Motores de Combustão Interna

Motores de Combustão Interna Éder Cícero Adão Simêncio 2019 por Editora e Distribuidora Educacional SA Todos os direitos reservados Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio eletrônico ou mecânico incluindo fotocópia gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação sem prévia autorização por escrito da Editora e Distribuidora Educacional SA Presidente Rodrigo Galindo VicePresidente Acadêmico de Graduação e de Educação Básica Mário Ghio Júnior Conselho Acadêmico Ana Lucia Jankovic Barduchi Danielly Nunes Andrade Noé Grasiele Aparecida Lourenço Isabel Cristina Chagas Barbin Thatiane Cristina dos Santos de Carvalho Ribeiro Revisão Técnica Pedro Donizeti Bolanho Roberto Mac Intyer Simões Editorial Elmir Carvalho da Silva Coordenador Renata Jéssica Galdino Coordenadora 2019 Editora e Distribuidora Educacional SA Avenida Paris 675 Parque Residencial João Piza CEP 86041100 Londrina PR email editoraeducacionalkrotoncombr Homepage httpwwwkrotoncombr Dados Internacionais de Catalogação na Publicação CIP Simêncio Éder Cícero Adão S589m Motores de combustão interna Éder Cícero Adão Simêncio Londrina Editora e Distribuidora Educacional SA 2019 214 p ISBN 9788552214229 1 Motores de combustão interna 2 Mistura e sistemas de ignição 3 Combustíveis I Simêncio Éder Cícero Adão II Título CDD 621 Thamiris Mantovani CRB89491 Sumário Unidade 1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna 7 Seção 11 Nomenclatura e classificação de motores 9 Seção 12 Ciclos termodinâmicos ideais e reais 24 Seção 13 Propriedades e curvas características de motores 42 Unidade 2 Combustíveis e combustão 59 Seção 21 Combustíveis 61 Seção 22 Combustão em motores alternativos 76 Seção 23 Mistura e injeção em ciclo Otto 93 Unidade 3 Sistemas de injeção ignição e sensores 111 Seção 31 Sistemas de ignição e sensores 113 Seção 32 Sistemas de injeção para motores diesel 130 Seção 33 Consumo de ar nos motores a 4 tempos 144 Unidade 4 Sistemas de MCI e princípios de projeto 163 Seção 41 Sistemas de exaustão e emissões 165 Seção 42 Lubrificação lubrificantes e tribologia 181 Seção 43 Sistema bielamanivela sistemas de arrefecimento e projeto de motores 197 Palavras do autor E ngenheiros mecânicos ou engenheiros automotivos são frequente mente envolvidos em projetos de sistemas de combustão motores de combustão interna turbinas a gás fornos máquinas a vapor queima dores de caldeiras etc nos quais os esforços desses profissionais concen tramse na melhoria dos sistemas de combustão como no aumento da efici ência e na redução de poluentes Assim o objetivo da nossa disciplina de Motores de Combustão Interna é discutir os conteúdos mais relevantes sobre os sistemas de combustão interna para que você como futuro engenheiro seja capaz de compreender a nomenclatura e a classificação de motores os ciclos termodinâmicos reais e teóricos as propriedades e curvas caracterís ticas de motores Você também será capaz de identificar os diferentes tipos de combustíveis compreender as reações de combustão e a relação combus tívelar assim como os sistemas de injeção em Ciclo Otto Avançando em nossos estudos você compreenderá o funcionamento dos sistemas de ignição e sensores os sistemas de injeção para motores Diesel e o consumo de ar nos motores Diesel Finalizando os estudos da disciplina você compreenderá o funcionamento de diversos sistemas como os sistemas de exaustão lubrificação de arrefecimento e também conhecerá os princípios de projetos de motores de combustão interna Nosso livro de Motores de Combustão Interna está estruturado da seguinte maneira a primeira unidade traz uma introdução ao estudo dos motores de combustão interna em que estudaremos as nomenclaturas classi ficações propriedades e curvas caraterísticas de motores e os ciclos termo dinâmicos ideias e reais A segunda unidade apresenta os diferentes tipos de combustíveis a combustão em motores alternativos e os sistemas de injeção em Ciclo Otto Na terceira unidade serão estudados os sistemas ignição sensores os sistemas de injeção para motores Diesel e o consumo de ar nos motores a quatro tempos Na quarta unidade serão trabalhados os sistemas de exaustão e emissões assim como os aspectos de lubrificação os tipos de lubrificantes o conceito de tribologia os sistema bielamanivela os sistemas de arrefecimento e projeto de motores Aluno seja bemvindo à disciplina de Motores de Combustão Interna bons estudos e perseverança Unidade 1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Convite ao estudo Seja bemvindo a nossa primeira unidade do livro didático da disciplina de Motores de Combustão Interna Em nossa vida são inúmeras as vezes que já ouvimos um familiar amigo ou alguém próximo se queixando de problemas em seu carro e dos custos elevados para a sua manutenção E quem nunca se sentiu lesionado ao levar o carro em uma oficina mecânica e ter tido a sensação que o mecânico encontrou tantos problemas no carro usou vários termos que não entendemos e mesmo assim temos a certeza de que fomos enganados Outra história de senso comum e que certamente você já ouviu é a que devemos evitar a compra de automóveis com quilometragem acima de 100000 quilômetros rodados As pessoas que creem nessa história normalmente dizem que um automóvel com essa quilometragem apresen tará problemas no motor inviabilizando o custobenefício da aquisição Será verdade Bem essas situações mostram que poucas pessoas conhecem os componentes e o funcionamento de um carro principalmente em relação ao motor Sobre a quilometragem acima de 100000 km por exemplo a verdade é que não existe relação direta entre o estado de conservação de um carro e sua quilometragem sendo perfeitamente possível encontrarmos carros cujo os motores se encontram em excelente estado mesmo com elevada quilo metragem Mas como futuro engenheiro mecânico ou automotivo você saberia avaliar o estado de conservação de um automóvel Aliás você já teve a oportunidade de observar o motor de um automóvel e seu funciona mento Se um mecânico lhe dissesse que o motor do carro está com defeito no cabeçote você saberia identificar esse componente no motor Portanto nesse primeiro momento vamos aprender o que é um motor de combustão interna conhecer os seus componentes os tipos de classifica ções e os motores rotativos Posteriormente vamos estudar os ciclos termo dinâmicos ideais e reais e por fim vamos conhecer as propriedades e curvas características de motores Os estudos desses conteúdos lhe auxiliarão na compreensão da nomenclatura e da classificação de motores que serão a base para o estudo dos ciclos termodinâmicos reais e teóricos das propriedades e curvas características de motores Ao final desta primeira unidade você terá dado um passo importante a caminho de ser capaz de comparar os ciclos reais e teóricos e saber determinar a potência e as curvas características de motores de combustão interna Para contextualizar imagine que uma multinacional automobilística com expansão no mercado brasileiro após o lançamento de um novo automóvel começou a receber diversas ligações no Serviço de Atendimento ao Cliente SAC de compradores insatisfeitos relatando problemas no carro como o superaquecimento e falha do motor a emissão de fumaça preta durante o funcionamento do motor e perda de potência Atuando como um dos engenheiros da equipe de desenvolvimento você foi acionado pelo diretor da empresa para analisar as causas dos problemas identificados e propor as devidas soluções para que a empresa possa anunciar o recall das unidades já vendidas Mas quais são as causas dos problemas apresentados no motor Como é possível identificálos Esses problemas podem ser consequências da falha de componentes do motor ou podem ser problemas associados ao mau uso do automóvel pelos proprietários como o abastecimento com combus tível adulterado Nessa primeira unidade de ensino serão apresentados conceitos introdu tórios ao estudo dos motores de combustão interna como a nomenclatura e classificação de motores os ciclos termodinâmicos ideais e reais e as proprie dades e curvas características de motores Bons estudos Seção 11 Nomenclatura e classificação de motores 9 Nomenclatura e classificação de motores Diálogo aberto Os diversos meios de transporte facilitam nosso cotidiano pois trazem a possibilidade de deslocamentos mais rápidos conforto e praticidade Hoje para chegar ao seu local de trabalho ou de estudo você talvez tenha utili zado seu próprio automóvel ou certamente observou várias pessoas em seus automóveis no trânsito Você sabia que de acordo com o estudo conduzido pelo Instituto Brasileiro de Planejamento e Tributação IBPT atualmente no Brasil temos uma frota circulante de 658 milhões de veículos e que desse total 412 milhões 6265 são de automóveis IBPT 2018 Mas apesar de termos esse montante de automóveis poucas pessoas conhecem o funciona mento de um carro Comumente não sabemos quais são os componentes que fazem parte de um motor mas sabemos que em algum momento podemos ter um problema no funcionamento do carro Afinal quem nunca viu um carro parado no meio da rua ou no acostamento de uma rodovia com o pisca alerta acionado e com o capô aberto e fumaça saindo do motor Nesse contexto para iniciarmos nossos estudos de motores de combustão interna imagine que você atue como engenheiro de uma fábrica de motores de uma multinacional automobilística e faça parte de uma equipe respon sável que foi acionada para verificar e identificar a origem dos problemas relatados por clientes que compraram o último lançamento da empresa Um dos problemas relatados pelos clientes foi o superaquecimento e a falha do motor Assim ao iniciar a inspeção do automóvel com o motor em funcio namento você e sua equipe identificaram a presença de um ruído como um assovio além do superaquecimento do motor já relatados pelos clientes insatisfeitos Mas qual a origem desse defeito É possível identificar onde ocorre o ruído Qual seria uma explicação para o ruído Qual seria a razão do superaquecimento do motor O ruído e o superaquecimento poderiam ser o resultado da falha de algum componente do motor Para chegar às soluções desses questionamentos você deverá ser curioso e persistente uma vez que vamos conhecer os diversos componentes que fazem parte de um motor de combustão interna as nomenclaturas de motores alternativos e sua classificação Adicionalmente estudaremos as diferenças entre os motores dois tempos e quatro tempos outros tipos de classificação de motores e os motores rotativos Bons estudos Seção 11 10 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Não pode faltar O motor de combustão interna MCI é de longe o tipo mais comum de motor que conhecemos e entre os diversos objetivos ao projetarmos um MCI se destacam a elevada obtenção de trabalho e alta eficiência Portanto nesse momento você já pode ter percebido que o motor de combustão interna é um tipo de máquina térmica pois através da combustão que ocorre no motor obtémse o calor que é transformado em trabalho Por sua vez o trabalho é obtido a partir de uma sequência de processos que ocorrem no fluido ativo FA que participa diretamente da reação de combustão BRUNETTI 2012 p 21 Os MCI são classi ficados em motores alternativos rotativos e de impulso Os motores alternativos são aqueles em que por meio de pistões a energia química é convertida em trabalho isto é movimento mecânico que é observado pela rotação contínua do sistema bielamanivela BRUNETTI 2012 p 22 A Figura 11 apresenta os principais componentes de um motor alternativo de combustão interna enquanto o Quadro 11 traz respectiva mente a nomenclatura desses componentes Figura 11 Componentes de um motor de combustão interna Fonte Brunetti 2012 p 23 Quadro 11 Nomenclaturas dos componentes de um MCI 1 Bomba dágua 2 Válvula termostática 3 Compressor de ar 4 Duto de admissão 5 Injetor de combustível 6 Válvula de escapamento 7 Coletor de admissão 8 Válvula de admissão 9 Linha de combustível 10 Haste de válvula 11 Duto de água 12 Tampa de válvula 13 Cabeçote 14 Tampa lateral 15 Bloco 16 Eixo comando de válvulas 17 Volante 18 Virabrequim 19 Capa de mancal 20 Biela 21 Bujão de cárter Seção 11 Nomenclatura e classificação de motores 11 22 Bomba de óleo 23 Cárter 24 Engrenagem do virabrequim 25 Amortecedor vibracional 26 Ventilador 27 Duto de admissão 28 Balancim da válvula de admissão 29 Balancim da válvula de escapamento 30 Coletor de escapamento 31 Pistão 32 Motor de partida 33 Dreno de água 34 Filtro de óleo 35 Radiador de óleo 36 Vareta de nível de óleo 37 Bomba manual de combustível 38 Bomba injetora de combustível 39 Respiro do cárter 40 Filtro de combustível Fonte adaptado de Brunetti 2012 p 23 24 Outro aspecto importante referese às nomenclaturas adotadas referentes às posições do pistão como mostra a Figura 12 Figura 12 Nomenclaturas adotadas para as diferentes posições do pistão Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 24 25 Em que PMS é o Ponto Morto Superior PMI é o Ponto Morto Inferior S é o Curso do pistão 1 V é o Volume total 2 V é o Volume Morto ou volume da câmara de combustão du V é a cilindrada unitária z é o número de cilin dros do motor D é o diâmetro dos cilindros do motor e d V é o volume deslocado do motor A partir da análise da Figura 12 é possível compreender que o PMS é a posição na qual o pistão está mais próximo do cabeçote enquanto o PMI é a posição mais distante Portanto o curso do pistão é dado pela distância percorrida do PMS ao PMI Já o volume total é dado pelo volume entre a cabeça do pistão e o cabeçote quando o pistão está no 12 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna PMI No entanto caso o pistão esteja no PMS esse volume é chamado de volume morto O Vdu também chamado de deslocamento volumé trico é o volume percorrido pelo pistão de um ponto morto ao outro e seu valor é calculado pela Equação 11 2 1 2 4 du D V V V S p 11 Já o volume deslocado do motor também chamado de cilindrada ou deslocamento volumétrico do motor pode ser obtido pela Equação 12 2 4 d du D V V z S z p 12 Nesse momento é importante destacar que a razão entre o volume total e o volume morto Equação 13 é conhecido como relação volumétrica ou taxa de compressão vr e representa a quantidade de vezes que o V1 é reduzido Assim temos 2 1 2 2 2 1 du du v V V V V r V V V 13 Exemplificando Dado um motor alternativo de quatro cilindros com diâmetro de 91 cm 87 cm de curso e taxa de compressão de 851 determine o desloca mento volumétrico do motor Resolução A partir dos dados do enunciado primeiramente calculase a cilindrada unitária do motor a partir da equação 2 2 3 91 87 6504 87 5658 cm 4 4 du du du du D V S V V V p ép ù ê ú Þ Þ Þ ê ú ë û A partir do valor calculado da cilindrada unitária obtémse o desloca mento volumétrico do motor com a equação 3 5658 4 22632 cm d du d d V V z V V Þ Þ Além da nomenclatura dos elementos que compõem um motor é impor tante adotar nomenclaturas que se referem aos aspectos da cinemática dos motores como apresentado na Figura 13 Seção 11 Nomenclatura e classificação de motores 13 Figura 13 Nomenclatura cinemática Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 27 Em que V A é a válvula de admissão V E é a válvula de escapamento x é a distância para o pistão atingir o PMS p V é a velocidade média do pistão L é o comprimento da biela n é a frequência da árvore de manivelas r é o raio da manivela w é a velocidade angular da árvore de manivelas a é o ângulo formando entre a manivela e um eixo vertical de referência O curso do pistão S a velocidade angular na árvore da manivela w e a velocidade média do pistão p V são calculadas respectivamente pelas Equações 14 15 e 16 2 S r 14 2 n w p 15 2 Vp S n 16 Enquanto a distância para o pistão atingir o PMS é calculada a partir da Equação 17 2 2 1 cos 1 1 r x r L sen L a a æ ö ç æ ö ç ç ç ç ç ç è ø ç çè ø 17 Como o próprio nome diz os motores de combustão interna realizam movimento mecânico a partir de uma reação de combustão e podem ser classificados quanto à ignição e ao número de tempos do ciclo de operação 14 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Assimile No sentido mais geral a combustão é uma reação química que ocorre entre qualquer material combustível hidrocarboneto e um oxidante oxigênio para formar um produto oxidado dióxido de carbono e água A combustão é uma reação exotérmica portanto libera calor e para que ela ocorra é necessário um agente que provoque o início da reação Quanto à ignição os dois tipos de motores alternativos são os motores de ignição por faísca MIF ou Otto nos quais o combustível normalmente gasolina ou etanol hidratado é inflamado por uma faísca e os motores de ignição espontânea MIE ou Diesel em que o aumento da temperatura e da pressão do ar durante a compressão é suficientemente capaz de iniciar espontaneamente a reação de combustão Essa temperatura é denominada temperatura de autoignição TAI O Quadro 12 apresenta os valores típicos da TAI e das taxas de compressão vr para alguns combustíveis Tabela 11 Valores típicos da TAI Combustível Diesel Etanol hidratado Gasolina E22 TAI C 250 420 400 vr 1501 até 2401 1001 até 1401 851 até 1301 Fonte adaptado de Brunetti 2012 p 29 Durante cada ciclo de operação que é a sequência de processos que ocorrem com o fluido ativo para obtenção de trabalho útil o pistão pode operar em diferentes tempos também denominado curso do pistão Assim os motores alternativos MIE ou MIF são classificados em motores alter nativos a quatro tempos 4T ou motores alternativos a dois tempos 2T Nos motores 4T o pistão deslocase quatro cursos isto é quatro vezes que correspondem a duas voltas do eixo do motor para que se complete um único ciclo Brunetti 2012 p 31 No tempo de admissão o pistão deslocase do PMS ao PMI Devido ao movimento do pistão originase uma sucção que causa um fluxo de gases através da válvula de admissão permitindo o preenchimento do cilindro com a mistura combustívelar É válido ressaltar que em motores de injeção direta de combustível com ignição por faísca ocorre o preenchimento do cilindro somente por ar o mesmo que acontece em motores MIE No tempo de compressão a válvula de admissão é fechada e o pistão se desloca do PMI ao PMS provocando a compressão da mistura combustívelar ou somente do ar de acordo com o tipo de motor Para MIE a compressão deve ser elevada o suficiente para que a TAI do combustível seja ultrapassada No tempo de expansão em motores MIF ocorre a faísca próximo ao PMS provocando Seção 11 Nomenclatura e classificação de motores 15 a ignição da mistura enquanto em motores MIE é injetado o combus tível no ar quente dando início à combustão espontânea A combustão se propaga aumentando a pressão e a temperatura forçando o pistão até o PMI consequentemente o FA passa por um processo de expansão realizando o trabalho útil do motor BRUNETTI 2012 No tempo de escape a válvula de escape permanece aberta e como o pistão percorre o cilindro do PMI ao PMS ocorre a expulsão dos gases queimados para fora do cilindro para dar início ao novo ciclo de tempo de admissão A Figura 14 apresenta os quatro tempos do motor alternativo Figura 14 Quatro tempos do motor alternativo Fonte adaptada de httpsshaikmoinfileswordpresscom201302fourstrokecyclepng Acesso em 24 ago 2018 A Figura 15 apresenta os tempos ocorrendo simultaneamente em um motor de quatro cilindros Figura 15 Ocorrência simultânea dos quatro tempos em um motor de quatro cilindros 0o 180o 360o 540o 720o Número de cilindros 1 2 3 4 α Ciclos do motor Expansão Escape Admissão Compressão Escape Admissão Compressão Expansão Compressão Expansão Escape Admissão Admissão Compressão Expansão Escape Fonte Brunetti 2012 p 31 16 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Nos motores alternativos a dois tempos 2T de ignição por faísca o ciclo completase com dois cursos do pistão que correspondem a uma única volta do eixo do motor Análogo ao motor 4T os processos ocorrem da