co mbu-iíveis líquido' nece,sitam de ser vapori zado' para 'e mi,turarem com o ar,

para o que ncce"itam de calor ( latent.: de va porização). c;ilor c'te que é retirado 1\ mi,tura ar-c ombuqível que arrdece . E'te arrefecimento cm mot orc' de ignição coma nd ada é benéfico. poi,, a lém de permitir arrefecimento interno do moto r . permite o u so de maiore' tax;" de compres,ão e co m ela' mai ore' rendimento,. Motores ,obreal im c ntad o' u sa nd o álcoois não n ecessi tam de "'intc r -co oling". poi> o e levado calor la te nte da vaporização do úlcool é ,uficiente para arrefecer a mi, t u ra para temperatura' infe riores 1\ atmosférica.

7.2.4. Flash Point O "flash point" d e um combu,tível é a temperatura para a qual se produL naturalmente uma mi,tura e'tequi ométrica do 'eu vapor com o ar. mi,tura e>Sa que entra facilmente em ignição quando uma fonte ex terior de ignição (p.ex. chama) entra em 'eu contacto. A"im. o "fhi>h point" pod.: mo,trar a flamabilidade de um combu,tívcl. poi ' quando a temperatura ambiente >C aproxima da do "fl:l\h poini'' dcs-e combu,tível. a facilidade de ignição e de propagação de chama aumentam dra\ticamcn te. poi> a exiqência de vapore' do combu,tível mi,turado' com o a r torna -": crítica (e> te 4uiomé1rica). Valore' d e ··na,h point" muito

208

r;:;;,ª"" Acttilt11u Etiltuu Etu 110

f(}rmuloi

LIF

quínuca

l 'Ã> V) L ('l> V ) _!_ L/F

LSF

LSF

5.3

14 .0

2.ó

650

c ,11,

4

7.1

18.8

320

28.6

10.6

450

12.5 9.5 8.5 74.0 72 .2 27 7.6

3.9 4.0 5.3 5.7 17.5 1.8 5.4

510

l'ropam>

c,11, C,11 11

Buta110

C.f-l 1u

2.7 3.2 2.4 2.0 12 .9 4. 1 15

Mon óxido tlt ca rbono

c;o

l-lidrogit1io

A11tonlaco

H, Nll ,

Gaso/i11a Cos6/w

C.. H111h C.H111,.

1.4

CH30H

6.7

36

5.4

C , IUO ll

4.3

19

4.4

TBA

C,H,OH

2 .4

MTBt:

(Tirado de M Ai

H

8.0

c.: 11 ,oc,11,

2.4

8.0

C H ,OC ll , l

3.4

18.6

_ v ! 19-l ~ ) .

h1tM

_!_

PC I

T ... ,,,_,. l ºC l

! MJ/rn ' l 33.'J

IYH

560

2110

650 300

l o e levado calor la te nte da vaporização do úlcool é ,uficiente para arrefecer a mi, t u ra para temperatura' infe riores 1\ atmosférica.

7.2.4. Flash Point O "flash point" d e um combu,tível é a temperatura para a qual se produL naturalmente uma mi,tura e'tequi ométrica do 'eu vapor com o ar. mi,tura e>Sa que entra facilmente em ignição quando uma fonte ex terior de ignição (p.ex. chama) entra em 'eu contacto. A"im. o "fhi>h point" pod.: mo,trar a flamabilidade de um combu,tívcl. poi ' quando a temperatura ambiente >C aproxima da do "fl:l\h poini'' dcs-e combu,tível. a facilidade de ignição e de propagação de chama aumentam dra\ticamcn te. poi> a exiqência de vapore' do combu,tível mi,turado' com o a r torna -": crítica (e> te 4uiomé1rica). Valore' d e ··na,h point" muito

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-350

-400 500 -250

1993 - 14.S -40 98 - 14.5 -270 -14.5 -230 - 14.5 425 470 15.6 110 468. 1995 15.7 437 112 386 420 102 510 537 1954 14.5 120 510 537 1954 14.5 120 510 537 1954 14.5 120 455 585 2110 34.1 106 1100 464 1878 6.4 li 115 900 362 1924 9.0 12 110 570 11.2 li 113 340 11.7 -11 117 740 10.3 12 106 235 9.0 6 14 320 2266 13.2 40 650 1803 6.1 110 600 500 2272 1.7 - 1 1 1 11.5 1 1 1 - t

-

-

44 44

43 43 46 46 44 48 48 50 120 19.7 26.8 32.5 35.2 30.3 28.8 48.2 18.6 li 27 t

33 32 36 36 25 24 26

2.83

3.46

2.79 2.85 2.75 2.75

3.34 3.34

2.7 2.7 2.72 3.40 2.68 2.69

24 8.5 16 21 26 26 24 19

3.10 3. 10 3.10 2 .92

2.77 3.96 2.83

12 1

1

'

Tirado de F ERGUSON (200 t ). GulBET ( t 9971, T URNS (2000)

216 217

Motores de Combustão Interna ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

inflamação seme lhantes ao do co mbu st íve l a tes tar, é co nsiderado o seu índice de ceta no.

l

Cap. 7: Combustlveis • Lubrific • ntes

tipo de co mbu st ível. podendo-se considerar o mesmo valor us ado para a gasolina ou um pouco mais bai xo (43 - 44 MJ/kg).

Os valores correntes de índice de cetano s ituam-se por volta do valor 50. sen do desej áve is valores supe riores a este. de modo a proporcionar funcionamento suave e ba ixa emissões de pol ue ntes. Sabe-se que o aumento do índice de cetano e m combu stíve is de ri vados do petróleo impli ca uma diminuição do poder calorífico do combus tíve l (ao contrá r io do índice de octa no). pelo que não interessará a umentar o IC além de um certo valor, pois o co ns umo de combu stíve l aumenta ri a. Um método mais c ómodo e barato que pe rmite avaliar o IC de hidrocarbonetos é o Índic e de Cetan o Calculado (CCI), que é dado pe la eq uação (FERGUSON, 2001): CCJ = -420.34 + 0.016G 2

na qual

7.5. OUTROS COMBUSTÍVEIS Além da gasolina e do gasóleo há outros combus cíve is qu e se pode m usar no s motores d e combusião interna. Estes podem ser combu sc íveis líquidos como os álcoo is . éteres e ésteres ou mes mo óleos vegetais, mas também se pode m usar combustíveis gasosos (gás natural ou os cha mados gases de petró leo liquefe itos) ou mes mo combustívei s só lidos. Algumas propriedades de al g un s d es tes combustíveis pode m ser comparadas com as da gasolina e gasó leo na T a b . 7.5 . Algun s va lores de propriedades, nomeadamente o PCl da misc ura, são diferentes dos que aparecem na Tab . 7.1, pois foram re i irados d e o bras diferentes, provave lmente referindo-se a diferences teores de preparação da mi s cura, ou seja com diferentes quantidade s de combustível n.o estado líquido.

+ 0.192 G logT50 + 65.0l(logr50 r - 0.0001809 T~

G - d e nsidade r,o - te mpe ratura para 50% de frac ção destilada

De notar q ue este índi ce não entra em linh a de conta com o tipo de compostos presentes no combustível (naftalenos são ó ptimos para estes motores, enquanto que aromá ti cos são péss imos, pois não e ntram fa c ilm e nte em auto-igni ção) . Os combustíveis para motores Die se l não se evaporam facilmente , pelo que não são con side rados carb ura ntes (não po dem se r us ados em carburadores). Tal co mo a gasolina, são formados por centenas de hidrocarbone tos, mas c o m temperaturas de e bulição s upe riores a l 80ºC. Consequentemente have rá pro ble mas d e solidificação a bai xas temperatu ras. O uso de ó leos pesados impli ca, por vezes, a necessidade de aqueci men to, para ser poss ível injectá- los no motor. A ba ixas temperaturas (95%) que deverá ser armazenado sob pre ssão ( -7 bar) num· dep ósi to metál ico que dever á obedecer a certas regras ( legislação) de seg uran ç a. Uma delas estipula qu e o valor máx im o de volume de GPL é de 80 % do seu volume interno, o que associado ao seu dese nho (corpo cilíndrico ou toroidal), pode ocupar um espaço signifi c ativo da m a la do

220

,.

221

--

Motores de Combustã o Interna

Cap. 7: Combustiveis e lubrific 1nt1s

automó,·el. A ba ixa dens idad e energética do GPL (líquido ) impli ca que. para o mes mo volume de armazenamento (co ntando com a utilização d e some nt e 80 % do espaço). lerá c.:rc a de metade da autonomia comparativame nt e com gasol ina. O consumo do veíc ul o (em litros) a umentará em ce rca de 30%.

Nestes sistemas a total idade do colec tor de admissão fi ca preenchida pela mistura ga,osa. criando -se os referidos problemas de .. rateres ...

Outras alterações a um motor preparado para usar GPL pode rão ser o aumento da taxa de compressão (ma ior índice de octano) e o aumento do av an ço d a ig ni ção em ce rca de 5º. poi s a ,·elocidade de pro pagação de c hama é menor qu e a da gaso lin a. venturi de

misturado GPL

Fig.7.9 - Venturi de mistura do GPL (gás! com o ar de admissão

7.5.1.2. Gás natural Em veíc ulos. o gás natural (NG) pode ser a rmaze nado com primido na fa se gasosa (CNG) ou na fase 1íqu ida (LNG ). Neste caso a te mpaatura terá de ser mantida abaixo dos - 162ºC. o que limita tanto a armazenagem co mo o reabas tec imento. No uso do CNG o principal problema res ide na massa que é possíve l armazenar num d e terminado vo lume (depósi to) . Mesmo a pressões elevadas (200-300 bar) a dens idade energé ti c a é baixa, pelo qu e a sua utili za ção ser á mai s indicada em veículos que possa m di spor de gr:!ndes volumes de armazenamento (tal como autocarros, c m que o tejadilho está coberto de c ilindros) . À pressão de 200 bar e a l 5ºC, 200 L de CNG fornecerá a mes ma a utonomia que 30 L de gas olina. Poré m, se o abastecime nto for rápido, a tempe ratura final se rá mai s elevada (co mpress ão do gás). pelo que a autonomia será pe nali zada e m cerca d e 15% ( co rre spondend o a 25 L de gasolina ).

Fig.7.10 - Colocação do venturi

Nos s is temas (2) e (3) o forneci me nto do GPL é fe ito. e m sobrepressão, em frente a cada válvula de admissão, pe lo que a ocorrência dos " rate res" não é muit o problemáti ca (o volume dn mi stura no colector d e ad mi ssão é diminuto). Ambos os si stemas ( 1) e (2) usam propano já vaporizado, operação que se realiza num vaporizador (Fig.7.11) que usa o líquido de arrefec imento do motor para fornecimento do calor late nte de vaporização do GPL. Como co nseq uênc ia o vapor (a temperatura re lativamente elevada) ocupa parte do ar que deveria entrar no motor, res ultando cm me no res prestações do motor. No entanto, dado que o processo de mis tura do propano no ar é fá cil, a s uavidade do motor melhora , principalmente em c argas baixas.

Como o metano (CH) te m uma baixa re lação C/ H ( 1:4 para o m e tano e 1:2.3 para a gasolin a), a produção de C02 é comparativamente baixa (menos 25% que usand o gaso lina - Tab.7.3), assim como apresenta reduzida emissão de polu e ntes. Tal como com o uso de GPL gasoso, as prestações do motor ba ixa m em cerca d e 10- 15% rel ativamente à gasolina , mas os motores especificame nte desenhados para queimar NG beneficiam de elevada ta xa de compressão, res ultado do maior índice de octan o (Fig. 7. 5), o que poderá repor as pre stações perdida s. O gás natural tem uma velocidade de propagação de chama s ign ifi cativamente inferior à da gaso li na, pe lo que será també m necessário aumentar o avanço à ign iç ão e pode r:í have r problemas com a duração da combus tão a e levadas velocidades de rotação do motor. A energ ia para o in ício da combustão é maior (em ce rc a de um terço) qu e a necessária para a gaso l ina, pelo que os motores a usar es te combus tível te rão de ter um sis tema d e ig nição reforçado, pr inc ipalmente qu ando se estão a usar mis turas pobres (0.26 mJ para a gasol ina e 0.33 mJ para o gás natural, ambos e m mi s tura este quiométrica ).

No s istema de injecção líquido o calor laten te de Fig.7.ll · Vaporizador vaporização do GPL é re tirado ao ar que entra no motor. arrefecendo-o. E ste abaixamento de te mperatura a ume nta a sua de nsid ade, pro porcion a ndo uma mai or quantidade de ar em cada admissão e a poss ib ilidade de aume nto da taxa de compressão e de avanço do ponto de ignição. T odos estes efeitos res ultam no aumento das prestações (binário e potência) e na red ução do consumo. Porém , este sistema é s ig nificativamente mais caro que os anteriores, poi s necess ita de bomba , inj ec tores dedicados e um sistema de controlo.

Relativamente às emissões d e poluentes (Fig . 7 . 12). a sua fáci l mi s tura com o ar impli ca bai xos níveis de HC e CO, que podem a inda se r minimizados pel o uso de mi s turas pobres e extra pobres. Nes te caso a produção d e NOx é também baixa e co mo a g rande perce ntage m de HC produzidos são me tano (c on side rado não poluente). a produ ção de NMHC (non- methane hydroc arbon s) é muito bai xa.

O GPL é uma mi stura propano-b utano-etan o, co m e levada proporção de propano (>95%) que deverá ser armazenado sob pre ssão ( -7 bar) num· dep ósi to metál ico que dever á obedecer a certas regras ( legislação) de seg uran ç a. Uma delas estipula qu e o valor máx im o de volume de GPL é de 80 % do seu volume interno, o que associado ao seu dese nho (corpo cilíndrico ou toroidal), pode ocupar um espaço signifi c ativo da m a la do

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~P·

Motores de Combust:. ão~ln;.;t.:. •';.;":.:"----- - - - .. ~- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

CO(glan)

H:(gkm)

t.Oc(glan)

priculas (glkm)

7: Combustlvtis e lubrificantes

comportamento da ~ua combustão é análogo ao de um combustível de elevado índice de octano. permitindo elevadas taxas de compressão (até l-L5: 1). no que é ajudado pela elevada velocidade de propagação de chama. Em misturas pobre~ o seu RON pode ultrapassar os 120 . A pressão máxima do ciclo pode ultrapassar o~ 130 bar durante auto-ignição.

CO,(glkm)

lilgasolina

.. CJ[b

··. "J "J: .

•LPG

7.5.2. Álcoois, Éteres e outros Oxigenados

oa-G Ogasóleo

A consciência da necessidade de limi tação do consumo das reservas de petróleo e do interesse na multiplicidade de fontes de energia. criou um interesse generalizado no mundo ocidental no uso de combustíveis oxigenados para o transporte. como conseq uência das duas crises energéticas da década de 70. A denominação combustíveis oxigenados ge ral mente inc lui os álcoois, os éteres e os ésteres. Um outro compo.qo que se pode usar em motores é o n itro metano. embora não pe las razões atrás apontadas, mas so mente para aumento das prestações dos motores.

"'

Fig.7.12 ·Potencial de emissão de poluentes de vários combustlveis

7.5.1.3. Hidroaénio O hidrogénio é visto como o combustível do futuro. tanto pelas suas características poluentes (a sua combustão produz água e um pouco de NOx) como pela ca racterística de .. energy carrier" (uma fonte de energia, como a nuclear ou a solar, produz hidrogénio a partir de água, e água é novamente produzida aquando da sua combustão). O seu elevado potencial para combustão em misturas extra-pobres permite-lhe um rendimento muito elevado e uma pequena emissão de NOx. O grande prob lema prende-se com os materiai s usados para depósitos, válvulas e tubagens e co m a densidade energética de armazenamento, que é mais baixa do que o metan o, mesmo usa ndo pressões de 700 bar. Comparativamente com a gasol ina , hidrogénio a essa pressão necess ita 12 vezes mais volume para a mesma qu antidade de energia. Me smo na fase líquida (-253ºC ou 20 K) a desproporção é ainda de 9 vezes, mas o processo de liquefacção é extrema mente inefi c iente, pois é necessário gastar uma qu a ntidade de energia eq ui valente à do comb ustível para esta mudança de fase. A mi stura ar-hidrogénio contém cerca de 30% (e m vo lum e) de hidrogénio, pelo que o bin á rio e potência dos motores dec re sce m nessa proporção, embora a taxa de compressão possa ser aumentada dado o se u elevado índice de octano. A velocidade de propagação de c hama é uma ordem de grandeza superior à da gasolina e os limites de flamabilidade são também muito mais amplos, permitindo operação em misturas muito pobres (até A/F de 285, com elevado rendimento e pequena produção de NOx). Um dos grandes problemas do hidrogé nio é a sua facilidade de entrar em auto ignição, poi s necessita de pouca energia para ignição (O.O 1 mJ). Este facto leva a que a medição do seu índice de octano seja difícil , o que é com provado por valores díspares para este va lor (Gu1BET ( 1997) apresenta um valor de 60, enquanto q ue outros autores apresentam valores superiores a 100 Tab.7.5). Esta propensão à auto-ignição pode aparecer so b a forma de ignição à superfície, de auto-ignição (ignição em massa) ou mesmo como "knock". Porém, a temperatura de admissão proposta para a medição do RON ( 149°C) não deveria ser aplicada à queima do hidrogé nio, pois eleva-lhe a propensão à auto-ignição. Quando a temperatura de admissão é a ambiente, o

222

Quando se tenta avaliar a aptidão destes compostos para serem usados como substi tutos (mesmo que como aditivos em maior ou menor percentagem) dos combustíveis habituai s. um grande número de crité ri os tem de ser tomado em consideração. Es tes incluem as suas propriedades fís icas. toxidade, corrosão, absorção de água e a sua influênci a no desempenho dos motores no respeitante ao "knock", pré ignição, consumo, potência e emissão de poluentes. As propr iedades física s e químicas mais importantes para definir a apt idão dos vários compostos oxigenados como combu stíveis, estão su mariadas na Tab. 7 .5 (pg.217) juntamente com a gasolina. para se poderem estabelecer comparações. Estas substâncias diferem substancialmente da vulgar gasolina em vários aspectos. inc luindo a quantidade de oxigénio necessária para os queimar. o vo lume de produtos de combustão, a quantidade de calor l ibertada durante a combustão e a entalpia necessária à sua vaporização. As diferenças ao nível de estrutura química entre eles e a gasolina, implica diferenças significativas da pressão de vapor quand o são misturados com esta. Tais diferenças poderão ter efeito s importa ntes e consequentemente se rão discutidos com detalhe. Repare-se que estes combustíveis poderão também ser considerados "energy carriers", pois quando são provenientes de fontes naturais de energia, tai s co mo plantas ou lixo (biomassa), eles " tran sportam" a energia da biomassa de modo a que fac ilmente possa ser tran sportada, armazenada e consumida. Mesmo que o combustível seja formado por síntese (a partir do gás natural, por exemplo), também será um "energy carrier", entre a fonte de energia (o gás natural) e a utilização.

7.5.2.1. ~ Os álcoois são hidrocarbonetos parcialmente oxidados, nos quais um átomo de hidrogénio é subs titu ído por um radical hidrox ilo OH (Fig.7.13). A sua fórmula geral é C. H!•• 10H.

223

--

~P·

Motores de Combust:. ão~ln;.;t.:. •';.;":.:"----- - - - .. ~- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

CO(glan)

H:(gkm)

t.Oc(glan)

priculas (glkm)

7: Combustlvtis e lubrificantes

comportamento da ~ua combustão é análogo ao de um combustível de elevado índice de octano. permitindo elevadas taxas de compressão (até l-L5: 1). no que é ajudado pela elevada velocidade de propagação de chama. Em misturas pobre~ o seu RON pode ultrapassar os 120 . A pressão máxima do ciclo pode ultrapassar o~ 130 bar durante auto-ignição.

CO,(glkm)

lilgasolina

.. CJ[b

··. "J "J: .

•LPG

7.5.2. Álcoois, Éteres e outros Oxigenados

oa-G Ogasóleo

A consciência da necessidade de limi tação do consumo das reservas de petróleo e do interesse na multiplicidade de fontes de energia. criou um interesse generalizado no mundo ocidental no uso de combustíveis oxigenados para o transporte. como conseq uência das duas crises energéticas da década de 70. A denominação combustíveis oxigenados ge ral mente inc lui os álcoois, os éteres e os ésteres. Um outro compo.qo que se pode usar em motores é o n itro metano. embora não pe las razões atrás apontadas, mas so mente para aumento das prestações dos motores.

"'

Fig.7.12 ·Potencial de emissão de poluentes de vários combustlveis

7.5.1.3. Hidroaénio O hidrogénio é visto como o combustível do futuro. tanto pelas suas características poluentes (a sua combustão produz água e um pouco de NOx) como pela ca racterística de .. energy carrier" (uma fonte de energia, como a nuclear ou a solar, produz hidrogénio a partir de água, e água é novamente produzida aquando da sua combustão). O seu elevado potencial para combustão em misturas extra-pobres permite-lhe um rendimento muito elevado e uma pequena emissão de NOx. O grande prob lema prende-se com os materiai s usados para depósitos, válvulas e tubagens e co m a densidade energética de armazenamento, que é mais baixa do que o metan o, mesmo usa ndo pressões de 700 bar. Comparativamente com a gasol ina , hidrogénio a essa pressão necess ita 12 vezes mais volume para a mesma qu antidade de energia. Me smo na fase líquida (-253ºC ou 20 K) a desproporção é ainda de 9 vezes, mas o processo de liquefacção é extrema mente inefi c iente, pois é necessário gastar uma qu a ntidade de energia eq ui valente à do comb ustível para esta mudança de fase. A mi stura ar-hidrogénio contém cerca de 30% (e m vo lum e) de hidrogénio, pelo que o bin á rio e potência dos motores dec re sce m nessa proporção, embora a taxa de compressão possa ser aumentada dado o se u elevado índice de octano. A velocidade de propagação de c hama é uma ordem de grandeza superior à da gasolina e os limites de flamabilidade são também muito mais amplos, permitindo operação em misturas muito pobres (até A/F de 285, com elevado rendimento e pequena produção de NOx). Um dos grandes problemas do hidrogé nio é a sua facilidade de entrar em auto ignição, poi s necessita de pouca energia para ignição (O.O 1 mJ). Este facto leva a que a medição do seu índice de octano seja difícil , o que é com provado por valores díspares para este va lor (Gu1BET ( 1997) apresenta um valor de 60, enquanto q ue outros autores apresentam valores superiores a 100 Tab.7.5). Esta propensão à auto-ignição pode aparecer so b a forma de ignição à superfície, de auto-ignição (ignição em massa) ou mesmo como "knock". Porém, a temperatura de admissão proposta para a medição do RON ( 149°C) não deveria ser aplicada à queima do hidrogé nio, pois eleva-lhe a propensão à auto-ignição. Quando a temperatura de admissão é a ambiente, o

222

Quando se tenta avaliar a aptidão destes compostos para serem usados como substi tutos (mesmo que como aditivos em maior ou menor percentagem) dos combustíveis habituai s. um grande número de crité ri os tem de ser tomado em consideração. Es tes incluem as suas propriedades fís icas. toxidade, corrosão, absorção de água e a sua influênci a no desempenho dos motores no respeitante ao "knock", pré ignição, consumo, potência e emissão de poluentes. As propr iedades física s e químicas mais importantes para definir a apt idão dos vários compostos oxigenados como combu stíveis, estão su mariadas na Tab. 7 .5 (pg.217) juntamente com a gasolina. para se poderem estabelecer comparações. Estas substâncias diferem substancialmente da vulgar gasolina em vários aspectos. inc luindo a quantidade de oxigénio necessária para os queimar. o vo lume de produtos de combustão, a quantidade de calor l ibertada durante a combustão e a entalpia necessária à sua vaporização. As diferenças ao nível de estrutura química entre eles e a gasolina, implica diferenças significativas da pressão de vapor quand o são misturados com esta. Tais diferenças poderão ter efeito s importa ntes e consequentemente se rão discutidos com detalhe. Repare-se que estes combustíveis poderão também ser considerados "energy carriers", pois quando são provenientes de fontes naturais de energia, tai s co mo plantas ou lixo (biomassa), eles " tran sportam" a energia da biomassa de modo a que fac ilmente possa ser tran sportada, armazenada e consumida. Mesmo que o combustível seja formado por síntese (a partir do gás natural, por exemplo), também será um "energy carrier", entre a fonte de energia (o gás natural) e a utilização.

7.5.2.1. ~ Os álcoois são hidrocarbonetos parcialmente oxidados, nos quais um átomo de hidrogénio é subs titu ído por um radical hidrox ilo OH (Fig.7.13). A sua fórmula geral é C. H!•• 10H.

223

--

Cep. 7: Combustíveis e lubrific1ntes

Motores de Combustão Interna

EB

H H 1 1 H-C-C-OH etanol (do etano)

metanol (do metano) (CH3 0H)

1

1

H H

H

(C2HJOH)

As gorduras vegetai s são geralmente compostas por drios triglicé ridos que têm uma molécu la do tipo que aparece na Fig.7.16 no qual os R ,. R: e R, são cadeias de hidrocar bonetos lineares com um número par de átomos de carbono (entre 8 e 22).

oli

Fig.7.13 - Álcoois: C.H,,.,OH. substituição de H por OH - hidroxilo

CH2-0-C-R1

No' motores usam-se o metanol e o etanol. este usado em larga escala no Brasil na sua forma quase pura (E93). Na Califórnia e noutros estados dos USA usam-se misturas de metanol e gasolina. geralmente o M85 (85'k de metanol, 15% gasolin a). A mistura do metanol com a gasolina é necessária para permitir o arranque a frio (ver Cap.7.5.2.6). Outro problema do uso dos álcoois co mo comb us tí ve l é a corrosão (ver Cap.7.5.2.14).

CH-0-C-R,

1 1

R R-

triglicérido

CH,-o-c-R3 Fig.7 .16 - Triglicérido

Por hidrólise (com água) estes triglicéridos pod em ser transformados cm ácidos gordos (e glicerol. geralmen te co nhecido por g lice rina) pela seg uin te re acção ge ral: 7.5.2.2. ~

Ç? R1-COOH CH2-0-C-R1 o 1 li CH-O-C-R2 + 3 H20 -7 R2-COOH

Os éteres são mol écu las com um átomo d e oxigénio li gando dois r adicais . que podem ser ou não semel hantes (Fig.7.14). Os é teres são líquidos ou gases muito inflamáve is, pelo que podem ser usados como combustíveis de motores de com bustão interna. Podem-se obter a partir de um á lcool por "'desidratação" (os átomos d e hidrogénio dos hidroxilos de duas moléculas de álcoo l reagem com ox igén io de um outro reagente , por exe mplo um ácido, produzindo água e de ixando u m átomo de oxigénio na mo lécu la) na prese nça de ácid o s ulfúrico (Fig. 7 . 15). H H H H 1 1 1 1 H-C-C-0-C-C-H

1 1

1 1

H H

etanol

RJ-COOH

+ água

~

ácido gordo

CH20H

+

glicerol

7.5.2.4. Ésteres lbiodiesell

H H

ácido sulfúrico éter dietilico H2

C 2 HpH + C 2 H 50H

1

CHOH

éter dietílico (C!HsOC~J)

Fig .7.14 - ~ter dietllico etanol

+

1

o li CH2-0-C-R3 1

triglicérido

CH20H

água

so.

-7

C 2 H 5 0C 2 H 5 + H 2 0

Os ésteres obtêm-se por u ma reacção e ntre um ácido e um á lcool, por um processo que se denomina esterificação. Para o fabrico de co mbustíveis o u lubrificantes (por exempl o, os usados como aditivos no· gasóleo sem enxofre) para motores é vulgar usar a reacção en tre ác idos gordos (de óleos de a me ndoi m , colza, soja, pa lma, girasso l. etc.) e metano l, que produ z um éste r e água, co mo por exe mplo: CH3 - (CH2)1s - COOH

Fig. 7.15 - Formação do éter dietllico

ácido palmítico (óleo de palma)

+ CH30H metanol

-7

CH3 - (CH2)1 s - COOCH3

+ H20 água

palmitnto de metanol

O processo mais normal de produzir ésteres é por transesterificação, pela q ua l um t rigl icérido reage com um álcool produzindo um éster e gl icerol:

7.5.2.3. Ácidos gordos lgord1r11l Os óleos vegetais (ác idos go rdos) podem ser usados como combustíve l em motores de combustão interna. O seu modo de combustão é propício aos moto res de ig nição por compressão, e pode ser usado misturado com o gasóleo. Porém a sua combustão produz lacas e ou tros depósitos sólidos que rapida mente inutili zariam o motor por obstrução da câmara de combustão, havendo mesmo a possibilidade de o destruir. Por esta razão a seu uso como combustível d e motores é muito li mitado .

224

1

oli

CH2-0-C-R1 1

1

CH-O-C-R2 1

CH20H

~

~

+ CH30H -7 CH3-0C=O - R-CH3 + CHOH 1

CH2-0-C - R3 triglicérido

+ álcool (metilico)

CH20H ~

éstcr (metílico)

+

glicerol

225

Cep. 7: Combustíveis e lubrific1ntes

Motores de Combustão Interna

EB

H H 1 1 H-C-C-OH etanol (do etano)

metanol (do metano) (CH3 0H)

1

1

H H

H

(C2HJOH)

As gorduras vegetai s são geralmente compostas por drios triglicé ridos que têm uma molécu la do tipo que aparece na Fig.7.16 no qual os R ,. R: e R, são cadeias de hidrocar bonetos lineares com um número par de átomos de carbono (entre 8 e 22).

oli

Fig.7.13 - Álcoois: C.H,,.,OH. substituição de H por OH - hidroxilo

CH2-0-C-R1

No' motores usam-se o metanol e o etanol. este usado em larga escala no Brasil na sua forma quase pura (E93). Na Califórnia e noutros estados dos USA usam-se misturas de metanol e gasolina. geralmente o M85 (85'k de metanol, 15% gasolin a). A mistura do metanol com a gasolina é necessária para permitir o arranque a frio (ver Cap.7.5.2.6). Outro problema do uso dos álcoois co mo comb us tí ve l é a corrosão (ver Cap.7.5.2.14).

CH-0-C-R,

1 1

R R-

triglicérido

CH,-o-c-R3 Fig.7 .16 - Triglicérido

Por hidrólise (com água) estes triglicéridos pod em ser transformados cm ácidos gordos (e glicerol. geralmen te co nhecido por g lice rina) pela seg uin te re acção ge ral: 7.5.2.2. ~

Ç? R1-COOH CH2-0-C-R1 o 1 li CH-O-C-R2 + 3 H20 -7 R2-COOH

Os éteres são mol écu las com um átomo d e oxigénio li gando dois r adicais . que podem ser ou não semel hantes (Fig.7.14). Os é teres são líquidos ou gases muito inflamáve is, pelo que podem ser usados como combustíveis de motores de com bustão interna. Podem-se obter a partir de um á lcool por "'desidratação" (os átomos d e hidrogénio dos hidroxilos de duas moléculas de álcoo l reagem com ox igén io de um outro reagente , por exe mplo um ácido, produzindo água e de ixando u m átomo de oxigénio na mo lécu la) na prese nça de ácid o s ulfúrico (Fig. 7 . 15). H H H H 1 1 1 1 H-C-C-0-C-C-H

1 1

1 1

H H

etanol

RJ-COOH

+ água

~

ácido gordo

CH20H

+

glicerol

7.5.2.4. Ésteres lbiodiesell

H H

ácido sulfúrico éter dietilico H2

C 2 HpH + C 2 H 50H

1

CHOH

éter dietílico (C!HsOC~J)

Fig .7.14 - ~ter dietllico etanol

+

1

o li CH2-0-C-R3 1

triglicérido

CH20H

água

so.