mesma maneira no entanto alguns deles se sobrepõem num mesmo curso BRUNETTI 2012 A Figura 16 apresenta um esquemático do motor 2T Figura 16 Motor a 2T de ignição por faísca C C B B A A Paim Paim Ar Combustível Lubrificante Ar Combustível Lubrificante P1 P1 Fonte Brunetti 2012 p 32 No primeiro tempo de acordo com a Figura 16a considerase que o pistão se encontra inicialmente no PMS e a mistura comprimida Liberada a faísca ocorre o deslocamento do pistão até o PMI Durante o deslocamento o pistão comprime o conteúdo do cárter e ocorre a abertura de escapamento também conhecida como janela de escape B por onde os gases queimados escapam para o ambiente Posteriormente ocorre a abertura da janela de admissão C que preenche o cárter com uma nova mistura Já no segundo tempo Figura 16b observase o deslo camento do pistão do PMI ao PMS Durante esse movimento do pistão sequen cialmente ocorre o fechamento da janela de admissão C e posteriormente da janela de escapamento B enquanto é aberta a passagem A Consequentemente ocorre o preenchimento do cárter com uma nova mistura Simultaneamente a parte superior do pistão comprime a mistura admitida anteriormente aproxi mandose do PMS Nesse momento dáse a liberação da faísca a pressão gerada pela combustão desloca o pistão para o PMI reiniciando a expansão O motor 2T apresenta um tempo de trabalho positivo a cada dois cursos do pistão enquanto no motor 4T isso ocorre a cada duas voltas Essa diferença entre os motores no número de voltas para um tempo de trabalho positivo origina o que denominados fator de tempos designado pela letra x Quer saber mais sobre a classificação dos motores Acesse o caderno no Motores de Combustão Interna e seus Sistemas no link que segue Saiba mais Seção 11 Nomenclatura e classificação de motores 17 TILLMANN C A C Motores de Combustão Interna e seus Sistemas Pelotas Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia Santa Maria Universidade Federal de Santa Maria Colégio Técnico Industrial de Santa Maria Rede eTec Brasil 2013 O Quadro 13 apresenta as diferenças fundamentais entre os motores de 2T e 4T Quadro 13 Diferenças entre motores 2T e 4T Diferenças 4T 2T Tempos versus ciclo útil 2 voltas manivela 1 volta manivela Fator de tempos x1 x2 Sistema mecânico Mais complexo Mais simples ausência de válvulas e eixo de comando Alimentação Boa Ruim perda de mistura no escape presença de lubrificante Lubrificação Boa Ruim presença de combustível Fonte Brunetti 2012 p 35 Do ponto de vista mecânico os motores ciclos Otto e Diesel não apresentam grandes diferenças basicamente o motor Diesel apresenta maior robustez devido às elevadas taxas de compressão O Quadro 14 apresenta as principais diferenças entre os motores ciclos Otto e Diesel Quadro 14 Diferenças principais entre os motores ciclos Otto e Diesel Diferenças Otto Diesel Introdução do combustível Mistura homogeneizada e dosada Admitese apenas ar e o com bustível é injetado finamente pulverizado Ignição Faísca produzida a partir de um sistema elétrico Autoignição Taxa de compressão Baixa Elevada Fonte elaborado pelo autor Os motores alternativos podem ser classificados de acordo com diversas características e entre elas destacamse o sistema de alimentação de combus tível a disposição dos componentes internos quanto ao sistema de arrefeci mento quanto às válvulas quanto à alimentação de ar quanto à relação entre o diâmetro e curso do pistão quanto à rotação quanto à fase do combustível e à potência específica Quanto ao sistema de alimentação de combustível os motores ciclo Otto são alimentados por um carburador ou sistema de injeção de combustível 18 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Vale ressaltar que os carburadores estão próximos de se aposentar em aplica ções automotivas já que as novas frotas já trazem o sistema de injeção eletrô nica Assim os carburadores são utilizados somente em aplicações de baixa potência em que as limitações de emissão de poluentes são menos restritivas BRUNETTI 2012 A injeção de combustível é mais precisa em relação ao carburador e permite um resultado melhor no controle de emissões que pode ocorrer no coletor de admissão PFI Port Fuel Injection ou na câmara de combustão GDI Gasoline Direct Injection Quanto à classificação dos motores em relação à disposição dos compo nentes internos a Figura 17 apresenta o esquemático de três disposições típicas de motores automotivos cilindros em linha em V e opostos boxer Figura 17 Disposição de cilindros Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 39 Já a Figura 18 apresenta o esquemático de motores ciclos Diesel nas versões em linha e V Figura 18 motores ciclos Diesel nas versões em linha e V Fonte Brunetti 2012 p 40 Seção 11 Nomenclatura e classificação de motores 19 Em relação à potência específica devido às exigências sobre a emissão de poluentes é cada vez mais comum a substituição de motores ciclo Diesel por motores ciclo Otto com maior potência específica em carros de passeios A potência específica é dada pela Equação 18 específica Ne Ne Vd 18 Em que Neespecífica é a potência específica Ne é a potência efetiva e Vd é a cilindrada total Os motores ciclo Otto com maior potência específica apresentam aumento da potência e torque sem o aumento da cilindrada total redução da cilindrada total mantendo a mesma potência e redução do número de cilindros BRUNETTI 2012 O Quadro 15 apresenta a comparação entre o incremento de potência e torque específico para os motores ciclo Diesel e Otto Quadro 15 Incremento de potência e torque específico para os motores ciclo Diesel e Otto Ciclo Alimentação Atual Futura Potência específica kWL Torque específico NmL Potência específica kWL Torque específico NmL Diesel Sobrealimentado 65 150 80 200 Otto Naturalmente aspirados 65 100 65 100 Sobrealimentado 110 200 130 250 Fonte Brunetti 2012 p 48 Além dos motores alternativos os MCI também podem ser classificados como motores rotativos e motores de impulso Nos motores rotativos o trabalho é obtido pelo movimento de rotação As turbinas a gás e o motor Wankel são considerados motores rotativos No entanto nas turbinas a gás são utilizados os gases oriundos da reação de combustão para o seu aciona mento isto é para iniciar o movimento de rotação enquanto no motor Wankel associado ao movimento de rotação o rotor sofre movimentos de translação Já nos motores de impulso o trabalho é obtido pela força de reação dos gases que são expelidos em alta velocidade por exemplo nos motores a jato e em foguetes Os motores ciclo Otto a 4T são normalmente utilizados na indústria automotiva enquanto os motores a 4T são utilizados em aplicações aeronáu ticas Já os motores de ignição por faísca 2T como são limitados a baixa 20 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna potência são utilizados em aplicações náuticas Os motores ciclo Diesel são utilizados em caminhões ônibus e máquinas agrícolas entre outros BRUNETTI 2012 Reflita Depois de estudar o conteúdo dessa seção você acredita que podemos utilizar determinado motor em uma aplicação na qual outro tipo de motor é mais indicado Como utilizar um motor Wankel em vez de um motor Otto a 4T em um carro de passeio Pense nisso Sem medo de errar Como engenheiro de uma empresa automobilística você e sua equipe ficaram encarregados de analisar os problemas relatados por clientes insatis feitos com a compra do automóvel recémlançado no mercado brasileiro Entre alguns problemas identificados ao dar início na inspeção do automóvel foi identificada a presença de um ruído como um assovio e o superaque cimento do motor Mas qual a origem desse defeito É possível identificar em que local ocorre o ruído Qual seria uma explicação para o ruído Qual seria a razão do superaquecimento do motor O ruído e o superaquecimento poderiam ser o resultado da falha de algum componente do motor Ao iniciar a inspeção foram analisados todos os componentes do motor e ao dar partida você e sua equipe foram capazes de identificar que o coletor de admissão Figura 19 é o componente que apresenta defeito Figura 19 Coletor de admissão Fonte httpwwwautovirtuacombrimagecachedata coletorcorsa1500x500jpg Acesso em 27 ago 2018 Ao analisar o coletor de admissão foi encontrada uma trinca por onde ocorre o escape de ar e devido ao motor operar em altas velocidades ocorre o aumento da pressão no coletor de admissão aumentando o ruído A trinca no coletor de admissão também afeta a mistura combus tívelar e provoca o superaque cimento do motor devido à falta de refrigeração Dessa forma você e sua equipe foram capazes de concluir que tanto o ruído quanto o superaquecimento do motor foram originados pela trinca no coletor de admissão Para sanar esse problema você propôs a substituição desse componente Seção 11 Nomenclatura e classificação de motores 21 Os problemas em componentes de motores de combustão interna são mais comuns do que imaginamos e ocorrem desde automóveis 0 km a carros usados Cálculos do projeto Descrição da situaçãoproblema Atuando como engenheiro na parte de projetos em uma empresa fabri cante de motores para automóveis você recebeu algumas informações para aprovação sobre a linha de motores a 4T Motor a 4T de quatro cilindros Cilindrada unitária 3 cm 4995 Diâmetro do pistão cm de 102 Curso do pistão cm 86 Taxa de compressão 91 Como engenheiro experiente da área lhe causou estranheza o valor do diâmetro do pistão Qual o procedimento que você adotaria para verificar se a informação sobre o diâmetro do pistão está correta Resolução da situaçãoproblema De acordo com os dados sobre o motor para obter o valor do diâmetro do pistão utilizase a equação para o cálculo da cilindrada unitária 2 4 du D V S p Substituindo os valores na equação temse 2 2 2 4995 4995 86 5808 4 86 4 4 D D D p p p é ù é ù ê ú ê ú Þ Þ Þ ê ú ê ú ë û ë û 2 2 23232 5808 4 Obs consideramos apenas o resultado positivo 7395 86 D D D D cm p p Þ Þ Þ Þ Dessa forma você concluiu que entre as informações do motor o valor de 102 cm estava incorreto solicitando a correção do valor para 86 cm Avançando na prática 22 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna C B A Paim P1 Faça valer a pena 1 O motor de combustão interna é um tipo de pois através da combustão que ocorre no motor obtémse o que é transformado em Por sua vez o é obtido a partir de uma sequência de processos que ocorrem no que participa diretamente da reação de combustão Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas a Máquina térmica calor trabalho trabalho fluido ativo b Máquina térmica trabalho calor calor combustível c Máquina rotativa calor potência trabalho combustível d Máquina rotativa trabalho potência calor fluido ativo e Máquina alternativa fluido energia calor arcombustível 2 Nos motores alternativos a dois tempos 2T de ignição por faísca o ciclo comple tase com dois cursos do pistão que corresponde a uma única volta do eixo do motor Análogo ao motor 4T os processos ocorrem da mesma maneira no entanto alguns deles se sobrepõem num mesmo curso Dada a figura a seguir Figura Movimentos do pistão em motores alternativos Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 32 Assinale a alternativa correta quanto à análise da figura a A figura se refere ao pistão no primeiro tempo em um motor 2T de ignição por faísca b A figura se refere ao pistão no segundo tempo em um motor 2T de ignição por faísca c A figura se refere ao pistão durante o tempo de escape em um motor 4T d A figura se refere ao pistão durante o tempo de admissão em um motor 4T e A figura se refere ao pistão durante o tempo de expansão em um motor 4T Seção 11 Nomenclatura e classificação de motores 23 3 Os motores de combustão interna são o tipo mais comum de motor devido à elevada obtenção de trabalho e alta eficiência São classificados em motores alter nativos rotativos e de impulso Em relação aos MCI analise as afirmações a seguir I Nas turbinas a gás são utilizados os gases oriundos da reação de combustão para o seu acionamento II Os motores ciclo Otto com maior potência específica apresentam aumento da potência e torque consequentemente apresentam o aumento da cilindrada total III A combustão que ocorre em um motor de combustão interna é uma reação química que ocorre entre qualquer material combustível hidrocarboneto e um oxidante oxigênio para formar um produto oxidado Assinale a alternativa correta a Apenas I está correta b Apenas II está correta c Apenas III está correta d Apenas I e III estão corretas e Apenas II e III estão corretas 24 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Ciclos termodinâmicos ideais e reais Diálogo aberto Na compra de um automóvel zero quilômetro ou usado uma pergunta sempre é feita ao vendedor o carro é abastecido com gasolina etanol ou é flex Você mesmo já pode ter feito essa indagação ou ouvido alguém fazêla uma pergunta absolutamente comum cuja resposta também é muito simples e direta Mas hoje como estudante de Engenharia você já refletiu sobre todos os conceitos que envolvem essa questão Pois bem o combustível que alimenta um motor é um dos componentes do fluido ativo a mistura do combustível com o comburente que passa por diversos processos no motor Portanto se chegássemos em um posto de combustível e abastecêssemos nosso carro flex com diesel certamente teríamos um grande problema E se pensarmos em outros meios de transporte como os aviões O funciona mento dessas máquinas segue exatamente o mesmo que observamos nos automóveis Certamente não pois esses são exemplos de máquinas em que temos a utilização de turbinas a gás na propulsão dos aviões devido à elevada densidade de potência isto é quando comparadas às máquinas com motores de combustão interna as turbinas a gás geram maiores potências Assim vamos descobrir que para cada tipo de máquina fazemos uma associação a um determinado ciclo Então vamos recordar você é um engenheiro que trabalha em uma multinacional automobilística e faz parte de uma equipe responsável pela inspeção de uma linha de automóveis que apresenta alguns problemas relatados por consumidores insatisfeitos Entre os problemas relatados está a emissão de fumaça preta que sai pelo escapamento Mas qual a possível causa da emissão desta fumaça Como é possível corrigir esse problema Ao receber o catálogo de informações do motor que trabalha em um ciclo Otto padrão ar verificamos que a eficiência térmica do ciclo é igual a 634 com relação de compressão vr igual a 75 utilizando 15 para a constante k Está correto o valor da eficiência térmica do ciclo Como avaliar a veracidade da informação As soluções para esses questionamentos virão com a compreensão dos conteúdos que vamos estudar como os ciclos reais traçados com um indicador de pressões os diagramas de variação os ciclos padrão a ar ciclo Otto ciclo diesel ciclo misto e ciclo Brayton e o estudo das propriedades de misturas gases de combustão e solução dos ciclos por meio de rotinas computacionais Para que você tenha sucesso e consiga propor soluções para os problemas apresentados você deve ser curioso e muito persistente Assim Seção 12 Seção 12 Ciclos termodinâmicos ideais e reais 25 você compreenderá os ciclos termodinâmicos reais e teóricos e as proprie dades dos ciclos de um motor Preparado Bons estudos e seja perseverante Não pode faltar Em um motor em funcionamento o fluido ativo FA periodicamente passa por diversos processos físicos e químicos dando origem ao que conhecemos como ciclo do motor Entre os ciclos de um motor temos os ciclos reais ciclo padrão a ar ciclo Otto ciclo diesel ciclo misto e ciclo Brayton Os ciclos reais recebem esse nome pois indicam as condições reais isto é as condições efetivas do motor que são fornecidas por indicadores de pressão e que podem ser visualizadas através de um diagrama p pressão V volume A Figura 110 apresenta um esquemático de um indicador mecânico de pressões Figura 110 Esquema de um indicador mecânico de pressões Mola calibrada Embolo de indicador Movimento alternativo ou Rotação contínua Tomada de pressão do motor Trajetória do traçador Tamborsuporte do gráfico Traçador do gráfico Ligação para provocar o movimento do tambor Fonte Brunetti 2012 p 72 O indicador mecânico de pressão é constituído por um pequeno cilindro que é conectado ao cilindro do motor onde é tomada continu amente a pressão No pequeno cilindro devido à mola de calibração o êmbolo do indicador realiza movimentos de translação proporcionais à pressão do cilindro do motor Esses movimentos são transmitidos ao traçador do gráfico que possui uma ponta que traça um gráfico sobre o tambor e este realiza um movimento sincronizado com o pistão ou eixo do motor Por sua vez o traçado do gráfico dependerá do movimento 26 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna do tambor que pode realizar um movimento alternativo vaivém em torno de seu eixo ou uma rotação contínua A Figura 111 apresenta um gráfico traçado a partir do movimento de vaivém que representa o diagrama p V do motor referente a um único cilindro Figura 111 Diagrama p V de indicador mecânico de pressão traçado a partir do mo vimento alternativo 1 113 129 105 72 53 41 32 25 22 17 Pressão lbfpol2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Pcaldeira 165 lbfpol2 114 bar Preceptor 10 lbfpol2 07 bar n 95 rpm diâmetro 22 pol 5588 mm curso 42 pol 10668 mm Vplatão 133 pols 3378 ms Fonte Brunetti 2012 p 73 As limitações do indicador mecânico de pressão são superadas com a utili zação de um indicador eletrônico de pressões um diafragma metálico que utiliza transdutores pezoelétricos No caso da rotação como o tambor gira continuamente a sincronização é realizada com o eixo do motor assim cada pressão terá correspondência com o ângulo percorrido pelo virabrequim em relação à posição de PMS Nesse caso o gráfico traçado é denominado p a A Figura 112 apresenta um diagrama p a de um Motor de Ignição por Faísca MIF de quatro tempos 4T Figura 112 Diagrama p a de um MIF 4T Pressão compressão expansão escape admissão ignição abertura da válvula escape Ângulo de virabrequim graus 0o 90o 180o 270o 360o 450o540o 540o 630o 720o 720o Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 82 Seção 12 Ciclos termodinâmicos ideais e reais 27 Já a Figura 113 apresenta o aspecto qualitativo de um diagrama p V real de um motor ciclo Otto MIF Figura 113 Diagrama p V real de um motor ciclo Otto a 4T p Combustão 3 1 PMS Patm Faísca a b4 2 Escape Admissão Expansão Abertura da válvula de escape PMI V Compreensão Posição genérica do pistão Fonte Brunetti 2012 p 80 Interpretando as regiões do diagrama p V da Figura 113 temos 12 Admissão o pistão é deslocado do PMS ao PMI com a válvula de admissão aberta de maneira que o cilindro esteja em contato com o ambiente A pressão em seu interior se mantém um pouco menor do que a pressão atmosférica e depende da perda de carga no sistema de admissão devido ao escoamento da mistura combustívelar que é succionada pelo movimento do pistão BRUNETTI 2012 p 80 23 Compressão é fechada a válvula de admissão e a mistura aprisio nada no cilindro é comprimida pelo pistão que se desloca do PMI ao PMS Nesse trecho observase a diminuição do volume do fluido ativo e ocorre o aumento da pressão Antes do pistão atingir o PMS ocorre a liberação da faísca no ponto a e se observa um aumento rápido da pressão devido à combustão da mistura BRUNETTI 2012 p 80 34 Expansão após a combustão da mistura o pistão é empur rado pela força da pressão dos gases deslocandose do PMS ao PMI e provocando o aumento do volume do fluido ativo expansão e a consequente redução de pressão É nesse momento que o motor produz trabalho positivo tempo útil 41 Escape no ponto b é aberta a válvula de escapamento e os gases devido à alta pressão escapam rapidamente até atingir uma pressão próxima a pressão atmosférica O pistão é deslocado do PMI para o PMS expelindo os gases queimados contidos no cilindro e a pressão é mantida um 28 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna pouco maior do que a pressão atmosférica Após alcançado o PMS o ciclo é reiniciado pelo tempo de admissão Os indicadores utilizados nas indústrias fazem registros conforme apresentado na Figura 112 no entanto por meios das Equações 17 já apresentada anteriormente e 19 obtémse a conversão para o exemplo dado na Figura 113 possibilitando a análise do funcionamento 2 2 1 cos 1 1 r x r L sen L a a æ ö ç æ ö ç ç ç ç ç ç è ø ç çè ø 17 2 2 4 Vd V x p Dp 19 Onde d V é o volume deslocado do motor 2 V é o volume morto ou volume da câmara de combustão x é a distância para o pistão atingir o PMS D é o diâmetro dos cilindros do motor p é a pressão no cilindro Para um motor ciclo diesel a 4T a Figura 114A apresenta o diagrama p V enquanto a Figura 114B apresenta o diagrama p a correspondente Figura 114 Diagramas de pressão no cilindro P combustão PMS fim da injeção A escape início da injeção compressão admissão expansão b a 3 abertura da válvula de escape PMI Patm c 4 2 V P a b 0o Adm 180o Compr 360o Exp 540o Esc 720o α c B Fonte Brunetti 2012 p 86 A partir da análise do diagrama p V para um motor ciclo diesel 4T da Figura 114A temos 12 Admissão ocorre da mesma maneira que no motor ciclo Otto no entanto o fluido admitido é apenas ar 23 Compressão análoga ao obser vado no motor ciclo Otto sendo que no ciclo diesel a pressão final é mais elevada devido à maior taxa de compressão necessária para ultrapassar a temperatura de autoignição TAI do combustível 34 Combustão e Expansão devido Seção 12 Ciclos termodinâmicos ideais e reais 29 à injeção do combustível de maneira controlada do ponto a ao ponto b e da expansão simultânea pela combustão a pressão deveria aumentar e devido à expansão a pressão deveria diminuir a pressão se mantem aproximadamente constante formando o patamar do diagrama 41 Escape ocorre exata mente da mesma maneira que no motor ciclo Otto Por fim na Figura 115 são apresentados os diagramas p V a e p a b correspondentes de um motor a 2T de ignição por faísca Figura 115 Diagramas p V e p a de um motor a 2T de ignição por faísca P P 6 Faísca 5 Abertura da janela de escape Abertura da janela de admissão 7 4 3 1 2 Patm PMS Fechamento da janela de escape Fechamento da janela de admissão a b 23 4 5 6 7 1 2 180o PMI 180o PMI PMS Fonte Brunetti 2012 p 89 Onde temos 1 É aberta a janela de admissão do cárter para o cilindro A mistura comprimida pela parte inferior do pistão é empurrada para a parte superior 2 o pistão se encontra no PMI 3 é fechada a janela de admissão do cárter para o cilindro 4 é fechada a janela de escape 45 ocorre a compressão e liberação da faísca ao mesmo tempo em que se abre a janela de admissão para o cárter onde se admite um nova mistura 56 combustão da mistura arcombustível 67 ocorre a expansão e o trabalho positivo do motor É fechada a janela de admissão do cárter 7 é aberta a janela de escape e em 1 novamente é aberta a passagem de admissão do cárter para o cilindro BRUNETTI 2012 p 89 Devido à complexibilidade do fluido ativo os estudos dos ciclos reais tornamse difíceis Dessa forma associase a cada ciclo real um ciclo padrão dentro de algumas hipóteses simplificadoras que são 1 O fluido ativo é o ar 2 O ar é um gás perfeito ideal 3 Não ocorre admissão e escape permi tindo a aplicação da primeira lei da termodinâmica 4 Os processos de 30 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna compressão e expansão são isoentrópicos ou seja adiabáticos e reversíveis 5 A combustão é substituída pelo fornecimento de calor ao FA por meio de uma fonte quente 6 É retirado o calor por uma fonte fria em um processo isocórico para voltar às condições iniciais 7 Todos os processos são consi derados reversíveis BRUNETTI 2012 p 96 Adotadas as hipóteses apresentadas a Figura 116 apresenta os diagramas p V a e T S b que representam o ciclo real do motor Otto Figura 116 Diagramas p V e T S do ciclo Otto P T 2 1 S1 Entropia S4 S b Q23 3 4 Patm Q41 Qlip 3 2 Q23 Wliq 4 1 Q41 V1 a Volume PMI V Patm V2 PMS s cte v cte v cte s cte Fonte Brunetti 2012 p 91 Nos diagramas da Figura 116 os eixos das abcissas trazem as proprie dades termodinâmicas extensivas volume e entropia isto é propriedades que dependem do tamanho do motor enquanto os eixos das ordenadas trazem as propriedades termodinâmicas intensivas pressão e temperatura As propriedades extensivas quando divididas pela massa do sistema são denominadas propriedades específicas e se tornam propriedades intensivas BRUNETTI 2012 Alguns exemplos são o volume específico Equação 110 a energia interna específica Equação 111 a entropia específica Equação 112 o calor por unidade de massa Equação 113 e o trabalho por unidade de massa Equação 114 V v m 110 U u m 111 S s m 112 Q q m 113 Seção 12 Ciclos termodinâmicos ideais e reais 31 W w m 114 A partir da análise da Figura 116 temos 1 2 Compressão isoentrópica no diagrama pV é uma curva dada pela expressão p Vk cte onde k é a razão entre os calores especí ficos Cp e Cv do fluido ativo Nesse diagrama a área entre o processo e o eixo dos volumes são proporcionais ao trabalho realizado Assim a área 2 1 1 2 V V da Figura 116a corresponde ao trabalho de compressão Wcompr que é um trabalho negativo Já no diagrama TS Figura 116b a área entre o processo e o eixo dos volumes são proporcionais ao calor trocado e a área abaixo da curva que representa o processo o adiabático 12 é nula pois não ocorrerá a troca de calor 23 Fornecimento de calor 2 3 Q para o processo considerado isocó rico e que simula o calor liberado na combustão No diagrama TS a área 3 2 2 3 S S é proporcional ao calor fornecido ao sistema portanto positiva BRUNETTI 2012 34 Expansão Isoentrópica o trabalho positivo de expansão Wexp é dado pela área 1 2 3 4 V V 4 1 Retirada do calor do sistema 4 1 Q simula o calor rejeitado nos gases com a abertura da válvula de escape provocando uma queda brusca da pressão No diagrama TS a área 4 1 4 1 S S é proporcional ao calor rejei tado BRUNETTI 2012 Outras variáveis podem ser obtidas através dos diagramas pV e TS como o trabalho do ciclo c W Equação 115 e o calor útil u Q Equação 116 que são representados pela área 1234 interna do ciclo exp compr Wc W W 115 2 3 4 1 Qu Q Q 116 Desprezando as variações de energia cinética e potencial para um processo temos Equação 117 final inicial Q W U U 117 Enquanto para um ciclo Equação 118 2 3 4 1 final inicial u c c U U Q W W Q Q 118 32 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna A Equação 118 está de acordo com a segunda lei da termodinâmica De acordo com a segunda lei é impossível aproveitar todo calor fornecido por uma fonte quente então definimos a eficiência térmica th a partir das equações 115 a 118 2 3 4 1 4 1 2 3 2 3 2 3 1 c t W Q Q Q Q Q Q h 119 A eficiência térmica do ciclo pode ser calculada pela Equação 120 1 1 1 t vr k h 120 Onde k é a constante adiabática Temos que para o ar por exemplo k14 Exemplificando Dado um ciclo Otto padrão ar que tem uma relação de compressão de 9 temos que a compressão é iniciada a 32 C e a pressão é de 100 kPa Determine a eficiência térmica do ciclo considerando que k 13 Resolução De acordo com a Equação 120 temos 1 13 1 1 1 1 1 0483 483 9 t t vk ou r h h Þ A máxima eficiência térmica é calculada a partir da eficiência térmica do ciclo de Carnot Nesse ciclo o sistema que está executando o ciclo passa por uma série de quatro processos internamente reversíveis dois processos adiabáticos alternados com dois processos isotérmicos Assim a eficiência térmica do ciclo de Carnot é dada pela Equação 121 1 1 c c tCarnot h h Q T Q T h 121 Em que cT e h T são as temperaturas absolutas respectivamente da fonte fria e da fonte quente A pressão média do ciclo pmc é a pressão aplicada constantemente na cabeça do pistão ao longo de um curso e é dada pela expressão 122 em que c W é o trabalho do ciclo e du V é a cilindrada unitária c mc du W p V 122 Seção 12 Ciclos termodinâmicos ideais e reais 33 Já potência de um ciclo c N é o trabalho do ciclo por unidade de tempo Em motores a frequência relacionase com a rotação do eixo n Nos motores 2T e 4T é utilizada uma única expressão para o cálculo da potência Equação 123 c c n N W x 123 Na qual x 1 para motores 2T e x 2 para motores 4T Assimile A partir da Equação 122 é possível obter o valor da potência substi tuindo na equação 123 o valor de c W mc d c p V n N x 124 A pressão é uma propriedade intensiva então dessa forma é indife rente realizar o cálculo da potência do ciclo utilizando o trabalho de um ciclo com a cilindrada unitária Vdu ou utilizando o trabalho de todo motor com a cilindrada do motor d V A Equação 124 mostra que para motores semelhantes a potência é uma função da cilindrada isto é do tamanho cilindrada total e da rotação No ciclo Diesel a única diferença em relação ao ciclo Otto se refere ao processo de fornecimento de calor ao fluido ativo que é admitido isobárico ao invés de ser considerado isocórico Dessa forma as Equações 125 apresenta a eficiência do ciclopadrão ar com adição de calor e pressão constantes 3 1 2 2 3 1 2 1 1 1 1 k k t T T v T k v T h é ù æ ö ê ú ç çê ú ç æ ö çè ø ê ú ç ç ê ú ç ç ê ú è ø ê ú ê ú ê ú ë û 125 Nos estudos dos ciclos existem diversas relações matemáticas que nos auxiliam em diversos cálculos como os calores específicos a volume e a pressão constante cálculo da variação da energia interna específica do sistema as relações para gás perfeito e trabalho do ciclo Para conhecer essas e outras relações matemáticas acesse o livro Princípios da termodi Saiba mais 34 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna nâmica para engenharia capítulo 2 páginas 3144 Há diversas relações matemáticas revendo os conceitos mecânicos de energia No entanto nos capítulos 3 a 6 temos outras relações vale a pena revêlas MORAN M J et al Princípios de Termodinâmica para Engenharia 8 ed Rio de Janeiro LTC 2018 Em uma mesma taxa de compressão a eficiência térmica de um ciclo Otto é sempre maior do que a do ciclo diesel isto é a combustão que ocorre a um volume constante é mais eficiente do que quando ocorre a pressão constante BRUNETTI 2012 A Figura 117 apresenta os diagramas pV e TS do ciclo diesel Figura 117 Diagramas pV e TS do ciclo diesel P Patm Q23 2 3 Wliq V2 Volume V1 v Q41 4 1 Q23 2 1 S Entropia S Q41 Qliq 3 4 s co n st s co n st v co n st Fonte Brunetti 2012 p 108 Na prática os motores de ignição por faísca e os motores de ignição espontânea não funcionam respectivamente com combustão isocórica e combustão isobárica já que em ambos os casos se observa uma subida rápida da pressão no início da combustão e um pequeno patamar Assim o ciclo misto ou sabathé considera essas características tendo a expressão da eficiência térmica igual a 3 4 2 2 1 3 3 4 2 2 2 1 1 1 1 1 k t k v p v p v r p p v k p p v h æ ö ç ç ç çè ø æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø 126 A Figura 118 apresenta os diagramas pV e TS do ciclo misto Seção 12 Ciclos termodinâmicos ideais e reais 35 Figura 118 Diagramas pV e TS do ciclo misto P Q1 patm 6 Q1 3 4 2 L 5 1 7 Q2 v T Q1 Q1 Q1 Q1 Q1 3 Q 2 1 6 Q2 7 S patm 5 4 Fonte Brunetti 2012 p 111 O ciclo Brayton representa o ciclo simples da turbina a gás utilizando o compressor a câmara de combustão e a turbina Na construção do ciclo padrão a ar considerase a compressão e a expansão isoentrópicas a combustão isobárica e no fechamento do ciclo admitese a existência de mais um processo considerado isobárico como mostra a Figura 119 Figura 119 Diagramas pV e TS do ciclo Brayton P 2 3 1 4 s constante v T 2 Q1 3 Pc Pc 4 Q2 1 s Fonte Brunetti 2012 p 116 A eficiência térmica do ciclo Brayton é dada por 1 2 1 1 1 1 1 k k t k k p p p r h æ ö ç ç ç çè ø 127 Em que pr é a relação de pressões ou taxa de pressões A partir do estudo dos ciclos é possível determinar as propriedades de misturas e gases de combustão por rotinas computacionais por exemplo a mistura que apresenta excesso de combustível produz uma fumaça preta 36 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna uma vez que o excesso é queimado no escapamento que se encontra aquecido Assim nesse tipo de estudo deve ser considerada a composição do fluido ativo que pode ser constituído de ar combustível gases residuais e umidade Dessa forma algumas rotinas computacionais foram desenvolvidas possibi litando a obtenção das propriedades termodinâmicas dos gases que fazem parte do FA BRUNETTI 2012 Apesar das melhorias dos estudos por rotinas computacionais os diagramas teóricos ainda apresentam valores pouco distantes dos valores reais Dessa maneira é pertinente apresentar uma comparação entre o ciclo Otto padrão a ar e o ciclo do motor de ignição por faísca A Figura 120 apresenta uma superposição de um ciclo Otto com o real corresponde ou seja mesma Vr mesmo 1 V e mesma quantidade de calor adicionada ao ciclo Figura 120 Superposição de um ciclo Otto padrão de ar com o real Fonte Brunetti 2012 p 137 p C C patm PMS Escape Admissão Faísca B B A Ciclo indicado Ciclo teórico Abertura da válvula de escape D V PMI Em A admissão e escape esses processos não comparecem no ciclo teórico e a área entre os dois é constituída por um trabalho negativo que é utilizado para a troca do fluido no cilindro Em caso de dutos de admissão e escapamento bem dimensionados o motor em plena aceleração deverá apresentar essa área praticamente desprezível BRUNETTI 2012 Em B perdas de calor no ciclo teórico os processos de compressão e expansão são tomados como isoentrópicos enquanto no ciclo real essas perdas de calor são sensíveis Cabe ressaltar que na compressão não existe uma diferença significativa entre os ciclos teórico e real Porém na expansão se o gradiente de temperatura entre o cilindro e o meio for muito grande os dois processos se afastarão sensivelmente Em C perda por tempo finito de combustão no ciclo teórico considerase a combustão instantânea enquanto no ciclo real a combustão ocorre em um determinado tempo em relação à veloci dade do pistão Em D perdas pelo tempo finito de abertura da válvula de Seção 12 Ciclos termodinâmicos ideais e reais 37 Reflita A comparação dos ciclos reais e teóricos apresentada na Figura 120 destinase ao ciclo Otto padrão a ar e ao ciclo do motor de ignição por faísca Esses conceitos introduzidos poderiam ser adaptados à compa ração de qualquer um dos ciclos reais com os seus respectivos ciclos teóricos correspondentes Sem medo de errar Como engenheiro de uma multinacional automobilística você e sua equipe foram acionados para identificar as causas de problemas relatados por consumidores insatisfeitos com a aquisição do automóvel recémlançado no mercado brasileiro Nesse momento vocês estão trabalhando para identificar a razão da emissão de fumaça preta que sai pelo escapamento Mas qual a possível causa da emissão da fumaça preta Como é possível corrigir esse problema Adicionalmente ao verificar as informações técnicas do motor ciclo Otto padrão ar eficiência térmica do ciclo de 634 com relação de compressão vr igual a 75 utilizando 15 para a constante k é possível avaliar a veracidade da informação Como proceder A partir do estudo dos ciclos por rotinas computacionais por exemplo a simulação para a mistura combustívelar é possível avaliar as propriedades de misturas e gases de combustão Podese concluir a partir da simulação por uma rotina computacional que a mistura possui excesso de combustível e não ocorre o consumo completo na câmara de combustão Dessa forma o excesso de combustível é queimado no escapamento que se encontra aquecido resultando na formaçãoemissão de uma fumaça preta Para solucionar o problema a composição do fluido ativo é estudada e corrigida para não haver o excesso de combustível Em relação aos dados técnicos do motor a eficiência térmica do ciclo pode ser calculada pela equação 1 1 1 t vr k h onde temos vr 75 e k 15 escapamento no ciclo teórico o escape é substituído pela expansão isocó rica onde é cedido calor para o reservatório frio enquanto no ciclo real na válvula de escapamento o tempo necessário para a saída dos gases sob pressão é finito fazendose necessário abrir a válvula com antecedência Estimase que o trabalho do ciclo real seja da ordem de 80 do trabalho realizado no ciclo padrão a ar correspondente BRUNETTI 2012 38 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Substituindo na equação temos 1 15 1 1 1 1 1 0635 635 75 t t vk ou r h h Þ Dessa forma concluise que o valor da eficiência térmica do ciclo na ficha de dados técnicos do motor está correto Análise de um motor Otto padrão a ar Descrição da situaçãoproblema Atuando como engenheiro em uma indústria automobilística você é responsável por verificar os motores que são fabricados por uma empresa parceira Na ficha técnica de um motor constam as seguintes informa ções motor Otto a 4T 3 1540 Vd cm a 3200 rpm 47 kJ c W vr 8 compres 30 iT C compr 110 kPa iP e k 13 Seu gestor solicitou que você analise as informações e calcule os valores da eficiência térmica e da potência do ciclo Com base nessas informações como é possível chegar nos resul tados solicitados Resolução da situaçãoproblema Para o cálculo da eficiência térmica do ciclo sabemos que 1 1 1 t vr k h Dessa forma substituindo na equação os valores fornecidos temos 1 13 1 1 1 1 1 0464 464 8 t t k v ou r h h Þ Portanto a eficiência térmica do ciclo é igual a 464 Para o cálculo da potência do ciclo temos c c n N W x Dessa forma substituindo na equação os valores fornecidos temos 47 3200 1253 kW 2 60 c c n N W x Avançando na prática Seção 12 Ciclos termodinâmicos ideais e reais 39 Sabendo que cavalo vapor é igual CV 073551 kW temos 1253 170 CV 073551 c N Portanto a potência do ciclo é igual a 170 CV Faça valer a pena 1 Em um motor em funcionamento o fluido ativo FA periodicamente passa por diversos processos físicos e químicos dando origem ao que conhecemos como ciclo do motor Entre os ciclos de um motor temos os ciclos reais ciclo padrão a ar ciclo Otto ciclo diesel ciclo misto e ciclo Brayton Os ciclos reais recebem esse nome pois indicam as condições reais isto é as condições efetivas do motor que são fornecidas por indicadores de pressão Sobre o funcionamento dos indicadores mecânicos de pressão assinale a alternativa correta a No indicador mecânico de pressão o cilindro menor com um pequeno êmbolo assume movimentos de rotação proporcionais à pressão existente no pistão do motor b O indicador mecânico de pressão é constituído por um pequeno cilindro que é conectado ao cilindro do motor onde é tomada continuamente a pressão c O tipo de gráfico traçado pelo indicador mecânico de pressão independe do movimento do tambor que realiza um movimento de vaivém em torno de seu eixo d Quando o tambor realiza o movimento de rotação contínua a sincronização é realizada com o eixo do motor de maneira que cada velocidade terá uma pressão correspondente e Para o tambor ao realizar o movimento de rotação contínua a amplitude de seu movimento será proporcional ao curso do pistão sincronizada com a posição do riscador 2 No motor a 2T de ignição por faísca é difícil associar os processos e eventos aos cursos do pistão uma vez que alguns deles ocorrem concomitantemente Dada a figura a seguir 40 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna P 6 5 PMS 4 7 1 3 PMI 2 Patm V Figura Diagrama pV de um motor de ignição por faísca a 2T Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 89 Assinale a alternativa que corresponde a etapa 4 a Abertura da janela de admissão b Fechamento da janela de admissão c Abertura da janela de escape d Fechamento da janela de escape e Liberação da faísca 3 Apesar das melhorias dos estudos por rotinas computacionais os diagramas teóricos ainda apresentam valores pouco distantes dos valores reais Dessa maneira é pertinente realizar comparações A figura a seguir apresenta a comparação entre o ciclo Otto padrão a ar e o ciclo do motor de ignição por faísca Seção 12 Ciclos termodinâmicos ideais e reais 41 p C C patm PMS Escape Admissão Faísca B B A Ciclo indicado