-7

C 2 H 5 0C 2 H 5 + H 2 0

Os ésteres obtêm-se por u ma reacção e ntre um ácido e um á lcool, por um processo que se denomina esterificação. Para o fabrico de co mbustíveis o u lubrificantes (por exempl o, os usados como aditivos no· gasóleo sem enxofre) para motores é vulgar usar a reacção en tre ác idos gordos (de óleos de a me ndoi m , colza, soja, pa lma, girasso l. etc.) e metano l, que produ z um éste r e água, co mo por exe mplo: CH3 - (CH2)1s - COOH

Fig. 7.15 - Formação do éter dietllico

ácido palmítico (óleo de palma)

+ CH30H metanol

-7

CH3 - (CH2)1 s - COOCH3

+ H20 água

palmitnto de metanol

O processo mais normal de produzir ésteres é por transesterificação, pela q ua l um t rigl icérido reage com um álcool produzindo um éster e gl icerol:

7.5.2.3. Ácidos gordos lgord1r11l Os óleos vegetais (ác idos go rdos) podem ser usados como combustíve l em motores de combustão interna. O seu modo de combustão é propício aos moto res de ig nição por compressão, e pode ser usado misturado com o gasóleo. Porém a sua combustão produz lacas e ou tros depósitos sólidos que rapida mente inutili zariam o motor por obstrução da câmara de combustão, havendo mesmo a possibilidade de o destruir. Por esta razão a seu uso como combustível d e motores é muito li mitado .

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1

oli

CH2-0-C-R1 1

1

CH-O-C-R2 1

CH20H

~

~

+ CH30H -7 CH3-0C=O - R-CH3 + CHOH 1

CH2-0-C - R3 triglicérido

+ álcool (metilico)

CH20H ~

éstcr (metílico)

+

glicerol

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Motores de Combustão Interna

Cap. 7: Combustlveis e l ubrific1ntts

ºº'

o,

é'ten:' diferente' óleo, vegetai' (colza. 'oja. amendoim. girasso l. etc.) 'ão conhecidos por ""b iodiese r· ou por FAME (""éster met íl ico de ác idos gordos .. ). que é a denom inação genérica usada para deno mina r ó leos de origem vegetal e anima l depo is de sofrerem a estcrifica ção ou a transesterifi caçào. e espera-se q ue a sua pene traç ão no mercado europe u seja s ign ificativ a a c urt o prazo. É pos,ívcl usar ta mbém go rdu ras de orige m animal e óleos vegetais usados (na cozinha) nes tes processos. Como bene fícios. têm um índice de cetano superi o r ao gasóleo. têm propriedades lubrificantes (com baixo teor de e nxofre) e. principalmente. o C0 1 produzido é do ciclo de carbono curto (não fóss il ). ou seja . as suas em issões não ··contam·· para o côm puto dos gases de efei to de estufa. A e missão de po luentes (NO,, . HC. CO e mesmo partícu las) é mais ba ixa q ue com gasóleo e é um co mbustíve l biodegrndúvel. O "' biod iese l"" tem meno r viscosidade (Ta b.7.6) q ue os óleos de que derivam.

Tab.7.6 - Algumas propriedades de combustfvei s de origem vegetal

gasóleo

~e nsidade

1

óleo de soja 1

0.85

viscosidade a 40ºC (cSI) 3.0 ~e n xofre (e m massa) 0.036 índice de cetano 50 - 54 poder calorífi co sup. (MJ/kg) 45.4 (Tirado de K LASS ( 1998). F ERGUSON (2001 ))

metílico de soja

éMer 1

1

éster metíl ico de colza (RME)

0 .92 33 o.o 1

0.89 3.9 o.o1

o

39.3

54 - 58 39.8

52 40 .2

,

0.88 4.1

7.5.2.5. Estaqujomet rja da c ombu stão A maior diferença e ntre os combustíveis ox ige nados (nomead;imente os á lcoois) e os ço11\'encionais é. tulvez. a re lação esteq uiomé tr ica a r/c omb us t íve l. Na Tab.7.5 (pg.2 17) pode s.:r visto que 111.:tanol e etanol aprese ntam re lações esteq uio mé lri cas :1r!combus1ível ba stan te inferiore:. à da gaso lina. req uere ndo menos a r para a sua combus tão integral. Como consequênci a. quando álcoo l ou m is turas de gaso lina e á lcool são usadas nu m carburador ou ,i:.te ma de injecçào afi na do para gasoli na. uma q uan tid ade de comb ustível infe rio r à necessária será introduzida no mo tor. origina ndo uma combus tão pobre (em excesso de ar). No caso do' é teres esta q uestão não é tão importan te. po is e les apresentam relações estequiomé tricas de valores próx im os das da gasolina. Este e fe ito é resu lt ante da presença de ox igénio na mo lécu la .

Se. po r exe mpl o. usarmos me tan o l. s impli ficada me nte podemos di vid ir a moléc ul a CH.. OH cm C H, e H,O. Usando os peso s a tómicos de C= 12, H= 1 e O= 16. pod e-se ca lc ul a r a percenta gem mássica d este co mposto q ue a rde exote rmi came nte como um hi drocarboneto. como se ndo de 44%. O resta nte é const itu ído por ág ua , n ão reage nte. o qu e result a nu ma necess idade de ox igé nio in ferior à me ta de da du m hidrocarbone to e de um reduz ido calor de combustão (poder ca lorífico). A reacção d e combu stão do me ta no l, ignorand o o azoto do a r , será: ~

CH,PH + 1.5 O,

CO, + 2 H ,O

e em te rmos de volu me de gás. será: Como desvan lagen s, o processo de fabr ico é inefic ien le, apresenl a ndo perdas de cerca de 20% (re la tivamente ao poder calorífi co do ó leo inic ia l), os éste res atacam leveme nte os po líme ros e borrachas e o c usto fi na l é supe r ior ao d o gasó leo (pod e ult rapassar l •/L antes d e impostos). O pode r ca lorífi co (tanto na base máss ic a como volú m ica) é c e rc a de 10% infe rior ao do gasóleo.

2.5 V (reage ntes)

3 V (prod. comb.)

Comparand o com gaso lina (c on side r a nd o a fórm ula CH: ): CH , + 1.5 O,

Es tes és te res podem ser usados em motores Diese l m isturados em gasó leo (co m a ad icio na l vantagem de melhorar a lubrifieidade do gasóleo sem e nxofre) o u no es tado puro. Os países onde se consome mai s ""biodiese l" (de colza) s1io a Fra nça (todo o gasóleo conté m e ntre 1 e 5%). a A le manha e a Áustri a.

~

~

CO, + H 1 0

em termos de volume de gás: 2.5 V (reagentes)

~

2 V (prod. comb .)

Embora sem aplicação nos moto res, um d os éste res ma is conhecid os é o éster ob tido d o áci do n ítr ico e da g lice rin a, vulgar me nte c onh ec ido por nitrogli ce ri na. Este ti po de comb ust íve l não é novo , po is os p rime iros moto res Di esel (dese nvol vidos por Rud olf Di esel) usaram ini c ia lme nte óleos vegetais e a ni ma is como combus tíve l, so mente mudando para óleos mi ne ra is ma is ta rde. Os és te res usara m-se na África do S ul no pe r íodo e ntre-g uerras, po is esse país não te m reser vas de pe tró leo .

226

A re lação en tre o s vo lu me s de p r od utos e reage ntes é m u ito i mpo rtante q u a nd o os álcoo is são u sad os em m oto res, po is pro du zem um ma io r vo l u me de p rodu to s de co mbus tão do q ue a gasol ina, leva ndo a um m a io r t ra ba lh o d e expan são. E s te e fe ito, por vezes d e no min a d o ""alcohol bonu s" (bónu s do álcool - Fig.7. 17) n a lite ratura d e lí ngu a ing les a, r es ul ta num a e fi c iê nc ia g lo b a l do mo tor ma is e l ev ada d o qu e a es perad a, qu a ndo se usa e t anol o u me tano l.

227

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Motores de Combustão Interna

Cap. 7: Combustlveis e l ubrific1ntts

ºº'

o,

é'ten:' diferente' óleo, vegetai' (colza. 'oja. amendoim. girasso l. etc.) 'ão conhecidos por ""b iodiese r· ou por FAME (""éster met íl ico de ác idos gordos .. ). que é a denom inação genérica usada para deno mina r ó leos de origem vegetal e anima l depo is de sofrerem a estcrifica ção ou a transesterifi caçào. e espera-se q ue a sua pene traç ão no mercado europe u seja s ign ificativ a a c urt o prazo. É pos,ívcl usar ta mbém go rdu ras de orige m animal e óleos vegetais usados (na cozinha) nes tes processos. Como bene fícios. têm um índice de cetano superi o r ao gasóleo. têm propriedades lubrificantes (com baixo teor de e nxofre) e. principalmente. o C0 1 produzido é do ciclo de carbono curto (não fóss il ). ou seja . as suas em issões não ··contam·· para o côm puto dos gases de efei to de estufa. A e missão de po luentes (NO,, . HC. CO e mesmo partícu las) é mais ba ixa q ue com gasóleo e é um co mbustíve l biodegrndúvel. O "' biod iese l"" tem meno r viscosidade (Ta b.7.6) q ue os óleos de que derivam.

Tab.7.6 - Algumas propriedades de combustfvei s de origem vegetal

gasóleo

~e nsidade

1

óleo de soja 1

0.85

viscosidade a 40ºC (cSI) 3.0 ~e n xofre (e m massa) 0.036 índice de cetano 50 - 54 poder calorífi co sup. (MJ/kg) 45.4 (Tirado de K LASS ( 1998). F ERGUSON (2001 ))

metílico de soja

éMer 1

1

éster metíl ico de colza (RME)

0 .92 33 o.o 1

0.89 3.9 o.o1

o

39.3

54 - 58 39.8

52 40 .2

,

0.88 4.1

7.5.2.5. Estaqujomet rja da c ombu stão A maior diferença e ntre os combustíveis ox ige nados (nomead;imente os á lcoois) e os ço11\'encionais é. tulvez. a re lação esteq uiomé tr ica a r/c omb us t íve l. Na Tab.7.5 (pg.2 17) pode s.:r visto que 111.:tanol e etanol aprese ntam re lações esteq uio mé lri cas :1r!combus1ível ba stan te inferiore:. à da gaso lina. req uere ndo menos a r para a sua combus tão integral. Como consequênci a. quando álcoo l ou m is turas de gaso lina e á lcool são usadas nu m carburador ou ,i:.te ma de injecçào afi na do para gasoli na. uma q uan tid ade de comb ustível infe rio r à necessária será introduzida no mo tor. origina ndo uma combus tão pobre (em excesso de ar). No caso do' é teres esta q uestão não é tão importan te. po is e les apresentam relações estequiomé tricas de valores próx im os das da gasolina. Este e fe ito é resu lt ante da presença de ox igénio na mo lécu la .

Se. po r exe mpl o. usarmos me tan o l. s impli ficada me nte podemos di vid ir a moléc ul a CH.. OH cm C H, e H,O. Usando os peso s a tómicos de C= 12, H= 1 e O= 16. pod e-se ca lc ul a r a percenta gem mássica d este co mposto q ue a rde exote rmi came nte como um hi drocarboneto. como se ndo de 44%. O resta nte é const itu ído por ág ua , n ão reage nte. o qu e result a nu ma necess idade de ox igé nio in ferior à me ta de da du m hidrocarbone to e de um reduz ido calor de combustão (poder ca lorífico). A reacção d e combu stão do me ta no l, ignorand o o azoto do a r , será: ~

CH,PH + 1.5 O,

CO, + 2 H ,O

e em te rmos de volu me de gás. será: Como desvan lagen s, o processo de fabr ico é inefic ien le, apresenl a ndo perdas de cerca de 20% (re la tivamente ao poder calorífi co do ó leo inic ia l), os éste res atacam leveme nte os po líme ros e borrachas e o c usto fi na l é supe r ior ao d o gasó leo (pod e ult rapassar l •/L antes d e impostos). O pode r ca lorífi co (tanto na base máss ic a como volú m ica) é c e rc a de 10% infe rior ao do gasóleo.

2.5 V (reage ntes)

3 V (prod. comb.)

Comparand o com gaso lina (c on side r a nd o a fórm ula CH: ): CH , + 1.5 O,

Es tes és te res podem ser usados em motores Diese l m isturados em gasó leo (co m a ad icio na l vantagem de melhorar a lubrifieidade do gasóleo sem e nxofre) o u no es tado puro. Os países onde se consome mai s ""biodiese l" (de colza) s1io a Fra nça (todo o gasóleo conté m e ntre 1 e 5%). a A le manha e a Áustri a.

~

~

CO, + H 1 0

em termos de volume de gás: 2.5 V (reagentes)

~

2 V (prod. comb .)

Embora sem aplicação nos moto res, um d os éste res ma is conhecid os é o éster ob tido d o áci do n ítr ico e da g lice rin a, vulgar me nte c onh ec ido por nitrogli ce ri na. Este ti po de comb ust íve l não é novo , po is os p rime iros moto res Di esel (dese nvol vidos por Rud olf Di esel) usaram ini c ia lme nte óleos vegetais e a ni ma is como combus tíve l, so mente mudando para óleos mi ne ra is ma is ta rde. Os és te res usara m-se na África do S ul no pe r íodo e ntre-g uerras, po is esse país não te m reser vas de pe tró leo .

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A re lação en tre o s vo lu me s de p r od utos e reage ntes é m u ito i mpo rtante q u a nd o os álcoo is são u sad os em m oto res, po is pro du zem um ma io r vo l u me de p rodu to s de co mbus tão do q ue a gasol ina, leva ndo a um m a io r t ra ba lh o d e expan são. E s te e fe ito, por vezes d e no min a d o ""alcohol bonu s" (bónu s do álcool - Fig.7. 17) n a lite ratura d e lí ngu a ing les a, r es ul ta num a e fi c iê nc ia g lo b a l do mo tor ma is e l ev ada d o qu e a es perad a, qu a ndo se usa e t anol o u me tano l.

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Motores de Combustão Interna

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20

Fig.7. 17. O "bónus do élcool" mostrado no diagrama p·V usando gasolina e metanol

Fig.7.20 ·Equilíbrio vapor-líquido nas misturas

A natureza polar das moléculas de etanol e metanol resulta numa pressão de vapor re lat ivamente baixa e n uma e levada te mperatura de eb ul ição, q uando comparadas com moléculas de peso semelhante. Seria de esperar. portan to, que misturando álcoois à gasolina diminuísse a sua pressão de vapor, proporcionalmente com as fracções molares. No entanto isto não acontece e nota-se um aumento não linear da di ta pressão quando álcoois são adicionados à gasolina (API, 1976). como pode ser verificado pela Fig.7. 18. Esta figura também evidencia o maior aumento de pressão com adição de metanol. Na F ig.7 . 19 pode -se verificar o enorme desvio da mistura me tanol-gaso l in a em re lação aos valores previstos usando a lei de Raoult de mistura ideal (T1MMERMANS. 1959). Da curva de equilíbrio de concentrações líquido-vapor da Fig .7.20, observa-se que , na reg ião plana. o vapor de me tano l aparece em concentrações muito diferentes das da fase líqu ida. O resu ltado desta in fluênc ia é ilust rada na Fig.7.21, onde se nota uma "bossa" de vo la t ilidade de propo r ções depe nden tes da percentage m do álcoo l empregue. A posição dessa "bossa" é dependente da pressão de vapor do álcool u sado, como se pode verificar na Fig.7.22.

~

nu..1an

~ etanol m

l~

·~"~

5

! ~

E

" = .,"

"ti -o

7.6.4. Outras Propriedades

~

8 .!!? > -20

o

20

40

60

80

too

Além da viscosi dade poderemos necessi tar de outras propried ades dos óleos para cálculos (Tab.7.9). Com o já se referiu , a viscosidade (ci nemática) d iminui com o aumento da temperatura e p ode-se usar a seguinte equ ação para a sua determinação:

Temperatura {°C)

v =e, exp [C/( T - C3 ) + p!C,J

Fig.7.26 - Variação da viscosidade dos óleos com a temperatura

Os óleos de um só g ra u de viscosidade (p.ex. SAE 30) podem ser ad itivados com polímeros de modo a manter a viscosidade a baixa temperatura e a au mentá- la a a lta temperatura , tornandose ass im nu m óleo ·'multigrade" (p.ex. SAE 30W-50). A ad ição destes aditivos faz com que o óleo não se torne mui to fino (com baixa viscosidad e) a a lta tempe rat ura, pois os polímeros "dese nrola m-se", forma ndo cadeias longas q ue man tê m o óleo com uma cert a viscosidade.

242

1

na qual

v - viscosidade cinemática p - pressão [bar)

[m ~/s]

T- temperatura [K]

Os valore s das cons tan te s são ret irados da Tab. 7 .9 .

243

~

Motores de Combustão Interna

Tab.7.9 - Propriedades dos óleos

SAE

5W IOW 15W 20W 20 30 40

so

p

(k2/m 3 J

860 877 879 886 880 886 891 899_ L_

(FERGUSON,

2001)

Cp

C1

C2

C3

e~

(kJikg.K)

(m"t s)

(KJ

(K)

(bar)

900 1066 902 1361 1028 1361 1396 151 8

162 157 173 ISO 16S 140 IS 1 150

433 296 181 105 153 105 91.7 75.2

__ L_

1.99 1.96 l.9S 1.94 l.9S 1.94 1.92 1.91

644xIO=õ 4S3xl0.{) 749x IO.{) 263xl0.{) S67x!0-6 470x10-0 217x l0-6 , 224x l0"6

j

--·---

Cop. 8: Combustão nos ~

Capítulo 8

COMBUSTÃO NOS MOTORES 1

Outras propriedades impo rt a ntes dos ó leos lubrifi can tes são a temperatura de "fl as h '". a temperatura mínima de escoamento ("pour point"). a percentagem de c in zas c om e nxofre e a percentagem de zinco. A te mperatura de "flash" é o ponto em q ue o óleo li berta vapores que podem origi nar combustão em presença de uma cha ma . Quanto menÓr for es ta temperatura ma ior será a tendê ncia para o óleo se vaporizar num motor q ue nte, e o valor mín imo deverá ser de 205ºC, mas interessa qu e seja a mais e levada possível. No mercado aparecem óleos com valores variando e ntre J 80ºC e 270ºC. A temperatura mínima de escoamento é definida co mo 3ºC (SºF) acima do pon to para o qual um óleo refrigerado não apresenta movimento durante 5 segundos, estando inclin ado. Esta característica é especialmente importante para as bai xas tempe raturas de In verno. nas qu a is o ó leo poderá fica r sólido o u tão viscoso que a bomba não o conseg uirá faze r fluir pelo circui to de lu brificação do motor. Este valor vari a en tre -20ºC e -60ºC, en tre os vári os ó leos d o mercado.

8.1. COMBUSTÃO NOS MOTORES DE IGNIÇÃO COMANDADA (IC) No mo lor convenc io nal de ignição comandada (lambém con hecido por "ignição por faísca", •·a gasolina" ou "de explosão") o a r e o combu stíve l mi s1uram-se no co lector de a dm issão, passam pe la vá lvu la de admissão e são compri midos pe lo pi s tão para o volume da câm ara de combustão. Perto do PMS ini cia-s e ·a com b ustão, atrav és duma faísca e léctrica que salta enlre os eléc1rodos da vela . Ap ós a infla maç ão da mi s 1ura ness a reg ião. a frente de cha ma é p r opagada ao res1an1e vol ume de mi s1ura, se ndo extinguida nas parede s da câmara e do c ilindro.

A percentagem de cinzas com enxofre re prese nta a quantidade d e materia l sólido que permanece quando o ó leo é queimado a alta temperatura. Um óleo com e levado teor de cinzas tem tendênci a para criar depós itos c arbonosos no motor e um com baixo teor de cin zas parece aumentar a longev idade das vá lvulas ( por ausênc ia de depósitos). O zinco é adici onado ao óleo para lhe me lh orar as caracte ríst icas e m condições extremas de pressão e para lhe conferir propriedad es anti- fri cção. O z in co é importante so mente quando as cond ições de fun c ion amento da s partes móve is implicam contacto metal metal. altura e m que o z inco anteriormente depositado nas supe rfícies reduz a poss ibilidade de g ripagem . Motores d e elevadas pre stações, prin c ipa lmente motores de motos arrefecidos por ar, deverão usar óleos com elevada percentagem de zi nco, princi palme nt e para que a sua protecção sej a estendida para a vida normal do óleo. Como desvantagens do elevado teor de zinco podem-se aponta r os depósitos e o sujame nto das ve las. Uma importante informação é que, para uso normal. não se devem usar aditivos (comprados nas lojas da espec ialidade com o intuito de reduzir atritos ou desgas tes) para os ó leos do mo1or. poi s estes alte rarão as dife rentes propriedades an1eriormen1e apresenladas. Porém, e m casos específicos (competição, molores usados. etc.). es1es adi1ivos pode rão represen1 ar uma mai s va li a para o motor, 1an10 pela red ução dos a1ri1os como pela melhoria do funcionamento do molor.

A frente de cha ma é. 1eoricam en1e, de propagação esférica. Na prál ica, como a propagação da frente de chama é turbulen ta e não lami na r . a frenle de chama desenvol ve-se numa forma irregu lar. que pode variar de ciclo para ciclo. Numa câmara de ve la cen1ral, a frenle de c ham a atinge as pa re des desla aproxi madam e nl e 15º depoi s do PMS (ângu lo da cambota), mas a comb ustão pode conlinuar por mais 5 ou 10° (F ig.8 .1 ). Nesla figura pode-se ver ificar a diferença entre 5 ciclos s ucessivos. A forma irregu lar de propagação da frente de c hama é causada, não só pelo d ese nvolvime n1 0 lurbule nto da

' Esta tempero1ura de "ílash" é 101almen1c dif motorei. Diesel tais problemas não se põem poi s trabalham a veloc idade s me nores. incorrendo em perdas de carga menos importantes.

(oscilanic)

Deflcc1or

Admissão fig .e.e - Processo utilizado para visualizar a combustão

8.2. PARÂMETROS DA COMBUSTÃO NOS MOTORES DE IC São vár ios os parãme tros importantes para o desenrolar d uma comb ustão eficie nte, r ápida e completa. Estes poderão estar relacionados com a geometria do motor. tais como o desenho da câmara de comb ustão, taxa de compressão e turbul ê ncia, ou com o comando do motor, tais como avanço da ig ni ção, r iqueza e n íve l de preparação da mist ura. carga e ve loc idade do motor e característi cas do combus tív e l. Iremos disc utir sepa radamente cada um des tes parâmetros. É importante que a combustão se inicie faci lmente e se propngue à ve locidade m:íximn possível. Se a propngação fosse instantânea. cairíamos no caso do ciclo teór ico de combustão a vol ume co nstante que. como já se viu no Cap.2, apresenta um rendim ento muito elevado. Como a secção sobre a geometria das câmaras de combustão é bastante importante , ela aparecerá num subcapítulo diferente.

fig.e.9 - Turbulência ("swirl"I criada por um deflector da válvula de admissão

fig.e.1 o

- Criação de turbulência ("swirl") usando um colector de admissão curvo

Nos motores de 4 vá lvu las por c ilindro existe a criação dum tu rb ilhão d e e ixo perpe ndicu lar ao eixo do c ilindro, denominado .. turbilhão em barril .. ( .. barrei swi rl" ou .. tumble" em inglês, Fig.8.1 1) que é inten sificado aquando da compressão da mistura. Neste tipo d e motores (com 2 vá lvulas de admissão) pode-se a inda aumentar a turbulência da mi stura fechando total ou parcialmente uma das válvul as (Fig.8. 12) . Neste caso usam-se válvulas de borboletas na conduta que leva a uma das válvu las de cada ci lindro, o u ac tua-se sobre a árvore de carnes, co mo nal g uns motores VTEC da Honda .

o 8.2.1. Turbulência borboleta

A combu s tão duma mi stura estac ionária (sem movimento e sem turbulência) é efectuada a uma ve loc idade extraord inariamen te ba ixa . Tal co mbustão não poderi a veri fi car-se num motor que rodasse a vel ocidade med ia na o u e levada. Na prát ica, como a m is tura tem de ser escoada através de condutas e rest riç ões (válv ula de adm issão) e se r comprimida no ci li ndro, e la apresentará uma e levada turbu lê ncia na altura da combus tão. Neste caso, a ve locidade de co mbu stão pode ser mais de 10 vezes superior ao caso da mistu ra estaci onária. Há três fo rmas de produzir tu rb ulê nc ia num motor; "swirl", em barril ou "tumble" e "sq ui sh". Sobre estes fa lar-se-á nos parágrafos seguintes.

250

fig.e.11 ·formação do turbilhão em "barril" ("tumble"I em motores de 4 válv. por cilindro

Fig.e.12 - formação de turbulência ("swirl") pelo uso duma válvula na conduta de admissão

Um outro processo de au mentar a turbu lênc ia dum motor é o "squish" (Fig.8.13), que consiste no .. es magamento" da mistura na periferia da câmara de combustão quando o pistão sobe até à sua posição ma is elevada (PMS). A mi stu ra q ue estava nesse lugar é viole nta men te at irada para o centro da câmara. produzindo u m níve l de turbulência mui to e levado. Os processos de criação de turbulência apresentados ( .. sw irl ". ·'tumble" e ·•squish") referem-se

251

Motores de Combustlo Interna

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _c_, 1p. 8: Combustão nos Motores

~~~~~~~~~~~~~~~~~~-

E>te método foi iniciado nos anos 30. utilizando-se uma câmara de v:ílvulas laterais e uma janela de quartzo na culassa. Estas imagens podem ser fotografadas a alta velocidade. para se poderem estudar mais !arde. Co m estes processo' é possíve l medir-se o atra~o da ignição. a ve locidade de propagação da chama. etc. Ac tualm en!e u!>am-'e pistõ.:' com coroa em quartzo. parn se observar o fun cioname nto de motores com v:ílv ulas à cabeça (F ig.8.8). A velocidade de propagação da c hama pode-se também medir usando detectores de radiação ou sensores de temperatura espa lhado s pela s uperfície da câmara de co mbu stão. À medida que a f ren te de chama passa po r cada uma dessas localizaçõ es. os se nsores recebem essa informação, que pode ser pos teriorme nte processada.

Janela de qU:lrt70

Pi>lilo

modificudo

Visor !lho)

O aumento da turbu lência da mistura por .. swir l.. pode ser consegu ido à custa da inserção de ob'1:ículos no escoam motorei. Diesel tais problemas não se põem poi s trabalham a veloc idade s me nores. incorrendo em perdas de carga menos importantes.

(oscilanic)

Deflcc1or

Admissão fig .e.e - Processo utilizado para visualizar a combustão

8.2. PARÂMETROS DA COMBUSTÃO NOS MOTORES DE IC São vár ios os parãme tros importantes para o desenrolar d uma comb ustão eficie nte, r ápida e completa. Estes poderão estar relacionados com a geometria do motor. tais como o desenho da câmara de comb ustão, taxa de compressão e turbul ê ncia, ou com o comando do motor, tais como avanço da ig ni ção, r iqueza e n íve l de preparação da mist ura. carga e ve loc idade do motor e característi cas do combus tív e l. Iremos disc utir sepa radamente cada um des tes parâmetros. É importante que a combustão se inicie faci lmente e se propngue à ve locidade m:íximn possível. Se a propngação fosse instantânea. cairíamos no caso do ciclo teór ico de combustão a vol ume co nstante que. como já se viu no Cap.2, apresenta um rendim ento muito elevado. Como a secção sobre a geometria das câmaras de combustão é bastante importante , ela aparecerá num subcapítulo diferente.

fig.e.9 - Turbulência ("swirl"I criada por um deflector da válvula de admissão

fig.e.1 o

- Criação de turbulência ("swirl") usando um colector de admissão curvo

Nos motores de 4 vá lvu las por c ilindro existe a criação dum tu rb ilhão d e e ixo perpe ndicu lar ao eixo do c ilindro, denominado .. turbilhão em barril .. ( .. barrei swi rl" ou .. tumble" em inglês, Fig.8.1 1) que é inten sificado aquando da compressão da mistura. Neste tipo d e motores (com 2 vá lvulas de admissão) pode-se a inda aumentar a turbulência da mi stura fechando total ou parcialmente uma das válvul as (Fig.8. 12) . Neste caso usam-se válvulas de borboletas na conduta que leva a uma das válvu las de cada ci lindro, o u ac tua-se sobre a árvore de carnes, co mo nal g uns motores VTEC da Honda .

o 8.2.1. Turbulência borboleta

A combu s tão duma mi stura estac ionária (sem movimento e sem turbulência) é efectuada a uma ve loc idade extraord inariamen te ba ixa . Tal co mbustão não poderi a veri fi car-se num motor que rodasse a vel ocidade med ia na o u e levada. Na prát ica, como a m is tura tem de ser escoada através de condutas e rest riç ões (válv ula de adm issão) e se r comprimida no ci li ndro, e la apresentará uma e levada turbu lê ncia na altura da combus tão. Neste caso, a ve locidade de co mbu stão pode ser mais de 10 vezes superior ao caso da mistu ra estaci onária. Há três fo rmas de produzir tu rb ulê nc ia num motor; "swirl", em barril ou "tumble" e "sq ui sh". Sobre estes fa lar-se-á nos parágrafos seguintes.

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fig.e.11 ·formação do turbilhão em "barril" ("tumble"I em motores de 4 válv. por cilindro

Fig.e.12 - formação de turbulência ("swirl") pelo uso duma válvula na conduta de admissão

Um outro processo de au mentar a turbu lênc ia dum motor é o "squish" (Fig.8.13), que consiste no .. es magamento" da mistura na periferia da câmara de combustão quando o pistão sobe até à sua posição ma is elevada (PMS). A mi stu ra q ue estava nesse lugar é viole nta men te at irada para o centro da câmara. produzindo u m níve l de turbulência mui to e levado. Os processos de criação de turbulência apresentados ( .. sw irl ". ·'tumble" e ·•squish") referem-se

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Cap. B: Combustlo nos Motores

Molores de Combuslão lnlun1

a macro-turbulência. Porém. a micro-turbu lência é também muitíssimo importante na estabilidade da combustão. A micro-turbulência pode acontecer num fluido globalmente parado. mas dotado de uma intensa agitação local. Ela existe a dois níveis. em forma de micro-vórtices e a nível molecular. Os três tipos de macro-turbult!nc ias transformam-~e. em grande parte. em micro-turbuli! ncia aquando da chegada do p istão ao PMS. mas o rest:Jnte dissipa-se cm calor. havendo sempre uma macro-turbulência residual. De notar que a zona da vela deverá ter somente micro-turbulência. não devendo ha ver grandes movimentos de mi st ura (macro-turbulência) aquando da ignição.

m

Fig.8.13 - Formação de turbulência por ·squish"

A velocidade de propagação de chama é aproximadamente proporciona l à ve locidade média do pi stão poi s. com o aumento desta , a turbulência aume nta propo rc ionalme nte. Ass im , num motor de ignição comandada a velocidade de propagação de chama é praticamente proporcional à sua velocidade de rotação. No entanto. o avanço à ignição ter:i de ser aumentado com o aumento do reg ime, pois existe um tempo de iniciação da combustão em que o regime é lam inar e portanto indepe nden te da rotação do motor. pel o qu e o ângulo por ele gas to cresce com o a um e nto de ve loc idade. No motor Diesel a turb ulê ncia é fundamental para m1 111mizar os a trasos da sua co mbu stão. Neste caso temos dois a trasos: um físico, re lati vo aos p roc essos de vaporização e de mi stura do com bus tíve l co m o a r e d a sua tran sfe rência de calor e outro químico relat ivo às reacções químicas de c ombustão. Este atraso físico- qu ím ico depe nde d a pressão e da te mperatura do ar, a lém d e outros parâmetros nomeada me nte a turbulê ncia e o g rau de pulveri zaçiio.

que .~ e obte nh a o valor máximo de pressão logo após o PMS e para isso a faísca deve ocorrer .:om um certo avanço (antes) em relação ao PMS. Se a ignição for progressivame n te avançada (Fig.8.1-1-a. de 10" a té 50") o trabalho real izado pelo pistão no seu movimento ascens ional (antes de PAIS) vai sendo maior. Mas como o trabalho realizado sobre o pistão na s ua descida é de valor muitíss imo mais elevado. o resultado final é beneficial para maiores avanços da ign ição (até um limite). A pres são máxi ma d o ciclo aumenta. assim como a taxa de au mento de pressão. re:-.ultando nu m au mento de binário do motor , como se pode ver na Fig .8. 14-b. Porém, a partir dum cert o va lor . aumentar o avanço resulta nu ma diminuiçiio do binário . Avanços exagerados da ignição resu ltarão no aumento excessivo da pressão du rante a subida do pistão. reduzindo a sua componente útil. Isto é o que acontece para o avanço de 50º da Fig.8. 14-a. em que a máx im a pressão do ciclo se desenvolve muito perto do PMS. Ass im, o trabalho con tra o p is tão é de elevado valor, resu ltando num biná ri o efectivo muito reduzido . O pon to de máximo biná ri o é conhecido por MBT (maximum brake torque) , ou po nto do máximo binário efectivo. 100

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1

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MBT

ªº-10

20 30 Avnnço da igniçlio

Ângulo de cambota

8.2.2. Taxa de Compressã o

Fig.8.14 ·a) Pressão no ci lindro função da posição do pistão para diferentes avanços da ignição; bl Diminuição percentual do binério com o avanço da ignição

Aumentando a taxa de compressão consegue-se um a ve locidade de chama m ais elevada, pois a pressão e temperatura da mistu ra são mai s elevadas no in stante da ign ição e da posterior propagação. A elevação da pressão e da temperatura ocasiona a qu e a e nergia necessária para a igni ção da mi stura sej a mai s baixa, orig inando um iníc io de combu stão mais fácil e rápido. Da mesma manei ra , a propagação da frente de chama é também mais rápida. origi nando velocidades de comb ustão elevadas. O aumento da taxa de compressão pod e também levar a um aumento da tu rbulência d a mistura que, como se vi u, ta mbé m favorece a combustão.

Avanços excess ivos pode m també m dar o ri gem a o ''k nock" (Fig.8. 15), como ser á exp licado mai s ta rde. Nos mo tores providos de ignição e lectró nica digital. o mapa da ign ição é elaborado com valores de MBT para cada veloc idade e carga do motor, salvo casos em que a e levada produção de NOx obriga ao uso de me nores avanços.

8.2.3. Avanço da Ignição

A determinação do ponto de MBT é re lativamente difícil pois , como se pode observar na Fi g.8. 14- b, a c urva é basta nte hori zontal nas imediações des te ponto. Por esta ra zão utilizam -se, por vezes, regras práti c as para a sua d e termin ação: a pressão máxi ma deve ocorrer cerca de 16º de poi s do PMS; me tade da mistura deve estar queimada 1Oº depoi s do PMS.

A combustão deve acontecer perto do PMS para se o bter o máximo de bin ário e potência. Como esta se inicia com a faísca entre os e léctrodos da vela, o insta nte da sua ocorrência é o momento importante da decisão da combustão. A ignição deve se r posicionada de maneira a

252

40

i PMI

PMS

PM t

Fig.8.15 - ºKnockº resultante de excessivo avanço da ignição

253

Cap. B: Combustlo nos Motores

Molores de Combuslão lnlun1

a macro-turbulência. Porém. a micro-turbu lência é também muitíssimo importante na estabilidade da combustão. A micro-turbulência pode acontecer num fluido globalmente parado. mas dotado de uma intensa agitação local. Ela existe a dois níveis. em forma de micro-vórtices e a nível molecular. Os três tipos de macro-turbult!nc ias transformam-~e. em grande parte. em micro-turbuli! ncia aquando da chegada do p istão ao PMS. mas o rest:Jnte dissipa-se cm calor. havendo sempre uma macro-turbulência residual. De notar que a zona da vela deverá ter somente micro-turbulência. não devendo ha ver grandes movimentos de mi st ura (macro-turbulência) aquando da ignição.

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Fig.8.13 - Formação de turbulência por ·squish"

A velocidade de propagação de chama é aproximadamente proporciona l à ve locidade média do pi stão poi s. com o aumento desta , a turbulência aume nta propo rc ionalme nte. Ass im , num motor de ignição comandada a velocidade de propagação de chama é praticamente proporcional à sua velocidade de rotação. No entanto. o avanço à ignição ter:i de ser aumentado com o aumento do reg ime, pois existe um tempo de iniciação da combustão em que o regime é lam inar e portanto indepe nden te da rotação do motor. pel o qu e o ângulo por ele gas to cresce com o a um e nto de ve loc idade. No motor Diesel a turb ulê ncia é fundamental para m1 111mizar os a trasos da sua co mbu stão. Neste caso temos dois a trasos: um físico, re lati vo aos p roc essos de vaporização e de mi stura do com bus tíve l co m o a r e d a sua tran sfe rência de calor e outro químico relat ivo às reacções químicas de c ombustão. Este atraso físico- qu ím ico depe nde d a pressão e da te mperatura do ar, a lém d e outros parâmetros nomeada me nte a turbulê ncia e o g rau de pulveri zaçiio.

que .~ e obte nh a o valor máximo de pressão logo após o PMS e para isso a faísca deve ocorrer .:om um certo avanço (antes) em relação ao PMS. Se a ignição for progressivame n te avançada (Fig.8.1-1-a. de 10" a té 50") o trabalho real izado pelo pistão no seu movimento ascens ional (antes de PAIS) vai sendo maior. Mas como o trabalho realizado sobre o pistão na s ua descida é de valor muitíss imo mais elevado. o resultado final é beneficial para maiores avanços da ign ição (até um limite). A pres são máxi ma d o ciclo aumenta. assim como a taxa de au mento de pressão. re:-.ultando nu m au mento de binário do motor , como se pode ver na Fig .8. 14-b. Porém, a partir dum cert o va lor . aumentar o avanço resulta nu ma diminuiçiio do binário . Avanços exagerados da ignição resu ltarão no aumento excessivo da pressão du rante a subida do pistão. reduzindo a sua componente útil. Isto é o que acontece para o avanço de 50º da Fig.8. 14-a. em que a máx im a pressão do ciclo se desenvolve muito perto do PMS. Ass im, o trabalho con tra o p is tão é de elevado valor, resu ltando num biná ri o efectivo muito reduzido . O pon to de máximo biná ri o é conhecido por MBT (maximum brake torque) , ou po nto do máximo binário efectivo. 100

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8.2.2. Taxa de Compressã o

Fig.8.14 ·a) Pressão no ci lindro função da posição do pistão para diferentes avanços da ignição; bl Diminuição percentual do binério com o avanço da ignição

Aumentando a taxa de compressão consegue-se um a ve locidade de chama m ais elevada, pois a pressão e temperatura da mistu ra são mai s elevadas no in stante da ign ição e da posterior propagação. A elevação da pressão e da temperatura ocasiona a qu e a e nergia necessária para a igni ção da mi stura sej a mai s baixa, orig inando um iníc io de combu stão mais fácil e rápido. Da mesma manei ra , a propagação da frente de chama é também mais rápida. origi nando velocidades de comb ustão elevadas. O aumento da taxa de compressão pod e também levar a um aumento da tu rbulência d a mistura que, como se vi u, ta mbé m favorece a combustão.

Avanços excess ivos pode m també m dar o ri gem a o ''k nock" (Fig.8. 15), como ser á exp licado mai s ta rde. Nos mo tores providos de ignição e lectró nica digital. o mapa da ign ição é elaborado com valores de MBT para cada veloc idade e carga do motor, salvo casos em que a e levada produção de NOx obriga ao uso de me nores avanços.

8.2.3. Avanço da Ignição

A determinação do ponto de MBT é re lativamente difícil pois , como se pode observar na Fi g.8. 14- b, a c urva é basta nte hori zontal nas imediações des te ponto. Por esta ra zão utilizam -se, por vezes, regras práti c as para a sua d e termin ação: a pressão máxi ma deve ocorrer cerca de 16º de poi s do PMS; me tade da mistura deve estar queimada 1Oº depoi s do PMS.

A combustão deve acontecer perto do PMS para se o bter o máximo de bin ário e potência. Como esta se inicia com a faísca entre os e léctrodos da vela, o insta nte da sua ocorrência é o momento importante da decisão da combustão. A ignição deve se r posicionada de maneira a

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Fig.8.15 - ºKnockº resultante de excessivo avanço da ignição

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Molorts dt Combustlo Interne

8.2.4. Qualidade da Faísca Uma faísca de verá fornecer cerca de 50 mJ de energia durante um período que pode varia r entre 10 e 1000 µs. A posiç ão da faísca depende do tipo de vela que se usa e da po ~ição da vela na câmara de combustão. Já foi dito que é importante c~se local ser o mais central possível. de modo a promover um buixo tempo de combustão. Uma faísca com pouca energia poderá não ser suficiente para iniciar :1 combustão (partic ularmente em misturas pobres ou a baixa temperatura) mas muita energia dará origem a grande desgas te das velas e ao aumento da s ua temperatura. Um dos problemas com a faísca acontece a elevadas ve locidades de rotação. pois nessas c ircunstâncias há pouco te mpo de ··ene rgização .. do s istema de ignição. resultando em faíscns de baixa energia. Tnl era comum nos sis temas de platinado o u e lectrón icos com ângulo em "dwell" fi xo. Os actuais s istemas digitais alteram o ângu lo em .. dwell .. com a ro tação do motor. re mediando. e m parte. este problem:1. Para melhorar o funcionamen to des tes sistemas. usa-se uma bobine por vela. colocadas sobre estas (os sistemas antigos tinham somente um a bobine para os vários cilindros). Os sistemas de magneto geralmente não têm este tipo de problema. pois a energia dissipada por ciclo é aproximadamente constante .

8.2.5. Riqueza da Mistura A ve loc idade máxima de combustão é conseg uida para valores de riqueza ligeiramente s upe riores à estequio métrica, ou sej a para os mesmos valores a que ocorre o binário máximo. Os motores de queima pobre apresentariam velocidndes de combustão relativamente baixas se a turbulência da m istura não fosse suficientemente aumentada . Com grande turbulência e taxas de compressao e le vadas, este tipo de motor consegue queimar a mistura a velocidades super iores a um motor convenciona l e como utiliza misturas pobres. a emissão de poluentes é reduzida . A dispersão cíclica aumenta com o empobrecimento da mistura, pois há maior probabi lidade de ocorrência de pontos excess ivamente pobres nas imed iações d os el éc trodos da vela. O aumento da tu rbulência e da ta xa de compressão reduz a dispersão, pois melhora a homogeneização da carga.

Cap. 8: Combustão nos Molores

multiponto. de~de que se aqueça sufi c ie nt emente a mistura . A homogénea possível (sendo necessário intensificar a refrigeração nalguns pontos e red uzi- la noutros): - as \'álvula-. devem ser colocada~ de maneira a que maximizem a área de passagem do' ga'e' (ou usar cabeças muhivá l vu las). formando uma câmara compacta e não M:rem suficientemen te g rand e' de maneira a dificultar o seu arrefecimento . princ i palmente a de escape (mais uma vez se devem ut ilizar cabeças mu l tivá l vu las): - a turbulência d a mistu ra deve se r e levada. mas não deverá penalizar grandemen te o enchi mento . Um bom exemplo deste t ipo de câma ra ideal é o existente em a lgumas motos monoc ilíndri cas (e também nos motores de Formula 1). com 4 válvulas co locadas radia l mente. Desta mane i ra consegue-se uma câmara quase hemisfé ri ca. com co locaçilo central da ve la. vál vulas de escape de peque no diâmetro {comparativamen te a motore s d e 2 válvulas) e portanto com bom escoamento de ca lor, que pode ser aumentado com o r ec urso à utili zação de sód io no seu in terior. O e nc him e nt o é m ui to e levado. pois a área de pas sagem do s gases é amp la. per miti ndo potências e'specíficas e levadíssimas (m uito acima d os 100 cava los por litro). Seguidamente mostram-se alguns dos t ipos mais importantes de câm aras uti lizados em motores a gasolin a. não procurando ser. no e n ta nto. exaust i vo.

8.3.1. Câmara em "L" e em 'T' (de válvulas laterais) Este tipo de câmaras (Fig.8. 16 -a.b e Fig.8.17) são denomi nados de válvulas laterais , poi s as vál vu las aparecem ao lado dos ci lindros. A câmara de co mbustão consiste no volume que fa z a ligação e ntre o c ilindro e as vál vulas. Estas câmaras utilizaram -se até aos anos 50 ou 60 e as suas princ ipais vantagens residem na fac il idade de fabri co da cu lassa {trata-se somente duma tampa, sem mecanismos) resu lta ndo n um baixo c usto de produção. As válvu las são accionadas

K) a) Camara em L

o

bl Camara em T Fig.8.16 - Camaras de válvulas laterais

258

Cap. 8: Combustão nos Motores

dir.:ctamente por uma só árvore de cames (caso da câmara em "L"> ou por duas árvores de cames laterai' (caso da em "T"). O uso da câmara em "L" origina que o diâmetro das vál vulas ,.:ja inferior a metade do do cilindro. O uso da câmara em ··T" não apresenta essa condic io nante. mas a câmara de combustão fica ainda mai s extensa. sendo mais propensa ao ··t..nock" e obriga ao uso d e duas árvores de cames. Em qualquer do~ casos. a vela d eve-se colocar sob re a válvula de escape. pois este é o ponto mais quente da câmara. Estes tipos de câmaras são m ui to sujeitos à ocorrência do "'knock ... pelo que a sua taxa de com pressão não poderá ultrapa ssar os 4: 1. A sua compac idade é baixa. e,tando sujeita a muitas perdas de calor pelas paredes da câmara e é de queima lenta. O rendimento d e motores usando este tipo de câmara é ex tremamen te baixo.

8.3.2. Câmara de Turbulência ou de #Ricardo " Tra ta-se du m a câmara em "L" à qual é aumentada a turbulên cia, criando-se uma zona de "squish" (esmagamen to) d a mis tura entre o pistão (no PMS ) e a parede su pe r ior {Fig.8. 18, Fig.8. 19). Nesta zona. o pistão prati camente toca a culassa, sendo a mis tura a comprimir violentame n te empurrada para a câmara propriame nte dita, prod uz indo-se e levada turbu lê nc ia.

o

rcw-:\

~

Fig .8.19 - Corte em motor com Esta é hemisférica e encon tra-se camara de "Ricardo" deslocada para cima das válvul as. Mais Fig.8.18 - Camara de turbulência (neste ca so trata-se de uma vez a ve la é colocada pe rt o da ou -Ricardo" um motor Diesel! vál vu la de escape. A velocidade de combustão é muito mais e levada que nas câmaras de tipo a nterior, proporcionando o u so de taxas de co m p ressão superiores (cerca de 6: l ), maiores veloc id ades e melhores rend im e n tos. Este tipo de câmara foi i nven tada por Si r Harry Ri ca rdo, um grande impul s io nador da técn ica de motores de e levado rend i men to e ainda nos nossos dias se utiliza em pequenos motores d e m o toc ultivadores e bombas.

8.3.3. Câ mara em Banheira

Fig.8.17 - Culassa com cAmaras em L

Com o o seu nome ind ica, este tipo de câ mara é formado por uma cavidade em fo rm a d e fundo de banheira (Fig.8.20). As válvulas são paralelas e o se u e ixo ge ra l mente é paralelo ao do cil indro . A vela coloca-se numa posi ção latera l, colocando-se com o se u eixo inclinado em relação ao do ci lind ro. É re lati vame nt e compacta, mas o diâmetro das válvulas é condicionad o

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Motores de Combustlo Interna

--~-

- a área de frente de chama deverá aumentar com a sua progressão: - a~ paredes ( \'álvula!. e \'ela incluídos) deverão ter uma temperatura o mai'> homogénea possível (sendo necessário intensificar a refrigeração nalguns pontos e red uzi- la noutros): - as \'álvula-. devem ser colocada~ de maneira a que maximizem a área de passagem do' ga'e' (ou usar cabeças muhivá l vu las). formando uma câmara compacta e não M:rem suficientemen te g rand e' de maneira a dificultar o seu arrefecimento . princ i palmente a de escape (mais uma vez se devem ut ilizar cabeças mu l tivá l vu las): - a turbulência d a mistu ra deve se r e levada. mas não deverá penalizar grandemen te o enchi mento . Um bom exemplo deste t ipo de câma ra ideal é o existente em a lgumas motos monoc ilíndri cas (e também nos motores de Formula 1). com 4 válvulas co locadas radia l mente. Desta mane i ra consegue-se uma câmara quase hemisfé ri ca. com co locaçilo central da ve la. vál vulas de escape de peque no diâmetro {comparativamen te a motore s d e 2 válvulas) e portanto com bom escoamento de ca lor, que pode ser aumentado com o r ec urso à utili zação de sód io no seu in terior. O e nc him e nt o é m ui to e levado. pois a área de pas sagem do s gases é amp la. per miti ndo potências e'specíficas e levadíssimas (m uito acima d os 100 cava los por litro). Seguidamente mostram-se alguns dos t ipos mais importantes de câm aras uti lizados em motores a gasolin a. não procurando ser. no e n ta nto. exaust i vo.

8.3.1. Câmara em "L" e em 'T' (de válvulas laterais) Este tipo de câmaras (Fig.8. 16 -a.b e Fig.8.17) são denomi nados de válvulas laterais , poi s as vál vu las aparecem ao lado dos ci lindros. A câmara de co mbustão consiste no volume que fa z a ligação e ntre o c ilindro e as vál vulas. Estas câmaras utilizaram -se até aos anos 50 ou 60 e as suas princ ipais vantagens residem na fac il idade de fabri co da cu lassa {trata-se somente duma tampa, sem mecanismos) resu lta ndo n um baixo c usto de produção. As válvu las são accionadas

K) a) Camara em L

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bl Camara em T Fig.8.16 - Camaras de válvulas laterais

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Cap. 8: Combustão nos Motores

dir.:ctamente por uma só árvore de cames (caso da câmara em "L"> ou por duas árvores de cames laterai' (caso da em "T"). O uso da câmara em "L" origina que o diâmetro das vál vulas ,.:ja inferior a metade do do cilindro. O uso da câmara em ··T" não apresenta essa condic io nante. mas a câmara de combustão fica ainda mai s extensa. sendo mais propensa ao ··t..nock" e obriga ao uso d e duas árvores de cames. Em qualquer do~ casos. a vela d eve-se colocar sob re a válvula de escape. pois este é o ponto mais quente da câmara. Estes tipos de câmaras são m ui to sujeitos à ocorrência do "'knock ... pelo que a sua taxa de com pressão não poderá ultrapa ssar os 4: 1. A sua compac idade é baixa. e,tando sujeita a muitas perdas de calor pelas paredes da câmara e é de queima lenta. O rendimento d e motores usando este tipo de câmara é ex tremamen te baixo.

8.3.2. Câmara de Turbulência ou de #Ricardo " Tra ta-se du m a câmara em "L" à qual é aumentada a turbulên cia, criando-se uma zona de "squish" (esmagamen to) d a mis tura entre o pistão (no PMS ) e a parede su pe r ior {Fig.8. 18, Fig.8. 19). Nesta zona. o pistão prati camente toca a culassa, sendo a mis tura a comprimir violentame n te empurrada para a câmara propriame nte dita, prod uz indo-se e levada turbu lê nc ia.

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Fig .8.19 - Corte em motor com Esta é hemisférica e encon tra-se camara de "Ricardo" deslocada para cima das válvul as. Mais Fig.8.18 - Camara de turbulência (neste ca so trata-se de uma vez a ve la é colocada pe rt o da ou -Ricardo" um motor Diesel! vál vu la de escape. A velocidade de combustão é muito mais e levada que nas câmaras de tipo a nterior, proporcionando o u so de taxas de co m p ressão superiores (cerca de 6: l ), maiores veloc id ades e melhores rend im e n tos. Este tipo de câmara foi i nven tada por Si r Harry Ri ca rdo, um grande impul s io nador da técn ica de motores de e levado rend i men to e ainda nos nossos dias se utiliza em pequenos motores d e m o toc ultivadores e bombas.

8.3.3. Câ mara em Banheira

Fig.8.17 - Culassa com cAmaras em L

Com o o seu nome ind ica, este tipo de câ mara é formado por uma cavidade em fo rm a d e fundo de banheira (Fig.8.20). As válvulas são paralelas e o se u e ixo ge ra l mente é paralelo ao do cil indro . A vela coloca-se numa posi ção latera l, colocando-se com o se u eixo inclinado em relação ao do ci lind ro. É re lati vame nt e compacta, mas o diâmetro das válvulas é condicionad o

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Motor es de Co mbustão Interna

----

pelo do pistão. tendo se ser inferior a metade d este. O enchimento da câmara é ainda penalizudo pelo facto de=. em grande pa rte do perímetro da> vá l vulas. ha,·e r uma parede. 'e ndo d ifícil a e n trada e saída dos gases. A ex istê nc ia de arestas vi va' dificul!a ai nd a ma is o seu enchimen to . origina pontos qu.:ntes e a formação de depós i tos carbonosos. O seu custo de fabrico é baixo. poi, é de 'imp lc' execução. com fu rações paralelas e necessita duma só árvore de ca mes à cabeça •e m balan ceiros. ou uma só fila de balance iros igua is (caso de árvore de ca mcs lateral). Os pi stões são. geralmente . de topo plano.

Fig.8.20 - camara em "fundo de banheira·

8.3.4. Câmara em Cunha ou Triangular A câmara em cu nh a (Fig.8.2 1. Fi g .8. 22) apresenta as vantagens da câmara a nte rior. e mbora as fura ções sejam mais difíceis de efectuar. As vál vu las são pa ra lelas e ntre si (Fig.8.2 1). m as inclinadas em relação ao eixo do ci lindro. A co mpaci dade é superio r à sol ução an te r ior. além de se e li minarem parte das a restas v ivas. As vantagen s de queima des te tipo de câmara foram postas à p rova pela sua utilização em au to móveis de carácte r desporti vo. como no caso d o Pe ugeot 205 GTI dos anos 80. Neste caso. u tilizava-se uma única árvore de cames à c abeça, impulsi ona ndo directamente as vá l vu las . A vela e ncontra va-se nu ma Fig.8.22 - Fotografias de posição m ais centra l que no caso ante rior. camaras em cunha, Embora as vá lv ul as sejam de di âmetro Fig.8.21 - Cãmara em cunha com e sem válvulas semelhante às d a câmara em banheira. a inexistência de pared es late rai s à volta de metade da pe riferi a de cada válvula , permite melho res e nc hime ntos. Os pi stões, e mbora possam se r de topo plano, são gera l men te curvos e aprese ntam "bossas" para que as vál v ulas não o atinjam, aquando do se u "cru zamento•·.

[!]

®

Cap. 8: Combustão nos Motores

Para q ue a taxa de compressão seja elev ada e p:1ra que o ângulo de inclina ção da s , álvulas seja gene roso (de forma a aumentar o se u diâm e tro). a coroa do pi,tão ted de ser convex a (introduzi ndo-se na câmara). de maneira a formar uma cftma ra com o menor vol ume poss í ve l.

A vela terá de se r colocada numa pos ição lateral. pod e ndo-se colocar 2 ve las. para q ue o trajecto da frente de chama seja o mais c urto possível, proporcionando uma combustão rápida. Es ta foi a so lução dos motores Twin Spark de 2 vál v ulas da Alfa Romeo.

Fig.8.23 - Fotografia de camara hemisférica

®

Fig.8.24 - Camara hemisférica O se u custo é e levado. pois as furações para a s válvulas têm duas direcções, a forma da parede é praticamente esférica e necessita de dupla á rvore de c ames à cabeça (impulsi onando directamente as válvu las) ou de doi s e ixos d e balanceiros.

8.3.6. Câmara Trapezoidal ou "Sem Câmara" Esta câmara é formada no topo do ci 1i ndro. se ndo a c ul assa uma peça plana (Fig.8.25) , sem volum e escavad o. O bloco geralm e nte te rmina por um plano inc li nado rel ativamente ao eixo dos ci lindros, sendo a câmara de combus tão lim itada pelo to po do pistão (Fig.8.26), pa redes laterai s do Fig.8.25 - Culassa de motor c ilindro e c ulassa. A coroa do pistão pode de camara trapezoidal te r uma certa convexidade, de m a nei ra a "esmagar" a mistura contra a culassa no PMS. co nferi nd o- lh e e levada turbulência. O se u c usto n iio é muito e levad o, mas, como as vál vulas são limitada s pe lo diâmetro do c il indro, o seu e nchime nto é relat i vamente baixo. A maqui nagem é si mples, pois as vál v ulas são paral e las e a s uperfície da cu lassa é plana . A vela ocupa uma posição pouco central.

m ~ ~

Fig.8.26 - camara trapezoidal

8.3.5. Câmara Hemisférica 8.3.7. Câmara no Pistão Este ti po de câmara (Fig.8.23, Fig .8.24) apresenta uma boa compac idade, o que a li ad o ao grande diâmetro da s vá l vu las. pe rmite m otores com bom com promisso entre potência e estabi lidade de co mbus tão a baixa rotação.

260

Este tipo de dese nh o ut iliza també m uma culass a plana com vál vu las paral e la s, se ndo de bai xo c us to. A câma ra de combus tão é maquinada na cabeça d o pistão (Fig.8.27), tal co mo

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Motor es de Co mbustão Interna

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pelo do pistão. tendo se ser inferior a metade d este. O enchimento da câmara é ainda penalizudo pelo facto de=. em grande pa rte do perímetro da> vá l vulas. ha,·e r uma parede. 'e ndo d ifícil a e n trada e saída dos gases. A ex istê nc ia de arestas vi va' dificul!a ai nd a ma is o seu enchimen to . origina pontos qu.:ntes e a formação de depós i tos carbonosos. O seu custo de fabrico é baixo. poi, é de 'imp lc' execução. com fu rações paralelas e necessita duma só árvore de ca mes à cabeça •e m balan ceiros. ou uma só fila de balance iros igua is (caso de árvore de ca mcs lateral). Os pi stões são. geralmente . de topo plano.