Ciclo teórico Abertura da válvula de escape D V PMI Figura Superposição de um ciclo Otto padrão de ar com o real Fonte Brunetti 2012 p 137 Analise as afirmações a seguir sobre a superposição de um ciclo Otto padrão de ar com o real I O motor em plena aceleração deverá apresentar a área admissão e escape prati camente desprezível II Em B perdas de calor no ciclo teórico os processos de compressão e expansão são tomados como isoentrópicos III Em C perda por tempo finito de combustão no ciclo teórico considerase a combustão instantânea IV Em D perdas pelo tempo finito de abertura da válvula de escapamento no ciclo teórico o escape é substituído pela expansão isocórica onde é cedido calor para o reservatório frio A partir das afirmações assinale a alternativa correta a Somente I está correta b Somente III e IV estão corretas c I II III e IV estão corretas d I II e IV estão corretas e II III e IV estão corretas 42 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Propriedades e curvas características de motores Diálogo aberto Em nosso país muitos são os amantes por carros de alta performance como os modelos da Ferrari e as Lamborghinis No entanto apesar de muitos admirarem essas verdadeiras máquinas o valor desses automóveis cabe no bolso de uma pequena parcela da população brasileira Dependendo da região em que morarmos é muito raro visualizarmos no trânsito uma Ferrari por exemplo já em grandes centros e metrópoles a probabilidade de ouvirmos o ronco do motor de um desses automóveis de luxo é mais comum Esses carros chamam a atenção não somente pela beleza e acessórios mas princi palmente pela performance Para se ter uma ideia um automóvel popular com motor 10 acelera de 0 a 100 kmh em 152 segundos e atinge uma velocidade máxima de pouco mais de 150 kmh enquanto uma Lamborghini Aventador por exemplo acelera de 0 a 100 km em 29 segundos atingindo uma velocidade máxima de 350 kmh Mas entre os carros populares e os de alta performance você consegue imaginar pontos em comum Pois bem tanto no projeto de um motor 10 quanto em um motor de alta performance é necessário que o engenheiro domine alguns dos conteúdos que vamos estudar ao longo dessa seção Portanto é hora de recordar como engenheiro de uma indústria automo bilística você e sua equipe foram acionados para identificar as causas de alguns problemas relatados por clientes insatisfeitos que adquiriam o último modelo de um automóvel lançado no mercado Após identificar trincas em um componente do motor e problemas na mistura arcombustível o último problema relatado pelos consumidores foi a perda de potência do motor Após ter submetido o motor de 4T ciclo Otto ao ensaio com dinamômetro de 08 m de braço a 5000 rpm você obteve os seguintes dados potência indicada 203 Ni CV indicação de uma força de 54 kgf e consumo especí fico 0240 kg CV h e C ou 0326 kg kW h Por meio dos dados do ensaio é possível obter o valor da potência efetiva e a eficiência mecânica do motor Como você deverá conduzir esses cálculos Quais variáveis devem ser consi deradas Como essas variáveis de um motor podem ser apresentadas Para responder a essas questões vamos abordar o funcionamento dos dinamômetros hidráulicos e elétricos assim como estudar as propriedades do motor potência consumo específico e relações envolvendo pressão média Além disso vamos aprender a determinar a potência de atrito e as Seção 13 Seção 13 Propriedades e curvas características de motores 43 curvas características dos motores Ao final do estudo desta seção você terá compreendido a importância de avaliar as propriedades dos motores pelo levantamento de suas características Portanto seja dedicado persistente e curioso Bons estudos Não pode faltar Os estudos de motores de combustão interna são importantes para conhe cermos as suas características de desempenho ou tornálos mais eficientes Para obtermos tais informações utilizamos um conjunto de propriedades que nos fornece dados sobre suas condições que possibilitam caracteri zálo individualmente O desempenho de um motor pode ser avaliado por duas grandezas a partir do torque T e pela potência N O freio de Prony Figura 121 é um dispositivo utilizado para a compreensão do funciona mento de todos os dinamômetros pelos quais é possível obter os valores de torque e potência do motor Figura 121 Freio de Prony Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 155 Ao apertar a cinta do freio sobre o rotor é aplicada uma força de atrito atr F sobre o dispositivo obtendose uma situação de equilíbrio dinâmico com w constante Nessa situação o torque produzido pelo motor será equilibrado pelo torque resistente produzido por r Fatr Assim temos que o torque T em MCI nada mais é que o momento torçor médio positivo O momento varia porque a força de pressão F resultante no pistão depende da posição angular na manivela Como F é função da pressão gerada pela combustão que é função da rotação e da massa de mistura combustívelar disponibilizada podemos dizer que o torque 44 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna varia com a rotação e com a carga é dado pela Equação 128 at T F r 128 A partir do princípio da ação e reação terceira lei de Newton temse que a força de atrito se transmite em sentido contrário ao movimento do rotor logo Fatr r F b 129 Onde r é o raio do volante F é a força de ação do braço b do freio sobre o medidor de força dinamômetro Dessa forma conhecido o comprimento de b e força obtida no medidor é possível obter o torque no eixo do motor Equação 130 quando a velocidade angular é mantida constante T F b 130 Já para o cálculo da potência disponível também denominada potência efetiva e N que é definida como a potência medida no eixo do motor podemos utilizar a Equação 131 2 2 Ne T n T n F b w p p 131 Onde n é o número de rotações Na prática a utilização do freio de Prony é limitada devido à difícil dissipação de calor sendo os freios dinamométrico hidráulicos e elétricos os mais utilizados O princípio de funcionamento desses dinamômetros é muito parecido com o freio de Prony diferindo apenas no tipo de frenagem Nos dinamômetros hidráulicos é utilizado o atrito cisalhante da água contra a carcaça enquanto que nos dinamô metros elétricos utilizamse os esforços gerados por campos elétricos ou magné ticos BRUNETTI 2012 A Figura 122 apresenta exemplos de esquemáticos de dinamômetros hidráulico a e elétrico b Figura 122 Esquemáticos dinamômetros a hidráulico e b elétrico Seção 13 Propriedades e curvas características de motores 45 Legenda a 1 Entrada de água 2 Duto de alimentação 3 Mancal de balanço 4 Mancal do rotor 5 Suporte de montagem 6 Saída de água 7 Estator 8 Rotor 9 Eixo principal 10 Engrenagem de ajuste da abertura da válvula de água 11 Base 12 Descarga de água b 1 Rotor 2 Eixo principal 3 Flange de acoplamento 4 Saída de água 5 Bobina 6 Estator 7 Câmara de resfriamento 8 Folga entre rotor e estator 9 Sensor de rotação 10 Molas 11 Base 12 Entrada de água 13 Articulação e 14 Tubo de descarga Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 159 e 161a Quer saber mais sobre os dinamômetros hidráulicos e elétricos Acesse o material a seguir intitulado Dinamômetros Hidráulicos Nas páginas 1 a 5 temos uma introdução sobre esses equipamentos No entanto no restante do material é possível conhecer mais aspectos envolvidos na construção e funcionamentos dos dinamômetros PERFECTUM SERVIÇOS DE ENGENHARIA Dinamômetros Hidráulicos Rio de Janeiro sd A partir de informações dos dinamômetros é possível obter a potência efetiva Equação 132 como Ne K F n 132 Onde K é uma constante do dinamômetro cujo o valor é uma função das unidades de F de n e da unidade que se pretende obter e N A potência indicada i N que é a potência desenvolvida pelo ciclo termodinâmico do fluido ativo FA pode ser obtida pela equação 133 i i n N W x z 133 Onde n rotação do motor x 1 e 2 respectivamente para motores 2T e 4T e z número de cilindros do motor A potência indicada também pode ser obtida por meio da relação com a potência de atrito a N onde e i a N N N 134 Saiba mais 46 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Assimile É importante ficar atento às unidades e equivalências Utilizando n em rps e T em Nm vamos obter a potência em W Watt que dividido por 1000 será kW quilowatt Assim lembrese que 1 073551 CV kW 1 HP horse power 1014 CV logo temos que 1 HP 007458 CV O motor de combustão interna é uma máquina térmica dessa forma a potência é proveniente do calor produzido na combustão da mistura arcom bustível Assim c Q m PCi 135 Em que Q é calor fornecido por unidade de tempo fluxo de calor pela combustão disponível que é dado geralmente em kcals kcalh CV MJs kW etc c m é o consumo fluxo ou vazão em massa PCi é o poder calorífico inferior do combustível A Tabela 12 apresenta o poder calorífico de alguns combustíveis inferior Tabela 12 Poder colorífico inferior Propriedades Combustível Diesel Etanol hidratado Metanol Gasolina E22 Massa específica kgL 084 081 080 074 PCI kcalkg 10200 5970 4760 9400 kcalL 8568 4836 3808 6956 TAI C 250 420 478 400 Fonte Brunetti 2012 p 178 Como exige a segunda lei da termodinâmica nem todo calor é transfor mado em trabalho assim definese a eficiência térmica th como i t N Q h 136 A eficiência global ou eficiência térmica efetiva gh é dada pela expressão e g N Q h 137 Já a eficiência mecânica pode ser calculada pela Equação 138 e m i N h N 138 A partir da Equação 136 até a 139 podemos concluir que a eficiência global é igual a g t m h h h 139 Seção 13 Propriedades e curvas características de motores 47 Assim a partir das equações anteriores observase a proporcionalidade entre a potência efetiva do motor e o consumo de ar dada pela equação 140 c e t m N m PCi h h 140 Outra relação importante é o consumo específico e C que é a relação entre o consumo de combustível e a potência efetiva dada pela equação 141 c e e m C N 141 A potência efetiva é aferida no dinamômetro enquanto o consumo de combustível pode ser medido por gravimetria ou volumetria No ciclo termodinâmico do fluido ativo FA de um MCI o trabalho pode ser obtido Wi ò pdV 142 Onde o i W é o trabalho indicado e corresponde à área do ciclo desenhada pelo diagrama pV Assim a pressão média do ciclo ou pressão média indicada é definida como sendo uma pressão que aplicada constantemente na cabeça do pistão ao longo do curso de expansão produzirá o mesmo trabalho do ciclo BRUNETTI 2012 Dessa forma algebricamente temos i mi mi mi W pdV p A s p V W p V ò 143 Pesquise mais Para aprofundar nos estudos de potência e pressões médias de um motor de combustão interna acesse o material disponível em LODETTI J C Potência e pressões médias de um motor de combustão Univer sidade Tecnológica Federal do Paraná Departamento Acadêmico de Mecânica Curitiba sd Os slides 1 a 13 apresentam os conceitos de potência e pressões médias de um motor de combustão As partes móveis de um motor experimentam impacto por atrito de acordo com as características de cada motor Dessa forma é muito impor tante compreendermos alguns métodos de determinar a potência de atrito a N Uma das maneiras é acionando o motor de combustão interna desli gado por meio de dinamômetro que atua como um motor elétrico No 48 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Exemplificando Admitindose atritos iguais em todos cilindros de um motor com quatro cilindros temos 1 234 2 134 3 124 4 123 cilindro 1 desligado cilindro 2 desligado cilindro 3 desligado cilindro 4 desligado e i a e i a e i a e i a N N N N N N N N N N N N Somando as expressões temos 4 1 4 1 4 1 3 4 3 4 3 j j j e i a j e e a a j a e e j N N N N N N N N N N S S S Assim para um motor z cilindros temos 1 1 j z a e e j N z N N S 144 Outro teste utilizado a Reta de Willan é aconselhado somente para motores a diesel BRUNETTI 2012 e se baseia na expressão c i t t N Q m PCi h h 145 Nos motores a diesel temos praticamente a combustão completa portanto considerase th constante Nessas condições temos c Ni K m portanto c e a N K m N Assim no gráfico c Ne f m Figura 123 a reta que intersecciona o eixo e N em a N e que permite a determinação da potência de atrito é dada pela expressão c e a N K m N O ponto a da Figura 123 representa a menor quantidade possível de combustível para manter o motor em movimento na rotação dada A partir da 1 t tg PCi a h e de acordo com o combustível a inclinação da reta é tanto maior quanto menor for menor a eficiência térmica assim como a inclinação da reta também aumenta com a diminuição do PCi Já para uma reta traçada a entanto os valores obtidos de a N são comprometidos pela ausência de combustão Outro método utilizado é o Teste de Morse quando se utiliza um freio convencional e é aferida a potência efetiva do motor posteriormente desligase um cilindro e a potência indicada diminui proporcionalmente a potência que era desenvolvida por esse cilindro desligado Dessa forma têmse z medidas na mesma rotação devido à utilização do dinamômetro Seção 13 Propriedades e curvas características de motores 49 partir da origem temse 1 g tg PCi b h Logo para um determinado combus tível a tgb é inversamente proporcional à eficiência global do motor Assim o ponto b corresponde ao valor máximo da eficiência global do motor Figura 123 Reta de Willan para a determinação de potência de atrito para um motor diesel mc a NB αmin α n cte βmin β b Ne Fonte Brunetti 2012 p 195 Dadas as considerações sobre a eficiência térmica e global para um motor Diesel podese concluir que a variação qualitativa das eficiências é represen tada de acordo com o gráfico da Figura 124 Figura 124 Variação qualitativa das eficiências térmica e global para um motor diesel h ht f carga hg f carga Carga Fonte Brunetti 2012 p 195 A partir de alguns ensaios realizados é possível construir curvas caracte rísticas que trazem como as propriedades dos motores variam em função das condições de funcionamento Entre essas curvas as mais usuais são as curvas a plena carga de e N T e e C em função da rotação como mostra a Figura 125 50 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Figura 125 Curvas características de um motor 2500 2000 1000 1500 210 200 190 3 2 900 1000 1100 1200 1300 1400 nrpm 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 80 100 120 200 250 300 350 125 250 temperatura de admissão 40oC Pmebar TNm Nekw Cegkwh blow bylmin MAPbar abs Fonte Brunetti 2012 p 196 A partir da análise do gráfico é possível verificar que o torque aumenta à medida que aumenta a eficiência de enchimento do cilindro vh o aprovei tamento do calor fornecido ao ciclo th e aproveitamento desses efeitos no eixo m h Assim na rotação que se obtém o máximo produto v t m h h h temse o valor máximo de torque e a máxima pme A partir do valor máximo de torque o trabalho indicado diminui sendo compensado pelo aumento da rotação o que mantém o crescimento da potência No entanto a partir de uma determinada rotação a potência cai uma vez que o aumento da rotação não é mais suficiente para compensar a diminuição de trabalho indicado Já consumo específico será mínimo na condição em que t m g h h h for máximo BRUNETTI 2012 Sabendo que 2 Ne p n T temos que Ne T µ n 146 Seção 13 Propriedades e curvas características de motores 51 Ne T na nc nb n c a Tmax T fn b Ne in Dada a Figura 126 traçandose uma reta a partir da origem com ângulo entre o eixo das abcissas igual a b temos Ne tg n tg T b b µ 147 A Figura 126 apresenta o gráfico com as retas polares para a determi nação do torque sobre a curva de potência Figura 126 Retas para determinação do torque sobre a curva de potência Fonte Brunetti 2012 p 197 Os pontos a e c estão na reta de ângulo b assim apresentarão o mesmo torque A tangente traçada a partir da origem resultará no bmax que determinará o ponto de torque máximo Na faixa de rotação e torque máximo o motor é estável e se autorregula para pequenas varia ções do torque resistente BRUNETTI 2012 Essa autorregulagem do motor é caracterizada pelo Índice de Elasticidade IE dado pela Equação 148 m m e áx máx áx N máx e T n T IE TN n 148 Na qual TNemáx é o torque no ponto de potência máxima em nN áx é a rotação de potência máxima nTmáx é a rotação de torque máximo e Tmáx é o torque máximo Em termos de praticidade é comum agrupar em um único gráfico todos os ensaios de variação do consumo específico rotação e carga Esse agrupamento é conhecido como mapeamento do motor como apresenta a Figura 127 52 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna Figura 127 Mapeamento de um motor diesel de seis cilindros 4T 3 12761 e V cm C Ce gkWh n rpm 2500 1100 198 193 192 192 193 195 200 210 220 230 240 270 320 195 200 210 220 230 240 270 320 210 209 210 220 230 240 270 320 2348 220 320 210 270 200 240 195 230 190 2000 1500 1000 500 0 900 1300 1700 1000 1400 1800 1100 1500 1900 1200 1600 2000 2100 Torque Nm Fonte Brunetti 2012 p 199 Reflita A potência desenvolvida pelo motor é função da pressão da tempe ratura e da umidade do ambiente Pensando nessas características o mesmo motor ensaiado em locais ou dias diferentes produzirá os mesmos resultados Sem medo de errar Atuando como engenheiro em uma indústria automobilística consu midores insatisfeitos reclamaram da perda de potência do motor do último modelo de automóvel lançado no mercado Após submeter o motor 4T ciclo Otto ao ensaio com dinamômetro de 08 m de braço a 5000 rpm você obteve os seguintes dados 203 Ni CV indicação de uma força de 54 kgf e 0240 kg CV h e C ou 0326 kg kW h Através desses dados é possível obter o valor da potência efetiva e a eficiência mecânica do motor Como você deverá conduzir esses cálculos Quais variáveis devem ser consideradas Como essas variáveis de um motor podem ser apresentadas Com os dados em mãos para o cálculo da potência efetiva foi desenvol vido o seguinte raciocínio sabendo que a potência efetiva é calculada pela expressão 2 Ne T p n onde o T é obtido por T F b temos que 54 kgf que corresponde a 530 N Assim Seção 13 Propriedades e curvas características de motores 53 530 08 424 T F b T N m Dada a rotação em rpm dividindo o valor por 60 temos o valor em rps 5000 833 60 r rps Dessa forma temos 2 424 2 833 2219171 222 e e e N T n N N W kW p p Assim a potência efetiva do motor é de 222 kW ou 163 CV já que 1 073551 CV kW A partir do valor da potência indicada i N em CV e do valor calculado da potência com a mesma unidade determinase a eficiência mecânica do motor 163 08 ou 80 203 e m i N h N As variáveis de um motor Otto de quatro cilindros 4T análogo podem ser representadas por um mapeamento como mostra o gráfico da Figura 128 Figura 128 Mapeamento de um motor Otto de quatro cilindros 4T 3 1900 V cm Pme kpa 1200 800 400 1100 700 300 1000 600 200 900 500 100 0 1200 2800 4400 6000 1600 3200 4800 6400 250 275 300 240 250 275 300 700 600 500 450 400 350 n rpm 2000 3600 5200 2400 4000 5600 Ce gkwh Fonte Brunetti 2012 p 198 Com esses cálculos em mãos você foi capaz de entregar todos os cálculos pertinentes e apresentar a curva caraterística do motor Assim a partir dos 54 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna resultados obtidos você também foi capaz de emitir um relatório desta cando os problemas e soluções encontradas comparando os ciclos reais e teóricos e determinando a potência e as curvas características de motores Bom trabalho Informações de um dinamômetro Descrição da situaçãoproblema Atuando como engenheiro em uma empresa fabricante de motores o motor V6 V6 é uma configuração para MCI que possui seis cilindros dispostos em duas bancadas de três cilindros 30 litros ciclo de 4T a 3600 rpm foi submetido ao ensaio com dinamômetro hidráulico no qual se obteve as seguintes informações torque de saída do freio de 210 Nm a 3600 rpm pressão de entrada do ar no cilindro igual a 85 kPa e 60 C com eficiência mecânica do motor de 85 Para determinar outras propriedades do motor você foi acionado para analisar os dados fornecidos no ensaio e adicionar outras informações importantes para ficha técnica