Fig.8.20 - camara em "fundo de banheira·

8.3.4. Câmara em Cunha ou Triangular A câmara em cu nh a (Fig.8.2 1. Fi g .8. 22) apresenta as vantagens da câmara a nte rior. e mbora as fura ções sejam mais difíceis de efectuar. As vál vu las são pa ra lelas e ntre si (Fig.8.2 1). m as inclinadas em relação ao eixo do ci lindro. A co mpaci dade é superio r à sol ução an te r ior. além de se e li minarem parte das a restas v ivas. As vantagen s de queima des te tipo de câmara foram postas à p rova pela sua utilização em au to móveis de carácte r desporti vo. como no caso d o Pe ugeot 205 GTI dos anos 80. Neste caso. u tilizava-se uma única árvore de cames à c abeça, impulsi ona ndo directamente as vá l vu las . A vela e ncontra va-se nu ma Fig.8.22 - Fotografias de posição m ais centra l que no caso ante rior. camaras em cunha, Embora as vá lv ul as sejam de di âmetro Fig.8.21 - Cãmara em cunha com e sem válvulas semelhante às d a câmara em banheira. a inexistência de pared es late rai s à volta de metade da pe riferi a de cada válvula , permite melho res e nc hime ntos. Os pi stões, e mbora possam se r de topo plano, são gera l men te curvos e aprese ntam "bossas" para que as vál v ulas não o atinjam, aquando do se u "cru zamento•·.

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Cap. 8: Combustão nos Motores

Para q ue a taxa de compressão seja elev ada e p:1ra que o ângulo de inclina ção da s , álvulas seja gene roso (de forma a aumentar o se u diâm e tro). a coroa do pi,tão ted de ser convex a (introduzi ndo-se na câmara). de maneira a formar uma cftma ra com o menor vol ume poss í ve l.

A vela terá de se r colocada numa pos ição lateral. pod e ndo-se colocar 2 ve las. para q ue o trajecto da frente de chama seja o mais c urto possível, proporcionando uma combustão rápida. Es ta foi a so lução dos motores Twin Spark de 2 vál v ulas da Alfa Romeo.

Fig.8.23 - Fotografia de camara hemisférica

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Fig.8.24 - Camara hemisférica O se u custo é e levado. pois as furações para a s válvulas têm duas direcções, a forma da parede é praticamente esférica e necessita de dupla á rvore de c ames à cabeça (impulsi onando directamente as válvu las) ou de doi s e ixos d e balanceiros.

8.3.6. Câmara Trapezoidal ou "Sem Câmara" Esta câmara é formada no topo do ci 1i ndro. se ndo a c ul assa uma peça plana (Fig.8.25) , sem volum e escavad o. O bloco geralm e nte te rmina por um plano inc li nado rel ativamente ao eixo dos ci lindros, sendo a câmara de combus tão lim itada pelo to po do pistão (Fig.8.26), pa redes laterai s do Fig.8.25 - Culassa de motor c ilindro e c ulassa. A coroa do pistão pode de camara trapezoidal te r uma certa convexidade, de m a nei ra a "esmagar" a mistura contra a culassa no PMS. co nferi nd o- lh e e levada turbulência. O se u c usto n iio é muito e levad o, mas, como as vál vulas são limitada s pe lo diâmetro do c il indro, o seu e nchime nto é relat i vamente baixo. A maqui nagem é si mples, pois as vál v ulas são paral e las e a s uperfície da cu lassa é plana . A vela ocupa uma posição pouco central.

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Fig.8.26 - camara trapezoidal

8.3.5. Câmara Hemisférica 8.3.7. Câmara no Pistão Este ti po de câmara (Fig.8.23, Fig .8.24) apresenta uma boa compac idade, o que a li ad o ao grande diâmetro da s vá l vu las. pe rmite m otores com bom com promisso entre potência e estabi lidade de co mbus tão a baixa rotação.

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Este tipo de dese nh o ut iliza també m uma culass a plana com vál vu las paral e la s, se ndo de bai xo c us to. A câma ra de combus tão é maquinada na cabeça d o pistão (Fig.8.27), tal co mo

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Cap. 8: Combustão nos Motores

Motores de Combustão Interna

uma válvula a montante de>ta que corta o fluxo da mistura. Estas vá lvulas silo. geralmente. actuadas electronicamente. função da depressão do colector e velocidade do motor.

no;, motore> Die;,el de injecçào directa. Tem uma boa compacidade. mas >ofre de baixos enchimentos. pois o diâmetro da;, válvulas é condicionado pelo do pistão e a passagem dos gases é afectada pelas parede' do cilindro. A forma do pistão induz --squish ... Este tipo de câmarn está novamente a ser usado nos motores de injccção directa. A gasolina é injectada sobre o pistào que tem uma cavidade que direcciona o --;,pray .. para a zona da vela. conseguindo-se uma mistura es tratificada.

®

Flg.8.27 • camara no pistão

o Fig.8.30 - Formação do turbilhão em "barril"

borboleta

Fig.8.31 - Formação de ·swirl" pela inoperancia duma válvula

8.3.8. Câmara de 4 Válvulas "Telhado de Alpendre"(pent- roof) É este tipo de câmara (Fig.8.28. Fig.8.29) que os vulgares "4 válvulas por c ilindro" usam nos seu;, motores. É compacta, a vela aparece numa posição central e o enchimento é exce lente. O diâmetro das válvu las é relativamente pequeno. permitindo bons arrefecimentos das válvulas de escape. O rendimento térmico proporcionado é semelh ante ao das câmaras hem isféricas, mas geralmente é obtido a rotações mais elevadas. Em virtude da passage m das válvulas ser muito ampla, este tipo de câmara tem tendência a não trabalhar suavemente a velocidades baixas. Nesta situação a velocidade do ar passando nas válvulas é baixa. o que não permite uma boa homogeneização da mi stura ar-gasolina. A turbulência é também afectada, sendo a queima nestns condições relativamente lenta. Contudo, as prestações a velocidades elevadas são óptimas. originando binários e, principalmente. potências elevadíssimas.

8.3.9. Câmara de 4 Válvulas Radiais

m ~ ~

Este tipo de câ maras (Fig.8.32) é de custo elevadíssimo. sendo somente util izado em compet ição ou mot ores de motos. Tem uma compacidade elevada. a vela coloca-se centralmente. tem turbulência a alta rotação e apresen ta as carac terísticas da câ mara anterior, mas as vá lvu las são maiores qu e na câmara em "telhado de a lpendre''. O accioname nto das válvulas é complicado, com utilização de balanceiros de desenho específico. Nas várias u tilizações, a potênc ia específica dos motores prov idos deste tipo de câmaras é su peri or aos 100 Cv/L. Alguns motores de Formu la 1 têm este tipo de câm aras (Cap.4.6.1).

Esta câmara tem um tipo de turbu lênc ia especial. conhecido por " turbilhão em barril" ("tumble" - Fig.8.30). Ele é formado em virtude do ar, ao entrar pelas duas válvulas de admissão num dos lados do "telhado". seguir uma trajcctória curvilínea ao longo das paredes da câmara. Este turbilhão, que tem eixo perpendicular ao do cilindro. intensifica-se durante a compressão da mistura. Os pistões são, geralmente, convexos. com as características "bossas" relativas às pos ições das válvulas.

8.3.10. Câmaras com mais de 4 Válvulas

Fig.8.29 - Culassa de motor de

4 válvulas por cilindro

Em ve loc idades baixas , como já fo i dito. esta câmara queima mal e por esta razão os construtores dese nvolvem soluções para aumento da turbulência nessas condições, que assentam na inoperância duma das válvu las de admissão. Entrando toda a m istura por uma só válvula, as velocidades são maiores, permi tindo uma melhor homogeneização. Como os gases frescos entram tangencialmente (e a grande velocidade) por um dos lados da câmara, cria-se "swirl" (Fig.8.3 1). Embora se possa desactuar esta válvu la de admissão, geralmente interpõe-se

262

*

Fig.8.32 - Cãmara de 4 válvulas radiais

Fig.8.28 - Camara da 4 válvulas

Segundo os técnicos da Yamaha (Ao1, 1986), câmaras com 5 válvulas maximizam a área útil das válvulas (Fig.8.33). Desde os anos 80 que esta tecnologia é utilizada em motores de motos e mais actualmente, e m motores de competição (Formula 1). E ste ti po de câmara é de construção cara e a sua compacidade é inferior à das 4 válvulas. A razão assenta no uso de duas árvores de cames, uma das quai s acciona as 3 válvulas. Como se mostra na Fig.8.34, a válvula de admissão central origi na qu e a parede da câmara seja levemente convexa. Poder-se-ão usar 3 árvores de carnes, mas o custo, complex idade e perdas mecânicas serão elevados. Um bom compromisso consiste cm actuar a 5" válvula com um balanceiro.

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Cap. 8: Combustão nos Motores

Motores de Combustão Interna

uma válvula a montante de>ta que corta o fluxo da mistura. Estas vá lvulas silo. geralmente. actuadas electronicamente. função da depressão do colector e velocidade do motor.

no;, motore> Die;,el de injecçào directa. Tem uma boa compacidade. mas >ofre de baixos enchimentos. pois o diâmetro da;, válvulas é condicionado pelo do pistão e a passagem dos gases é afectada pelas parede' do cilindro. A forma do pistão induz --squish ... Este tipo de câmarn está novamente a ser usado nos motores de injccção directa. A gasolina é injectada sobre o pistào que tem uma cavidade que direcciona o --;,pray .. para a zona da vela. conseguindo-se uma mistura es tratificada.

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Flg.8.27 • camara no pistão

o Fig.8.30 - Formação do turbilhão em "barril"

borboleta

Fig.8.31 - Formação de ·swirl" pela inoperancia duma válvula

8.3.8. Câmara de 4 Válvulas "Telhado de Alpendre"(pent- roof) É este tipo de câmara (Fig.8.28. Fig.8.29) que os vulgares "4 válvulas por c ilindro" usam nos seu;, motores. É compacta, a vela aparece numa posição central e o enchimento é exce lente. O diâmetro das válvu las é relativamente pequeno. permitindo bons arrefecimentos das válvulas de escape. O rendimento térmico proporcionado é semelh ante ao das câmaras hem isféricas, mas geralmente é obtido a rotações mais elevadas. Em virtude da passage m das válvulas ser muito ampla, este tipo de câmara tem tendência a não trabalhar suavemente a velocidades baixas. Nesta situação a velocidade do ar passando nas válvulas é baixa. o que não permite uma boa homogeneização da mi stura ar-gasolina. A turbulência é também afectada, sendo a queima nestns condições relativamente lenta. Contudo, as prestações a velocidades elevadas são óptimas. originando binários e, principalmente. potências elevadíssimas.

8.3.9. Câmara de 4 Válvulas Radiais

m ~ ~

Este tipo de câ maras (Fig.8.32) é de custo elevadíssimo. sendo somente util izado em compet ição ou mot ores de motos. Tem uma compacidade elevada. a vela coloca-se centralmente. tem turbulência a alta rotação e apresen ta as carac terísticas da câ mara anterior, mas as vá lvu las são maiores qu e na câmara em "telhado de a lpendre''. O accioname nto das válvulas é complicado, com utilização de balanceiros de desenho específico. Nas várias u tilizações, a potênc ia específica dos motores prov idos deste tipo de câmaras é su peri or aos 100 Cv/L. Alguns motores de Formu la 1 têm este tipo de câm aras (Cap.4.6.1).

Esta câmara tem um tipo de turbu lênc ia especial. conhecido por " turbilhão em barril" ("tumble" - Fig.8.30). Ele é formado em virtude do ar, ao entrar pelas duas válvulas de admissão num dos lados do "telhado". seguir uma trajcctória curvilínea ao longo das paredes da câmara. Este turbilhão, que tem eixo perpendicular ao do cilindro. intensifica-se durante a compressão da mistura. Os pistões são, geralmente, convexos. com as características "bossas" relativas às pos ições das válvulas.

8.3.10. Câmaras com mais de 4 Válvulas

Fig.8.29 - Culassa de motor de

4 válvulas por cilindro

Em ve loc idades baixas , como já fo i dito. esta câmara queima mal e por esta razão os construtores dese nvolvem soluções para aumento da turbulência nessas condições, que assentam na inoperância duma das válvu las de admissão. Entrando toda a m istura por uma só válvula, as velocidades são maiores, permi tindo uma melhor homogeneização. Como os gases frescos entram tangencialmente (e a grande velocidade) por um dos lados da câmara, cria-se "swirl" (Fig.8.3 1). Embora se possa desactuar esta válvu la de admissão, geralmente interpõe-se

262

*

Fig.8.32 - Cãmara de 4 válvulas radiais

Fig.8.28 - Camara da 4 válvulas

Segundo os técnicos da Yamaha (Ao1, 1986), câmaras com 5 válvulas maximizam a área útil das válvulas (Fig.8.33). Desde os anos 80 que esta tecnologia é utilizada em motores de motos e mais actualmente, e m motores de competição (Formula 1). E ste ti po de câmara é de construção cara e a sua compacidade é inferior à das 4 válvulas. A razão assenta no uso de duas árvores de cames, uma das quai s acciona as 3 válvulas. Como se mostra na Fig.8.34, a válvula de admissão central origi na qu e a parede da câmara seja levemente convexa. Poder-se-ão usar 3 árvores de carnes, mas o custo, complex idade e perdas mecânicas serão elevados. Um bom compromisso consiste cm actuar a 5" válvula com um balanceiro.

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Motores de Combustão Interna

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Em motores de c:arburadcr. quando se desliga a ig11içào. o motor coruinua a funcionnr durante algwn tempo. Por vezes é necessário "travá-lo". poro o parar.

Fig.8.35 - Combustões anormais

Porém todas elas têm aumento d e probabilidade de ocorrer com o aumento da taxa de co mpressão, com o aumento de temperatura do motor e para mi sturas esteq uiométricas. Actualmen te estão-se a dese nvolver outros ti pos de co mbustão d ifere ntes das anteriores e qu e são híbridas da co mb ustão normal d os motores de ignição comand ada e dos moto res Diese l. Sobre estes tipos de comb ustão fa laremos no Cap.8.8, poi s não se trata de combus tões ditas •·anorma is", dado que se estão a desenvolver grand es esforços de modo a co nt rolá- las em benefício da efic iência de funcionamento dos motores.

A ignição à superfície pode iniciar-se antes da faísca da vela ou d epoi s da sua ocorrênc ia (Fig.8.35). No primeiro caso denomina-se pré-jgnjção e no seg undo, pós-ilmição. A pré- ig nição é mais g rav osa que a pós- ignição. po is pode resultar e m "k nock"'. Após a ig ni ção à superfície , desen volve-se uma frente de cham a tu rbu lenta, si m ilar à descrita para a ignição normal. Assim, a princ ipal diferença en tre este tipo de combustão e a normal , r eside no momento e pos ição do início da combu stão. Ha vendo vária s fr ent es de chama, mesmo que sejam originad as ao mesmo tempo (o u mesmo após a ignição normal) , a elevação d e pressão resu hante vai ser superior à habitual. pelo que a combustão será mais dura.

8.4.1.Pré-lgnição (ignição à superfície)

A pré-ignição pode -se desenvo lver progressiva mente, habi tu almente denominada pré -ii:n ição proi:ressjva . Co mo a pré- igni ção aumenta o nível térmi co do c iclo, o ponto quente o ri gi nári o do início da combu s tão. aquecerá mai s. inic iando a combustão mai s ced o. Desta mane ira é fácil q ue o pon to de máxima pressão do c ic lo ocorra antes do PMS, anulando o binário d o motor. Geralmente não se chega a esse ponto. porque se dá o aparec ime nto de "knock" violento. o q ue eleva ainda mais a temperatura das paredes. Estas ci rcu nstâ ncias facilmente origina m a destruição do motor (fu ro num pistão ou g ripage m ).

Este tipo de ignição acontece, gera lmente. em motores com algum uso. A ignição é in ic iada por um ponto quente, geral men te um depós ito carbonoso o u os eléctrodos da ve la, quando de grau térm ico mais elevado que o ind icado. Pode també m ser originado a partir das válvulas de escape (prin cipal me nte se ho uv er depósitos sobre elas) ou de descontin ui dades da câm ara de combu stão.

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Em motores de c:arburadcr. quando se desliga a ig11içào. o motor coruinua a funcionnr durante algwn tempo. Por vezes é necessário "travá-lo". poro o parar.

Fig.8.35 - Combustões anormais

Porém todas elas têm aumento d e probabilidade de ocorrer com o aumento da taxa de co mpressão, com o aumento de temperatura do motor e para mi sturas esteq uiométricas. Actualmen te estão-se a dese nvolver outros ti pos de co mbustão d ifere ntes das anteriores e qu e são híbridas da co mb ustão normal d os motores de ignição comand ada e dos moto res Diese l. Sobre estes tipos de comb ustão fa laremos no Cap.8.8, poi s não se trata de combus tões ditas •·anorma is", dado que se estão a desenvolver grand es esforços de modo a co nt rolá- las em benefício da efic iência de funcionamento dos motores.

A ignição à superfície pode iniciar-se antes da faísca da vela ou d epoi s da sua ocorrênc ia (Fig.8.35). No primeiro caso denomina-se pré-jgnjção e no seg undo, pós-ilmição. A pré- ig nição é mais g rav osa que a pós- ignição. po is pode resultar e m "k nock"'. Após a ig ni ção à superfície , desen volve-se uma frente de cham a tu rbu lenta, si m ilar à descrita para a ignição normal. Assim, a princ ipal diferença en tre este tipo de combustão e a normal , r eside no momento e pos ição do início da combu stão. Ha vendo vária s fr ent es de chama, mesmo que sejam originad as ao mesmo tempo (o u mesmo após a ignição normal) , a elevação d e pressão resu hante vai ser superior à habitual. pelo que a combustão será mais dura.

8.4.1.Pré-lgnição (ignição à superfície)

A pré-ignição pode -se desenvo lver progressiva mente, habi tu almente denominada pré -ii:n ição proi:ressjva . Co mo a pré- igni ção aumenta o nível térmi co do c iclo, o ponto quente o ri gi nári o do início da combu s tão. aquecerá mai s. inic iando a combustão mai s ced o. Desta mane ira é fácil q ue o pon to de máxima pressão do c ic lo ocorra antes do PMS, anulando o binário d o motor. Geralmente não se chega a esse ponto. porque se dá o aparec ime nto de "knock" violento. o q ue eleva ainda mais a temperatura das paredes. Estas ci rcu nstâ ncias facilmente origina m a destruição do motor (fu ro num pistão ou g ripage m ).

Este tipo de ignição acontece, gera lmente. em motores com algum uso. A ignição é in ic iada por um ponto quente, geral men te um depós ito carbonoso o u os eléctrodos da ve la, quando de grau térm ico mais elevado que o ind icado. Pode també m ser originado a partir das válvulas de escape (prin cipal me nte se ho uv er depósitos sobre elas) ou de descontin ui dades da câm ara de combu stão.

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Cap. 8: Combustão nos Motores

Motores de Combustão Interna

·----

-

Uma das caracterís ticas da ignição à su perfície é a continuação da marcha do motor. após a ignição ter sido desligada ( .. run-on .. · Fig. 8.35). qu ando a alimentação é por carburadores. Es ta c aracteríst ica acontece aquando da pré-ignição . se ndo. por vezes. necessár io engrenar-se uma velocidade e largar- se a embraiagem co m o tra vão pux ado. para se parar o motor . Gera lmente. uma aceleração brusca é quanto basta para se parar o mot or. mas por vezes não é su ficien te. Nos casos de pós-ignição . qu ando se des liga o motor se nte-se duas ou três explosões. ma~ a combu~tão é tardia de mais para permitir o .. ra len ti" e o motor pára por si . A pré-ignição não pode se r evi tada pe la reduçào do avanço da ignição. pois quando esta ocorre j á a mi stura foi queimada. A maneira tradicional de prevenir a pré-ignição é o uso de velas fr ias, pois geralme nte ela inicia-se nos seu s pól os (para temperaturas entre 11 00 e 1300 K). O efeito do a um e nto da taxa de co mpressão c d o aumento do ;1va nço da ign iç ão na pré· -ig nição (Fig.8.36) deve m-se à oco rrênc ia do .. knock" (ve r secç ão 8.4.3). pois esta combu stão anorma l aumenta a taxa de transfe rê nc ia de calor para as pare d es, e levando a sua te mperatura CM001. 1998). .lil

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,·alores de taxa de combustão . Por veze~ e~tes motores são denominados .. semi-Diese l... denominação incorrec ta. embora o motor Die se l t:imbém fu ncione com auto-ignição do combustível. Actualmente estão-se a dese n vo lve r novos t ipos de motores q ue funcionam em auto-ignição (Cap.8.8) .

8.4.3. "Knock" (grilar) Este tipo de combustão é uma forma de auto-ignição de uma pa rte da mistura . na qual as condições de tem peratura são s uperiore s às de ign ição espontânea do combu s tível. e c;1racteri za-se por veloc idades de propagação de c hama excessiva me nte e levadas e po r um ruído metál ico. vulgarme nte conhec ido por "grilar... Este fenóm e no acontece após o início da comb ustão normal ini c iada pela faísca. Na co mbu s cão normal a velocidade de combus tão é rela1ivamente ba ixa, pel o que as ondas de pressão produzid as e viajando à veloci dade d o som fazem aume ntar a pressão em toda a câmara. C om este a ument o súb ito de pre ssão a temperatura da mistura também :iumen ta (pode-se con s iderar aume ntos adiabá1icos de pressão e te mperatura) e pode-se c heg:ir às condições de ignição n um determinado ponto da câ mara de com bu stão, onde a mi s tura já tin ha sido aq uecida por co nvecção (pela s p:iredes quentes) e radiação (a partir da frente de chama).

relaçllo arlcomb.

taxa de compressão

Enqua nto que a deflagração da mi stu ra (co mbusião norma l) se processa a uma velocid ade sub-són ica (do mei o não queimado) o " knock" propaga-se a vel ocid ades sónicas r e lativas aos gases de co mbus tão. A comb ustão no rmal ge ra ondas de pressão que viajam à velocidade do som, pelo que a sua velocidade é s uperior à da velocidade de frente de chama. No "knock" a velocidade de c hama e de propagaç ão da pressão são iguai s, o q ue ocasion:i o aumento brutal de p ressão local e ondas de press ão elevadíss imas. Es tas ondas de choq ue são as re sponsáveis pelo barulho e vi brações caracter ísticos.

Fig.8.36 • Aparecimento da pré-ignição

8.4.2. Auto-Ignição Este tipo de comb ustão carac te riza-se po r uma ignição in s tantânea de toda a m istura geralme nte moti vada po r al ta taxa de co mpressão e/ou paredes muito q uen tes. Os peque nos motores de aeromodelismo (Fig.8.37) fun c iona m sob este princíp io, usando uma vela de incandescência (que tem um:i resistência que f ica ao ru bro - Fi g.8.38. Fig .8.3 9) e elevados

Como se propaga m a elevada ve loc idade, são fo rmadas ondas que se reflectem nas paredes da câmara, o que resulta numa pressão oscila tória e daí a vibração produzida (Fig.8.40, na qual se pode ver um ciclo com combustão normal, a traço interrompido). ,g Embora a vibração e o barulho característicos sejam a indicação do aparecimento do " knock", estas não são as caracierísticas perigos as deste tipo de combus tão. sem Com o g rande aume nto de pre ssão, a temperatura "knock" aumenta excessivamente, pondo e m ri sco os PMI PMt PMS materia is , principalmente os pi s tões . Estes, como são de a lumínio, não a g uen tam altas temperaturas Fig.8.40 • "Knock" cont inuamente, podendo a sua coroa ser fundida e abrir um buraco, ou os segmenios ficarem presos . As válvulas de escape poderão também sofrer com o "k nock" , pois a temperatura dos gases de escape e levar-se -á .

]

Fig.8.37 - Motor de aeromodelo

Fig.8.38 - Corte de culassa de motor de aeromodelo

Fig.8.39 - Vala de incandescência lglow plugl

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Cap. 8: Combustão nos Motores

Motores de Combustão Interna

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Uma das caracterís ticas da ignição à su perfície é a continuação da marcha do motor. após a ignição ter sido desligada ( .. run-on .. · Fig. 8.35). qu ando a alimentação é por carburadores. Es ta c aracteríst ica acontece aquando da pré-ignição . se ndo. por vezes. necessár io engrenar-se uma velocidade e largar- se a embraiagem co m o tra vão pux ado. para se parar o motor . Gera lmente. uma aceleração brusca é quanto basta para se parar o mot or. mas por vezes não é su ficien te. Nos casos de pós-ignição . qu ando se des liga o motor se nte-se duas ou três explosões. ma~ a combu~tão é tardia de mais para permitir o .. ra len ti" e o motor pára por si . A pré-ignição não pode se r evi tada pe la reduçào do avanço da ignição. pois quando esta ocorre j á a mi stura foi queimada. A maneira tradicional de prevenir a pré-ignição é o uso de velas fr ias, pois geralme nte ela inicia-se nos seu s pól os (para temperaturas entre 11 00 e 1300 K). O efeito do a um e nto da taxa de co mpressão c d o aumento do ;1va nço da ign iç ão na pré· -ig nição (Fig.8.36) deve m-se à oco rrênc ia do .. knock" (ve r secç ão 8.4.3). pois esta combu stão anorma l aumenta a taxa de transfe rê nc ia de calor para as pare d es, e levando a sua te mperatura CM001. 1998). .lil

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,·alores de taxa de combustão . Por veze~ e~tes motores são denominados .. semi-Diese l... denominação incorrec ta. embora o motor Die se l t:imbém fu ncione com auto-ignição do combustível. Actualmente estão-se a dese n vo lve r novos t ipos de motores q ue funcionam em auto-ignição (Cap.8.8) .

8.4.3. "Knock" (grilar) Este tipo de combustão é uma forma de auto-ignição de uma pa rte da mistura . na qual as condições de tem peratura são s uperiore s às de ign ição espontânea do combu s tível. e c;1racteri za-se por veloc idades de propagação de c hama excessiva me nte e levadas e po r um ruído metál ico. vulgarme nte conhec ido por "grilar... Este fenóm e no acontece após o início da comb ustão normal ini c iada pela faísca. Na co mbu s cão normal a velocidade de combus tão é rela1ivamente ba ixa, pel o que as ondas de pressão produzid as e viajando à veloci dade d o som fazem aume ntar a pressão em toda a câmara. C om este a ument o súb ito de pre ssão a temperatura da mistura também :iumen ta (pode-se con s iderar aume ntos adiabá1icos de pressão e te mperatura) e pode-se c heg:ir às condições de ignição n um determinado ponto da câ mara de com bu stão, onde a mi s tura já tin ha sido aq uecida por co nvecção (pela s p:iredes quentes) e radiação (a partir da frente de chama).

relaçllo arlcomb.

taxa de compressão

Enqua nto que a deflagração da mi stu ra (co mbusião norma l) se processa a uma velocid ade sub-són ica (do mei o não queimado) o " knock" propaga-se a vel ocid ades sónicas r e lativas aos gases de co mbus tão. A comb ustão no rmal ge ra ondas de pressão que viajam à velocidade do som, pelo que a sua velocidade é s uperior à da velocidade de frente de chama. No "knock" a velocidade de c hama e de propagaç ão da pressão são iguai s, o q ue ocasion:i o aumento brutal de p ressão local e ondas de press ão elevadíss imas. Es tas ondas de choq ue são as re sponsáveis pelo barulho e vi brações caracter ísticos.

Fig.8.36 • Aparecimento da pré-ignição

8.4.2. Auto-Ignição Este tipo de comb ustão carac te riza-se po r uma ignição in s tantânea de toda a m istura geralme nte moti vada po r al ta taxa de co mpressão e/ou paredes muito q uen tes. Os peque nos motores de aeromodelismo (Fig.8.37) fun c iona m sob este princíp io, usando uma vela de incandescência (que tem um:i resistência que f ica ao ru bro - Fi g.8.38. Fig .8.3 9) e elevados

Como se propaga m a elevada ve loc idade, são fo rmadas ondas que se reflectem nas paredes da câmara, o que resulta numa pressão oscila tória e daí a vibração produzida (Fig.8.40, na qual se pode ver um ciclo com combustão normal, a traço interrompido). ,g Embora a vibração e o barulho característicos sejam a indicação do aparecimento do " knock", estas não são as caracierísticas perigos as deste tipo de combus tão. sem Com o g rande aume nto de pre ssão, a temperatura "knock" aumenta excessivamente, pondo e m ri sco os PMI PMt PMS materia is , principalmente os pi s tões . Estes, como são de a lumínio, não a g uen tam altas temperaturas Fig.8.40 • "Knock" cont inuamente, podendo a sua coroa ser fundida e abrir um buraco, ou os segmenios ficarem presos . As válvulas de escape poderão também sofrer com o "k nock" , pois a temperatura dos gases de escape e levar-se -á .

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Fig.8.37 - Motor de aeromodelo

Fig.8.38 - Corte de culassa de motor de aeromodelo

Fig.8.39 - Vala de incandescência lglow plugl

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C1p. 8: Combustão nos Motores

M11tores de C11 mbustão Interna

.:ontrolador do motor 4ue automaticamente reduz o avanço à ignição nesse cilindro. Estes ,en~o res são detectores de ondas de pressão vibrató rias. ou so mente detectore s de vibrações (Cap.5.6.7J.

O .. knock·· ocorre perto do final da combustão. na' imediações do ponto morto superior. mas geralmente apó' este ponto. Este tipo de combustão pode ser ev itado (ou minimizado) pelo abaixamento da taxa de com pre ssão. pela melhoria do tipo do combustível (maior índice de octano). pe lo arrefecimento da mistura e pe lo a traso da ig nição. Esta última acção é pouco eficaz em motores de elev 11: 1).

A separação entre as zonas onde ocorre e onde não ocorre o "kn ock .. é semelhante ao que já foi apresentndo para a pré- ignição (Cap.8.4. 1). mas no mesmo motor acontece para valore s in feriore s de avanço de ignição. o que prova que a pré-ignição geralmente ocorre pelo aquec imento das paredes provocado pelo "knock .. do motor. Na Fig.8.41 pode-se ver a linha referente ao aparecime nto do início do .. knock .. (combustão a inda não destrutiva e praticamente inaudíve l) função do avanço da ignição. da taxa de compressão e da re lação A/F (MoG1. 1998).

O .. knock .. ocorre. normalmente, aquando da ignição normal (por faísca). mas pode também aparecer durante a igni ção à superfície (ver Fig.8.35). principalmente no caso da pré-ignição. Como o ··knock'' eleva o nível térmico da câmara de combustão. pode 'er um causador da ignição à supe r fície. pelo aparecimento de pontos quentes. O '·k nock .. derivado da iniciação normal da combustão é repe titi vo, e nquanto que o derivado da ignição à superfície é ocas ional. Ser repeti ti vo não implica ter de ocorre r e m todos os c ic los e e m todos os ci lind ros. Ha verá me s mo uma gra ndt! variação entre c ic los s ucess ivos e geralm e nt e o .. knock'' é mais inte nso num c ilindro do que em outros. No e ntanto, em co ndições se me lhantes (mesma tempera tura, ca rga. veloc idade e avanço da ig ni ção). haverá grandes probabi lid ades da sua ocorrência ser repetida. O .. knock" derivado da inflamação à superfíc ie não é repetitivo. Somente a con tece em casos particulares, aquando da ocorrência deste tipo de inflam ação. Geralmente a sua intens idade aumenta co m o tempo, poi s as te mpe raturas dos pontos quen tes a umenta m com o "knock", se ndo po r esta razão mais fá c il ha ver pré-ignição.

Dura nte este tipo de co m bustão são produzidas ondas de pressão que viaja m dentro dn câmara de combustão a ve locidades tão rá pid as(> 1000 m/s) que se reflectem nas paredes, oscilando a frequênc ia s entre 6 e 20 kHz. o ndas essas que produzem o conhecido ru ído ("g rilar" o u "knock"). Durante o "knock 'º o aumen to de pressão não é uniforme e a colocação de sensores de pressão dentro da câmara de combu stão documenta o e fe ito oscilatório da reflexão das ondas de pressão. ~25

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Fig.8.41 - Aparecimen to do "knock"

- pré-ignição. pe lo aquecimento dos depósitos na câmara; - "knock" por pré-ign iç ão. cada vez mai s cedo e mais intenso, le vando à destruição do

A ocorrência do "knock" é fu nção da temperatura e da riqueza local da mistura (Fi g .8 .42). se ndo m a is provável aparecer para mi sturas estequ iométricas.

motor ; - erosão gradua l de reg iões da câmara de co mbus tão, me smo se o tipo de "knock" anterior não ocorrer.

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·''''''''''''''' ·'''''''''''''''

·''''''''''''''' O "knock" pode ser minimizado das seguintes maneiras: ·''''''''''''''' 6eQ. !''''''"''.'" "'"'"'''' ·''''''''''''''' - re duz ind o o avanço da ignição ~: 1imj1e:~ '.~ limite~~: ~ ,. . ,. .!J.Ç{t~~,. - aume ntando o 10 do combustível ,",,,,,,,,,,. :~~'~ê.~,~~~: ·''''''''''''''\ _,,,,,,,,,,,,,,, - reduzindo a taxa de compressão ' '''''"'''' ·''''''''''''''\ - aumentando a turbulência - reduzind o a carga Relacão A/F - aumen tan do a riqueza da mistu ra Fig.8.42 - Ocorrência do "knock" função da aumentando a ve locidade do motor temperatura e riqueza da mistura baixando a te mperatura de admissão baixando a pressão de admissão (e m mot ores sobrealim e nt ados) - reduzindo as temperaturas máximas das paredes da câmara de combustão - reduzindo a distância máxima entre a vela e qualquer pon to da c âm ara - usando câmaras de combustão mais compactas - admitindo uma ma io r percen tagem de combustível no estado líq ui do

Nestas condições a intensidade do ''knock" é cada vez mais e levada, pois entra-se nu ma progressão em que as temperaturas se elevam pela sua ocorrência e temperaturas mai s elevadas ocasionam o seu aparec imento mais cedo. A elevação de temperatura ocorre pela maior libertação de calor deste tipo de combustão. Como o " knock" ocorre à máxima carga (borboleta completamente aberta), é uma restrição à potênc ia e binári o máximos do motor. Para que não ocorra, a ignição é retardada (ou a taxa de compressão bai xada), resultando em menores binários. Pela mes ma razão, também restri nge o ren dimento do motor , po is a temperatura e pressão máxi mas possíve is são minimizadas. O mé todo mai s habitual de detectar o "k nock" é pelo ouvido huma no, embora a maioria dos motores de automóve is poss ua sensores de "knock", que podem ser ins talados em cada cilindro, con trolando o se u aparecimento c il indro a ci lindro. Es ta informação é enviada ao

268

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- - -

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O "knock" pode ocorrer tanto a baixa ve loc idade como a alta ve locidade do motor. No primeiro caso estamos em prese nça do "knock" de ace leração, re fe ri do como o vulgar "grilar", quando se abre o acelerador com o motor a pouca ve locidade. Não é muito destru tivo, poi s, geralmente, esta condição não se prolonga por muito tempo . O "knock" a alta veloci dade não é facilmente pe rceptível (audível) e acontece em s ituações de velocid ade e carga elevadas (andamento rápid o em auto-estrada) quando h :i mu itos barulhos que se sobrepõem, pe lo que é mais destrutivo. Pode facilmente levar a:

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C1p. 8: Combustão nos Motores

M11tores de C11 mbustão Interna

.:ontrolador do motor 4ue automaticamente reduz o avanço à ignição nesse cilindro. Estes ,en~o res são detectores de ondas de pressão vibrató rias. ou so mente detectore s de vibrações (Cap.5.6.7J.

O .. knock·· ocorre perto do final da combustão. na' imediações do ponto morto superior. mas geralmente apó' este ponto. Este tipo de combustão pode ser ev itado (ou minimizado) pelo abaixamento da taxa de com pre ssão. pela melhoria do tipo do combustível (maior índice de octano). pe lo arrefecimento da mistura e pe lo a traso da ig nição. Esta última acção é pouco eficaz em motores de elev 11: 1).

A separação entre as zonas onde ocorre e onde não ocorre o "kn ock .. é semelhante ao que já foi apresentndo para a pré- ignição (Cap.8.4. 1). mas no mesmo motor acontece para valore s in feriore s de avanço de ignição. o que prova que a pré-ignição geralmente ocorre pelo aquec imento das paredes provocado pelo "knock .. do motor. Na Fig.8.41 pode-se ver a linha referente ao aparecime nto do início do .. knock .. (combustão a inda não destrutiva e praticamente inaudíve l) função do avanço da ignição. da taxa de compressão e da re lação A/F (MoG1. 1998).

O .. knock .. ocorre. normalmente, aquando da ignição normal (por faísca). mas pode também aparecer durante a igni ção à superfície (ver Fig.8.35). principalmente no caso da pré-ignição. Como o ··knock'' eleva o nível térmico da câmara de combustão. pode 'er um causador da ignição à supe r fície. pelo aparecimento de pontos quentes. O '·k nock .. derivado da iniciação normal da combustão é repe titi vo, e nquanto que o derivado da ignição à superfície é ocas ional. Ser repeti ti vo não implica ter de ocorre r e m todos os c ic los e e m todos os ci lind ros. Ha verá me s mo uma gra ndt! variação entre c ic los s ucess ivos e geralm e nt e o .. knock'' é mais inte nso num c ilindro do que em outros. No e ntanto, em co ndições se me lhantes (mesma tempera tura, ca rga. veloc idade e avanço da ig ni ção). haverá grandes probabi lid ades da sua ocorrência ser repetida. O .. knock" derivado da inflamação à superfíc ie não é repetitivo. Somente a con tece em casos particulares, aquando da ocorrência deste tipo de inflam ação. Geralmente a sua intens idade aumenta co m o tempo, poi s as te mpe raturas dos pontos quen tes a umenta m com o "knock", se ndo po r esta razão mais fá c il ha ver pré-ignição.

Dura nte este tipo de co m bustão são produzidas ondas de pressão que viaja m dentro dn câmara de combustão a ve locidades tão rá pid as(> 1000 m/s) que se reflectem nas paredes, oscilando a frequênc ia s entre 6 e 20 kHz. o ndas essas que produzem o conhecido ru ído ("g rilar" o u "knock"). Durante o "knock 'º o aumen to de pressão não é uniforme e a colocação de sensores de pressão dentro da câmara de combu stão documenta o e fe ito oscilatório da reflexão das ondas de pressão. ~25

10

11

12

~

.~ 28 ~ 26

1

ll!

22

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13

"'""~~...

~

g. 24

sem "1cnock"

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12

taxa de CCR1"8Ssào

13

14

15

16

rUçlo •lcorrb.

Fig.8.41 - Aparecimen to do "knock"

- pré-ignição. pe lo aquecimento dos depósitos na câmara; - "knock" por pré-ign iç ão. cada vez mai s cedo e mais intenso, le vando à destruição do

A ocorrência do "knock" é fu nção da temperatura e da riqueza local da mistura (Fi g .8 .42). se ndo m a is provável aparecer para mi sturas estequ iométricas.

motor ; - erosão gradua l de reg iões da câmara de co mbus tão, me smo se o tipo de "knock" anterior não ocorrer.

_,,,,,,,,,,,,,,,

e

.2

, ,,,,,,,,,,. •''''' ''''"'

·''''''''''''''' ·''''''''''''''' ...................,,,,,,,,, ·''''''''''''''' ·'''''''''''''' ·'' ''''''''''''''

·''''''''''''''' ·'''''''''''''''

·''''''''''''''' O "knock" pode ser minimizado das seguintes maneiras: ·''''''''''''''' 6eQ. !''''''"''.'" "'"'"'''' ·''''''''''''''' - re duz ind o o avanço da ignição ~: 1imj1e:~ '.~ limite~~: ~ ,. . ,. .!J.Ç{t~~,. - aume ntando o 10 do combustível ,",,,,,,,,,,. :~~'~ê.~,~~~: ·''''''''''''''\ _,,,,,,,,,,,,,,, - reduzindo a taxa de compressão ' '''''"'''' ·''''''''''''''\ - aumentando a turbulência - reduzind o a carga Relacão A/F - aumen tan do a riqueza da mistu ra Fig.8.42 - Ocorrência do "knock" função da aumentando a ve locidade do motor temperatura e riqueza da mistura baixando a te mperatura de admissão baixando a pressão de admissão (e m mot ores sobrealim e nt ados) - reduzindo as temperaturas máximas das paredes da câmara de combustão - reduzindo a distância máxima entre a vela e qualquer pon to da c âm ara - usando câmaras de combustão mais compactas - admitindo uma ma io r percen tagem de combustível no estado líq ui do

Nestas condições a intensidade do ''knock" é cada vez mais e levada, pois entra-se nu ma progressão em que as temperaturas se elevam pela sua ocorrência e temperaturas mai s elevadas ocasionam o seu aparec imento mais cedo. A elevação de temperatura ocorre pela maior libertação de calor deste tipo de combustão. Como o " knock" ocorre à máxima carga (borboleta completamente aberta), é uma restrição à potênc ia e binári o máximos do motor. Para que não ocorra, a ignição é retardada (ou a taxa de compressão bai xada), resultando em menores binários. Pela mes ma razão, também restri nge o ren dimento do motor , po is a temperatura e pressão máxi mas possíve is são minimizadas. O mé todo mai s habitual de detectar o "k nock" é pelo ouvido huma no, embora a maioria dos motores de automóve is poss ua sensores de "knock", que podem ser ins talados em cada cilindro, con trolando o se u aparecimento c il indro a ci lindro. Es ta informação é enviada ao

268

~~

- - -

i::I ~

O "knock" pode ocorrer tanto a baixa ve loc idade como a alta ve locidade do motor. No primeiro caso estamos em prese nça do "knock" de ace leração, re fe ri do como o vulgar "grilar", quando se abre o acelerador com o motor a pouca ve locidade. Não é muito destru tivo, poi s, geralmente, esta condição não se prolonga por muito tempo . O "knock" a alta veloci dade não é facilmente pe rceptível (audível) e acontece em s ituações de velocid ade e carga elevadas (andamento rápid o em auto-estrada) quando h :i mu itos barulhos que se sobrepõem, pe lo que é mais destrutivo. Pode facilmente levar a:

269

...._

Motores de Combustão In terna

Cap. 8: Combustão nos Motoras

O ··knock" acontece prin cipalme nte em condições de plena carga e para elevadas taxas de compressão. pelo que se torna um limitador das performances de um motor ele ignição comandada. O .. knock·· está também ligado à pré-ignição. pois quanto maior for o avanço à ignição mais provável é o seu aparecimento. e a pré-ignição resulta num aumento ao avanço ela ignição (a ignição dá-se antes da faísca). O .. knock·· cria uma intensifica ção ela transferência de calor para as paredes. o que. por sua vez. acelera o aparecimento da pré-ignição. levando eventualmen te à erosão por fadiga térmica e mecânica. ou mesmo à fusão do pistão. A intensificação da tran sferência de calor aumenta quase linearmente com a severidade do .. knock" (Lu. 1989; GR ANDIN . 2000). Um processo empírico de determinar o aparecimento do "knock" ( LIVENGOOD. 1955 ) baseia-se em correlações de •·tempo de auto-ignição". Assume-se que o ··knock" ocorre para:

/ dt [,-o 'l em que

=1

e, - tempo de auto-ignição para a temperatura e pressão instantânea r - tempo para aparecer a auto-ignição (s) t - tempo desde início de compressão (s)

ou .. knock .. ) enquanto que cadeias longas de b id rocarbonetos são usados em motores Diesel ( fig.8.43 ).

:: 1

~ 1 1 1 1 1 1#) 1 1

~ ·: 1 ~ ~

1.

.,

u

1 1 1

i: 1

1

e. Um motor varia a s ua compressão efectiva ao longo E ,. o da vida. pois inicialmente a sua compressão aumenta u 1 -ll pc:lo .. acamar" dos componentes e mais tarde aumenta ""' .. ~ pelo aumento do vo lume de depósitos na superfíc ie da câmara de combustão ( realme nte reduzindo o seu vo lume). Este processo aliado ao facto de a transferência de calor diminuir. originando maiores temperaturas das paredes, origina uma necessidade Fig.8.43 - Knock (em motores de válvulas latera is) em termos de /O da gasolina ao nível de mais de 5 função do nOmero de átomos da carbono unidades. Somente ap6s mais de 80 ou 150 mil da molécula qu il ómetros a compressão começa a baixar. como resultado do desgaste dos segmentos e válvulas. Estas variações resultam em diferentes prestações do motor e também nas condições poten c iai s de aparecimento do "knock".

8.4.3.1. Detonação

Uma possível relação empírica é a proposta por Douad e Eyzat (DOUAD, 1978): 17 6J 10 )). ..l

-r= · com

\.ioo

-1.7

P

j

O tipo de combus tão que acontece durante o ''knock" do motor é seme lhan te à combustão 3800)

exl\..T

10 - índice de octano d o co mbust ível

p - pressão absoluta (atm) T - temperatura (K)

Para usa r esta equação é necessário calcular os valores de pressão e temperatura locais durante a compressão e com bustão até a frente de c hama c hegar ao lugar em questão, incluindo a transferência de calor entre o gás e a s paredes (no início da compressão o gás recebe ca lor das paredes e posteriormente perde calor para elas) e o calor ganho por radiação com a frente de c hama. Existem outros mode los mais sofisticados (e complexos) que modelam os processos de oxidação dos hidrocarbonetos . Relativamente à propen são dos h idrocarbonetos para en trar cm ''knock ", existem várias te ndências, sendo a mais importante referente ao compr imento do hid rocarboneto: quanto maior (e mai s pesado) for, mais propenso é para o desenvo lvimento do "k nock". Assim, hidrocarbonetos leve s terão uma me nor tendência que os pesados, mas para hidroc arbonetos de peso semelhan te, os aromáticos apre se ntam uma me lhor característica anti-detonante. Durante a combustão (oxidação) os áto mos de hidrogénio são retirados ao hidrocarboneto , para reagirem com r adicais (por exemp lo OH e HO,) e a taxa des sa retiragem depende das 1igações en tre o C e o H serem mais ou menos fortes. H idrocarbonetos longos e linear es entram ma is facilme nte em auto-ignição (oxidação) do que hidrocarbonetos curtos o u com ramificações. Ass im, hidrocarbonetos leves são ma is propensos para uso em motores de ignição por faísca (dificilmente entram em auto- ignição

270

detonante. A detonação ou comb ustão detonan te aparece quando a velocidade de propagação da frente de cha ma, acelerada pela ex pansão dos gases queimados, iguala a veloci dade do som. Nesta circunstância cria-se uma o nda de pressão com um enorme valor, coi nci dente com a frente de chama. Como os valores de temperatura e pressão na onda detonante são e levadíssimos, a mistura por onde ela passa a rde in stantaneamen te. Como as ondas de pressão viajam à ve locidade do som, esta onda vai aumentando de intensidade com a progressão da combustão. Se tivermos um tubo com mistura ar-combustível fec hado no lado onde se ini c ia a combustão, é necessário mais de 5 metros para que a detonação aconteça, o que nunca poderá acon tecer n um motor. Por esta explicação se nota que o "knock" não se pode identificar com detonação, embora o tipo de combustão e os seus efeitos sejam seme lhantes. Inclu siv amente , a propriedade que os combustíveis têm de evitar o "knock" por vezes chama-se "poder anti d e tonante" e é habitual denomi nar-se detonação à combustão que resulta no "knock" dos motores.

8.4.4. Parâmetros Relativos ao MKno ck" Há vár ios parâmetros que condicionam o aparecime nto do "knock". Dimi n ui -se a propensão ao se u aparecimento minimizando o tempo absoluto de combustão e mantendo fria a zona de mistura mais longe da ve la (chamada gás final ). Indicam- se segu idamen te a importância e maneira de actuar de cada um dos mais importantes.

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Motores de Combustão In terna

Cap. 8: Combustão nos Motoras

O ··knock" acontece prin cipalme nte em condições de plena carga e para elevadas taxas de compressão. pelo que se torna um limitador das performances de um motor ele ignição comandada. O .. knock·· está também ligado à pré-ignição. pois quanto maior for o avanço à ignição mais provável é o seu aparecimento. e a pré-ignição resulta num aumento ao avanço ela ignição (a ignição dá-se antes da faísca). O .. knock·· cria uma intensifica ção ela transferência de calor para as paredes. o que. por sua vez. acelera o aparecimento da pré-ignição. levando eventualmen te à erosão por fadiga térmica e mecânica. ou mesmo à fusão do pistão. A intensificação da tran sferência de calor aumenta quase linearmente com a severidade do .. knock" (Lu. 1989; GR ANDIN . 2000). Um processo empírico de determinar o aparecimento do "knock" ( LIVENGOOD. 1955 ) baseia-se em correlações de •·tempo de auto-ignição". Assume-se que o ··knock" ocorre para:

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e, - tempo de auto-ignição para a temperatura e pressão instantânea r - tempo para aparecer a auto-ignição (s) t - tempo desde início de compressão (s)

ou .. knock .. ) enquanto que cadeias longas de b id rocarbonetos são usados em motores Diesel ( fig.8.43 ).

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8.4.3.1. Detonação

Uma possível relação empírica é a proposta por Douad e Eyzat (DOUAD, 1978): 17 6J 10 )). ..l

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O tipo de combus tão que acontece durante o ''knock" do motor é seme lhan te à combustão 3800)

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10 - índice de octano d o co mbust ível

p - pressão absoluta (atm) T - temperatura (K)

Para usa r esta equação é necessário calcular os valores de pressão e temperatura locais durante a compressão e com bustão até a frente de c hama c hegar ao lugar em questão, incluindo a transferência de calor entre o gás e a s paredes (no início da compressão o gás recebe ca lor das paredes e posteriormente perde calor para elas) e o calor ganho por radiação com a frente de c hama. Existem outros mode los mais sofisticados (e complexos) que modelam os processos de oxidação dos hidrocarbonetos . Relativamente à propen são dos h idrocarbonetos para en trar cm ''knock ", existem várias te ndências, sendo a mais importante referente ao compr imento do hid rocarboneto: quanto maior (e mai s pesado) for, mais propenso é para o desenvo lvimento do "k nock". Assim, hidrocarbonetos leve s terão uma me nor tendência que os pesados, mas para hidroc arbonetos de peso semelhan te, os aromáticos apre se ntam uma me lhor característica anti-detonante. Durante a combustão (oxidação) os áto mos de hidrogénio são retirados ao hidrocarboneto , para reagirem com r adicais (por exemp lo OH e HO,) e a taxa des sa retiragem depende das 1igações en tre o C e o H serem mais ou menos fortes. H idrocarbonetos longos e linear es entram ma is facilme nte em auto-ignição (oxidação) do que hidrocarbonetos curtos o u com ramificações. Ass im, hidrocarbonetos leves são ma is propensos para uso em motores de ignição por faísca (dificilmente entram em auto- ignição

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detonante. A detonação ou comb ustão detonan te aparece quando a velocidade de propagação da frente de cha ma, acelerada pela ex pansão dos gases queimados, iguala a veloci dade do som. Nesta circunstância cria-se uma o nda de pressão com um enorme valor, coi nci dente com a frente de chama. Como os valores de temperatura e pressão na onda detonante são e levadíssimos, a mistura por onde ela passa a rde in stantaneamen te. Como as ondas de pressão viajam à ve locidade do som, esta onda vai aumentando de intensidade com a progressão da combustão. Se tivermos um tubo com mistura ar-combustível fec hado no lado onde se ini c ia a combustão, é necessário mais de 5 metros para que a detonação aconteça, o que nunca poderá acon tecer n um motor. Por esta explicação se nota que o "knock" não se pode identificar com detonação, embora o tipo de combustão e os seus efeitos sejam seme lhantes. Inclu siv amente , a propriedade que os combustíveis têm de evitar o "knock" por vezes chama-se "poder anti d e tonante" e é habitual denomi nar-se detonação à combustão que resulta no "knock" dos motores.

8.4.4. Parâmetros Relativos ao MKno ck" Há vár ios parâmetros que condicionam o aparecime nto do "knock". Dimi n ui -se a propensão ao se u aparecimento minimizando o tempo absoluto de combustão e mantendo fria a zona de mistura mais longe da ve la (chamada gás final ). Indicam- se segu idamen te a importância e maneira de actuar de cada um dos mais importantes.

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Motores d1 Combustão Interna

8.4.4.1. Avanço da ignição

Quanto mai> avançada for a ignição da mistura mais propensão existe à ocorrência do ··knod."". porqth! a pressão e temperatura dos gase> serão maiores. Este parâmetro é o d.: mais fácil modificaç ão num motor a trabalhar. Por esta razão. é sobre ele que os si,tema' de con 1rolo de ··knock" actuam em "lempo real''. O avanço da ignição está regulado para o m;íximo de binário. no limite do aparecimen to do "knock". Se duranlc a ope ração do motor. mercê de: razões várias como elevada te mperatura do ar. formação de depósitos na câmara. etc .. ;e der o aparecimento do ··i..noc:k" numa dada condição. o controlador reduz o avanço da ignição para uma posição em que não apareça. Por vezes este controlo é efectuado cilindro por cilindro. pois o aparecimento do ··knock" não é o mesmo em todos os cilindros.

~ P·

8: Combustlo nos Motorts

iambém originam temperaturas mais baixa,. retardam o aparecimento do "knock". Assim. misturas estequiométricas ou levemente pobres são as mais afectadas pelo "knock".

8.4.4.7. Velocidade d o motor

O au mento da velocidade do motor cria mai s turbulência. pelo que é beneficial para o ~ontrolo do "knock". Além disso. velocidades e levadas impl icam pouco tempo para o aparecimento do "knock", pelo que a ve locidades muito elevadas(> 12 000 rpm) é raro a sua ocorr~ncia.

8.4.4.8. Temperatura e pressão de admissão 8.4.4.2. Combustive!

A característica do combustível relat iva ao "knock" (detonação) é o índice de octano. Sobre ele se falará no Cap.8.4.5.

O abaixamen to da tempera tura e pressão da mistura origina menores pressões e temperaturas na allura da combustão, pelo que são benéficas para o não aparecimento do "knock". Motores com compressão prévia (ex .. : turbocomprimidos) deverão ter " inter-cooler··. para arrefecimento da carga a entrar para o motor. Esta medida também aumentará o binário, pois permite uma maior densidade d e carga e um maior avanço da ignição.

8.4.4.3. Taxa de compressão

A taxa de compressão é um dos parâmetros determinantes da potência e rendimento do motor. Infelizmente está limitada pela detonação. pelo que não é possível utilizarem-se valores superiores a 10- 11 :1 , o que limita os motore s a gaso lina. Quanto mais elevada for a taxa de compressão. mais propensão ha verá para o aparec imento do "knock".

8.4.4.9. Temperatura do motor

Quanto menor for a temperatura do motor, me nor será a transferência de calor para os gases durante a compressão e maior será a pe rda de calor dos gases durante a combu stão. Ambos os efeitos levam à redução da ocorrência do "knock".

8.4.4.4. Turbulência 8.4.4.10. Câmara de Combustão

A turbulência aumenta a velocidade de propagação de c ha ma , pelo que a combustão será mais rápida, não havendo tanto tempo à ocorrência do "knock".

O aumento da carga vai originar pressões e temper::ituras mais e levadas na altura da combustão, sendo por isso mais propício ao aparec imento do ··knock". Cargas mais baixas obrigam a um maior avanço da ignição, pelo que a situação de "knock" pode também ocorrer, embora seja improvável.

Já se apresentaram os vários des e nhos de câmaras de combustão. Quanto mais compacta for a câmara, menos propensão h averá ao aparecimento do "knock". Interessa também que haja bom arrefec ime nto, garantindo uma temperatura o mais uniforme possíve l, se m pontos quentes. A vela dever-se-á e ncontrar o mai s ce ntralm ente possível para minimizar o percurso máximo da frente de chama, de modo a que toda a mistura arda antes do aparecimento do "knock". Nalgumas situações a utilização de duas ve las por cilindro é conven iente para reduzir este perc urso. Câmaras de combustão de 4 válvulas (vela centra l) são quase óptimas, pois o perc urso da frente de chama é minimizado e as válvulas de escape são bem arrefecidas {são de menor diâmetro).

8.4.4.6. Riqueza da mistura

8.4.4.11. Preparação da mistura

O aumento da riqueza da mistura implica mais comb ustível para vaporizar e para aquecer, originando menores temperaturas no final da compressão e da combustão. Por outro lado, uma mistura levemente rica arde com maior velocidade. Os dois efeitos levam a que o aparecimento do "knock" seja mais dificultado para misturas ricas. Misturas pobres, como

Uma preparação de mi s tura defic iente (co m grande quantid ade de combustível no estado líquido) origina menores temperaturas durant e a compressão, poi s é necessário vaporizar a mistura. Por esta razão, os sistemas de injecçâo MP! permitem maiores taxas de compressão, pois a temperatura da mistura no final da compressão é mais baixa do que quando se u sam

8.4.4.5. Carga imposta

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r1

273

Motores d1 Combustão Interna

8.4.4.1. Avanço da ignição

Quanto mai> avançada for a ignição da mistura mais propensão existe à ocorrência do ··knod."". porqth! a pressão e temperatura dos gase> serão maiores. Este parâmetro é o d.: mais fácil modificaç ão num motor a trabalhar. Por esta razão. é sobre ele que os si,tema' de con 1rolo de ··knock" actuam em "lempo real''. O avanço da ignição está regulado para o m;íximo de binário. no limite do aparecimen to do "knock". Se duranlc a ope ração do motor. mercê de: razões várias como elevada te mperatura do ar. formação de depósitos na câmara. etc .. ;e der o aparecimento do ··i..noc:k" numa dada condição. o controlador reduz o avanço da ignição para uma posição em que não apareça. Por vezes este controlo é efectuado cilindro por cilindro. pois o aparecimento do ··knock" não é o mesmo em todos os cilindros.

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8: Combustlo nos Motorts

iambém originam temperaturas mais baixa,. retardam o aparecimento do "knock". Assim. misturas estequiométricas ou levemente pobres são as mais afectadas pelo "knock".

8.4.4.7. Velocidade d o motor

O au mento da velocidade do motor cria mai s turbulência. pelo que é beneficial para o ~ontrolo do "knock". Além disso. velocidades e levadas impl icam pouco tempo para o aparecimento do "knock", pelo que a ve locidades muito elevadas(> 12 000 rpm) é raro a sua ocorr~ncia.

8.4.4.8. Temperatura e pressão de admissão 8.4.4.2. Combustive!

A característica do combustível relat iva ao "knock" (detonação) é o índice de octano. Sobre ele se falará no Cap.8.4.5.

O abaixamen to da tempera tura e pressão da mistura origina menores pressões e temperaturas na allura da combustão, pelo que são benéficas para o não aparecimento do "knock". Motores com compressão prévia (ex .. : turbocomprimidos) deverão ter " inter-cooler··. para arrefecimento da carga a entrar para o motor. Esta medida também aumentará o binário, pois permite uma maior densidade d e carga e um maior avanço da ignição.

8.4.4.3. Taxa de compressão

A taxa de compressão é um dos parâmetros determinantes da potência e rendimento do motor. Infelizmente está limitada pela detonação. pelo que não é possível utilizarem-se valores superiores a 10- 11 :1 , o que limita os motore s a gaso lina. Quanto mais elevada for a taxa de compressão. mais propensão ha verá para o aparec imento do "knock".

8.4.4.9. Temperatura do motor

Quanto menor for a temperatura do motor, me nor será a transferência de calor para os gases durante a compressão e maior será a pe rda de calor dos gases durante a combu stão. Ambos os efeitos levam à redução da ocorrência do "knock".

8.4.4.4. Turbulência 8.4.4.10. Câmara de Combustão

A turbulência aumenta a velocidade de propagação de c ha ma , pelo que a combustão será mais rápida, não havendo tanto tempo à ocorrência do "knock".

O aumento da carga vai originar pressões e temper::ituras mais e levadas na altura da combustão, sendo por isso mais propício ao aparec imento do ··knock". Cargas mais baixas obrigam a um maior avanço da ignição, pelo que a situação de "knock" pode também ocorrer, embora seja improvável.

Já se apresentaram os vários des e nhos de câmaras de combustão. Quanto mais compacta for a câmara, menos propensão h averá ao aparecimento do "knock". Interessa também que haja bom arrefec ime nto, garantindo uma temperatura o mais uniforme possíve l, se m pontos quentes. A vela dever-se-á e ncontrar o mai s ce ntralm ente possível para minimizar o percurso máximo da frente de chama, de modo a que toda a mistura arda antes do aparecimento do "knock". Nalgumas situações a utilização de duas ve las por cilindro é conven iente para reduzir este perc urso. Câmaras de combustão de 4 válvulas (vela centra l) são quase óptimas, pois o perc urso da frente de chama é minimizado e as válvulas de escape são bem arrefecidas {são de menor diâmetro).

8.4.4.6. Riqueza da mistura

8.4.4.11. Preparação da mistura

O aumento da riqueza da mistura implica mais comb ustível para vaporizar e para aquecer, originando menores temperaturas no final da compressão e da combustão. Por outro lado, uma mistura levemente rica arde com maior velocidade. Os dois efeitos levam a que o aparecimento do "knock" seja mais dificultado para misturas ricas. Misturas pobres, como

Uma preparação de mi s tura defic iente (co m grande quantid ade de combustível no estado líquido) origina menores temperaturas durant e a compressão, poi s é necessário vaporizar a mistura. Por esta razão, os sistemas de injecçâo MP! permitem maiores taxas de compressão, pois a temperatura da mistura no final da compressão é mais baixa do que quando se u sam

8.4.4.5. Carga imposta

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r1

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Cap. 8: Combus tlo nos Motores

Motores de Combustão Int erne

carburadores ou sistemas SPf. Nestes é necessário fazer uma boa preparação da mistura. para o que se fornece bastante calor à mistura antes de ser admitida. ;endo mais propensos ao '"knock".

O 10 da gasolina afecta a taxa de com pressão qu.: o motor pode ter. se m incorrer em ··knock"" (Tab.8. '.!J . Esta tabela r efer e-se a motores de carburador. com aquecimento da mistura. apresenta m os valores de taxa de compressão e de rendimento. função do 10 do combustível que queimam.

8.4.4.12. Recirculação de gases de escaoe IEGR)

Tab.8.2 - Exigência do 1.0. do combustível e rendimento passivei função da taxe de compressão

E s ta medida visa reduzir a temperatura máxima de c hama. pelo que irá também reduzir a propensão ao "knock" .

necessário

rendimento (%)

5:1 6:1 7:1 8: 1 9:1 10:1 11:1 12:1

72 81 87 92 96 100 104 108

25 28 30 32 33 34 35

8.4.5. Índice de Octano O índice de octano (10) das gasolinas (ou de outros combustíveis) tem sido medi do no mesmo motor ao lon go de muitas décadas. O molor usado ( por legislação) para o s lestes ( motor CRF) é um motor de 612 c m 3 (D x C = 82.5 x 114.3 mm). 4 tempos, com a cabeça e o cilindro fabri cados numa só peça, de modo a que possa m subir e de scer, alterando a taxa d e compressão en tre 4 : 1 e 18: 1. fabricado pela Waukes ha Engine Division of Dresse r Indu stries, em Waukesha , Wisconsin. USA. As especificações para os testes dos combu s tívei s pod em ser vistas na Tab .8.1.

ASTM 02700-92( 104)

MÉTODO

MON

1

velocidade

900 rpm

ASTM 02699-92(105)

RON

1

600 rpm

humidade do ar de admissão

3.56 - 7. 12 gH2ofkg.,

3.56 - 7.12 gH2olkg.,

temperatura da mistura

149ºC

não especificado

temp. água de arrefecimento

IOOºC

1

A variação de propriedades, ta i s como a temperatura e pre ssão atmosféricas (altitude) ou a ~ua humidade. alterarão as características d e aparecimento do "knock" num molor . A Tab.8 .3 apresenta a l g uns va lores ( refere ntes a motores de carburador) .

+ 5°C 1

+ 2000 m + 1gH2ofkg.,

IO______ ~

+ 0.5 1

- 1.5 - 0.3 1

_ _J

As gasolinas de aviação apresentam lOs maiores que 100, denominados Índice de Desempenho (Performance Number). H á dois métodos de determinação destes lDs, o método da mistura rica e o método da mi s tura pobre. Existe o mito que a naftalina (naftaleno) aumenta o 10 das gasolinas. Na verdade o naftaleno tem um 10 (de mi s tura) de 90, pelo que adicioná-lo a gasolina com maior 10 irá reduzi-lo. No período do entre-guerras, quando o 10 das gasolinas andava perto dos 60, a naftalina aumenta o seu 10. mas actualmente tal não é verdade.

274

Outras condições que originam alterações no 10 requerido por um motor