como as potências efetiva e indicada Resolução da situaçãoproblema Com base nos dados fornecidos temos que 2 3600 210 2 60 791681 79 e e e N T n N N W kW p p Notase que para obter o valor de potência efetiva na unidade correta o valor de rpm foi dividido por 60 para converter o valor em rps Assim com o valor calculado da potência efetiva sabendo que a efici ência do motor é igual a 85 calculase a potência indicada 79 085 93 e m i e i m i N N N N N kW h h Dessa forma concluise que os valores das potências efetiva e indicada são respectivamente iguais a 79 kW e 93 kW Finalizando a tarefa com êxito você adicionou essas informações na ficha técnica do motor Avançando na prática Seção 13 Propriedades e curvas características de motores 55 Faça valer a pena 1 Os estudos de motores de combustão interna são importantes para conhecermos as suas características de desempenho ou tornálos mais eficientes Para obtermos tais informações utilizamos um conjunto de propriedades que nos fornece dados sobre suas condições o que possibilita caracterizálo individualmente Em relação ao freio de Prony analise as seguintes afirmações I É um dispositivo utilizado para a compreensão do funcionamento de todos os dinamô metros nos quais é possível obter os valores de torque e potência do motor II Nesse dispositivo ao apertar a cinta do freio sobre o rotor é aplicada uma força de atrito sobre aquele obtendose uma situação de equilíbrio dinâmico com velocidade angular constante III Na prática é ampla a utilização do freio de Prony devido à fácil dissipação de calor assim como os freios dinamométrico hidráulicos e elétricos os mais utilizados Assinale a alternativa correta de acordo com as afirmações a I II e III estão corretas b I e II estão corretas c I e III estão corretas d II e III estão corretas e Apenas I está correta 2 As partes móveis de um motor experimentam impacto por atrito de acordo com as características de cada motor dessa forma é muito importante compreendermos alguns métodos de determinação da potência de atrito Em relação aos métodos utilizados para determinar a potência de atrito assinale a alternativa correta a Uma das maneiras é acionando o motor de combustão interna ligado por meio de um dinamômetro que atua como motor elétrico b Outro método utilizado é o Teste de Morse em que se utiliza um freio conven cional e é aferida a potência indicada do motor c A Reta de Willan é outro método utilizado para o levantamento do valor da potência de atrito sendo sua aplicação aconselhada somente para motores a diesel d No Teste de Morse a potência indicada diminui proporcionalmente à medida que a potência desenvolvida por cada cilindro do motor aumenta e No método da Reta de Willan a reta que intersecciona o eixo da potência de atrito permite a determinação da potência efetiva 56 U1 Introdução ao estudo dos motores de combustão interna 2500 2000 1000 1500 210 200 190 3 2 900 1000 1100 1200 1300 1400 nrpm 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 80 100 120 200 250 300 350 125 250 temperatura de admissão 40oC Pmebar TNm Nekw Cegkwh blow bylmin MAPbar abs 3 A partir de alguns ensaios realizados é possível construir curvas características que trazem como as propriedades dos motores variam em função das condições de funcionamento como mostra o gráfico da figura a seguir Figura Curvas características de um motor Fonte Brunetti 2012 p 197 A partir do gráfico apresentado assinale a alternativa correta com relação à interpre tação das propriedades a O torque diminui conforme diminui o produto entre v t m h h h b Na rotação que atinge o valor máximo de v t m h h h obtêmse a menor pme c O trabalho indicado mantémse constante entre 1000 a 2000 rpm d O consumo específico será máximo na condição em que t m g h h h for máximo e Em uma dada rotação a potência diminui à medida que o trabalho indicado diminui BRUNETTI F Motores de combustão interna v 1 2 ed São Paulo Blucher 2012 DEFEITO misterioso atinge motor 10 de carros da Volks O Estado de S Paulo São Paulo 23 out 2018 Disponível em httpseconomiaestadaocombrnoticiasgeraldefeitomisteriosoag tingemotor10decarrosdavolks455574 Acesso em 29 nov 2018 IBPT Real frota circulante no Brasil é de 658 milhões de veículos indica estudo Instituto Brasileiro de Planejamento e Tributação IBPT Disponível em httpsibptcom brnoticia2640REALFROTACIRCULANTENOBRASILEDE658MILHOESDE VEICULOSINDICAESTUDO Acesso em 10 set 2018 MODELOS da Volkswagen apresentam problema no motor G1 sl 26 out 2009 Disponível em httpg1globocomNoticiasCarros0MUL1354998965800MODELOSDAVOLKS WAGENAPRESENTAMPROBLEMANOMOTORhtml Acesso em 29 nov 2018 MORAN M J et al Princípios de Termodinâmica para Engenharia 8 ed Rio de Janeiro LTC 2018 TURNS S R Introdução à combustão conceitos e aplicações 3 ed Porto Alegre AMGH 2013 Referências Unidade 2 Combustíveis e combustão Convite ao estudo Convite ao estudo Parece que toda vez que chegamos à bomba de combustível o preço do combustível está em alguns centavos mais caro por litro Os preços flutuam mais do que a temperatura diária da cidade em que moramos e são afetados por uma miríade de fatores econômicos e políticos fora do controle do consu midor Não é de se estranhar que a economia em torno dos combustíveis o consumo e as práticas de direção sustentáveis sempre são temas quentes a serem discutidos Ao chegar no posto de gasolina na maioria das vezes nos preocupamos apenas com o valor do combustível que iremos abastecer o carro Mas você tem certeza que a gasolina que abastece seu carro está de acordo com a legislação vigente Você sabe qual a quantidade de etanol que pode ser adicionada à gasolina A verdade é que pouco sabemos sobre os combustíveis que utilizamos e suas características portanto nesta unidade de ensino vamos abordar temas para que você conheça e compreenda sobre os diferentes tipos de combustíveis existentes compreenda as reações de combustão tão importantes para o funcionamento de um motor assim como a relação combustívelar e os sistemas de injeção em Ciclo Otto A partir desses estudos você será capaz de identificar as propriedades dos combus tíveis os fatores que influenciam na reação de combustão nos motores de ignição por faísca e nos motores Diesel os requisitos e o tipo de mistura e a classificação dos sistemas de injeção Para iniciarmos nosso estudo suponha que você foi contratado como analista em uma empresa fabricante de motores para automóveis que presta consultoria para diversas empresas nacionais e internacionais que sempre trazem desafios para serem solucionados principalmente desafios que estão relacionados com o funcionamento do motor desde a utilização de diversos tipos de combustíveis quanto ao projeto de um motor Em um primeiro momento você recebeu de uma empresa parceira um motor flex de três cilindros para o levantamento de especificações sobre a relação de combus tívelar do motor característica que afeta a combustão mas quais análises devem ser realizadas para obter essas especificações No segundo momento uma outra empresa cliente solicitou a especificação dos fatores que influen ciam a detonação no motor Otto comercializado pela empresa que você é contratado Por fim para outra cliente você deverá analisar a mistura e injeção em um motor ciclo Otto Mas como proceder todas essas análises e satisfazer os clientes da empresa que você foi contratado Essas e outras questões serão elucidadas a partir dos estudos desta unidade Inicialmente vamos estudar sobre os combustíveis derivados do petróleo gasolina e suas propriedades óleo diesel e suas principais proprie dades compostos oxigenados e suas propriedades álcoois e éteres e óleos vegetais gorduras animais biodiesel e HBio Ao encerrarmos esses estudos vamos compreender a reação de combustão e detonação no motor de ignição por faísca entender o funcionamento da câmara de combustão e a combustão nos motores Diesel os fatores que influenciam a autoignição no ciclo Diesel e os tipos básicos de câmaras para motores Diesel Os estudos sobre a formação da mistura combustívelar nos motores Otto definição tipo de mistura em relação ao comportamento do motor e curva característica carburador injeção mecânica e eletrônica para motores Otto injeção direta de combus tível em ciclo Otto GDI e o controle da combustão e emissões de poluentes encerram o estudo desta unidade Preparados para iniciar nossos estudos Mãos à obra Seção 21 Combustíveis 61 Combustíveis Diálogo aberto Etanol ou gasolina Essa talvez é a pergunta mais frequente que ouvimos quando vamos até um posto de gasolina abastecer o carro não é mesmo Mas você já pensou em quais são os parâmetros que você utiliza para se decidir entre abastecer com etanol ou gasolina seu carro flex O valor do litro Ou a quilometragem que o carro faz com cada um desses combus tíveis Entre o etanol e a gasolina qual o melhor para abastecer em relação ao custobenefício Diversos são os combustíveis utilizados no abasteci mento de motores de combustão interna como os derivados de petróleo gasolina diesel dentre outros e os de fontes renováveis metanol etanol etc portanto é muito importante conhecermos as características desses combustíveis Assim atuando como analista de uma empresa fabricante de motores para automóveis para diversas empresas nacionais e internacionais você recebeu uma demanda para análise A empresa fabrica um modelo de motor flex com três cilindros utilizado em carros de passeio Nas informações preliminares obtidas em testes e fornecidas pela empresa você verificou que nesse motor o isooctano um componente da gasolina é queimado com uma quantidade teórica de ar de 120 Essa informação indica um problema no motor isto é a reação de combustão só é completa devido ao excesso de ar A partir da reação de combustão completa do isooctano 8 18 2 2 2 2 2 125 125376 8 9 125376 g g g g v g C H O N CO H O N É possível determinar o valor da relação combustívelar Como você realizará essa análise Qual a importância em determinar o valor da relação combustívelar Com essas informações seu gestor solicitou que você apresentasse as análises e os cálculos que corroboram a informação de que a combustão ocorre com excesso de ar Nesse momento vamos conhecer os principais combustíveis utili zados em MCI por exemplo os derivados do petróleo a gasolina e o diesel Posteriormente vamos conhecer outra classe de combustíveis denominada compostos oxigenados que são os álcoois e éteres com destaque para o etanol e por fim estudaremos combustíveis alternativos que se apresentam como uma alternativa aos combustíveis fósseis que são os óleos vegetais gorduras animais biodiesel e HBio Adicionalmente vamos ficar atualizados sobre as principais legislações vigentes com relação ao percentual máximo de Seção 21 62 U2 Combustíveis e combustão etanol adicionado na gasolina Nesse primeiro momento você utilizará alguns conhecimentos de química portanto seja curioso e persistente Bons estudos Não pode faltar A maioria dos motores de combustão interna obtém sua energia a partir da combustão de uma mistura combustívelar hidrocarboneto com o ar atmosférico que converte a energia química do combustível hidro carboneto em energia interna nos gases dentro do motor A reação de combustão pode ser completa ou incompleta Na combustão completa existe uma quantidade de ar suficiente para a queima de todo combustível e os produtos formados são o dióxido de carbono 2 CO g e a água 2 H O v Na combustão incompleta a quantidade de ar atmosférico não é suficiente para a queima de todo combustível disponível e os produtos formados podem ser o monóxido de carbono CO g água 2 H O v e fuligem s C Em nosso dia a dia fica fácil identificar veículos nos quais a reação de combustão no motor é completa e incompleta já que o veículo que estiver com emissão de fumaça preta fuligem saindo pelo escapamento indica que existe uma certa quantidade de combustível sendo queimada no escapamento logo a quanti dade de oxigênio é insuficiente para a queima de todo combustível e temos uma combustão incompleta A reação 21 apresenta a reação de combustão completa para o isooctano 8 18 C H g que é o componente da gasolina 8 18 2 2 2 2 2 125 125376 8 9 125376 g g g g v g C H O N CO H O N 21 Para um hidrocarboneto combustível genérico x y C H a reação de combustão e a relação estequiométrica pode ser expressa como mostra a reação 22 2 2 2 2 2 376 2 376 x C Hy a O N xCO y H O a N 22 Em que 4 y a x Nos MCI o ar atmosférico é utilizado como a fonte de oxigênio que reagirá com o combustível reações 21 e 22 e o nitrogênio é inerte isto é não participa efetivamente da reação de combustão As reações 23 e 24 correspondem às reações de combustão incompleta para o isooctano 8 18 2 2 85 8 9 g g g v C H O CO H O 23 8 18 2 2 45 8 9 g g s v C H O C H O 24 Considerando que o subíndice g indica gás s indica sólido e v indica vapor Seção 21 Combustíveis 63 É importante conhecer as reações de combustão pois a partir delas é possível determinar a quantidade de ar teórica necessária para que ocorra a combustão completa Essa relação da quantidade de combustível com a quantidade de ar que entra no motor afeta diretamente o rendimento do motor e a razão dessas quantidades arcombustível é denominada razão estequiométrica esteq A F dada pela Equação 25 æ ö ç ç ç çè ø 476 1 ar a esteq F F esteq m a MW A F m MW 25 Em que ar m é a massa do ar F m é a massa do combustível a MW é a massa molar do ar e F MW é a massa molar do combustível Para determinar a razão estequiométrica combustívelar utilizase a Equação 26 1 F esteq ar m F A m A F 26 Teoricamente na mistura estequiométrica a relação arcombustível é ideal quando a combustão é completa A razão de equivalência f é utili zada para indicar quantitativamente quando a mistura arcombustível é rica pobre ou estequiométrica e é dada pela equação 27 TURNS 2013 p 23 f esteq esteq A F F A A F F A 27 Assim para f1 denominase mistura rica pois existe o excesso de combustível consequentemente nesse caso a combustão é incompleta devido à falta de oxigênio Já para f 1 temos uma mistura pobre Ao entrar em combustão devido ao excesso de oxigênio a temperatura da faísca de ignição será elevada provocando superaquecimento nos componentes do motor É importante conhecer as relações entre as quantidades de combustível ar e o modo que ele é fornecido ao motor pois essas características afetam direta mente o rendimento do motor A f 1 indica uma mistura estequiométrica Outro ponto importante é o estudo da composição dos gases de escapa mento e a relação arcombustível l Aprofunde seus estudos nas páginas 11 a 13 no material link a seguir FAGGI Rodrigo Formação de mistura arcombustível em motores de ignição por faísca a quatro tempos Saiba mais 64 U2 Combustíveis e combustão Os principais combustíveis utilizados em motores de combustão interna são os derivados de petróleo como as gasolinas os óleos diesel os querosenes de aviação e os óleos combustíveis marítimos BRUNETTI 2018 p 308 Assimile A American Society for Testing and Materials ASTM por meio da norma D417509a 2010 define o petróleo como Uma mistura de ocorrência natural consistindo predominantemente em hidrocarbonetos e derivados orgânicos sulfurados nitrogenados e oxigenados e outros elementos PORTAL EDUCAÇÃO 2019 sp No Brasil somente na década de 1970 foi adotada em grande escala a utilização de combustíveis alternativos aos derivados do petróleo como o etanol Atualmente de acordo com a resolução CIMA Conselho Interministerial do Açúcar e do Álcool n 1 de 2015 foi estabelecido pelo governo brasileiro o percentual obrigatório de adição de etanol anidro à gasolina comum de 27 GOVERNO DO BRASIL 2018 As gasolinas são misturas de diversas naftas que são obtidas durante o processamento do petróleo bruto e devem ser equilibradas de tal maneira que propor cionem um desempenho satisfatório em uma grande variedade de condi ções operacionais dos motores BRUNETTI 2018 p 318 A maioria das gasolinas são compostas por hidrocarbonetos que contêm entre cinco e nove átomos de carbono As composições das gasolinas seguem especifi cações quanto à qualidade desempenho aspectos ambientais e composi ções flexíveis Esses aspectos impactam diretamente no preço do combus tível cabendo aos fabricantes de motores adequarem seus produtos aos combustíveis disponíveis no mercado No Brasil as gasolinas são classi ficadas como gasolina A que é comercializada somente entre refina rias e distribuidores e é isenta da adição de etanol anidro e a gasolina C que são as gasolinas com adição de etanol anidro comercializadas nos postos de abastecimento elas podem ser a gasolina comum com adição de 27v volume e a gasolina premium com adição de 25v de etanol anidrido GOVERNO DO BRASIL 2018 As propriedades das gasolinas mudam em função dos teores de naftas utilizadas em suas composições e dentre as propriedades que mais influenciam o desempenho do motor temos a octanagem e volatilidade A octanagem ou o número de octano é a propriedade que descreve se o combustível será ou não autoinflamado isto é representa a resistência da mistura combustívelar em relação à autoignição responsável pela detonação que é um fenômeno relacionado à combustão espontânea e indesejada Dessa forma quanto maior for a Seção 21 Combustíveis 65 resistência da mistura e a temperatura de autoignição dos hidrocarbo netos de melhor qualidade será a gasolina BRUNETTI 2018 p 320 O número de octanos as é uma escala numérica obtida pela comparação das características de autoignição entre o combustível analisado e os combus tíveis padrões os métodos para obtenção dessas características são reali zados em um motor específico em condições operacionais determinadas Os dois combustíveis utilizados como referências padrões são o isooctano 224 trimetilpentano que apresenta elevada resistência à detonação e recebe o número de octanagem igual a 100 e o nheptano que possui baixa resistência a detonação e recebe o número de octanagem igual a 0 Dessa forma a octanagem de referência é o percentual volumétrico de isooctano na mistura com nheptano BRUNETTI 2018 p 322 Exemplificando No Brasil as gasolinas comum e aditivada possuem um padrão de octanagem igual a 87 dessa forma concluise que a mistura possui 87v de isooctano e 13v nheptano Assim quanto maior o número de octano de um combustível menos provável que se autoinflame Motores com baixas taxas de compressão podem usar combustíveis com números mais baixos de octanas mas motores de alta compressão devem usar combustível de alta octanagem para evitar a autoignição e a chamada batida de pino caracterizada pelo ruído gerado entre a ondas de choque no interior da câmara de combustão Os dois métodos mais comuns de classificação de combustíveis são o Método de Pesquisa ou RON Research Octane Number e o Método Motor ou MON Motor Octane Number Os métodos de Pesquisa e Motor são padronizados respectivamente pelas normas ASTM D2700 e D2669 No primeiro método o número de octano é determinado comparandose os resultados obtidos do combustível avaliado com aqueles obtidos com misturas de isooctano e nheptano em um motor de compressão variável Já no segundo método o número de octano é obtido através do préaquecimento da mistura de combustível utilizandose um motor com maior rotação e ponto de ignição variável BRUNETTI 2018 p 324 As condições de operação usadas para medir o MON são mais severas do que as usadas no RON e produzem valores menores que RON Assim a diferença dos dois números é conhecida como sensibilidade do combustível 28 Sensibilidade RON MON 28 O Quadro 21 apresenta valores da sensibilidade de gasolinas obtidas por diferentes processos 66 U2 Combustíveis e combustão Quadro 21 Valores da sensibilidade de gasolinas Corrente MON RON Sensibilidade Parafínicos 0 a 3 média 1 Olefínicos 12 a 19 média 14 Aromáticos 2 a 16 média 8 Nafta destilação direta 60 a 65 60 a 67 0 a 2 Nafta craqueada 82 94 a 96 12 a 14 Nafta reformada 86 a 88 96 a 97 8 Nafta alcoilada 97 97 a 98 0 a 1 Varia