temp. atmosférica altitude humidade

variável com a altitude: 14.3 mm para 0-500m 15. l mm para 500-1000 m

14.3 mm 1

1

Tab.8.3 - Condições referentes eo aparecimento do "knock"

13°

(entre t4 e 26")

venturi do carburador

1

~teração de condições_ . 1 r~que!im~nto de

variável com TC

avanço da ignição

,

1

Motores modernos, com câmaras de 4 válvulas em telhado de alpendre ("pent- roof") e inj ecção electrónica MP/, requerem gasolinas com me nores /Os que os acima apresentados. resultando e m maiores rendimento s.

8.4.5.1.

Tab.8.1 - Descrição das condições de teste para determinação do MON e RON (motor CRFJ

10

taxa de compressão

Tal como o aumento da humidad e do ar, a injecção de água le va a que a tempera tura de chama da combustão bai xe, permitindo aumentar o "boost'" (pressão de admissão) em motores sobrea limentados , nomeadamente em aviões. Deste modo conseg ue- se aumentar a pressão d e admissão se m que o motor grile, permitindo um aumento até 25% da s ua potência. Este processo é usado em aviões (onde a água é misturada com etanol , para que nã o gele) e foi u sado em motores de Formula 1 (sobrealimentados) até à sua proibição (anos 90). O efeito de arrefecimento pode também ser conseguido pela injecção de uma mistura muito rica (a gasolina arrefece o motor ao vaporizar).

275

Cap. 8: Combus tlo nos Motores

Motores de Combustão Int erne

carburadores ou sistemas SPf. Nestes é necessário fazer uma boa preparação da mistura. para o que se fornece bastante calor à mistura antes de ser admitida. ;endo mais propensos ao '"knock".

O 10 da gasolina afecta a taxa de com pressão qu.: o motor pode ter. se m incorrer em ··knock"" (Tab.8. '.!J . Esta tabela r efer e-se a motores de carburador. com aquecimento da mistura. apresenta m os valores de taxa de compressão e de rendimento. função do 10 do combustível que queimam.

8.4.4.12. Recirculação de gases de escaoe IEGR)

Tab.8.2 - Exigência do 1.0. do combustível e rendimento passivei função da taxe de compressão

E s ta medida visa reduzir a temperatura máxima de c hama. pelo que irá também reduzir a propensão ao "knock" .

necessário

rendimento (%)

5:1 6:1 7:1 8: 1 9:1 10:1 11:1 12:1

72 81 87 92 96 100 104 108

25 28 30 32 33 34 35

8.4.5. Índice de Octano O índice de octano (10) das gasolinas (ou de outros combustíveis) tem sido medi do no mesmo motor ao lon go de muitas décadas. O molor usado ( por legislação) para o s lestes ( motor CRF) é um motor de 612 c m 3 (D x C = 82.5 x 114.3 mm). 4 tempos, com a cabeça e o cilindro fabri cados numa só peça, de modo a que possa m subir e de scer, alterando a taxa d e compressão en tre 4 : 1 e 18: 1. fabricado pela Waukes ha Engine Division of Dresse r Indu stries, em Waukesha , Wisconsin. USA. As especificações para os testes dos combu s tívei s pod em ser vistas na Tab .8.1.

ASTM 02700-92( 104)

MÉTODO

MON

1

velocidade

900 rpm

ASTM 02699-92(105)

RON

1

600 rpm

humidade do ar de admissão

3.56 - 7. 12 gH2ofkg.,

3.56 - 7.12 gH2olkg.,

temperatura da mistura

149ºC

não especificado

temp. água de arrefecimento

IOOºC

1

A variação de propriedades, ta i s como a temperatura e pre ssão atmosféricas (altitude) ou a ~ua humidade. alterarão as características d e aparecimento do "knock" num molor . A Tab.8 .3 apresenta a l g uns va lores ( refere ntes a motores de carburador) .

+ 5°C 1

+ 2000 m + 1gH2ofkg.,

IO______ ~

+ 0.5 1

- 1.5 - 0.3 1

_ _J

As gasolinas de aviação apresentam lOs maiores que 100, denominados Índice de Desempenho (Performance Number). H á dois métodos de determinação destes lDs, o método da mistura rica e o método da mi s tura pobre. Existe o mito que a naftalina (naftaleno) aumenta o 10 das gasolinas. Na verdade o naftaleno tem um 10 (de mi s tura) de 90, pelo que adicioná-lo a gasolina com maior 10 irá reduzi-lo. No período do entre-guerras, quando o 10 das gasolinas andava perto dos 60, a naftalina aumenta o seu 10. mas actualmente tal não é verdade.

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Outras condições que originam alterações no 10 requerido por um motor

temp. atmosférica altitude humidade

variável com a altitude: 14.3 mm para 0-500m 15. l mm para 500-1000 m

14.3 mm 1

1

Tab.8.3 - Condições referentes eo aparecimento do "knock"

13°

(entre t4 e 26")

venturi do carburador

1

~teração de condições_ . 1 r~que!im~nto de

variável com TC

avanço da ignição

,

1

Motores modernos, com câmaras de 4 válvulas em telhado de alpendre ("pent- roof") e inj ecção electrónica MP/, requerem gasolinas com me nores /Os que os acima apresentados. resultando e m maiores rendimento s.

8.4.5.1.

Tab.8.1 - Descrição das condições de teste para determinação do MON e RON (motor CRFJ

10

taxa de compressão

Tal como o aumento da humidad e do ar, a injecção de água le va a que a tempera tura de chama da combustão bai xe, permitindo aumentar o "boost'" (pressão de admissão) em motores sobrea limentados , nomeadamente em aviões. Deste modo conseg ue- se aumentar a pressão d e admissão se m que o motor grile, permitindo um aumento até 25% da s ua potência. Este processo é usado em aviões (onde a água é misturada com etanol , para que nã o gele) e foi u sado em motores de Formula 1 (sobrealimentados) até à sua proibição (anos 90). O efeito de arrefecimento pode também ser conseguido pela injecção de uma mistura muito rica (a gasolina arrefece o motor ao vaporizar).

275

Cap. 8: Combustão nos Motores

Motores de Combustão I nterna

8.4.5.2.

rompimento das panelas silenciadoras e originar um grande ruído e labaredas saindo do tubo de escape. Estas labaredas são normais nos carros de ··ra11y·· em desaceleração. Nestes induz-se artificialmente esta combustão no escape. injectando combustível e/ou ar a montante da turbina do rurbo-compressor. de modo a que esta se mantenha em funcionamen to durante as desace lerações (mantendo a sobre -pressão na admissão).

Combustíveis

Os motores de ignição comandada (ciclo Otto) geralmente queimam um combustíve l produzido a panir do petróleo bruto, a gasolina. que é uma mistura de vários componentes. hidrocarbonetos. com diferentes propriedades. como por exemplo a sua temperatura de ebulição (ver Cap.7.3). A gasolina deve se r capaz de ser submetida às altas pressões e temper:lluras existent es durante a combustão sem que a mistura ainda não queimada expluda por si só. ou ~:

O=o.os[ o=p., ~: - P,. )J na qual

D - di âmetro do orifíc io de injecção ( m) P,, - massa volúmica do ar (kg/m·'J µ ,, - viscosidade do ar (Pa· s) p - pressão (d e inj ecção - ili) e da c âmara de co mbustão - cc).

Os sistem as pod e m-se dividir e m injecção directa e injecção ind irecta ou de c âmarn auxi lia r . Geralmente , os sis temas de injecção direc ta utilizam maiores pressões d e alimentação e injectores de vári os orifíc ios . enquan to que os de spru~ injecção ind irecta usam me nores pressões e inj ec tores de orifício úni co com agu lha. Este último tipo de s istema produz um "s pray" mai s grosseiro (de maior diâ metro mé dio), po is a mi s tura é principalmente realizada pela turbul ê ncia do ar na câmara auxi li ar. Embora haja turbul ência nas câmaras de injecção directa. a mis tura é formada com as boas caracter ísticas do "spray". ou seja com a o ptim ização da penetração das O ar pro não é compathel co m câmaras de injecção indirccta. pe lo qu e e'tas des apareceram do mercado. Esta fas e de combustão desenrola-se pra ti c am ente a pressão constante. para o que é nece ,sá rio controlar a taxa de injecção de combustíve l e a forma. atomização e penetração do "spray". Uma boa combustão exige que a maior quantidade possíve l de ol\ig~nio d isponíve l seja posto em contacto com o " spray'' ante' qu e o combustíve l seja arrefec id o pelas pare des ou sobreaquecido pe los gases de combustão.

8. 5.5.4. Combustão por difusão

Este tipo de com bustão aparece após a inte rrupção d a injecção, e é fundam ent al parn a emi ss ão de partíc ul as. É uma fase re lati vamente longa e a temperatura dos gases não bail\a muito, sendo queimadas as últimas porções d e combustível e os resíduos só lidos da combustão anterior. Para que decorra idealmente. é necessário haver na câmara reg iões de elevada tem peratu ra e alg uma turbu lência, para que o ar ai·nda não usado possa c hegar aonde é necessário. Se o rend imento d a combus tão não for e levado. o calo r desenvolvido não é utili zado para produç ão de trabalho e a te mpe ratura dos gases elevar- se-á para valore s e m que se da rá a produção de NOr. Os novos s iste mas de injecção e lectró nica fornecem as "pós inj ecções'', de modo a que as pa rtíc ulas sejam que im adas nesta fase.

8.6. PARÂMETROS DA COMBUSTÃO NOS MOTORES DE IPC Já se refe riram a lguns parâmetros capazes de influenc iar o desenrolar da co mbu stão nos motores Diesel (de ig nição por comp ressão). Embora e x is tam o utros, a s ua importância re lativa é ma is peque na pelo qu e no s vamos ci ngir aos mais im portantes. Alg uns deles poderão ser fac ilmente mod ifi cado s, por exemplo , pela uti lização d e um s is tem a dife rente de injecção. enqu an to que os outros são intrín sec os ao tipo de moto r esc olhido (tipo d e câ mara) e outros são ex ter io res ao motor, co mo sejam as propriedades dos c ombustívei s o u a te mperatura e pressão do ar de admi ssão. A secção re lativa a câmaras de combustão aparece no último s ub c apítulo.

8.6.1. Sistema de lniecção O s is te ma de injecção é o princi pal respon s ável pelo bom ou mau desempenh o do motor Di ese l. Tem como pri ncipal pa pe l a formação de mi stura ar-c ombustível, o mai s ho mogeneamente poss íve l e fornecer a quan tidade re que r ida para u ma certa carga.

284

r

Cap. 8: Combustão nos Motores

..

O injec to r forma um "spray" de dete rminada, carac tenst1cas. ent re as quais é impo rtante refrrir a atomização. a penetração. a di s tân cia a que se dá o rompimento das gotas e o ângulo do "spray" 8. Este último pode ~er calculado através da seguinte relação (as várias equações fora re ti radas d e CHALEN. 1999 >:

O=o.os[ o=p., ~: - P,. )J na qual

D - di âmetro do orifíc io de injecção ( m) P,, - massa volúmica do ar (kg/m·'J µ ,, - viscosidade do ar (Pa· s) p - pressão (d e inj ecção - ili) e da c âmara de co mbustão - cc).

Os sistem as pod e m-se dividir e m injecção directa e injecção ind irecta ou de c âmarn auxi lia r . Geralmente , os sis temas de injecção direc ta utilizam maiores pressões d e alimentação e injectores de vári os orifíc ios . enquan to que os de spru~ injecção ind irecta usam me nores pressões e inj ec tores de orifício úni co com agu lha. Este último tipo de s istema produz um "s pray" mai s grosseiro (de maior diâ metro mé dio), po is a mi s tura é principalmente realizada pela turbul ê ncia do ar na câmara auxi li ar. Embora haja turbul ência nas câmaras de injecção directa. a mis tura é formada com as boas caracter ísticas do "spray". ou seja com a o ptim ização da penetração das O ar pro

Fig.9.26 - Variação de produção de NO, e HC com a

Em vi rtude do motor Diesel traba lhar com excesso de ar, é fundamental me lhor ar-se a sua eficiência vo lumétrica, para o que é h abitual o uso de 3 e 4 válv ul as por c ili ndro. Como as

330

variação do avanço da injecção

331

top. 9: Produçlo 1 Eliminação de Poluentes

Motores de Combu stão Interna

9.5.5.9. Pressão de

jnjec~ão

Já foi visto que a elevação da pressão de injecção vai me lh orar a atomização e a penetração do spray. diminuindo a produção de partículas. É. no entanto, necessário combiná-la com uma mais e ficiente movimentação do ar e melhor geometria da câmara de combustão para que a elevada pressão de injecção não ocasione excess iva produção de NO, e maiores consumos. Actualmente já se usam pressões de injecção da ordem dos 2000 bar.

potência (Cv)

rendimento (%}

550

4o-41 45 53

r--

L

cons.espec. (glkW.h) _

pressão max. (bar)

pme (bar)

l

205-210 .195-200 180

135 150 170

14 15.5 20

1

1

1

1

9.5.5.12. Filtros de partículas 9.5.5.10. Componentes Alguns pistõe s são formados por várias peças (Fig.9.27), p:ira açoou que a coroa possa se r fnbric:ida em aço de modo a aguentar as ~cerâmica elevadas pressões e temperaturas existentes durante a ~. alumínio combustão. O uso de materiai s cerâmicos tem sido experimentado nos motores ditos adiabáticos. As saias do p istão são de alumínio para que se possa dar uma boa dissipação do calor para as paredes do cilindro e manter uma Fig.9.27 - Pistão de duas peças baixa massa. O interesse deste tipo de pistões é permitir uma para motor Diesel maior temperatura de funcionamento da sua coroa, queimand o partículas e diminuindo o risco de zonas de mi stura não queimada, pe rmitindo a colocação de segmentos numa posição mais elevada. reduzindo a fenda existente entre o pis tão e o cilindro e permitindo o uso de uma passagem de óleo de lubrificação e refrigeração entre a co roa e a saia do pistão.

Para se obterem os níveis de poluentes propostos para 2005 (Tab. 9. 7 J, é necessário filtrarem-se as partículas produzidas (Fig.9.28). O grande problema dos filtros de partícu las reside na sua limpeza ou regeneração. Esta é feita pela e levação periódica da temperatura do filtro para valores em que as partículas se queimem. As temperaturas dos gases Fig.9.28 - Filtro de partlculas para motor Diesel de escape não são suficientemente elevadas para este tipo de eliminação (salvo em carga elevada), pelo que se usam outros processos. O aq u ecimento eléctrico foi equacionado, mas tem sido preterido em favor d e uma injecção de combustível periódica que queima oeste filtro (que também é catalisador de oxidação) e levando- lh e assim a temperatura para os valores necessários. Este aumen to de temperatura pode também ser con segu ido pelo atraso da injecção ou por injecção durante a expansão/escape.

9.5.5.13. Sistemas de jnjecção 9.5.5.11. Turbo-compressores e "jnter-coo!ers" O uso da sobrealimentação é bastante benefici al no caso dos motores Diese l pois não obr iga, tal como nos de ignição comandada, a uma diminuição da taxa de compressão. A sobre-pressão existente na admissão dos motores providos de turbo-compressor va i melhorar o desempenho por duas fo r mas: permite o aumento da massa de combu stível a injectar, aumentando a potência motora, e permite um maior excesso de ar, reduzin do as e mis sões de poluentes. Os mesmos efeitos são conseguidos pelo u so de "inter-coolers" (também chamados "after-coolers"), nos quai s se dá a r e dução da temperatura do ar de admissão após ter sido compr imi do. Esta operação pode ser efectuada por permutadores de calor ar-ar (o ar atmosfé ri co arrefece o ar de admissão) ou por permutadore s ar-água (existe um circ uito secundário no qual a ág ua arrefece o ar de admissão, sendo a água arrefeci d a pelo ar ex te ri or), o que é menos comum. O uso dos compressores e permutadores de ca lor origina um maior rendimento global e menor consumo específico. A refr igeração do ar de admissão dá ainda o r ige m a significativas reduções na produ ção de NOx. Os valores de rendimento global, consumo específico, pres são máxima e pressão média efectiva possíveis com o uso destas tecnologias situam-se em:

332

Como foi descrito no Cap.5.3, os siste mas d e injecção a alta pressão estão a ser dotados de controlos electrónicos sofisticados a fim de se obter a minimização da produção de NOx e partícu las e ser suficientemente suave de modo a poder ser incorporado em automóveis luxuosos . Tal como nos motores a gasolina, a injecção é comandada por um c ircuito electrónico digital, sendo a pressurização a cargo d u m sistema mecânico (bomba). As variáveis q ue podem ser modificadas pe lo contro lo electróni co são inúmeras, incl uindo pré-injecções , modulação da injecção principal e pós-injecções, além do ponto do início da injecção. As pré-injecções são geralmente duas e servem para suavisar o início da combustão, mas também reduzem a produção de NOx. A injecção principal deve ser modulada de modo a minimizar a temperatura máxima obtida no ciclo e assim minimizar a produção de NOx. Esta inj ecção deve terminar abruptamente, o que minimiza a produção de partícu las.

-o "'

s

injecção

pós-

principal

injecções

tempo

Fig.9.29 - lnjecçllo no motor Diesel

Sistemas recentes usam duas injecções principais para controlar a produção dos NOX' As pós-injecções (poderão ir até 3) servem para reactivar a combustão pelo aumento de temperatura dos gases, queimando partículas que de outro modo

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top. 9: Produçlo 1 Eliminação de Poluentes

Motores de Combu stão Interna

9.5.5.9. Pressão de

jnjec~ão

Já foi visto que a elevação da pressão de injecção vai me lh orar a atomização e a penetração do spray. diminuindo a produção de partículas. É. no entanto, necessário combiná-la com uma mais e ficiente movimentação do ar e melhor geometria da câmara de combustão para que a elevada pressão de injecção não ocasione excess iva produção de NO, e maiores consumos. Actualmente já se usam pressões de injecção da ordem dos 2000 bar.

potência (Cv)

rendimento (%}

550

4o-41 45 53

r--

L

cons.espec. (glkW.h) _

pressão max. (bar)

pme (bar)

l

205-210 .195-200 180

135 150 170

14 15.5 20

1

1

1

1

9.5.5.12. Filtros de partículas 9.5.5.10. Componentes Alguns pistõe s são formados por várias peças (Fig.9.27), p:ira açoou que a coroa possa se r fnbric:ida em aço de modo a aguentar as ~cerâmica elevadas pressões e temperaturas existentes durante a ~. alumínio combustão. O uso de materiai s cerâmicos tem sido experimentado nos motores ditos adiabáticos. As saias do p istão são de alumínio para que se possa dar uma boa dissipação do calor para as paredes do cilindro e manter uma Fig.9.27 - Pistão de duas peças baixa massa. O interesse deste tipo de pistões é permitir uma para motor Diesel maior temperatura de funcionamento da sua coroa, queimand o partículas e diminuindo o risco de zonas de mi stura não queimada, pe rmitindo a colocação de segmentos numa posição mais elevada. reduzindo a fenda existente entre o pis tão e o cilindro e permitindo o uso de uma passagem de óleo de lubrificação e refrigeração entre a co roa e a saia do pistão.

Para se obterem os níveis de poluentes propostos para 2005 (Tab. 9. 7 J, é necessário filtrarem-se as partículas produzidas (Fig.9.28). O grande problema dos filtros de partícu las reside na sua limpeza ou regeneração. Esta é feita pela e levação periódica da temperatura do filtro para valores em que as partículas se queimem. As temperaturas dos gases Fig.9.28 - Filtro de partlculas para motor Diesel de escape não são suficientemente elevadas para este tipo de eliminação (salvo em carga elevada), pelo que se usam outros processos. O aq u ecimento eléctrico foi equacionado, mas tem sido preterido em favor d e uma injecção de combustível periódica que queima oeste filtro (que também é catalisador de oxidação) e levando- lh e assim a temperatura para os valores necessários. Este aumen to de temperatura pode também ser con segu ido pelo atraso da injecção ou por injecção durante a expansão/escape.

9.5.5.13. Sistemas de jnjecção 9.5.5.11. Turbo-compressores e "jnter-coo!ers" O uso da sobrealimentação é bastante benefici al no caso dos motores Diese l pois não obr iga, tal como nos de ignição comandada, a uma diminuição da taxa de compressão. A sobre-pressão existente na admissão dos motores providos de turbo-compressor va i melhorar o desempenho por duas fo r mas: permite o aumento da massa de combu stível a injectar, aumentando a potência motora, e permite um maior excesso de ar, reduzin do as e mis sões de poluentes. Os mesmos efeitos são conseguidos pelo u so de "inter-coolers" (também chamados "after-coolers"), nos quai s se dá a r e dução da temperatura do ar de admissão após ter sido compr imi do. Esta operação pode ser efectuada por permutadores de calor ar-ar (o ar atmosfé ri co arrefece o ar de admissão) ou por permutadore s ar-água (existe um circ uito secundário no qual a ág ua arrefece o ar de admissão, sendo a água arrefeci d a pelo ar ex te ri or), o que é menos comum. O uso dos compressores e permutadores de ca lor origina um maior rendimento global e menor consumo específico. A refr igeração do ar de admissão dá ainda o r ige m a significativas reduções na produ ção de NOx. Os valores de rendimento global, consumo específico, pres são máxima e pressão média efectiva possíveis com o uso destas tecnologias situam-se em:

332

Como foi descrito no Cap.5.3, os siste mas d e injecção a alta pressão estão a ser dotados de controlos electrónicos sofisticados a fim de se obter a minimização da produção de NOx e partícu las e ser suficientemente suave de modo a poder ser incorporado em automóveis luxuosos . Tal como nos motores a gasolina, a injecção é comandada por um c ircuito electrónico digital, sendo a pressurização a cargo d u m sistema mecânico (bomba). As variáveis q ue podem ser modificadas pe lo contro lo electróni co são inúmeras, incl uindo pré-injecções , modulação da injecção principal e pós-injecções, além do ponto do início da injecção. As pré-injecções são geralmente duas e servem para suavisar o início da combustão, mas também reduzem a produção de NOx. A injecção principal deve ser modulada de modo a minimizar a temperatura máxima obtida no ciclo e assim minimizar a produção de NOx. Esta inj ecção deve terminar abruptamente, o que minimiza a produção de partícu las.

-o "'

s

injecção

pós-

principal

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tempo

Fig.9.29 - lnjecçllo no motor Diesel

Sistemas recentes usam duas injecções principais para controlar a produção dos NOX' As pós-injecções (poderão ir até 3) servem para reactivar a combustão pelo aumento de temperatura dos gases, queimando partículas que de outro modo

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1

Motores de C ombust~o Interna

sair iam p.:lo escape. Aparentemente esta elevação da temperatura durante a e xpa n são dos gases. permite re-estabelecer parte do equilíbrio químico referente aos compostos NO". produzidos durante a combustão. que terá como consequência a sua dissociação em N, e O,. Ela permite também mantém uma temperatura elevada n os catalisadores de oxidação. aÍém d~ melhorar a regeneração dos filtros de partículas do escape. O sistema de injecção funciona a elevadas pressões (-2000 bar) e os injectores têm orifíc ios de injecção extremamente finos (-0. I µm) o que origina .. sprays .. de gotas de reduzida dimensão.

9.6. MOTORES A DOIS TEMPOS Com a evolução da legi slação no respe itante a emissão de poluentes, o motor de 4 tempos com inj ecção electrónica dotado de catalisador de triplo efeito e de sonda lambda com '"c losed- loop" parece ser uma boa solução, mas o prob lema do "efeito de estufa'' a níve l mundial está a obrigar a introdução de restrições das em issões de C00 , o que significa que os veículos terão de passar a co nsu mir menos. Nos finais dos anos 80 parecia qu e uma outra solução poderia ser o uso do ciclo a dois tempos. Os motores a do is tempos Diesel são muito eficientes poi s o combustível é somente injec tado depois da lavagem ter sido efectuada. Desta maneira n ão h á descarga de combustíve l não queimado pelo escape. Com o uso de gasolina nestes motores, consegue-se mel h orar a velocidade e a suavidade d o motor. É, porém, necessário uti lizar-se a m es ma lógica de produção de mistura utilizada nos motores Die sel: a gaso lina deve ser fornecida de maneira a não se pe rder pelo escape, sendo necessário usar-se um s istema que a injecte depois (o u nos últimos insta ntes) da abertura da janela de escape ( injecção directa). Estes motores consomem menos combustível que os a 4 tempos. pois a eliminação dos dois. tempos reduz signi fi cativamente a s perdas m ecânic as, perdas e stas que poderão a i nda ser mini mizadas pela inexistência de sistem a de distribuição (árvore de carnes e válv ul as). As perdas d e bombagem , embora não sejam co ntabi lizadas a nível do diagrama ind icado, estão englobadas n as perdas mecânica s (é necessário fornece r energia a um compressor para se dar a lavagem do cil indro). No respe itante à emissão de poluentes, o motor a do is tempos com i njecção de gasolina produz uma menor q uantidade de NOX' mercê da pior preparação de mistura. Como o com bu stível é injectado durante o tempo de compressão, não h á lugar para a quecimen to da mistura e a evaporação da gasolina produz o abaixame nto da temperatura da mistura. Durante a compressão (e mesmo combu s tão), p arte do calor produzido (res ultante da elevação da p ressão) é utilizado para vaporização do spray. A tem peratura máxima do cic lo é, assim, mais bai xa do que num motor com boa p rep.aração de mistu ra, produzido m enos NOx. Também pela ineficiente preparação de mistura, o nível d e emissão de HC é maior, sendo a produção de CO eq ui va len te a motores a quatro tempos. Mas o utros prob lemas afligiram o desenvo l v i mento destes motore s, que prometiam simu l taneamente se r pequenos, simples,

334

~

Cap. 9: Produção e Eliminação do Pol uentes

sua ,·es . potentes. económicos e limpos (um motor de 4 tempos. 4 cilindros e 1600cc pode ser substituído por um a 2 tempos de 3 cil indros e 1200cc. obtendo-se a mes ma potência e binCirio. mas com a suavidade de um 6 cilindro a 4 tempos e menores consumos) . O desenvolvimento teve como base sistemas de injecção directa ap licados a m otores com janelas e compressão de cárter. No entanto este desenho a p resentava alguns problemas: - algum ar passa va directamente para o escape. pelo que não era possível usar o catalisador de triplo efeito com b ons rendimenros de eliminação (os g ase s de e scape eram di l uídos em ar. tornando-se oxidantes) : - as janelas nas paredes dos cilindros originavam desgaste prematuro dos segmentos e com ele mais poluentes (prob lem át ico nos testes aos 80 000 km); - o cárter não podia conter óleo . poi s se rvi a como compres sor. pelo que: > tinha m que se usa r rolamentos nos a po ios e moentes. em vez d e ch um aceiras hidrodinâmicas, resultando em v ida reduz ida e ruído: > a lubrificação teria de ser feit a por óleo perd ido, que era queimado durante a combus tão, reduzindo a eficácia da lubrificação, produzindo HC e aumentando o consumo de óleo. A maioria dos construtores teve nos seus planos o desenvolvimento e produção de motores a 2 tempo s, tendo o n í ve l de sofisticação s ido gradualmente aumentado. O s sistemas de injecção eram auxiliados por ar com pri mido (para mel horia da preparação de mi stura) e u saram-se compressores exteriores e vál vulas na culassa de modo a permitir cárte r com óleo e casq ui lhos hidrodinâmicos. Esta sofisti cação originou a perda de uma d as melhores razões da existência do motor a 2 tempos, a sua inerente simplicidade, além de originar novos problemas: - a árvore de carnes roda à mesma ve locidade da ca mbota, limi tando a velocidade de rotaç ão a metade da dos motores a 4 tempos: - o uso de válvulas (geralmente 4 ) na culassa tornaram o processo de lavagem de difíc il contro lo. Actualmente somente na Austrá li a existe um mode lo de um automóvel utilitár io à venda com motor a 2 tempos (SHAWC ROSS, 2000) e o g rande desenvolvimento dos sistemas de injecção directa a gaso lina para es te motor levou a que o desenvolvi mento dos motores a 4 tempos de injecção directa tenha sido mais ráp ido.

9.7. "ON-BOARD DIAGNOSTICS" - OBD Individualmente os veícu los não são testados no respeitante às emissões de poluentes, mas devem possuir meios de ava liação e moni torização do bom funcio namento do .motor e d o seu processo de e li mi nação de pol ue n te s. Não se espera que as em issões do escape e evaporativas sejam continuamente medidas pois a aparelhagem de medição é extraordinariamen te sofisticada e cara . Os s istemas anti-poluição dos veículos são projectados e testados para durarem pelo menos 80 mil quilómetros sem significativo decréscimo das suas especificidades, mas no

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Motores de C ombust~o Interna

sair iam p.:lo escape. Aparentemente esta elevação da temperatura durante a e xpa n são dos gases. permite re-estabelecer parte do equilíbrio químico referente aos compostos NO". produzidos durante a combustão. que terá como consequência a sua dissociação em N, e O,. Ela permite também mantém uma temperatura elevada n os catalisadores de oxidação. aÍém d~ melhorar a regeneração dos filtros de partículas do escape. O sistema de injecção funciona a elevadas pressões (-2000 bar) e os injectores têm orifíc ios de injecção extremamente finos (-0. I µm) o que origina .. sprays .. de gotas de reduzida dimensão.

9.6. MOTORES A DOIS TEMPOS Com a evolução da legi slação no respe itante a emissão de poluentes, o motor de 4 tempos com inj ecção electrónica dotado de catalisador de triplo efeito e de sonda lambda com '"c losed- loop" parece ser uma boa solução, mas o prob lema do "efeito de estufa'' a níve l mundial está a obrigar a introdução de restrições das em issões de C00 , o que significa que os veículos terão de passar a co nsu mir menos. Nos finais dos anos 80 parecia qu e uma outra solução poderia ser o uso do ciclo a dois tempos. Os motores a do is tempos Diesel são muito eficientes poi s o combustível é somente injec tado depois da lavagem ter sido efectuada. Desta maneira n ão h á descarga de combustíve l não queimado pelo escape. Com o uso de gasolina nestes motores, consegue-se mel h orar a velocidade e a suavidade d o motor. É, porém, necessário uti lizar-se a m es ma lógica de produção de mistura utilizada nos motores Die sel: a gaso lina deve ser fornecida de maneira a não se pe rder pelo escape, sendo necessário usar-se um s istema que a injecte depois (o u nos últimos insta ntes) da abertura da janela de escape ( injecção directa). Estes motores consomem menos combustível que os a 4 tempos. pois a eliminação dos dois. tempos reduz signi fi cativamente a s perdas m ecânic as, perdas e stas que poderão a i nda ser mini mizadas pela inexistência de sistem a de distribuição (árvore de carnes e válv ul as). As perdas d e bombagem , embora não sejam co ntabi lizadas a nível do diagrama ind icado, estão englobadas n as perdas mecânica s (é necessário fornece r energia a um compressor para se dar a lavagem do cil indro). No respe itante à emissão de poluentes, o motor a do is tempos com i njecção de gasolina produz uma menor q uantidade de NOX' mercê da pior preparação de mistura. Como o com bu stível é injectado durante o tempo de compressão, não h á lugar para a quecimen to da mistura e a evaporação da gasolina produz o abaixame nto da temperatura da mistura. Durante a compressão (e mesmo combu s tão), p arte do calor produzido (res ultante da elevação da p ressão) é utilizado para vaporização do spray. A tem peratura máxima do cic lo é, assim, mais bai xa do que num motor com boa p rep.aração de mistu ra, produzido m enos NOx. Também pela ineficiente preparação de mistura, o nível d e emissão de HC é maior, sendo a produção de CO eq ui va len te a motores a quatro tempos. Mas o utros prob lemas afligiram o desenvo l v i mento destes motore s, que prometiam simu l taneamente se r pequenos, simples,

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Cap. 9: Produção e Eliminação do Pol uentes