se a molécula é ramificada cíclica ou não Fonte Brunetti 2018 p 327 No refino de petróleo é estabelecida uma sequência de processos em que um ou mais fluidos que compõem as entradas do processo são conver tidos em outros fluidos constituindo as saídas do processo Esses fluidos são denominados correntes O gráfico da Figura 21 traz valores de octanagem RON para diversas correntes a partir da avaliação da octanagem pela temperatura de ebulição de cada um de seus componentes Figura 21 Valores de octanagem RON versus temperatura CTE ChumboTetraEtila CTM ChumboTetraMetila Fonte Brunetti 2018 p 328 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Gasolina Isooctano 50 50 super Butano Isopentano Gasolina C Nafta de destilação RON 65 Carga de reforma nafta pesada Nafta de craqueamento catalítico RON 94 Nafta dereforma catalítico RON 95 CTM RON CTE nheptano Aguarrás 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 110120130140150160170180190200 Seção 21 Combustíveis 67 Outra propriedade importante das gasolinas é a volatilidade que é repre sentada pela sua faixa de destilação e pela pressão de vapor isto é a tendência de o combustível mudar de líquido para vapor a qualquer temperatura A volatilidade da gasolina afeta a facilidade de partida a duração do período de aquecimento e o desempenho do motor durante a operação normal A taxa de vaporização aumenta à medida que a temperatura aumenta e à medida que a pressão diminui Assim durante todo o funcionamento do motor a vaporização da gasolina deve ocorrer conforme suas condições de opera ções em plena carga WOT Wide Open Throttle A viscosidade a tensão superficial o calor latente de vaporização a velocidade da chama e o balanço molar são propriedades quase constantes da gasolina e importantes para o funcionamento e desempenho do motor Uma característica muito importante da combustão é o calor de combustão também conhecido como poder calorífico portanto não deixe de aprofundar seus estudos sobre esse tema no Capítulo 2 Combustão etermoquímica do Livro Introdução à Combustão Conceitos e Aplicações páginas 32 a 34 disponível em sua biblioteca virtual em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788580552751 cfi4642100000 Acesso em 4 out 2018 Além das gasolinas outro combustível muito importante mundialmente é o diesel O diesel combustível óleo diesel óleo combustível é obtido em uma ampla faixa de pesos moleculares e propriedades físicas No Brasil o óleo diesel comercializado recebe adição de 5 05 de biodiesel de acordo com regulamentação da ANP Agência Nacional do Petróleo Gás Natural e Biocombustíveis e seus processos de refinos são destinados para a conversão das frações mais pesadas da destilação em produtos mais nobres e em determinadas unidades que resultam em frações com faixa de destilação compatível com a do diesel Normalmente essas frações contêm moléculas de dez a trinta átomos de carbono com faixa de destilação aproximadamente entre 120 e 400C BRUNETTI 2018 p 35152 Na formulação do diesel as correntes tradicionais são obtidas da destilação atmosférica e hidrotratadas Assim como na gasolina as propriedades do diesel variam em função de sua compo sição sendo que o número de cetano e a volatilidade são as proprie dades que mais influenciam no desempenho dos motores que utilizam Saiba mais 68 U2 Combustíveis e combustão esse combustível O número de cetano é a propriedade que quantifica a qualidade de ignição do óleo diesel e que descreve como este entrará em autoignição BRUNETTI 2018 p 352 Em motores a Diesel a fragmen tação das moléculas do combustível é desejável devido à intensificação da combustão do combustível injetado e o número de cetano aumenta de acordo com a tendência de fragmentação em oposição à octanagem Quanto maior o número de cetanos menor será a temperatura de ignição isto é mais rápido o combustível se autoinflamará no interior da câmara de combustão Essa característica é consequência direta da estrutura e da cadeia carbônica dos hidrocarbonetos presentes no diesel sendo que quanto maior e mais linear a cadeia carbônica maior será a tendência de fragmentação das moléculas O número de cetano fisica mente representa o tempo decorrido entre o início da injeção do combus tível e o início da combustão e é conhecido como atraso de ignição Um demasiado atraso provoca a elevação brusca da pressão na câmara de combustível devido ao acúmulo de combustível já vaporizado que tende a se queimar de uma única vez causando um forte ruído conhecido como batida diesel O atraso de ignição varia em função dos parâmetros de funcionamento como carga rotação e avanço de injeção o que em um motor Diesel convencional encontrase entre 3 e 10 do virabrequim Assim como a classificação do número de octano os números de cetanos são estabelecidos através da comparação de testes entre o combustível avaliado e dois combustíveis de referência padrão Ao componente combustível padrão nhexadecano 16 C H34 é dado o valor do número de cetano de 100 enquanto ao 2244688 heptametilnonano HMN é dado o valor de 15 O número de cetano NC de outros combustí veis avaliados são então obtidos comparando o atraso de ignição desses combustíveis com o atraso de ignição de uma mistura dos dois combus tíveis de referência Equação 29 015 NC em volume hexadecano em volume HMN 29 A norma ASTM D613 estabelece o teste do combustível em condições de velocidade carga e temperatura de admissão predeterminadas BRUNETTI 2018 p 357 A volatilidade é outra propriedade do óleo diesel e indica o perfil de vaporização do produto e se relacionada diretamente com a distribuição de compostos leves e pesados presentes no diesel Outras propriedades impor tantes do diesel são a massa específica a viscosidade lubricidade os pontos de turbidez de entupimento e de fluidez estabilidade química e condutivi dade elétrica Seção 21 Combustíveis 69 Aprofunde seus estudos sobre as diversas propriedades do óleo diesel estudando em sua biblioteca digital as páginas 206 219 do livro Petróleo e seus derivados definição constituição aplicação especifi cações características de qualidade que traz as principias características de qualidade do óleo diesel Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks97885216 21515cfi042100000 Acesso em 4 out 2018 Outros combustíveis utilizados em automóveis são os compostos oxige nados com destaque para os álcoois e éteres Os álcoois se apresentam como uma alternativa atraente de combustíveis em relação a utilização dos derivados de petróleo pois podem ser obtidos de diversas fontes renováveis naturais Os álcoois utilizados como combustíveis apresentam cadeias de um a cinco carbonos e são metanol etanol álcool tercbutílico TBA mistura acetonabutanoletanol ABE Isopropanol butanol1 isobutanol butanol2 dentre outros Entre os álcoois destacase a utilização do etanol o único composto oxigenado permitido pela legislação brasileira O consumo no país de etanol hidratado isto é do etanol que abastece os automóveis nas bombas de combustíveis em 2017 foi de 13642 bilhões de litros enquanto o consumo de etanol anidro etanol adicionado na gasolina no mesmo ano foi de 25562 bilhões de litros ANP 2018 Ainda segundo a ANP no etanol hidratado o teor máximo de água permitido é de 49v volume enquanto no etanol anidro esse percentual é de 04v O etanol 2 5 C H OH é obtido a partir do processo de fermentação natural de açúcares no Brasil principal mente da fermentação da canadeaçúcar ou pela hidrólise da celulose Já os éteres são compostos oxigenados que apresentam melhor miscibilidade em função da semelhança molecular com as gasolinas comercias e dificuldade em se misturar com a água são utilizados como substitutos aromáticos para o aumento de octanagem sem prejuízos de emissões BRUNETTI 2018 p 378 Os principais éteres utilizados são MTBE MetilTercButilEter ETBE EtilTercButilEter e TAME TerciAmilMetilÉter Algumas proprie dades de alguns compostos oxigenados são apresentadas no Quadro 22 Quadro 22 Propriedades de alguns compostos oxigenados Propriedades Gasolina A Álcoois Éteres Metanol Etanol MTBE ETBE Ponto de ebulição C 35 a 220 647 783 553 73 MON Mín 82 92 90 100 103 RON Mín 93 112 106 117 119 Saiba mais 70 U2 Combustíveis e combustão Propriedades Gasolina A Álcoois Éteres Metanol Etanol MTBE ETBE Calor de vaporização kJkg 147 636 899 338 3227 Ponto de fulgor C 427 a 39 11 127 25 19 Fonte adaptada de Brunetti 2018 p 379 Nos compostos oxigenados normalmente os valores de octanagem são elevados e em misturas de hidrocarbonetos esses valores são acentuados Esse fenômeno ocorre devido à detonação que é uma função da temperatura da câmara de combustão O Quadro 23 traz alguns valores de octanagem para os compostos oxigenados Quadro 23 Octanagem de compostos oxigenados Fonte Brunetti 2018 p 381 Oxigenados Concentração Octanagem de mistura MON RON Metanol 5 a 15 100 a 105 125 a 135 Etanol 5 a 20 98 a 103 120 a 130 TBA 5 a 15 95 a 100 105 a 110 MTBE 5 a 15 95 a 101 113 a 117 TAME 10 a 20 96 a 100 112 a 114 Os óleos vegetais as gorduras animas o biodiesel e o HBio também são combustíveis alternativos ao óleo diesel utilizado em motores de ignição espontânea MIE provenientes da biomassa isto é de fontes renováveis Os óleos vegetais são basicamente triacilglicerídeos formados por ácidos graxos e glicerol e de acordo com sua cadeia carbônica podem se apresentar à temperatura ambiente como líquidos óleos ou sólidos gorduras Os ácidos graxos presentes nos óleos vegetais apresentam saturações ligações simples e insaturações ligações duplas entre os átomos de carbono de sua cadeia e essas características influenciam diretamente nas propriedades desses óleos Por exemplo à medida que aumenta a quantidade de insaturações do ácido graxo se observa que o ponto de fusão e a viscosidade diminuem Já os ácidos graxos saturados apresentam maior estabilidade à oxidação quando compa rados aos ácidos graxos insaturados Assim devido à grande diversidade da estrutura química dos óleos vegetais a utilização de óleos puros e misturas com óleo diesel trazem diversos problemas devido à combustão incompleta como dificuldade de partida a frio formação excessiva de resíduos de oxidação nos cilindros formação de depósitos de coque nos bicos injetores diluição Seção 21 Combustíveis 71 do combustível não queimado ao óleo lubrificante e entupimento dos canais de lubrificação pela formação de polímeros em suas extensões BRUNETTI 2018 p 38990 Os mesmos problemas são observados na utilização de gorduras animais como combustível já que essas gorduras apresentam estruturas moleculares semelhantes às dos óleos vegetais Já o biodiesel é um combustível de fonte renovável obtido através da reação de transesterifi cação ou esterificação direta dos ácidos graxos presentes nos óleos vegetais e gorduras animais formando como produtos ésteres de cadeias menores Na reação de transesterificação ocorre a retirada do glicerol da molécula do ácido graxo do óleo vegetal reduzindo significativamente sua viscosidade Algumas vantagens de se utilizar biodiesel em motores de combustão interna são ele é perfeitamente miscível ao óleo diesel a lubricidades e pontos de fulgor mais elevados em comparação com o óleo diesel No Brasil a adição de biodiesel ao diesel derivado do petróleo atualmente corresponde a 10 ANP 2018 Outra alternativa à utilização do óleo diesel obtido a partir do refino do petróleo é o processo conhecido como HBio no qual se produz óleo diesel a partir do processamento de óleosgorduras de origem vegetal e animal por hidroconversão catalítica em unidades de hidrotratamento HDT otimi zando a utilização de frações de óleo diesel nas refinarias Misturas de frações de óleo diesel e de óleo vegetalanimal em um reator HDT em condições controladas em alta temperatura e pressão de hidrogênio transforma o óleo de fonte renovável em hidrocarbonetos parafínicos lineares semelhantes aos hidrocarbonetos presentes no óleo diesel Esses hidrocarbonetos melhoram a qualidade do óleo diesel final com o aumento do número de cetano garan tindo uma melhor qualidade de ignição O benefício na qualidade final do óleo diesel é proporcional ao volume de óleo de fonte renovável utilizado no processo BRUNETTI 2018 p 395 Reflita Os derivados de petróleo ainda são os principais combustíveis utilizados em motores de combustão interna No entanto conhecemos algumas alternativas à utilização desses combustíveis que já são viabilizadas como o uso do etanol Além desse combustíveis quais outras alterna tivas a sociedade moderna tem encontrado a fim de minimizar a utili zação de combustíveis fósseis Sem medo de errar Atuando em uma empresa fabricante de motores você como analista recebeu uma demanda para análise de um motor flex com três cilindros que 72 U2 Combustíveis e combustão atualmente é utilizado em carros de passeio Entre as informações preli minares você verificou que no motor o isooctano é queimado com uma quantidade teórica de ar de 120 isto é o motor apresenta uma combustão incompleta com formação de fuligem A partir da reação de combustão do isooctano 8 18 2 2 2 2 2 125 125376 8 9 125376 g g g g v g C H O N CO H O N É possível determinar o valor da relação arcombustível Como você realizará essa análise Quais os cálculos que corroboram que a combustão do motor está ocorrendo com excesso de ar Para determinar as razões de arcombustível ou combustívelar inicialmente é necessário analisar a reação de combustão para o isooctano 8 18 C H g que é o componente da gasolina 8 18 2 2 2 2 2 125 125376 8 9 125376 g g g g v g C H O N CO H O N No entanto a partir da informação de que o combustível é queimado com uma quantidade teórica de ar de 120 é necessário corrigir o coeficiente estequiométrico da reação considerando o excesso de 20 do ar assim temos 8 18 2 2 2 2 2 2 15 15376 8 9 15376 25 g g g g v g g C H O N CO H O N O Com excesso de 20 de ar todo combustível é queimado e as mesmas quantidades de 2 CO e 2 H O são encontradas nos produtos Assim é possível calcular a razão estequiométrica arcombustível 476 476 15 29 1816 1 1 114 a a F F m a MW A F m MW A partir do valor da razão estequiométrica arcombustível é possível obter o valor da razão combustívelar 1 1 0055 1816 F A A F Em mãos desses dados é necessário calcular a razão estequiométrica combustívelar 1 1 114 0066 476 476 125 29 F F esteq a a m MW F A m a MW Por fim é possível obter o valor da razão de equivalência f 0055 0833 0066 esteq F A F A Seção 21 Combustíveis 73 Portanto através dos cálculos você conseguiu analisar quantitativa mente o motor e apresentar os cálculos que corroboram que a combustão que ocorre no motor possui excesso de ar isto é você obteve uma razão de equivalência f 0833 portanto f 1 indica que a mistura combustívelar é uma mistura pobre Avançando na prática Análise da razão arcombustível de uma turbina a gás Descrição da situaçãoproblema Atuando como projetista em uma empresa fabricante de turbinas a gás utilizadas em equipamentos mecânicos seu gestor solicitou que você calcu lasse a razão arcombustível de uma turbina com as seguintes características técnicas f 0268 utilizando como combustível um gás natural de fórmula 116 432 C H MWa 29 Mas como você deverá proceder nessas análises Resolução da situaçãoproblema Para iniciar a análise é necessário recorrer à reação para um combustível genérico x y C H à reação de combustão e à relação estequiométrica 2 2 2 2 2 376 2 376 x C Hy a O N xCO y H O a N A partir da reação para um combustível temos que 4 y a x Assim pelas informações do combustível têmse 432 116 224 4 4 y a x A partir de uma tabela periódica adotando a massa do carbono e do hidrogênio respectivamente 1201 e 1008 gmol obtêmse o valor da massa molar 1161201 4321008 1829 F MW Posteriormente calculase a relação estequiométrica arcombustível 476 476 224 29 1690 1 1 1829 a esteq F a MW A F MW 74 U2 Combustíveis e combustão 1 A maioria dos motores de combustão interna obtém sua energia a partir da combustão de uma mistura combustívelar hidrocarboneto com o oxigênio presente no ar atmosférico que converte a energia química do combustível hidrocarbo neto em energia interna nos gases dentro do motor Dada a reação de combustão 8 18 2 2 2 125 8 9 g g g v C H O CO H O analise a reação de combustão Assinale a alternativa correta em relação à reação de combustão apresentada a Tratase de uma reação de combustão completa com a formação de hidrocarboneto e oxigênio no estado gasoso b Tratase de uma reação de combustão incompleta caracterizada pela formação principal de monóxido de carbono e água no estado líquido c Tratase de uma reação de combustão incompleta com formação de fuligem e água no estado vapor d Tratase de uma reação de combustão completa com a formação dos produtos dióxido de carbono e água no estado vapor e Tratase de uma reação de combustão incompleta com a formação de hidrocarbo netos e dióxido de carbono no estado vapor 2As composições das gasolinas seguem especificações quanto à qualidade desem penho aspectos ambientais e composições flexíveis Esses aspectos impactam direta mente no preço do combustível cabendo aos fabricantes de motores adequarem seus produtos aos combustíveis disponíveis no mercado No Brasil as gasolinas são classi ficadas como gasolina A e gasolina C A partir do exposto avalie a veracidade das seguintes afirmações I A gasolina A é comercializada nos postos de abastecimento e possuem adição de 25v de etanol anidrido II A gasolina C é comercializada entre distribuidores e postos de abastecimento e é isenta da adição de etanol anidro III A gasolina premium é classificada como gasolina A e possui adição de 27v de etanol hidratado IV A gasolina C são as gasolinas com adição de etanol anidro comercializadas nos postos de abastecimento Dadas as afirmações assinale a alternativa correta Assim a partir das informações que lhe foram dadas você foi capaz de emitir um laudo concluindo que a relação estequiométrica arcombustível da turbina é igual a 1690 Faça valer a pena Seção 21 Combustíveis 75 a Estão corretas I II III e IV b Somente II III e IV estão corretas c Somente I II e III estão corretas d Somente III está correta e Somente IV está correta 3 Os óleos vegetais são basicamente triacilglicerídeos formados por ácidos graxos e glicerol e de acordo com sua cadeia carbônica podem se apresentar à temperatura ambiente como líquidos óleos ou sólidos gorduras Os ácidos graxos presentes nos óleos vegetais apresentam saturações e insaturações entre os átomos de carbono de sua cadeia e essas características influenciam diretamente nas propriedades desses óleos Dada as seguintes fórmulas estruturais dos ácidos graxos Ácido oleico Ácido palmítico Ácido linoleico Com base nas estruturas dos ácidos graxos assinale a alternativa correta a O ácido oleico apresenta maior estabilidade à oxidação quando comparado ao ácido palmítico devido à presença de insaturação entre os átomos de carbono b O ácido linoleico apresenta a maior estabilidade à oxidação em relação ao ácido oleico devido ao maior número de insaturações entre os átomos de carbono c Entre os três ácidos graxos o ácido palmítico apresenta maior estabilidade à oxidação devido à ausência de insaturações entre os átomos de carbono d O ácido palmítico é um ácido graxo insaturado presente na composição de óleos vegetais e possui fórmula estrutural 3 2 14 2 CH CH CO H e Devido à presença de insaturações os ácidos oleico e linoleico apresentam pontos de fusão mais elevados que o ácido palmítico 76 U2 Combustíveis e combustão Combustão em motores alternativos Diálogo aberto Normalmente quando alguém de nossa família tem um carro é comum nos acostumarmos com os sons produzidos no automóvel seja pelo ronco do motor ou pelo barulho ao puxar o freio de mão ou ainda pelo barulho ao fechar as portas Você já vivenciou essa situação de ter sido capaz de identificar quem tinha acabado de chegar na sua casa apenas pelo som do carro Qual o barulho do carro que mais lhe chama a atenção Muitas vezes o som mais marcante de um automóvel é o som do motor Uma curiosidade você já percebeu que os motores a gasolina a etanol ou flex são mais silenciosos que os motores a Diesel Principalmente em camionetes lançadas nas décadas de 1980 e 1990 o barulho do motor a Diesel sempre foi uma característica muito marcante Assim nesta seção vamos aprender sobre a combustão e a detonação no motor de ignição por faísca e sobre as câmaras de combustão para esses motores Também vamos estudar a combustão nos motores Diesel os fatores que influenciam a autoignição no ciclo Diesel e os tipos básicos de câmaras para esses motores Ao estudar esses conteúdos ficará claro o porquê de os motores a Diesel serem mais barulhentos que os motores que utilizam a gasolina e o etanol como combus tíveis considerando que a origem desses ruídos está diretamente relacionada com a reação de combustão que acontece no motor Para que possamos iniciar os nossos estudos da seção imagine que você trabalha como analista de uma empresa fabricante de motores que atua na consultoria para diversas empresas clientes Recentemente seu gestor lhe acionou pois uma empresa cliente relatou a presença de um ruído elevado em um motor flex Adicionalmente além do envio dos pistões do motor com indícios de carbonização Figura 22 a empresa enviou o diagrama p a do motor de ignição por faísca a 4T na rotação de 3500 rpm com avanço de faísca de 30 Figura 23 Seção 22 Figura 22 Pistões com indícios de carbonização Fonte httpsgooglVrmh2Z Acesso em 22 out 2018 Seção 22 Combustão em motores alternativos 77 Figura 23 Diagrama p a de um motor de ignição por faísca a 4T na rotação 3500 rpm Fonte Brunetti 2018 p 432 40 35 30 25 20 15 10 5 20 10 0 10 20 α graus B A p kgfcm2 De acordo com os seus conhecimentos sobre o funcionamento de motores quais as possíveis causas do ruído elevado Pode ser um problema relacionado à combustão Quais fenômenos podem causar a carbonização dos pistões É possível representar graficamente o que está acontecendo nesse motor durante a combustão Qual o tempo de retardamento da combustão A partir dos estudos desta seção como a reação de combustão você será capaz de analisar as causas desse problema e identificar os fatores que influen ciam na reação de combustão nos motores de ignição de faísca e nos motores a Diesel será capaz de compreender os fenômenos de detonação e autoig nição Você também será capaz de calcular o retardamento da combustão assim como o gradiente máximo das pressões Bons estudos Não pode faltar Nos motores de ignição por faísca carburados ou com injeção de combustível durante o tempo de admissão a válvula de admissão se abre fazendo com que o pistão desça até o PMI enchendo os cilindros com a mistura arcombustível Nos motores com injeção direta de combustível a adição do combustível ocorre diretamente no interior dos cilindros podendo se dar no tempo de admissão ou de compressão dependendo da estra tégia de formação da mistura buscada BRUNETTI 2018 p 405 Nesses motores citados quando a válvula de admissão se fecha iniciase o tempo de compressão em que o pistão é deslocado em direção ao PMS comprimindo a mistura arcombustível Quando o pistão se aproxima do PMS ocorre uma faísca entre os eletrodos da vela dando início ao processo de combustão da mistura arcombustível que inicialmente ocupa um volume muito pequeno em torno da vela provocando um aumento de temperatura localizado e uma 78 U2 Combustíveis e combustão Exemplificando O diagrama p a mostrado na Figura 24 a seguir corresponde a um dos cilindros de um motor a 4T a plena carga O ponto A é o instante da faísca enquanto o ponto B corresponde ao início da combustão 80 60 40 20 40 20 PMS 20 40 α B A p kgfcm2 Figura 24 Diagrama p a Fonte Brunetti 2018 p 431 Qual o retardamento em milissegundos sabendose que o motor está a 3000 rpm Para se determinar o retardamento em milissegundos sabendose que o motor está a 3000 rpm primeiramente determinase o tempo gasto para se completar uma rotação Como o motor realiza 3000 rpm a cada minuto temse 3000 1 min 60000 min 1 20 ms rpm rpm t t ms A partir do gráfico fornecido na Figura 24 temos que o ângulo de atraso entre a faísca e a combustão é de 10 a atraso A partir de uma regra de três simples determinase o retardamento do motor em milissegundos alteração desprezível da pressão A combustão em MIF pode ser dividida em três fases 1 retardamento químico da combustão ou atraso de ignição 2 combustão normal 3 combustão esparsa O atraso da ignição é geralmente caracterizado pelo consumo de 1 a 10 da massa da mistura arcombustível Durante essa fase ocorre a ignição e a reação de combustão é iniciada obser vandose uma pequena elevação da pressão e trabalho negativo à esquerda de PMS no gráfico da Figura 25 Seção 22 Combustão em motores alternativos 79 360 20 ms 10 055 ms retardamento retardamento t t Dessa forma concluise que o retardamento em milissegundos quando o motor está a 3000 rpm é igual a 055 ms Já a combustão normal é a fase em que praticamente todo trabalho positivo à direita de PMS no gráfico da Figura 25 em um ciclo de motor é produ zido e onde a maior parte da massa da mistura arcombustível é queimada Durante essa fase a pressão no cilindro é consideravelmente aumentada e isto fornece a força para produzir trabalho no tempo de expansão Por fim na última fase ocorre a queima de uma pequena quantidade de massa arcom bustível residual a válvula de escapamento é aberta e o pistão sobe empur rando todos os resíduos para fora do cilindro a pressão diminui rapidamente e a combustão para As três fases da combustão podem ser visualizadas pela evolução da pressão no diagrama p a do motor Figura 25 Figura 25 Diagrama p a para uma combustão normal Fonte Brunetti 2018 p 407 Pressão tan β dpdα Abertura de válvula de escapamento Pressão de compressão Atraso de ignição Angulo de virabrequim graus PMS 90 90 180 PMI 180 PMI Trabalho positivo Trabalho negativo Ignição β O gradiente de pressão que representa indiretamente a velocidade da combustão e indica a progressividade do aumento da pressão e da liberação de energia é dado pela tangente do ângulo de inclinação b obtido em cada ponto por dp da gradiente da pressão em função da posição a do virabre quim O que se percebe é que em um ciclo sem combustão o trabalho de compressão e o de expansão praticamente se compensam dessa forma o 80 U2 Combustíveis e combustão trabalho útil corresponde ao excesso de área provocado pela combustão No entanto a variação do avanço da faísca influenciará diretamente na produção do trabalho líquido do ciclo como mostra as áreas hachuradas da Figura 26 Figura 26 a Faísca adiantada resultando em um trabalho negativo considerável e um gra diente acentuado de pressões b Faísca atrasada provocando um pequeno trabalho positivo c Faísca no instante ideal Fonte adaptada de Brunetti 2018 p 408 C A B Em relação ao desempenho do motor o ideal seria um gradiente elevado próximo ao PMS no entanto um crescimento muito brusco provoca elevadas pressões que geram elevadas tensões em componentes ruídos altos e indese jáveis durante o funcionamento do motor Assim o avanço de ignição que apresenta a melhor relação entre o trabalho negativo na compressão e o trabalho positivo na expansão é denominado mínimo avanço para máximo torque MBT Maximum Brake Torque Para uma mistura arcombustível estagnada a velocidade de propagação da chama é relativamente baixa e é denominada velocidade laminar de chama caracterizada pela propagação de frente de chama em um ambiente no qual a turbulência é desprezível Entre os fatores que influenciam a velocidade de propagação da chama destacamse Turbulência Devido ao efeito de enrugamento ocorre o aumento da área efetiva da frente de chama promovendo o maior contato entre as partí culas em combustão com as que reagirão na frente da chama acelerando a reação A turbulência cresce com o aumento da rotação aumentando a velocidade de combustão exatamente quando o tempo disponível diminui BRUNETTI 2018 p 410 Seção 22 Combustão em motores alternativos 81 Temperatura e pressão Elevadas temperaturas resultam no aumento da velocidade laminar de frente de chama consequentemente acarretando maiores velocidades de queima Relação arcombustível Misturas levemente ricas 10 acima do valor estequiométrico promovem uma maior velocidade de propagação na frente de chama Nesta região se encontram os picos de velocidades laminares de frentes de chama Presença de gases residuais A combustão é desacelerada devido à redução na velocidade laminar de frente de chama Adicionalmente aos fatores citados o avanço da chama normal promove o aumento da pressão e da temperatura da mistura ainda não queimada que em alguns pontos poderá atingir a temperatura de autoignição do combus tível resultando no aparecimento de chamas secundárias de autoignição Figura 27 Figura 27 Aparecimento de chamas secundárias de autoignição Fonte Brunetti 2018 p 411 Autoignição Gases queimados Frente de chama Início da combustão Mistura arcombustível Ponto de autoignição Frente de chama Parede do cilimbro Parede de autoignição Quando a autoignição ocorre em pequenas quantidades de mistura terá uma intensidade pequena característica que acelera a combustão normal diminuindo o tempo de reação No entanto quando a autoig nição ocorre em grande intensidade ela é denominada detonação isto é a detonação é a autoignição brusca de uma grande massa de mistura ainda não queimada na câmara de combustão No avanço da chama principal a partir da vela de ignição a mistura ainda não queimada sofre um aumento na temperatura e é comprimida podendo atingir a temperatura de autoig nição do combustível Caso a chama principal não consiga varrer essa mistura antes que as condições locais de temperatura e pressão provo quem a autoignição essa mistura entrará em combustão repentinamente 82 U2 Combustíveis e combustão a volume constante ocasionando um aumento brusco da pressão com a propagação de ondas de choque provocando um aumento local das tensões assim como um ruído característico conhecido popularmente por batidas de pino ou knock em inglês A detonação resulta em um pico de pressão elevada e muito acentuado na câmara de combustão se você olhar para um traço de pressão do processo na câmara de combustão você verá a queima normal como um aumento de pressão normal então de repente você verá um pico muito agudo quando a detonação ocorrer como mostra os diagramas p a para uma combustão normal e anormal Figura 28 respectivamente Figura 28 Detecção de detonação no diagrama p a do motor Fonte Brunetti 2018 p 412 PMS Angulo de virabrequim Pressão Combustão normal PMS Angulo de virabrequim 0 1 Combustão anormal 0 1 Xb Observase no diagrama de combustão anormal o pico de pressão que corresponde à detonação com oscilações da pressão na fase final da combustão Essas oscilações são resultantes da propagação de ondas de choques sônicas no interior do cilindro e que se refletem ao se chocarem com as paredes da câmara Outro ponto importante que podemos observar no diagrama é a evolução da fração de massa queimada b x que indica a quantidade de massa da mistura arcom bustível já oxidada pela passagem da frente da chama No diagrama o 0 indica a ausência de massa queimada enquanto o 1 indica a queima total da mistura A detonação promove o aumento do fluxo térmico para as paredes da câmara de combustão resultando na elevação da temperatura local e na redução da eficiência térmica do motor devido à maior rejeição térmica para o sistema de arrefecimento BRUNETTI 2018 p 413 Seguidas detonações provocam o surgimento de pontos incandescentes na câmara que poderão promover a ignição da mistura antes do salto da faísca esse fenômeno é conhecido como préignição Assim primeiramente é muito importante evitar a detonação e poste riormente uma possível causa de préignição Seção 22 Combustão em motores alternativos 83 Assimile A préignição pode ser compreendida como a ignição da mistura antes da faísca da vela de ignição Sempre que algo faz com que a mistura na câmara entre em ignição antes do salto da faísca da vela de ignição esse fenômeno é denominado como préignição Esse fenômeno é muito perigoso e deve ser evitado pois pode causar danos severos na cabeça do pistão Entre os fatores que influenciam a detonação no motor Otto desta camse a qualidade do antidetonante do combustível a temperatura e pressão da mistura na câmara o avanço da faísca a qualidade da mistura e a turbulência Quer saber mais sobre os fatores que influenciam a detonação no motor Otto Acesse o link a seguir Máquinas hidráulicas e térmicas Disponível em httpswww feisunespbrHomedepartamentosengenhariamecanicaintranet capitulo13pdf Acesso em 11 jan 2019 Para que tenhamos o bom desempenho dos motores Otto sem a ocorrência de detonação a câmara de combustão deve obedecer a três regras basilares 1 Gerar nível adequado de turbulência para uma combustão rápida e eficiente A turbulência deve ser criada ou potencializada por padrões de escoamento no interior do cilindro listados a seguir a Swirl movimento de corpo rígido do fluxo ordenado e carac terizado por uma rotação ao longo do eixo do cilindro Figura 29a Aumenta a eficiência em carga parcial e previne detonação em carga plena b Tumble similar ao swirl é caracterizado por uma rotação perpendicular ao eixo do cilindro Figura 29b Proporciona elevada potência específica c Squish jato promovido pelo esmagamento da mistura ao final da compressão normalmente direcionado à vela Pode ser gerado pelo fluxo da mistura para o interior de recesso no cabeçote ou no pistão Figura 29c Aumenta a intensidade da turbulência acelerando a combustão Saiba mais 84 U2 Combustíveis e combustão Figura 29 Movimentos de corpo rígido swirl a tumble b e movimento tipo squish c Fonte adaptada de Brunetti 2018 p 417 1 Ser compacta menor caminho percorrido pela chama de frente redução da duração da combustão e consequente redução no tempo de exposição da parte final da mistura arcombustível aos gases queimados 2 Ter relação volumesuperfície VS grande no início do trajeto da chama e pequena no fim A combustão em motores Diesel ocorre por autoignição a válvula de admissão se abre enchendo a câmara com ar em seguida no tempo de compressão este ar é comprimido o que eleva sua temperatura Quando o pistão chega perto do PMS o diesel é injetado em alta velocidade com elevada pressão e se inflama instantaneamente ao depararse com o ar aquecido Essa explosão causa uma grande força de expansão que faz com que o pistão desça para o seu PMI Na próxima meia volta do eixo virabrequim a válvula de escapamento é aberta e o pistão se desloca empurrando todos os resíduos de queima para fora da câmara O tempo entre o instante inicial de injeção e o instante de início de combustão é conhecido como atraso de ignição ou atraso de combustão A Figura 210 apresenta o gráfico da característica da combustão no motor Diesel em função do ângulo da árvore de manivela a b c Figura 210 Característica da combustão no motor Diesel em função do ângulo da árvore de manivelas Fonte Brunetti 2018 p 421 Taxa liberação de calor Jgrau Pressão na câmara MPa Angulo da árvore de manivelas graus Seção 22 Combustão em motores alternativos 85 A primeira região destacada à esquerda corresponde à área da combustão prémisturada no qual se observa um pico na curva da taxa de liberação de calor A segunda região corresponde à área onde temse a combustão controlada pela mistura arcombustível na qual a queima de combustível é um pouco mais uniforme como apresenta a curva de taxa de liberação de calor No motor Diesel o intervalo de tempo entre o início da injeção e o início da combustão é composto por dois processos retardamento físico e retardamento químico que somados constitui no retardamento total no qual se observa que não ocorre o aumento de pressão e tempe ratura na câmara Nesses motores caso o retardamento seja prolongado ocorrerá o acúmulo de combustível injetado que ao se inflamar provocará o aumento brusco da pressão causando uma aspereza intensa no motor BRUNETTI 2018 p 421 Entre os fatores que influenciam na autoig nição no ciclo Diesel destacamse a qualidade do combustível a tempera tura e pressão e a turbulência As câmaras para os motores a Diesel são classificadas em câmaras de injeção direta ou abertas e câmaras de injeção indireta ou fechadas As câmaras de injeção direta são normalmente construídas na coroa do pistão e operam como mecanismos para a produção de turbulência o squish o swirl e a quantidade de movimento do combustível injetado Essas câmaras são utilizadas quando se deseja um comportamento estável do ar para mistura com o combustível reduzindo o gradiente de elevação da temperatura durante a combustão de prémistura gerando menores quantidades de x NO Atualmente as câmaras de injeção direta são rasas e centradas na coroa do pistão e funcionam com injetores também centrados de múltiplos orifícios dispostos radialmente na extremidade do injetor BRUNETTI 2018 p 422 A Figura 211 apresenta os tipos mais comuns de câmaras de injeção direta em motores Diesel 86 U2 Combustíveis e combustão Figura 211 Câmaras de injeção direta em motores Diesel a câmara quiescente de baixa turbulência com injetor multiorifícios veículos comerciais b câmara profunda de swirl eleva do automóveis c câmara de swirl elevado com injetor de apenas um orifício automóveis Fonte Brunetti 2018 p 423 Jatos de combústível Jatos de combústível Jatos de combústível Swirl do ar Swirl do ar a b c Já as câmaras de injeção indireta ou fechadas são construídas no cabeçote e tem o objetivo de promover turbulências de maiores intensidades necessá rias para a rápida mistura do ar com o combustível em motores Diesel de alta rotação As câmaras de injeção direta podem ser divididas ainda em précâ mara turbulenta e précâmara de swirl como mostra a Figura 212 Figura 212 Précâmaras utilizadas em pequenos motores Diesel de injeção indireta a précâ mara de swirl b précâmara turbulenta Fonte Brunetti 2018 p 424 Na précâmara turbulenta Figura 212a quando o pistão se desloca no tempo de compressão o ar é forçado por uma pequena passagem do cabeçote a b Seção 22 Combustão em motores alternativos 87 para uma câmara auxiliar logo acima adquirindo alta velocidade então o combustível é injetado na câmara auxiliar com uma pressão menor do que a pressão utilizada nos sistemas de injeção direta ocasionando na combustão que eleva a pressão e fazendo com que a frente de chama se propague até a câmara principal através de um canal estreito que gera elevada turbu lência BRUNETTI 2018 p 423 Já na précâmara de swirl o combustível é injetado na câmara secundária e entra em combustão parcial com aumento da pressão A mistura em combustão é empurrada para a câmara principal na cabeça do pistão através de passagens projetadas para fazer com que o fluxo tenha um movimento rotativo com grande velocidade induzindo assim o swirl na câmara principal na cabeça do pistão onde se completa a combustão BRUNETTI 2018 p 424 Reflita Após ter estudado sobre a combustão nos motores ciclo Diesel e Otto e conhecer os principais tipos de câmaras de combustão para esses motores por que nos motores Diesel não se pode atingir as mesmas rotações que podem ser atingidas no motor Otto Sem medo de errar Retomando nosso desafio imagine que você é um analista de uma empresa fabricante de motores e atua na área de consultoria Recentemente seu gestor lhe acionou pois uma empresa cliente relatou a presença de um ruído elevado no motor flex adicionalmente além do envio dos pistões do motor com indícios de carbonização Figura 22 a empresa enviou o diagrama p a do motor de ignição por faísca a 4T na rotação de 3500 rpm com avanço de faísca de 30 Figura 23 Figura 22 Pistões com indícios de carbonização Fonte httpsgooglVrmh2Z Acesso em 22 out2018 88 U2 Combustíveis e combustão Quais as possíveis causas do ruído elevado Pode ser um problema relacionado à