sua ,·es . potentes. económicos e limpos (um motor de 4 tempos. 4 cilindros e 1600cc pode ser substituído por um a 2 tempos de 3 cil indros e 1200cc. obtendo-se a mes ma potência e binCirio. mas com a suavidade de um 6 cilindro a 4 tempos e menores consumos) . O desenvolvimento teve como base sistemas de injecção directa ap licados a m otores com janelas e compressão de cárter. No entanto este desenho a p resentava alguns problemas: - algum ar passa va directamente para o escape. pelo que não era possível usar o catalisador de triplo efeito com b ons rendimenros de eliminação (os g ase s de e scape eram di l uídos em ar. tornando-se oxidantes) : - as janelas nas paredes dos cilindros originavam desgaste prematuro dos segmentos e com ele mais poluentes (prob lem át ico nos testes aos 80 000 km); - o cárter não podia conter óleo . poi s se rvi a como compres sor. pelo que: > tinha m que se usa r rolamentos nos a po ios e moentes. em vez d e ch um aceiras hidrodinâmicas, resultando em v ida reduz ida e ruído: > a lubrificação teria de ser feit a por óleo perd ido, que era queimado durante a combus tão, reduzindo a eficácia da lubrificação, produzindo HC e aumentando o consumo de óleo. A maioria dos construtores teve nos seus planos o desenvolvimento e produção de motores a 2 tempo s, tendo o n í ve l de sofisticação s ido gradualmente aumentado. O s sistemas de injecção eram auxiliados por ar com pri mido (para mel horia da preparação de mi stura) e u saram-se compressores exteriores e vál vulas na culassa de modo a permitir cárte r com óleo e casq ui lhos hidrodinâmicos. Esta sofisti cação originou a perda de uma d as melhores razões da existência do motor a 2 tempos, a sua inerente simplicidade, além de originar novos problemas: - a árvore de carnes roda à mesma ve locidade da ca mbota, limi tando a velocidade de rotaç ão a metade da dos motores a 4 tempos: - o uso de válvulas (geralmente 4 ) na culassa tornaram o processo de lavagem de difíc il contro lo. Actualmente somente na Austrá li a existe um mode lo de um automóvel utilitár io à venda com motor a 2 tempos (SHAWC ROSS, 2000) e o g rande desenvolvimento dos sistemas de injecção directa a gaso lina para es te motor levou a que o desenvolvi mento dos motores a 4 tempos de injecção directa tenha sido mais ráp ido.

9.7. "ON-BOARD DIAGNOSTICS" - OBD Individualmente os veícu los não são testados no respeitante às emissões de poluentes, mas devem possuir meios de ava liação e moni torização do bom funcio namento do .motor e d o seu processo de e li mi nação de pol ue n te s. Não se espera que as em issões do escape e evaporativas sejam continuamente medidas pois a aparelhagem de medição é extraordinariamen te sofisticada e cara . Os s istemas anti-poluição dos veículos são projectados e testados para durarem pelo menos 80 mil quilómetros sem significativo decréscimo das suas especificidades, mas no

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Cap. 9: Produçlo e Eliminação de Poluentes

Motores de Combu1tlo lntern1 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~-

funcionamento diário poderá ha ver problenrns que levem à sua deg radação ou mau funcionamento . É para alertar estes problemas que existe o sistema chamado "on-board diagnostics'" ( OBD). Sempre que algum elemento do controlo de emissões de poluentes falhe o OBD detecta-o. acende uma luz avisadora de mau funcionamento do motor e grava a avaria ocorrida na s ua memória. Dado a luz de avaria continuar acesa (e por vezes o motor funcionar num modo de salvaguarda o u de protecção - .. limp home'"). o condutor terá de se dirigir ao centro de diagnóstico do construtor, onde a falha será diagnosticada pela ligação ao computador de diagnóstico. Será aqui necessário re ferir que o OBD não é o controlador do motor; ele avalia o funcionamento do motor. do seu contro lad or e dos s istemas anti-poluição.

9.7.1. 0081 e 080 li O sistema de OBD j á existe há uma s décadas (desde 1988 na Califórnia), mas tratava-se de um sistema de s imples detecção de avarias e léctricas dos senso res. Se, por exemplo, a válvu la da recirculação dos gases de escape (EGR) se estragasse (q ueimasse o motor, colasse, ou s implesmente perdesse a li gação eléctrica) o sistema OBD detectava essa avaria e acendia a lu z vermelha de avaria do sistema de controlo do motor e gravava um código na sua memória (PCM - powe rtrain control module). Sensores de temperatura, caudal e da riqueza da mistura eram avaliados continuamente no OBD I, mas não se fazia a protecção ou análise ao catali sador (elemento mai s importante na e liminação dos poluentes), e as ligações e protocolos de diagnóstico varia vam entre modelos e de marca para marca. No OBD li (i ntroduzida em 1996 nos USA) há uma interface com um a todas as marcas ("diagnostic link connector" - DLC) usando uma ficha padrão com 16 ligadores ("pin s") dos quai s 7 são padrão e permite m um diagnós tico base com um aparelho electricamente alimentado pela bateria do veículo (via DLC), usando um protocolo de com uni cações especifi cado. Os restantes 9 li gadores são específicos do co nstrutor e do seu sistema de controlo. Isto impli ca que o mesmo inst rumento de diagnóstico (padrão) possa avaliar problemas em todos o s veículos, embora muita outra informação possa ser usada especificamente pe las marcas, usand o os restantes 9 li gadores. Mas a alteração fundamental entre o OBD I e o II é a protecção ao catalisador. O novo sistema analisa o funcionamento do catalisador através de 2 sensores de oxigénio ("lambda") montados a montante e a jusan te do catalisador , o que permite identificar o seu funcionamento. Este novo sis tema também permite detectar fugas no sistema de armazenagem e fornecimento de combustíve l, por testes de pressão aos sis tema s. Na Europa usa-se (directivas 98/69/CE e 1999/96/CE) o chamado EODB (i ntroduzido em 2004 para a utomóveis e em 2007 para pesados), equivalente ao OBD II americano.

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J

9.7.2. Funcionamento

o sistema .. on-board diagnostic s .. (aqui referir-me-ei ao OBD II e EOBD e basear-me-ei em B1R:-:BA U M. 2001) analisa um elevado número de sensores tanto ao nível da s suas ligações como do se u si nal (se está dentro dos limites de funcionamento) e também faz testes de racionalidade . Nestes testes n leitura de vários sensores é comparada de modo a ana li sar o bom funcionamento de todos .eles. Por exemp lo. o senso r de posição do acelerador, o sensor de MAP (pressão do co lector de admissão) e o sensor de caudal de ar têm de indicar as mesmas condições de funcionamento do motor. Im agi nemos que o sensor MAP lê uma pressão elevada demais para a abertura da borboleta e para o cauda lím et ro, o que é irracional (da í o nome do teste). Tal poderá significar que há uma fuga de ar para o co lector de admissão (o ar en tra no co lector, não pa ssando pela borboleta do acelerador nem pelo caudalímetro). Os testes de racionalidade são efectuados a vários níveis. O diagnóstico do ODB não mostra o problema, somente o seu resultado. No exemplo anterior a causa pode te r si do uma falange desapertada, mas também poderia te r sido uma válvula de EGR (recirculação de gases de escape) estragada, que permitia uma entrada exagerada de gases. A verificação " do funcionamento a nóma lo da válvula te ria de ser verificado pela sua análi se (posição) ou pela avaliação da riqu eza da mistura (se a mistura permanece estequiométrica mas mais gases estão a entrar na admis são, estes terão de ser gases queimados). O sistema OBD monitoriza o funcionamento de componentes e sub-sistemas, analisa o funcionamento do motor (tempos de aquecime nto , velocidade de "ra lenti", etc.) e guarda todas as informações dos sensores e outros dados (" freeze frame ") no instante do aparecimento de uma a nomali a, de modo a que o total funcionamento do motor possa ser avaliado posteriormente. A lâmpada vermel ha de mau fun cionamento (MIL - mal func tion indication lamp) acende-se sempre que ocorra um problema (e um DTC - "d iagnostic trouble code" - seja gravado) e permanece acesa até que umas das seg uintes condições seja c umprida: - o DTC seja apagado por um instrumento de diagnóstico; - o PCM (módul o de controlo) seja desli gado da corrente durante um certo tempo; - o PCM desligue a MIL, por ter efectu ado vários testes (3 vezes) e não ter verificado novamente a anomalia que a fez acender, além de te r passado por três ciclos de aquecimento (em que a temperatura do motor passe pelos 71 ºC durante um aquecimento de pelo menos 22ºC). A luz indicadora de problemas (MIL) pode estar apagada, mas o problema ocorrido e os " freeze frames" cont inuam na memória até que o veículo realize 40 "ciclos de aquecimento" se m que se torne a verificar a anomalia. Neste caso tanto o(s) cód igo(s) como os "freeze frames" são apagados da s ua memória. O OBD rea li za geralmente testes passivos (leitura de dados) mas também faz testes activos ou intrusivos, nos quais altera um parâmetro e espera pela resposta do sistema (p.ex. abrir a válvula de EGR e esperar que a pressão da adm issão aumente).

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Cap. 9: Produçlo e Eliminação de Poluentes

Motores de Combu1tlo lntern1 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~-

funcionamento diário poderá ha ver problenrns que levem à sua deg radação ou mau funcionamento . É para alertar estes problemas que existe o sistema chamado "on-board diagnostics'" ( OBD). Sempre que algum elemento do controlo de emissões de poluentes falhe o OBD detecta-o. acende uma luz avisadora de mau funcionamento do motor e grava a avaria ocorrida na s ua memória. Dado a luz de avaria continuar acesa (e por vezes o motor funcionar num modo de salvaguarda o u de protecção - .. limp home'"). o condutor terá de se dirigir ao centro de diagnóstico do construtor, onde a falha será diagnosticada pela ligação ao computador de diagnóstico. Será aqui necessário re ferir que o OBD não é o controlador do motor; ele avalia o funcionamento do motor. do seu contro lad or e dos s istemas anti-poluição.

9.7.1. 0081 e 080 li O sistema de OBD j á existe há uma s décadas (desde 1988 na Califórnia), mas tratava-se de um sistema de s imples detecção de avarias e léctricas dos senso res. Se, por exemplo, a válvu la da recirculação dos gases de escape (EGR) se estragasse (q ueimasse o motor, colasse, ou s implesmente perdesse a li gação eléctrica) o sistema OBD detectava essa avaria e acendia a lu z vermelha de avaria do sistema de controlo do motor e gravava um código na sua memória (PCM - powe rtrain control module). Sensores de temperatura, caudal e da riqueza da mistura eram avaliados continuamente no OBD I, mas não se fazia a protecção ou análise ao catali sador (elemento mai s importante na e liminação dos poluentes), e as ligações e protocolos de diagnóstico varia vam entre modelos e de marca para marca. No OBD li (i ntroduzida em 1996 nos USA) há uma interface com um a todas as marcas ("diagnostic link connector" - DLC) usando uma ficha padrão com 16 ligadores ("pin s") dos quai s 7 são padrão e permite m um diagnós tico base com um aparelho electricamente alimentado pela bateria do veículo (via DLC), usando um protocolo de com uni cações especifi cado. Os restantes 9 li gadores são específicos do co nstrutor e do seu sistema de controlo. Isto impli ca que o mesmo inst rumento de diagnóstico (padrão) possa avaliar problemas em todos o s veículos, embora muita outra informação possa ser usada especificamente pe las marcas, usand o os restantes 9 li gadores. Mas a alteração fundamental entre o OBD I e o II é a protecção ao catalisador. O novo sistema analisa o funcionamento do catalisador através de 2 sensores de oxigénio ("lambda") montados a montante e a jusan te do catalisador , o que permite identificar o seu funcionamento. Este novo sis tema também permite detectar fugas no sistema de armazenagem e fornecimento de combustíve l, por testes de pressão aos sis tema s. Na Europa usa-se (directivas 98/69/CE e 1999/96/CE) o chamado EODB (i ntroduzido em 2004 para a utomóveis e em 2007 para pesados), equivalente ao OBD II americano.

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9.7.2. Funcionamento

o sistema .. on-board diagnostic s .. (aqui referir-me-ei ao OBD II e EOBD e basear-me-ei em B1R:-:BA U M. 2001) analisa um elevado número de sensores tanto ao nível da s suas ligações como do se u si nal (se está dentro dos limites de funcionamento) e também faz testes de racionalidade . Nestes testes n leitura de vários sensores é comparada de modo a ana li sar o bom funcionamento de todos .eles. Por exemp lo. o senso r de posição do acelerador, o sensor de MAP (pressão do co lector de admissão) e o sensor de caudal de ar têm de indicar as mesmas condições de funcionamento do motor. Im agi nemos que o sensor MAP lê uma pressão elevada demais para a abertura da borboleta e para o cauda lím et ro, o que é irracional (da í o nome do teste). Tal poderá significar que há uma fuga de ar para o co lector de admissão (o ar en tra no co lector, não pa ssando pela borboleta do acelerador nem pelo caudalímetro). Os testes de racionalidade são efectuados a vários níveis. O diagnóstico do ODB não mostra o problema, somente o seu resultado. No exemplo anterior a causa pode te r si do uma falange desapertada, mas também poderia te r sido uma válvula de EGR (recirculação de gases de escape) estragada, que permitia uma entrada exagerada de gases. A verificação " do funcionamento a nóma lo da válvula te ria de ser verificado pela sua análi se (posição) ou pela avaliação da riqu eza da mistura (se a mistura permanece estequiométrica mas mais gases estão a entrar na admis são, estes terão de ser gases queimados). O sistema OBD monitoriza o funcionamento de componentes e sub-sistemas, analisa o funcionamento do motor (tempos de aquecime nto , velocidade de "ra lenti", etc.) e guarda todas as informações dos sensores e outros dados (" freeze frame ") no instante do aparecimento de uma a nomali a, de modo a que o total funcionamento do motor possa ser avaliado posteriormente. A lâmpada vermel ha de mau fun cionamento (MIL - mal func tion indication lamp) acende-se sempre que ocorra um problema (e um DTC - "d iagnostic trouble code" - seja gravado) e permanece acesa até que umas das seg uintes condições seja c umprida: - o DTC seja apagado por um instrumento de diagnóstico; - o PCM (módul o de controlo) seja desli gado da corrente durante um certo tempo; - o PCM desligue a MIL, por ter efectu ado vários testes (3 vezes) e não ter verificado novamente a anomalia que a fez acender, além de te r passado por três ciclos de aquecimento (em que a temperatura do motor passe pelos 71 ºC durante um aquecimento de pelo menos 22ºC). A luz indicadora de problemas (MIL) pode estar apagada, mas o problema ocorrido e os " freeze frames" cont inuam na memória até que o veículo realize 40 "ciclos de aquecimento" se m que se torne a verificar a anomalia. Neste caso tanto o(s) cód igo(s) como os "freeze frames" são apagados da s ua memória. O OBD rea li za geralmente testes passivos (leitura de dados) mas também faz testes activos ou intrusivos, nos quais altera um parâmetro e espera pela resposta do sistema (p.ex. abrir a válvula de EGR e esperar que a pressão da adm issão aumente).

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Molares de Combustão Interna

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O ,i,tema 080 tem programação que lhe permite: - controlar a MIL (lâmpada ve r melha): - gravar os DTC (códigos de problemas) e os .. freeze frame .. no PCM ( módulo de cont rol o): - avaliar os 'cnsores e fa zer o> testes act ivos numa ordem preestabelecida: - recolher o~ dados desta avaliação: - programação e con tagem dos ciclos de verificação de anomalias e de aquecimento: - apagar os DTC do PCM. se os testes foram passados com sucesso. Al~m dos dado' básicos que o sistema 080 deverá fornecer pelos 7 ligadores padrão da interface OLC (ficha). há a poss ibi lidade do sis te ma fornecer mais dados, tanto pelos restantes 9 ligadores. como por outra qualquer ligação específica do cons tr utor ou do modelo.

Um dos problemas mais críticos na lo nge vidade do catalisador é a ocorrência de uma falta de ignição. ou .. missfire ... O sistema 080 detecta a não ignição pela a lteração da velocidade instantânea da cambota. Num motor de 4 ci lindros, 2 vezes por rotação a cambota acelera e desacelera, como resultado das expl osões nos cilindros. Se uma desras explosões não se verificar também não existe a ace leração corresponden te e o sis tema sabe que aconteceu um prob lema. Claro que a desaceleração pode se r criada por uma tra vagem instan tânea de uma das rodas, pelo que o sistema terá de se r suficie ntemente "inte ligente" para di st in guir essa travagem de uma falta de ign ição e poderá mesmo identificar e m que c ilin dro se deu o problema.

9.7.3. Códigos

Cap. 9: Produção e Eliminação de Poluontts

o

~istema:

0 corr.?ncia;,

B- chassis

controlador do 080 analisa toda' a;, várias vezes. de modo a identificar se o problema é casua l e portanto não se torna a repetir, ou se é persistente. em que a luz avisadora ( MIL) ;,e acenderá e permanecerá acesa até que uma da' condições acima indicadas se satisfaça. O .. freeze frame·· é um conjunto de dados gravados na memória do controlador do OBD com as várias condições do motor e do veículo aquando d:1 ocorrência do problema. Somente um conjunto de .. freeze frame" pode ser gravado (no processo genérico), pelo que a ocorrência de um problema mais grave leva a que os dados seja m actualizados. O sistema acedido pelo construtor pode gravar mais do que um conjunto destes dados.

ipo de código: 'O- SAE (genérico)

P - motor

1 - construtor

'ª'º

Especificação:

(longo l ista que especifico os circui tos ou órgtlos

ind ividualmente) Sub sbttrrua: 1 - controlador de riqueL3 2 - Uljcctorcs 3-igniç:lo 4 - controlo de emissões 5 - controlo de .. ro.leti" 6 - control~dor ou comunicações 7 - transm iss!lo

8-

transmi~o

Fig.9.30 - Sistema de código do 080 li

O .. freeze frame'" geralme nte dá as seguintes indicações: - o código da avaria: - velocidade do motor; - temperatura do motor; - veloc idade do veícu lo: - carga do motor; - pressão do colector de admissão (MAP) ou caudal de a r (MAF); - lógica de injecção (malha aberta ou fechada); - correcção (""trim") da injecção (instantâneo e de longo prazo).

Os códigos do s istema OBD li são muito mais explícitos que os códigos do sistema anterior, como que se pode avaliar dos exemplos da Tab.9.9 (as avarias das cé lulas marcadas a cinzen to não faziam parte da aval iação do ODB 1 - (BIRNBAUM, 200 1) .

9.7.4. Análise ao Catalisador Os códigos do OBD li têm 5 dígitos , se ndo o primeiro uma letra e os restantes quatro, algarismos (Fig.9.30). Nesta figura (com o código P0303) temos um prob lema de motor (P) , gené ri co (0). de falta de ignição (3) no cilindro nº 3 (3). Tab.9.9 - Códigos 080 1

código OBD 1 14

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problema código OBD li 1 tensão batxa do MÁP PO 107 tensão alta do MAP P0108 ' nvnna no circuito do MAP ,. ,; POIOS ~sta incorrecta do circuito do MAP " _ PO 106 tensão oatxa no acelerador P0122 tensão alta no acelerador POl 23 avana no circuito do aceleradore • PO 12(} resposta incorrecta no circuito do acelerador (não concÔrdante cimi.n.MAI' · ,_ -

1

1

A análise ao funcionamento do catalisador envolve a comparação entre dois s ensores "lambda" colocados a montante e a jusan te do catalisador. A resposta do primeiro sensor (a montan te do catalisador) é a vulgar onda que indica o cont rolo em malha fechada ("closed loop") do motor e a variação da quantidade de oxigénio no escape daí resultante. Os gases de escape e ntram no catal isador onde se dão as várias reacções de el iminação de poluente s sai ndo com um menor teor médio de oxigénio e com osci lações mu ito menores (Fig.9.31 ). Se o catalisador não funcionar as oscilações na saída serão idênticas às da entrada. Conhecer o código de avarias ajudará mas geralmente não permite realizar o diagnóstico por si só. Imaginemos que aparece o código PO 134, relativo ao sensor de oxigénio (sonda lambda) que apresenta pouca

E? Fig.9.31 - Sinal das sondas l. no catalisador

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Molares de Combustão Interna

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O ,i,tema 080 tem programação que lhe permite: - controlar a MIL (lâmpada ve r melha): - gravar os DTC (códigos de problemas) e os .. freeze frame .. no PCM ( módulo de cont rol o): - avaliar os 'cnsores e fa zer o> testes act ivos numa ordem preestabelecida: - recolher o~ dados desta avaliação: - programação e con tagem dos ciclos de verificação de anomalias e de aquecimento: - apagar os DTC do PCM. se os testes foram passados com sucesso. Al~m dos dado' básicos que o sistema 080 deverá fornecer pelos 7 ligadores padrão da interface OLC (ficha). há a poss ibi lidade do sis te ma fornecer mais dados, tanto pelos restantes 9 ligadores. como por outra qualquer ligação específica do cons tr utor ou do modelo.

Um dos problemas mais críticos na lo nge vidade do catalisador é a ocorrência de uma falta de ignição. ou .. missfire ... O sistema 080 detecta a não ignição pela a lteração da velocidade instantânea da cambota. Num motor de 4 ci lindros, 2 vezes por rotação a cambota acelera e desacelera, como resultado das expl osões nos cilindros. Se uma desras explosões não se verificar também não existe a ace leração corresponden te e o sis tema sabe que aconteceu um prob lema. Claro que a desaceleração pode se r criada por uma tra vagem instan tânea de uma das rodas, pelo que o sistema terá de se r suficie ntemente "inte ligente" para di st in guir essa travagem de uma falta de ign ição e poderá mesmo identificar e m que c ilin dro se deu o problema.

9.7.3. Códigos

Cap. 9: Produção e Eliminação de Poluontts

o

~istema:

0 corr.?ncia;,

B- chassis

controlador do 080 analisa toda' a;, várias vezes. de modo a identificar se o problema é casua l e portanto não se torna a repetir, ou se é persistente. em que a luz avisadora ( MIL) ;,e acenderá e permanecerá acesa até que uma da' condições acima indicadas se satisfaça. O .. freeze frame·· é um conjunto de dados gravados na memória do controlador do OBD com as várias condições do motor e do veículo aquando d:1 ocorrência do problema. Somente um conjunto de .. freeze frame" pode ser gravado (no processo genérico), pelo que a ocorrência de um problema mais grave leva a que os dados seja m actualizados. O sistema acedido pelo construtor pode gravar mais do que um conjunto destes dados.

ipo de código: 'O- SAE (genérico)

P - motor

1 - construtor

'ª'º

Especificação:

(longo l ista que especifico os circui tos ou órgtlos

ind ividualmente) Sub sbttrrua: 1 - controlador de riqueL3 2 - Uljcctorcs 3-igniç:lo 4 - controlo de emissões 5 - controlo de .. ro.leti" 6 - control~dor ou comunicações 7 - transm iss!lo

8-

transmi~o

Fig.9.30 - Sistema de código do 080 li

O .. freeze frame'" geralme nte dá as seguintes indicações: - o código da avaria: - velocidade do motor; - temperatura do motor; - veloc idade do veícu lo: - carga do motor; - pressão do colector de admissão (MAP) ou caudal de a r (MAF); - lógica de injecção (malha aberta ou fechada); - correcção (""trim") da injecção (instantâneo e de longo prazo).

Os códigos do s istema OBD li são muito mais explícitos que os códigos do sistema anterior, como que se pode avaliar dos exemplos da Tab.9.9 (as avarias das cé lulas marcadas a cinzen to não faziam parte da aval iação do ODB 1 - (BIRNBAUM, 200 1) .

9.7.4. Análise ao Catalisador Os códigos do OBD li têm 5 dígitos , se ndo o primeiro uma letra e os restantes quatro, algarismos (Fig.9.30). Nesta figura (com o código P0303) temos um prob lema de motor (P) , gené ri co (0). de falta de ignição (3) no cilindro nº 3 (3). Tab.9.9 - Códigos 080 1

código OBD 1 14

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J

problema código OBD li 1 tensão batxa do MÁP PO 107 tensão alta do MAP P0108 ' nvnna no circuito do MAP ,. ,; POIOS ~sta incorrecta do circuito do MAP " _ PO 106 tensão oatxa no acelerador P0122 tensão alta no acelerador POl 23 avana no circuito do aceleradore • PO 12(} resposta incorrecta no circuito do acelerador (não concÔrdante cimi.n.MAI' · ,_ -

1

1

A análise ao funcionamento do catalisador envolve a comparação entre dois s ensores "lambda" colocados a montante e a jusan te do catalisador. A resposta do primeiro sensor (a montan te do catalisador) é a vulgar onda que indica o cont rolo em malha fechada ("closed loop") do motor e a variação da quantidade de oxigénio no escape daí resultante. Os gases de escape e ntram no catal isador onde se dão as várias reacções de el iminação de poluente s sai ndo com um menor teor médio de oxigénio e com osci lações mu ito menores (Fig.9.31 ). Se o catalisador não funcionar as oscilações na saída serão idênticas às da entrada. Conhecer o código de avarias ajudará mas geralmente não permite realizar o diagnóstico por si só. Imaginemos que aparece o código PO 134, relativo ao sensor de oxigénio (sonda lambda) que apresenta pouca

E? Fig.9.31 - Sinal das sondas l. no catalisador

339

-

Cap. 10: Características de Funcion1mento e Cálculo

Motores de Combu stão Intern a ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~-

actividade. ou seja. não allera a sua tensão rapida mente como deveria. O problema poderá 'er somente o sensor estragado. mas pode rá també m ser uma entrada de ar no colector. fa ltas de ignições ( .. miss fire'") ou mes mo um injector q ue não veda. todos estes levando à deterioração do se nsor. Nestes casos. mudar o sensor po r um novo certamente que não irá so lucio nar o problema.

9.8. SÍNTESE

Capítulo 10 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMENTO E CÁLCULO

Desde o início da década de 70 que um dos principais objectivos dos projec tistas de motores te m s ido a diminui ção de emissões de po luentes. As legis lações Americana Federal e Californiana, Japonesa e Europeia tê m movido os construtores para áreas que certamente nunca teriam s ido pe nsadas se não houvesse tal obrigação. Provavelmente, se tai s restrições ambie ntais não tivesse m sido impostas. os motores actuais seriam menos gastadores, mais potentes e mai s eficientes. Se as restrições à emissão dos poluentes se restringissem somente aos HC e CO. a sol ução passaria por uma melhoria da combustão. com utilização de mistura pobres e muito efic ientes. A utilização .de um catali sador de oxidação seria s uficiente para a eliminação do e xcesso destes poluentes. A restri ção dos NO>. veio dificultar o traba lh o aos in vest igadores , pois uma combus tão eficiente e rápida dá origem a elev ada produção des tes com po ne ntes . Foi , assim , necessário pi orar-se o re ndime nto da combustão pela rec ircu lação de gases de escape. reduzindo o a vanço à igni ção e utili zando me nores taxas d e compressão. A int rodução do uso de reac tores catalíti cos baixou indirec tam ente o re ndimento dos moto res, poi s fo i necessá ri o usar-se gasolina se m chumbo de bai xo / O e conseq uentemente baixar as taxas de com press ão.

10.1. RENDIMENTOS

A in venção do catal isador de triplo efeito no final da década de 70 veio dar uma muito boa ajuda aos proj ectis tas. Com ele é poss ível elim in ar mais de 98% dos polue ntes produzidos, desde que funcione a temperatura correcta e com mi s tura perfeitamente estequi ométrica. A impos ição do uso destas misturas perfeitas.obrigou ao uso de sofisti cadíssimos s istemas de injecção e lectrónica di gital , que perm ite também elevar as prestações dos motores e mes mo red uzir o seu cons umo.

Nesta secção dese nvolveremos os condicionamen tos ligados aos d iferentes rend imen tos apresentados no Cap.4, que nos permitirão dese nvolver processos de me lhoria do rendime nto g lobal. Parte d estes tópi cos já foram anteriormente di sc utidos, pe lo que por vezes se e ncam inhará o leitor para o utros capítu los, de modo a ev itar dupli cações. Os re ndimen tos e m questão (efic iênc ias, quando pudere m ser s uperiores à unidade ) são· o s se guintes (Cap.4.2.4):

Actualmente os motores de injecção directa, tanto de ignição comandada como por compressão, pe rmitiram uma significati va redução dos consumos, mantendo os extremamente baixos níveis de emissão de poluentes. Poré m, estes motores necessitarão do uso de combus tívei s (gasolina e gasóleo) com muito pouco e nxofre , de modo a permitir o uso de catalisadores que elimine m os NOx com elevada eficiência. Os motores de combustão híbrida (entre ignição comandada e por compressão) poderão efecti vamente apresentar os benefíc ios de ambos os conceitos, prometendo bons desempenhos, suavidade e baixos níveis de poluentes. Por último, é possível que em algumas cidades mai s poluídas os motores de combustão interna sejam proibidos. Aparentemente nestes locais somente veículos eléctricos ou com ..pilha de combustível'" serão admitidos, e mbora motores a gás (LPG ou NG) estejam a ser encorajados em algumas cidades (em Londres estes veículos estão isentos da taxa diária de circulação).

l

340

-

rendimento de combu st ão re ndimento ad iabático rend ime nto teór ico rendim e nto relativo às propriedades dos fluido s re ndime nto inerente eficiência de bombagem rendimento mecãnico efic iê ncia volum étrica

Quem pretender me lhorar um motor (tanto em termos de re nd imento como em termos de prestações). deverá te ntar m elhorar cada uma de s tas entidades de modo a melhorar o rendi mento global do motor, gasta nd o menos combus tíve l a produzir a mesma quant idade de trabalho, ou gastando o mesmo e produzindo mai s trabalho . O aumento da potência do motor poderá também ser co nseguido à custa da elevação da velocidade de rotação máxima do motor, desd e qu e o en chimento (efi c iê ncia volumétr ica) não seja muito prej ud icado.

341

-

Cap. 10: Características de Funcion1mento e Cálculo

Motores de Combu stão Intern a ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~-

actividade. ou seja. não allera a sua tensão rapida mente como deveria. O problema poderá 'er somente o sensor estragado. mas pode rá també m ser uma entrada de ar no colector. fa ltas de ignições ( .. miss fire'") ou mes mo um injector q ue não veda. todos estes levando à deterioração do se nsor. Nestes casos. mudar o sensor po r um novo certamente que não irá so lucio nar o problema.

9.8. SÍNTESE

Capítulo 10 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMENTO E CÁLCULO

Desde o início da década de 70 que um dos principais objectivos dos projec tistas de motores te m s ido a diminui ção de emissões de po luentes. As legis lações Americana Federal e Californiana, Japonesa e Europeia tê m movido os construtores para áreas que certamente nunca teriam s ido pe nsadas se não houvesse tal obrigação. Provavelmente, se tai s restrições ambie ntais não tivesse m sido impostas. os motores actuais seriam menos gastadores, mais potentes e mai s eficientes. Se as restrições à emissão dos poluentes se restringissem somente aos HC e CO. a sol ução passaria por uma melhoria da combustão. com utilização de mistura pobres e muito efic ientes. A utilização .de um catali sador de oxidação seria s uficiente para a eliminação do e xcesso destes poluentes. A restri ção dos NO>. veio dificultar o traba lh o aos in vest igadores , pois uma combus tão eficiente e rápida dá origem a elev ada produção des tes com po ne ntes . Foi , assim , necessário pi orar-se o re ndime nto da combustão pela rec ircu lação de gases de escape. reduzindo o a vanço à igni ção e utili zando me nores taxas d e compressão. A int rodução do uso de reac tores catalíti cos baixou indirec tam ente o re ndimento dos moto res, poi s fo i necessá ri o usar-se gasolina se m chumbo de bai xo / O e conseq uentemente baixar as taxas de com press ão.

10.1. RENDIMENTOS

A in venção do catal isador de triplo efeito no final da década de 70 veio dar uma muito boa ajuda aos proj ectis tas. Com ele é poss ível elim in ar mais de 98% dos polue ntes produzidos, desde que funcione a temperatura correcta e com mi s tura perfeitamente estequi ométrica. A impos ição do uso destas misturas perfeitas.obrigou ao uso de sofisti cadíssimos s istemas de injecção e lectrónica di gital , que perm ite também elevar as prestações dos motores e mes mo red uzir o seu cons umo.

Nesta secção dese nvolveremos os condicionamen tos ligados aos d iferentes rend imen tos apresentados no Cap.4, que nos permitirão dese nvolver processos de me lhoria do rendime nto g lobal. Parte d estes tópi cos já foram anteriormente di sc utidos, pe lo que por vezes se e ncam inhará o leitor para o utros capítu los, de modo a ev itar dupli cações. Os re ndimen tos e m questão (efic iênc ias, quando pudere m ser s uperiores à unidade ) são· o s se guintes (Cap.4.2.4):

Actualmente os motores de injecção directa, tanto de ignição comandada como por compressão, pe rmitiram uma significati va redução dos consumos, mantendo os extremamente baixos níveis de emissão de poluentes. Poré m, estes motores necessitarão do uso de combus tívei s (gasolina e gasóleo) com muito pouco e nxofre , de modo a permitir o uso de catalisadores que elimine m os NOx com elevada eficiência. Os motores de combustão híbrida (entre ignição comandada e por compressão) poderão efecti vamente apresentar os benefíc ios de ambos os conceitos, prometendo bons desempenhos, suavidade e baixos níveis de poluentes. Por último, é possível que em algumas cidades mai s poluídas os motores de combustão interna sejam proibidos. Aparentemente nestes locais somente veículos eléctricos ou com ..pilha de combustível'" serão admitidos, e mbora motores a gás (LPG ou NG) estejam a ser encorajados em algumas cidades (em Londres estes veículos estão isentos da taxa diária de circulação).

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rendimento de combu st ão re ndimento ad iabático rend ime nto teór ico rendim e nto relativo às propriedades dos fluido s re ndime nto inerente eficiência de bombagem rendimento mecãnico efic iê ncia volum étrica

Quem pretender me lhorar um motor (tanto em termos de re nd imento como em termos de prestações). deverá te ntar m elhorar cada uma de s tas entidades de modo a melhorar o rendi mento global do motor, gasta nd o menos combus tíve l a produzir a mesma quant idade de trabalho, ou gastando o mesmo e produzindo mai s trabalho . O aumento da potência do motor poderá também ser co nseguido à custa da elevação da velocidade de rotação máxima do motor, desd e qu e o en chimento (efi c iê ncia volumétr ica) não seja muito prej ud icado.

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Mo1ores de Com bustão I nterne

·--

-

~ --~

Cap. 10: Caracterlsticas de Funcionamento e Cálc ulo

- ------------------------

10.1.1. Rendimento de Combustão

" ·~

o,

gases de escape dos motores contêm compostos combustíveis tais como CO. H~. HC. o u me,mo partículas (carbono mistu rad o com H C e enxofre) não ha ve ndo. portanto. uma combustão completa do combustíve l admitido. Quando a mistura é rica. o oxigénio ad mitid o no a r não é sufic iente para q ueimar todo o combus tível. mas mes mo usando-se mistura pobres c'tes compostos. não queimados ou parcialmente queimados. aparecem nos gase' de escape . Para contub ili zar estas pe rdas utiliza-se o rendimento de combustão, que é a razão ent re a e nerg ia libertada pel a co mbu stão e a con tida no combustível. Conhece ndo-se a compos ição dos g ases de escape pode-se dete rminar a e ne r gia neles contida que não foi libe rtada na co mbustão . Pa ra isso iremos utilizar o poder calorífico (infe rior a pressão consta nte) dos diferentes co mpostos (Tab . I 0 . 1).

=0 .85 -

0.90

o ,aJor do factor re la ti vo à riqueza (mo tor a gasolin a) foi

determinado por

BLAIR (

1999) como

funçã o de À (para 0.75{,~}

..\ com bust ão não se dá só com ar e os gases de escape não são constituíd os por ar. pe lo que dsao

10.1 .6.2. Número de Macb e Índjce de Macb

:mgu lo da cambuti Fig.10.14 -

Área

de

passagem

na

válvula. função da sua abertura

equações

4~ Fig.10.15 - Geometria da válvula

Na prática o valor de L / D, lim ite de abertura das válvulas não é superi o r a 0 .35-0.4, si mplesmente porque a partir desta abertura a limitação passa a estar ao níve l da conduta ou da área de passa gem na sede e não na pos ição da cabeça da válv ula.

362

J

fT

não pode ultrapassar e ste valor.

O mesmo proced imento ap lica-se às válv ulas d e admi ssão e de escape , ma s deve- se ter em

'~ :

-ll

P/P,..

Quando a ve locidade atravé s da válvula aument a mu it o. poder-se-á aprox imar da velocidade do som, que é limita nte neste tipo de e scoa mentos . Para velocidades superi ore s a metade da do som , o coeficien te de descarga começa a bai xar drastica mente. Ass im, defi ne-se o n úmero de Mach méd io da admis são M.,, por:

-

v.,,

M.,, = a

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Fig.10.21 - Potências efectiva, indicada e de atrito E stes valores são corres ponde nt es a carga total , dum motor dimin uindo o ren dimento me câ ni co com o abaixame nto da carga. Ao ··ralenti" o rendime nto mecâ nico é nulo, pois a potê ncia efect iva é nula (o traba lho produzido pe lo motor é totalmente di ssi pado em perdas mecâni cas). O re ndimento mecânico existe por causa das pe rdas por a tri to nos vários componentes. A s ua me lh o ria pode ser feita por dois modos: o u pela redução dos atritos o u pe lo a umento do trabalho indi cado para os mesmos atritos. Ass im, o a ume nto de re ndime ntos como o de combus tão ou da eficiência vo lu mé trica (Cap. I 0.1.8) levarão também ao aumento do re ndimento mecânico, po is induzirão a um maior valor de trabalho indicado. Nesta secção far-se-á a a ná li se das fo ntes dos vários atritos existe ntes no moto r. Como regra geral pode mos dizer que 50% do atrito total é respeitante ao movimento pi stão ci lindro, sendo o restante dividid o (aproxi madame nte em partes ig uai s) entre a di stribuição, as várias chumacei ras e os restantes acessórios necessários para o fun c ionamento do motor. Os vários componentes em movimento do motor deveriam fun c ionar no que se de nomina regime hidrodinâmico d e lubrificação o u de atri to. Ne~te, as superfíc ies me tá li cas estão separadas por uma fi na cama da de lubri fica nte, não havendo contacto me tal -metal, originando minimização do desgaste e das força s de atri to. O coe fi c ie nte de a trito(/) é o quoc ien te e ntre a força de atri to (F.) e a norma l à s upe rfíc ie (F,,) e é o resultante da tensão de co rt e na camada lubrificante, ou seja, é proporcio nal ao coefic ie nte d e viscosi dade (µ) e ti ve loc idade ( v) e inversamente proporc io nai s ti sua espessura (y) e à pressão de con tac to (p):

1/· =!!_dv F.

p dy

Os contactos e nt re cambotas. bielas, p istões e ci lindros, além dos componentes d o siste ma de distribuição, deverão funcionar sempre que possível no regime hidrod inâmico. O abaixamento da velocidade ou da viscosidade, ou o aumento da fo rça normal (pressão). levará à redução da espessura do film e d e lubrifi c ante, o que po r s ua vez influ e nciará o coe fi c iente d e atrito (Fig . I0.22). Quando esta espess ura é da ordem de g randeza das irregularidades das supe rfíc ies, c om eçará a haver contacto me tal- metal ( regime mis to) e a s ua

368

redução fará com que o~ metais contactem to talme nte e nt re ,i. embora haja lubri fic ante en tre as su pe rfícies (regime d e Jublificação limite). E,1e últ imo regime atinge-se com elevadas pressões de contacto 011 com baixas velocidades. Ocorre n o~ ponto• mortos do pistão (no' quais o coe ficiente de a tri to aumenta dras ticamente). em :iJ,zu ns componentes do sistema de distribuição (menor ,.e-Jocidade) e d urante o início e fi na l de fu nc ionamento do motor. A análi se ao atrito será aqui feita a nível de pressão média de atrito, pois desta mane ira a dim e nsão do motor e a sua velocidade são ··absor vidos" nos resultados .

1

Célculo

10 limitli!

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Coef.dc ta'l!:t

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Fig.10.22 - Regimes de lubrificação

10.1.7.1. Pistão. segmentos e cilindro Os segmentos ( in ventados há mai s de século e meio, para redução de perdas de co mpressão nas máquinas de vapor) serve m para reduzi r as passagens do gás a alta pressão (prevê-se 200 bar de pressão m:íx ima dentro de un s anos) da câmara de combustão para o cárte r , pe lo es paço entre o pis tão e a camisa. E mbora o segmen to tenha u ma certa elastici dade, não é es ta a principal responsável pela s ua vedação. Durante o fun c ionamento do motor, a pressão da câmara de combus tão (p 1) actu a sobre o segmento na forma indi cada na Fig. I 0.23. Na parte de baixo do pistão a pressão é in fer ior (p,). o que res ulta e m que o segme nto seja: - forçado contra a parte inferior da ranhura porta-seg mentos; - forçado co ntra a parede do ci lindro, Este é o caso de um seg mento ci líndri co, no qual a fo rça de ved ação con tra as paredes do cili ndro é fun ção do dife re nc ial de pressões e ntre a câ mara de combus tão e o cárter (à qual se adiciona a forç a e lástica do segme nto). Embora na figura se exagere a fo lga e ntre o seg mento ·e o pistão , esta deverá se r mantida o mai s pequena possíve l, de modo a que não haja lu gar a batimentos fortes e ntre o segme nto e ranhura , aquando da mudança de direcção do movimento do pistão . Poré m a minimi zação da fo lga não deverá impe dir o de se nvolvi men to da dist ribuição de pre ssão presente na Fig . 10.23. É a inércia do segmento que poderá lev ar a problemas de " batimen tos" do seg mento de ntro da ranhura, pelo que mo tores de e levada rotação deverão se r do tados de seg me ntos muito finos (< 1 mm), de modo a proporc ionar baixa massa inercial. Os segmentos poderão ser tronco-cón icos, ta l co mo aparecem nas Fig. I 0.24 e Fi g . I 0.25. Na primeira, o efeito de aumen to da força de vedação com o diferencial de pressões não se apli ca, pois a pressão em c ada um dos lados é semelhante. Geralmente este t ipo de segmento usa-se como 2º segme nto e serve para comple tar a fun ção do seg me nto de ó leo, poi s raspa o óleo do ci lindro na sua d esci da . Assim , a forç a de vedação é some nte a e lástica, que deve r á ser suficientemen te e levada de modo a vedar conven ie ntemente. No segme nto da Fi g. ! 0 .25 o di ferencial de pressões en tre o inte rior e o ex te rior d o segmento é o máxi mo possíve l, levando a elevadas pressões de vedação segmento-c ilindro somente quando há elevado diferenc ial de pressão e ntre a câ mara de co mbu stão e o cárter , ou seja quand o é necessári o (combustão e

359

Motores de Combustão Interna

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -C_•_,_P_· _1o_:_C_•_r1_c_1_eristica1 de funcionamento

\'clo....·N*

Desta maneira. as mai s importantes perda~ proporcionais ao cubo da veloc idade (as de bombagem) estão englobadas na potência indicada. Uma das maneiras de medir a potência de atrito é fazendo o accionamento do motor por um motor e léctrico (ver CapA.2.4.7). Neste ca'o a po tência de bombagem deverá ser d eduzida ao va lor obtido . de modo a obter-se a potência de at rito. O re ndimento mecânico vari a gera lment e entre 0.7 5 ( ve loc idade máxima) e 0.9 (cerca de 2000 rpm ).

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redução fará com que o~ metais contactem to talme nte e nt re ,i. embora haja lubri fic ante en tre as su pe rfícies (regime d e Jublificação limite). E,1e últ imo regime atinge-se com elevadas pressões de contacto 011 com baixas velocidades. Ocorre n o~ ponto• mortos do pistão (no' quais o coe ficiente de a tri to aumenta dras ticamente). em :iJ,zu ns componentes do sistema de distribuição (menor ,.e-Jocidade) e d urante o início e fi na l de fu nc ionamento do motor. A análi se ao atrito será aqui feita a nível de pressão média de atrito, pois desta mane ira a dim e nsão do motor e a sua velocidade são ··absor vidos" nos resultados .

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Célculo

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Fig.10.22 - Regimes de lubrificação

10.1.7.1. Pistão. segmentos e cilindro Os segmentos ( in ventados há mai s de século e meio, para redução de perdas de co mpressão nas máquinas de vapor) serve m para reduzi r as passagens do gás a alta pressão (prevê-se 200 bar de pressão m:íx ima dentro de un s anos) da câmara de combustão para o cárte r , pe lo es paço entre o pis tão e a camisa. E mbora o segmen to tenha u ma certa elastici dade, não é es ta a principal responsável pela s ua vedação. Durante o fun c ionamento do motor, a pressão da câmara de combus tão (p 1) actu a sobre o segmento na forma indi cada na Fig. I 0.23. Na parte de baixo do pistão a pressão é in fer ior (p,). o que res ulta e m que o segme nto seja: - forçado contra a parte inferior da ranhura porta-seg mentos; - forçado co ntra a parede do ci lindro, Este é o caso de um seg mento ci líndri co, no qual a fo rça de ved ação con tra as paredes do cili ndro é fun ção do dife re nc ial de pressões e ntre a câ mara de combus tão e o cárter (à qual se adiciona a forç a e lástica do segme nto). Embora na figura se exagere a fo lga e ntre o seg mento ·e o pistão , esta deverá se r mantida o mai s pequena possíve l, de modo a que não haja lu gar a batimentos fortes e ntre o segme nto e ranhura , aquando da mudança de direcção do movimento do pistão . Poré m a minimi zação da fo lga não deverá impe dir o de se nvolvi men to da dist ribuição de pre ssão presente na Fig . 10.23. É a inércia do segmento que poderá lev ar a problemas de " batimen tos" do seg mento de ntro da ranhura, pelo que mo tores de e levada rotação deverão se r do tados de seg me ntos muito finos (< 1 mm), de modo a proporc ionar baixa massa inercial. Os segmentos poderão ser tronco-cón icos, ta l co mo aparecem nas Fig. I 0.24 e Fi g . I 0.25. Na primeira, o efeito de aumen to da força de vedação com o diferencial de pressões não se apli ca, pois a pressão em c ada um dos lados é semelhante. Geralmente este t ipo de segmento usa-se como 2º segme nto e serve para comple tar a fun ção do seg me nto de ó leo, poi s raspa o óleo do ci lindro na sua d esci da . Assim , a forç a de vedação é some nte a e lástica, que deve r á ser suficientemen te e levada de modo a vedar conven ie ntemente. No segme nto da Fi g. ! 0 .25 o di ferencial de pressões en tre o inte rior e o ex te rior d o segmento é o máxi mo possíve l, levando a elevadas pressões de vedação segmento-c ilindro somente quando há elevado diferenc ial de pressão e ntre a câ mara de co mbu stão e o cárter , ou seja quand o é necessári o (combustão e

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_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _c_a~p_ . _ 1o_:_Caracteri sticas de Funcionamento e Cálculo

Motores de Combustão Interna

início da expan~ào). Quando e~te diferencial é pequeno (todas as restan tes fases do c icl o do motor) a força segmento-ci lindro é pequena (somente a e lástica) pelo que o atrito é minimizado.

PI

ª Fig.10.23 - Distribuição de pressões

Fig. 10.24 - Segmento tronco-cónico

33

re\t'.~timento duro e anti-de~ga\le em liga ~ de níquel e/ou crómio com ~ilício. Esta depos ição de~trolítica

(de cerca de 0.1 mm de espe~sura) é extremamente dura. o que reduz o desgaste. embora o atrito não seja significativamente reduzido. A força de atrito p istão-cilindro é praticamente p roporcional à veloc idade do pistão. pelo que da ~c:rá maio r aproximadamente a meio do curso CFERGi:so:-:. 2001 ). altura em que a indinaçào da biela é também m;1ior. mes mo que a pressão máxima ocorra muito antes. Na zona de elevada velocidade o pi stão sofr e lubrificação h idrodinâmica. mas nas zonas dos pontos mortos é possível que haja contacto entre os segmentos e o metal dos cili ndros. pois o pistão pára. Ha vendo este contac to metálico as fo rças de atrito serão elevadas nestas posições (T .\ YLOR,

1992).

Fig.10.25 • Segmento tronco-cónico

A pressão média d e atrito resu lt a nte do atrito saia do pistão-c ilindro pode ser d esc rita por (FERGUSON . 2001 ):

num segmento

De modo a redu zi r o atri to deco rre nt e dos segme n tos. d everemos: -

usar o nº reduzir a red uz i r a reduzi r a reduzir a

pma ww

mínimo de segme ntos; relação CID; viscosidade do ó leo; espessu ra do segmento; fo rça e lást ica do seg mento.

cil indro a passar pelo da cambota, descentrando o cav ilhão do pistão. Porém este procedi mento a lterará o equilíbrio do pistão durante as acelerações.

O coeficiente de at rito resu lta nte dos seg mentos deverá ter duas componentes, uma referida à sua força e lást ica e outra relativa à força resu ltante da pressão dos gases. A primeira será in versamente proporc io na l à veloc idade do motor (lubrificação hidrodinâmica):

100) 1 pma_. =Ct{ 1+ 6N

o;

co m

Cre

= 4.06 x

10'

kP a· mm ~

( PATTON, 1989)

1'ara o caso do atr ito resultan te da pressão d os g ases poderemos usar:

pma.,,, = Cte Pw.. P.,.. Fig.10.26 - Desvi o do eixo do cilindro para reduzir o atrito pistão-cilindro

Vulgarmente os cili nd ros são e m ferro fundido, pois é um material ma is poroso que o aço. o que permite um a me l hor l ubrificação, m as c m muitos casos usa-se o aço vazado. Na rectificação do c ilindro deixam-se propositadamente sulcos com uma profundidade entre 3 e 5 µm e di spostos e m hé Íice (c ruzada) com cerca d e 60° de inclinação. A d istâ nc ia e ntre s ulcos será i nferior a 1 µm , o que dará uma rugosidade média de cerca de 0.3 µm. Alguns motores apresentam as cam isas e m fe rro fun d ido o u a l umfn io fundido com um

370

C

µ ....!:_ =Cte __!!_ D, D,

para o que a constan te poderá ser igua l a 0.588 kPa·s/rot (PATTON. 1989) e em q ue C é o c urso do pistão e N a ve loc idade d o motor (rot/s). É ass um ido que a al tura da sa ia do pi s tão é proporc iona l ao diâmetro do ci lin dro.

No caso dos pistões, o atrito é pri ncipalmente hidrodinâmico, pois existe u ma camada de ó leo entre o pistão e o c ilindro . No entanto o atrito aumen ta quando o pi stão é "empurrado" contra a camisa, como resultado da pressão da combustão e da inclinação da bie la. Assim , q uanto mai or for a relação entre o co mprimento d:i biela e o diâmetro da c:im bota (L/C. pois o diâmetro da cambota é igual a d o is c ursos) menor será a inclinação da cambota e menor será o atrito pi stão-ca misa. Um ou tro processo de reduzir este atrito é desviar lateralmente o eixo do c ilin dro, de mod o a que durante a expansão se minimi ze a inc linação da biela , reduz indo a força pistão-cami sa e com ela o atrito entre estes dois elemen tos.

O mesmo efeito pode ser conseg uid o mantendo o e ixo d o

V

"'

com

~.088e + 0.182 e(l.33-k C N)]

= 6.89 kPa k=4.76x l O·'s/m

Cte

O atrito pistão-ci li ndro aumenta linearmente com a veloc idade do motor, e nqu anto que o atrito devido aos segmentos re du z-se com esta, pelo que a a lta velocidade a maior parte d o atrito é devida ao pistão e nquanto que a baixa velocidade são os segme ntos que condi cionam o atri to.

10.1.7.2. Chuma ceiras Na indústria automóvel pode-se dize r qu e o uso de chumaceiras hidrodinâmicas nos apoios da ca mbo ta e árvore de carnes e nos moentes das bie las é un iversal. Mesmo nos motores

371

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _c_a~p_ . _ 1o_:_Caracteri sticas de Funcionamento e Cálculo

Motores de Combustão Interna

início da expan~ào). Quando e~te diferencial é pequeno (todas as restan tes fases do c icl o do motor) a força segmento-ci lindro é pequena (somente a e lástica) pelo que o atrito é minimizado.

PI

ª Fig.10.23 - Distribuição de pressões

Fig. 10.24 - Segmento tronco-cónico

33

re\t'.~timento duro e anti-de~ga\le em liga ~ de níquel e/ou crómio com ~ilício. Esta depos ição de~trolítica

(de cerca de 0.1 mm de espe~sura) é extremamente dura. o que reduz o desgaste. embora o atrito não seja significativamente reduzido. A força de atrito p istão-cilindro é praticamente p roporcional à veloc idade do pistão. pelo que da ~c:rá maio r aproximadamente a meio do curso CFERGi:so:-:. 2001 ). altura em que a indinaçào da biela é também m;1ior. mes mo que a pressão máxima ocorra muito antes. Na zona de elevada velocidade o pi stão sofr e lubrificação h idrodinâmica. mas nas zonas dos pontos mortos é possível que haja contacto entre os segmentos e o metal dos cili ndros. pois o pistão pára. Ha vendo este contac to metálico as fo rças de atrito serão elevadas nestas posições (T .\ YLOR,

1992).

Fig.10.25 • Segmento tronco-cónico

A pressão média d e atrito resu lt a nte do atrito saia do pistão-c ilindro pode ser d esc rita por (FERGUSON . 2001 ):

num segmento

De modo a redu zi r o atri to deco rre nt e dos segme n tos. d everemos: -

usar o nº reduzir a red uz i r a reduzi r a reduzir a

pma ww

mínimo de segme ntos; relação CID; viscosidade do ó leo; espessu ra do segmento; fo rça e lást ica do seg mento.

cil indro a passar pelo da cambota, descentrando o cav ilhão do pistão. Porém este procedi mento a lterará o equilíbrio do pistão durante as acelerações.

O coeficiente de at rito resu lta nte dos seg mentos deverá ter duas componentes, uma referida à sua força e lást ica e outra relativa à força resu ltante da pressão dos gases. A primeira será in versamente proporc io na l à veloc idade do motor (lubrificação hidrodinâmica):

100) 1 pma_. =Ct{ 1+ 6N

o;

co m

Cre

= 4.06 x

10'

kP a· mm ~

( PATTON, 1989)

1'ara o caso do atr ito resultan te da pressão d os g ases poderemos usar:

pma.,,, = Cte Pw.. P.,.. Fig.10.26 - Desvi o do eixo do cilindro para reduzir o atrito pistão-cilindro

Vulgarmente os cili nd ros são e m ferro fundido, pois é um material ma is poroso que o aço. o que permite um a me l hor l ubrificação, m as c m muitos casos usa-se o aço vazado. Na rectificação do c ilindro deixam-se propositadamente sulcos com uma profundidade entre 3 e 5 µm e di spostos e m hé Íice (c ruzada) com cerca d e 60° de inclinação. A d istâ nc ia e ntre s ulcos será i nferior a 1 µm , o que dará uma rugosidade média de cerca de 0.3 µm. Alguns motores apresentam as cam isas e m fe rro fun d ido o u a l umfn io fundido com um

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C

µ ....!:_ =Cte __!!_ D, D,

para o que a constan te poderá ser igua l a 0.588 kPa·s/rot (PATTON. 1989) e em q ue C é o c urso do pistão e N a ve loc idade d o motor (rot/s). É ass um ido que a al tura da sa ia do pi s tão é proporc iona l ao diâmetro do ci lin dro.

No caso dos pistões, o atrito é pri ncipalmente hidrodinâmico, pois existe u ma camada de ó leo entre o pistão e o c ilindro . No entanto o atrito aumen ta quando o pi stão é "empurrado" contra a camisa, como resultado da pressão da combustão e da inclinação da bie la. Assim , q uanto mai or for a relação entre o co mprimento d:i biela e o diâmetro da c:im bota (L/C. pois o diâmetro da cambota é igual a d o is c ursos) menor será a inclinação da cambota e menor será o atrito pi stão-ca misa. Um ou tro processo de reduzir este atrito é desviar lateralmente o eixo do c ilin dro, de mod o a que durante a expansão se minimi ze a inc linação da biela , reduz indo a força pistão-cami sa e com ela o atrito entre estes dois elemen tos.

O mesmo efeito pode ser conseg uid o mantendo o e ixo d o

V

"'

com

~.088e + 0.182 e(l.33-k C N)]

= 6.89 kPa k=4.76x l O·'s/m

Cte

O atrito pistão-ci li ndro aumenta linearmente com a veloc idade do motor, e nqu anto que o atrito devido aos segmentos re du z-se com esta, pelo que a a lta velocidade a maior parte d o atrito é devida ao pistão e nquanto que a baixa velocidade são os segme ntos que condi cionam o atri to.

10.1.7.2. Chuma ceiras Na indústria automóvel pode-se dize r qu e o uso de chumaceiras hidrodinâmicas nos apoios da ca mbo ta e árvore de carnes e nos moentes das bie las é un iversal. Mesmo nos motores

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Motores de Combustão Interna

_

Cap. 10: Carac1erlstic11 do Funcionamento o Cálculo

a constante poder:í ser Cre = 1.818 x 10·= kPa·s/mm (PATTON. 1989) (a ve locidade de N aparece e m rol/s . e o diâmetro D.. e curso C do cilindro em mm. e n •. representa o de cilindros). Dever-se-á usar duas vezes a equação anterior. para os apoios (n,...., para os moentes (n,.. m.• D ,.• _.,.).

sofisticados usados em Formula 1 'e usam churnaceiras planas em \'eZ de rolamentos. Este~ foram usados em antigos rnotore' de competição (como o Mercedes W 196 dos anos 50) e em motores de motos. nomeadamente os de 2 tempos (sem possibilidade de lubrificação por pressão de óleo. pois o cárter ,erve de bomba para a lavagem ).

oa qual rotação número D,,_,r) e

Numa churnaceira hidrodinâmica o coeficiente de atrito é muito baixo (abaixo de 0.005) e a carga potencial muito elevada(> 700 bar). o que aliado ao se u elevado tempo de v ida. baixo ruído e baixo preço fazem de la, a escolha universal. A razão dos motores a 2 tempos usarem rolamentos em todas as chumace iras é a inexistência de sistema de lubrifi cação sob pressão, o que condiciona o uso dos casquilhos planos hidrodinâmicos.

uma outra fonte de atritos numa cambota são os reten tores de óleo que funcionam em regime limite. poi s con tactam o metal. A força de contacto retentor-veio é constante. p e lo que a pre,são média de atrito ser:\ independente d a ve locidade de rotação do motor. e poderá considerar-se: Dch.rcr

pma,., = Cte n D2C e

Como já foi expli cado. (Cap.5.1.6.3) o óleo é fornecido à cambota pelos se us apoios e passa para os moentes por furos ex istente s no seu interior, mante ndo a pre ssão ao ó leo em todos estes pontos. No início de marcha do motor a cambota repou sa sobre os casquilhos, mas com o aumento da ve locidade e o forn ec imento de óleo so b pressão faz co m qu e o reg ime de lubrificação seja sempre o hidrodinâm ico. As cargas nos apoios e moentes da cambota variam grandemente com o ponto do ciclo. Geralmente os apoios da cambota têm diâmetros de cerca de 2/3 dos do c ilindro e os moentes das bielas um pouco mai s de metade, enqua nto que a sua largura (apoios e moe nt es) será próxima (por vezes maior) de 1/3 do seu diâmetro (FERGUSON. 2001 ). Motores sobrealimen tados ou com relações CID muito diferentes da unidade apresentarão valores de diâmetros e larguras para as chumaceiras diferentes dos aprese ntados. As cambotas e bielas têm capas feita s em materiais moles , de modo a que partículas duras possam alojar-se nelas, e com baixo ponto de fusão , de modo a reduzir o risco com gripagem. Geralmente us am-se ligas de ch umbo, estanho, antimónio e cobre, nas quais o chumbo é o principal compon en te (-90%). Se considerarmos o escoamento de óleo (de viscosidade µ) corno de Couette numa chumaceira de diâmetro o .... largura L e folga (diferença entre raios) c, o g radi e nte de velocidade (a N rot/s) será: dv = trD,.,,N dr c e a força (sem carga) de atrito se rá : F. =

O coeficiente de atrito será :

trzµD 2 LN •• e

f =~=tr 2 (µN)D,1o pDc1o L

p

e

ou seja, es te modelo (regime hidrodinâmico) prevê que o coeficien te de atrito varie linearmente com o de carga (µ Nlp). tal como se vê na Fig . ! 0.22. Para uma cambota com n... chumaceiras (apoios ou moentes), pode-se calcular pressão média de atrito resultante das chumaceiras por: pma,.

372

=Cte nc1oN D:i,L , n, D; C

com


700 bar). o que aliado ao se u elevado tempo de v ida. baixo ruído e baixo preço fazem de la, a escolha universal. A razão dos motores a 2 tempos usarem rolamentos em todas as chumace iras é a inexistência de sistema de lubrifi cação sob pressão, o que condiciona o uso dos casquilhos planos hidrodinâmicos.

uma outra fonte de atritos numa cambota são os reten tores de óleo que funcionam em regime limite. poi s con tactam o metal. A força de contacto retentor-veio é constante. p e lo que a pre,são média de atrito ser:\ independente d a ve locidade de rotação do motor. e poderá considerar-se: Dch.rcr

pma,., = Cte n D2C e

Como já foi expli cado. (Cap.5.1.6.3) o óleo é fornecido à cambota pelos se us apoios e passa para os moentes por furos ex istente s no seu interior, mante ndo a pre ssão ao ó leo em todos estes pontos. No início de marcha do motor a cambota repou sa sobre os casquilhos, mas com o aumento da ve locidade e o forn ec imento de óleo so b pressão faz co m qu e o reg ime de lubrificação seja sempre o hidrodinâm ico. As cargas nos apoios e moentes da cambota variam grandemente com o ponto do ciclo. Geralmente os apoios da cambota têm diâmetros de cerca de 2/3 dos do c ilindro e os moentes das bielas um pouco mai s de metade, enqua nto que a sua largura (apoios e moe nt es) será próxima (por vezes maior) de 1/3 do seu diâmetro (FERGUSON. 2001 ). Motores sobrealimen tados ou com relações CID muito diferentes da unidade apresentarão valores de diâmetros e larguras para as chumaceiras diferentes dos aprese ntados. As cambotas e bielas têm capas feita s em materiais moles , de modo a que partículas duras possam alojar-se nelas, e com baixo ponto de fusão , de modo a reduzir o risco com gripagem. Geralmente us am-se ligas de ch umbo, estanho, antimónio e cobre, nas quais o chumbo é o principal compon en te (-90%). Se considerarmos o escoamento de óleo (de viscosidade µ) corno de Couette numa chumaceira de diâmetro o .... largura L e folga (diferença entre raios) c, o g radi e nte de velocidade (a N rot/s) será: dv = trD,.,,N dr c e a força (sem carga) de atrito se rá : F. =

O coeficiente de atrito será :

trzµD 2 LN •• e

f =~=tr 2 (µN)D,1o pDc1o L

p

e

ou seja, es te modelo (regime hidrodinâmico) prevê que o coeficien te de atrito varie linearmente com o de carga (µ Nlp). tal como se vê na Fig . ! 0.22. Para uma cambota com n... chumaceiras (apoios ou moentes), pode-se calcular pressão média de atrito resultante das chumaceiras por: pma,.

372

=Cte nc1oN D:i,L , n, D; C

com


er dividido~ no respeitante ao tipo de contacto.

_____ c_a'p._1_0_: Caracterlsticas de funcionamento e Ctlculo

que: 0 trabalho nece,~ário para a operação do ~istema de distribuição 'cja mu itíssimo maior qut: a baixa/média velocidade e a pres,ão média assim resultante é da ordem de grandeza (por,·entura maior) da de atrito . De notar que esta pressão média (que podemos referir como de in.Srcia) está englobada na pressão média de atrito globa l do motor .

A força necessária para movimentar o sistema de distribuição (válvula. impu lsor. balanceiro, mola> é proporcional à massa total mu ltip licada pela aceleração. Como a massa do sistema é proporcional à área da válvu las. que por seu lado é proporcional à área dos pistõe\. poderemos dizer que estas forças são proporcionais ao quadrado do diâmetro dos pistões.

Tab.10.8 - Constantes relativas ês p ma's dos componentes da d istribuição

SISTEMA (tipo)

MOTOR No caso de seguidores planos (o u curvos. mas não com rolamento) assume-se que o regime de lubrificação é misto. pelo que o coeficiente de atrito é inversamente proporcional à veloc idade de rornção do motor. dando: 100) li,. pnw.,, =Cte,, ( I+ 6N n,C

no qual n, é o número de válvulas

impulsor plano .