combustão Quais fenômenos podem causar a carbonização dos pistões É possível representar graficamente o que está acontecendo nesse motor durante a combustão Nesse caso qual o tempo de retarda mento da combustão Ao analisar os pistões mostrados na Figura 22 as causas prováveis da carbonização são a detonação ou a préignição ambos os fenômenos são parecidos pois ocorrem quando a queima do combustível é precoce ou seja antes do tempo ideal No entanto as razões para a ocorrência de cada fenômeno são distintas A autoignição brusca de uma grande massa de mistura ainda não queimada na câmara de combustão é o que conhecemos como detonação Com o avanço da chama principal a partir da ignição da vela a mistura ainda não queimada sofre um aumento na temperatura e é comprimida podendo atingir a temperatura de autoignição do combustível no entanto nesse caso a chama principal não foi capaz de varrer a mistura antes das condições para promover a autoignição assim a mistura entra em combustão repentinamente à volume constante promovendo o aumento brusco da pressão e consequentemente gerando a propagação de choque de ondas provocando um aumento local das tensões assim como o ruído característico conhecido popularmente por batidas de pino ou knock A detonação resulta em um pico de pressão elevada e muito acentuado na câmara de combustão que pode ser representada graficamente pelo gráfico da Figura 213 Figura 23 Diagrama p a de um motor de ignição por faísca a 4T na rotação 3500 rpm Fonte Brunetti 2018 p 432 80 60 40 20 40 20 PMS 20 40 α B A p kgfcm2 Seção 22 Combustão em motores alternativos 89 Figura 213 Detecção de detonação no diagrama p a do motor Fonte adaptada de Brunetti 2018 p 412 PMS Angulo de virabrequim Pressão 0 1 A partir do diagrama p a do motor Figura 23 é possível calcular o retardamento da combustão Primeiramente determinase o tempo gasto para se completar uma rotação Como o motor realiza 3500 rpm a cada minuto temse 3500 1 min 60000 min 1 17 ms rpm rpm t t ms A partir do gráfico fornecido Figura 23 temos que o ângulo de atraso entre a faísca e a combustão é de 10 a atraso Assim o ângulo de retarda mento do motor é igual 30 10 20 avanço atraso a a a a a A partir de uma regra de três simples determina o retardamento do motor em milissegundos 360 17 ms 20 094 ms retardamento retardamento t t A partir das análises você foi capaz de concluir que as possíveis causas do ruído elevado do motor e da carbonização dos pistões podem estar associadas aos fenômenos da detonação ou da préignição Você também foi capaz de representar graficamente o fenômeno da detonação com o gradiente elevado de pressão e aparecimento de oscilações da pressão no final da combustão Por fim você foi capaz de calcular o retardamento do motor conforme foi solicitado pelo seu gestor chegando a um valor de 094 ms 90 U2 Combustíveis e combustão Avançando na prática Avaliação dos ruídos em um motor Diesel Descrição da situaçãoproblema Atuando como engenheiro em uma empresa fabricante de motores Diesel você recebeu do seu gestor o seguinte gráfico p a de um motor Diesel para análise mostrado na Figura 214 Figura 214 Gráfico p a de um motor Diesel Fonte Brunetti 2018 p 436 A partir do gráfico seu gestor solicitou que você o analisasse a fim de produzir uma pequena explicação sobre os fenômenos responsáveis pelos ruídos característicos de um motor Diesel que será inserido em um material para a capacitação dos funcionários da linha de produção sobre o funciona mento de motores Diesel Resolução da situaçãoproblema A detonação ou autoignição são os fenômenos responsáveis pelo ruído característico de motores Diesel Nos motores Diesel o combustível é injetado pouco antes do PMS O combustível entra em contato com o ar a elevadas temperaturas Como a temperatura e pressão do ar estão acima do ponto de ignição do combustível este entra em combustão em poucos instantes A combustão inicial proporciona uma rápida liberação de energia o que provoca uma elevação abrupta da temperatura e pressão no cilindro conforme apresentado no diagrama p a Essa elevação abrupta da pressão produz o ruído característico do motor Diesel 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Pressão pbfm2 180 90 0 90 180 Taxa de queima Ib Ângulo do virabrequim doga Préqueima Difusão 270 360 450 540 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Pressão Taxa de queima de Mayrs Seção 22 Combustão em motores alternativos 91 1 A maioria dos motores de combustão interna obtém sua energia a partir da combustão de uma mistura arcombustível hidrocarboneto com o ar atmosférico que converte a energia química do combustível hidrocarboneto em energia interna nos gases de combustão no interior do motor A combustão em motores de ignição por faísca pode ser dividida em três fases retardamento químico da combustão combustão normal e combustão esparsa Sobre as três fases da combustão assinale a alternativa correta a O atraso da ignição é geralmente caracterizado pelo consumo de 1 a 10 da massa de combustível durante a reação de combustão b Durante o retardamento químico ocorre a ignição e a reação de combustão é iniciada com elevação da pressão e trabalho negativo c A combustão normal é a fase em que praticamente todo trabalho negativo em um ciclo de motor é produzido d Durante a combustão normal a pressão no cilindro é consideravelmente diminuída e isto fornece a força para produzir trabalho no tempo de expansão e Na combustão esparsa ocorre a queima de uma grande quantidade de massa de arcombustível residual e a pressão diminui rapidamente 2 Para uma mistura arcombustível estagnada a velocidade de propagação da chama é relativamente baixa e é denominada velocidade laminar de chama carac terizada pela propagação de frente de chama em um ambiente no qual a turbulência é desprezível Sobre os fatores que influenciam a propagação da chama analise as seguintes afirmações I A turbulência cresce com o aumento da rotação aumentando a velocidade de combustão exatamente quando o tempo disponível diminui II Misturas levemente ricas promovem uma maior velocidade de propagação na frente de chama III Elevadas temperaturas resultam no aumento da velocidade laminar de frente de chama consequentemente maiores velocidades de queima Assinale a alternativa correta em relação às afirmações serem verdadeiras V ou falsas F a IV II V III V b IV II F III V c IV II V III F d IF II V III V e IF II F III F 3 Para que tenhamos o bom desempenho dos motores Otto sem detonação a câmara de combustão deve obedecer a três regras basilares gerar nível adequado Faça valer a pena 92 U2 Combustíveis e combustão de turbulência para uma combustão rápida e eficiente ser compacta e ter relação volumesuperfície VS grande no início do trajeto da chama e pequena no fim Dada as colunas A e B COLUNA A COLUNA B I Swirl A caracterizado por uma rotação perpendicular ao eixo do cilindro II Tumble B movimento de corpo rígido do fluxo ordenado e caracterizado por uma rotação ao longo do eixo do cilindro III Squish C jato promovido pelo esmagamento da mistura ao final da compressão direcionado à vela Assinale a alternativa que apresenta a associação correta das colunas A e B a I A II B III C b I A II C III B c I B II C III A d I B II A III C e I C II A III B Seção 23 Mistura e injeção em ciclo Otto 93 Mistura e injeção em ciclo Otto Diálogo aberto Ao pensar na indústria dos automóveis você já se perguntou sobre todos os estudos e tecnologias que são desenvolvidos e testados até que um automóvel seja lançado no mercado consumidor Uma das preocupações desse tipo de indústria é oferecer um carro que tenha maior potência e menor consumo de combustível Mas quais são as tecnologias implementadas a fim de se obter essas características Nesta seção vamos estudar a injeção direta de combustível que é uma das tecnologias utilizadas para que o motor tenha um menor consumo de combustível e uma maior potência Além desses conteúdos vamos estudar sobre a formação da mistura combustívelar nos motores Otto definição tipo de mistura em relação ao comportamento do motor e curva característica Vamos conhecer o funcionamento do carbu rador o sistema de injeção mecânica e eletrônica para motores Otto e o sistema injeção direta de combustível em ciclo Otto GDI assim como o controle da combustão e emissões de poluentes Portanto para iniciarmos o nosso estudo da seção imagine que você é analista em uma empresa fabricante de motores para automóveis que presta consultoria para diversas empresas nacionais e internacionais e recebeu um cliente interessado na compra de um motor Otto carburado a gasolina 8 18 C H que em cargas médias funciona com uma fração relativa combus tívelar igual a 085 Porém o cliente pretende fazer com que esse motor funcione com etanol 2 6 C H O sem alternar o gicleur principal e com limite pobre igual a 075 É possível fazer essa alteração Quais cálculos deverão ser realizados para verificar se existe a possibilidade de fazer essa mudança Neste caso o que significa limite pobre informado ao cliente O cliente também lhe questionou sobre as principais características da injeção direta Quais são essas características Para conseguir responder esses questionamentos vamos estudar o conceito de fração relativa combustívelar e suas classificações em pobre rica e estequiométrica Nesta seção também estudaremos sobre o sistema de injeção direta e vamos conhecer as vantagens para o funcionamento do motor Vamos iniciar os estudos desta aula Bom trabalho Seção 23 94 U2 Combustíveis e combustão Não pode faltar A propagação da chama no motor Otto depende da proporção de combustível e do ar na mistura O operador do motor Otto é responsável por variar a carga eou a rotação do motor alternando a posição do acelerador que atua sobre a válvula borboleta na entrada do ar no motor controlando a vazão Conhecida a vazão de ar haverá instalado no trajeto um dispositivo automático que tem como função dosar a quantidade correta de combustível para a quantidade de ar admitida Essa dosagem de combustível é realizada por um carburador ou por um sistema injetor BRUNETTI 2018 p 441 Assim é importante conhecer algumas relações importantes Relação combustívelar F é a razão entre as massas de combustível e ar ou a razão entre a vazão mássica de combustível e de ar que formam a mistura c c a a m m F m m 230 Em algumas situações utilizase a relação inversacombustível arcom bustível l l 1 c c a a m m F m m 231 Relação combustívelar estequiométrica Fe é quimicamente a relação combustívelar a partir da combustão completa que será utilizada como referência Por exemplo para a gasolina 8 18 C H e o ar composto em volume por aproximadamente 21 de oxigênio e 79 de nitrogênio temse 8 18 2 2 2 2 2 125 376 8 9 125 376 Ar Combustível C H O N CO H O N A partir da reação de combustão e dos valores dos pesos atômicos dos elementos químicos C 12 gmol H 1 gmol O 16 gmol e N 14 gmol Combustível 8 12 18 1 114 gmol Ar 125 32 47 28 1716 gmol A partir dos pesos atômicos dos elementos químicos l 114 00664 ou 1716 15 1716 114 eF Os valores de eF e l obtidos para a gasolina são utilizados como referência Seção 23 Mistura e injeção em ciclo Otto 95 Exemplificando No caso do etanol anidro 2 6 C H O temos 2 6 2 2 2 2 2 3 113 2 3 113 Ar Combustível C H O O N CO H O N Combustível 2 12 6 1 1 16 46 gmol Ar 3 32 113 28 4124 gmol l 46 0112 ou 4124 89 4124 46 eF Fração relativa combustívelar rF é a razão entre a relação de combus tívelar e a relação estequiométrica de um determinado combustível r e F F F 232 Para rF 1 a mistura denominase pobre rF 1 a mistura denominase rica e para rF 1 a mistura denominase estequiométrica A relação combustívelar do ponto de vista da admissão é o quociente entre as massas do combustível e ar que entram no motor Já do ponto de vista da combustão o comportamento da mistura depende principalmente da homogeneização do vapor de combustível no ar Assim as misturas podem ser classificadas como Limite pobre é a mistura mais pobre em combustível que mantém o funcionamento do motor estável o operando em maximum brake torque MBT ou seja em maior torque possível para a condição de operação Essa é uma situação indesejada Para motores Otto em condições normais o limite pobre ocorre para misturas com rF entre 07 e 085 Mistura econômica mistura levemente pobre na qual o excesso de ar promove a combustão completa e adequada ao combustível admitido Na condição desejada para o motor é a mistura que produz o mínimo consumo específico e contribui para a redução da emissão de monóxido de carbono Mistura de máxima potência mistura levemente rica em que o excesso de combustível promove a combustão completa e adequada ao ar que pode ser admitido pelo motor Em uma determinada rotação e posição do acele rador essa mistura promove a máxima potência Nessa situação aumentase a probabilidade de emissão de monóxido de carbono Limite rico é a mistura na qual o excesso de combustível atrapalha a propagação da chama A vaporização em excesso sem a combustão por falta 96 U2 Combustíveis e combustão de ar promove a diminuição da temperatura na câmara de combustão e a extinção da chama Como consequências ocorre a instabilidade na rotação do motor mesmo sem alterar a posição da borboleta aceleradora e a carga no virabrequim Ultrapassando o limite rico o motor não funciona efeito conhecido popularmente como motor afogado BRUNETTI 2018 p 445 Assim para a determinação da relação combustível e ar é necessário ferramentas que ajudam no dimensionamento do motor e do sistema de alimentação isto é essas ferramentas devem permitir a variação da qualidade da mistura para cada condição de rotação n e da posição a da borbo leta aceleradora ao fixar essas condições as ferramentas devem permitir a variação da massa de combustível admitida BRUNETTI 2018 p 445 As ferramentas utilizadas são o carburador elementar e o sistema de injeção Carburador elementar ferramenta básica para estabelecer a relação combustívelar para o motor já se encontra em desuso devido à introdução da injeção eletrônica O carburador dosava a quantidade de combustível desejada para uma determinada vazão de ar admitida no motor O carbu rador é constituído de uma cuba reservatório na qual é mantido aproxi madamente constante por uma boia o volume do combustível Por meio de uma válvula de agulha a entrada de combustível que é enviado por uma bomba é regulada Uma borboleta aceleradora estabelece uma perda de carga que regula a vazão de ar à qual tem acesso o operador por meio do acele rador BRUNETTI 2018 p 446 O ar passa por um difusor Venturi que na garganta aumenta a velocidade do fluxo causando depressão e consequente mente a sucção do combustível da cuba A vazão do combustível para uma determinada sucção normalmente pode ser dimensionada por uma perda de carga maior ou menor que pode ser estabelecida em função do tamanho do gicleur utilizado Figura 215 Figura 215 Gicleur principal Fonte httpsw1ezcdncombrmasadafotosgrande4992fg1gicleurgicleprincipalcarburadorhonda cg125tintanxx99n115siverstjpg Acesso em 26 nov 18 Assim aumentando a vazão de ar pelo Venturi a velocidade na garganta aumenta aumentando a depressão isto é aumentando a sucção do combus tível mantendo a relação combustívelar aproximadamente constante No entanto essa constante não é real pois o Venturi sente a vazão em volume do ar e a relação combustívelar é em massa De acordo com o aumento da Seção 23 Mistura e injeção em ciclo Otto 97 Figura 216 Curvas de variação do Ce e pme em função da mistura Fonte Brunetti 2018 p 448 velocidade do ar sua densidade diminui ocasionando em uma vazão de massa menor em relação a que seria produzida se o ar fosse incompressível BRUNETTI 2018 p 447 Assim para vazões maiores a mistura possui uma tendência de se enriquecer cada vez mais Sistema de injeção análogo ao carburador elementar fixada a rotação n e a posição da borboleta aceleradora a o sistema de injeção propor ciona a variação da massa de combustível admitida para se obter a relação combustívelar desejada Para se dimensionar um sistema de injeção é imprescindível conhecer o comportamento do motor em cada condição de funcionamento isto é na rotação e na posição do acelerador Dessa forma para um motor instalado em um banco dinamométrico manipulase a qualidade da mistura para cada par de condições rotaçãoposição do acelerador Após fixada a rotação e a posição do acelerador variase a massa de combustível que é admitida restabelecendo sempre a mesma rotação sem agir na abertura da borboleta O gráfico da Figura 216 apresenta as curvas com a variação do consumo específico Ce e da pressão média efetiva pme em função da qualidade da mistura sem movimentar o acelerador mantendo uma rotação constante 98 U2 Combustíveis e combustão O mesmo ensaio para diversas aberturas da borboleta com mesma rotação resultará nas curvas indicadas no gráfico da Figura 217 Figura 217 Variação do consumo específico em função da qualidade da mistura Fr com variação da abertura da borboleta aceleradora mantida rotação constante A fração indica a abertura da borboleta em relação à plena abertura 11 Fonte Brunetti 2018 p 449 Já a Figura 218 apresenta a curva da Figura 217 mas no eixo Y traz a pressão média efetiva mantendo a rotação constante Figura 218 Variação da pressão média efetiva em função da qualidade da mistura variando a abertura da borboleta aceleradora mantida a rotação constante Fonte Brunetti 2018 p 449 Seção 23 Mistura e injeção em ciclo Otto 99 Reflita O sistema de injeção direta para os motores ciclo Otto funciona da mesma maneira que o sistema de injeção direta para motores ciclo Diesel A carga é definida como um percentual do máximo torque para uma dada rotação Assim o gráfico da Figura 219 é construído considerando que rF f carga ou seja que a fração relativa combustívelar é função somente da carga independentemente do torque Assim a Figura 219 apresenta as curvas características do motor em relação à mistura Figura 219 Curva característica do motor em relação à mistura Fonte Brunetti 2018 p 454 A partir da análise da curva característica do motor em relação à mistura observase que a variação da qualidade da mistura adequada para o motor depende da carga não dependendo da rotação em baixas cargas a mistura deve ser rica e ao caminhar para as cargas médias a mistura deve ir empobre cendo para cargas médias e consumo específico mínimo Cemín a mistura deve ser relativamente pobre e de qualidade aproximadamente constante em altas cargas máximo torque e para consumo específico diferente do mínimo a mistura deverá ser enriquecida Para um carburador elementar na curva característica observase que para a borboleta muito fechada a vazão de ar é tão baixa na garganta do Venturi que não ocorrerá a sucção do combustível ao abrir a borboleta a mistura irá se enriquecendo Assim concluise que o carburador elementar 100 U2 Combustíveis e combustão deve ser dotado de sistemas auxiliares para corrigirem sua ineficiência como o sistema de partida a frio sistema de marcha lenta e progressão sistema principal e sistema de aceleração rápida Os sistemas de injeção para motores Otto pode ser mecânico ou eletrô nico O sistema de injeção mecânico é utilizado desde 1925 em motores de avião e não depende dos efeitos da gravitação possibilitando o trabalho em qualquer posição e possui menor sensibilidade ao congelamento A Bosch em 1973 produziu o sistema KEJetronic esse sistema não possui sistema eletrônico de gerenciamento a injeção de combustível ocorre continuamente e apresenta controles de partida a frio marcha lenta aceleração parcial e aceleração total Para o sistema de injeção eletrônica no motor do ciclo Otto quem comanda a ignição é a faísca sendo a taxa de compressão mais baixa para que o combustível não se inflame espontaneamente durante a compressão Nos sistemas de PFI port fuel injection injeção no coletor de admissão o combustível é injetado no sistema de admissão sendo admitido por sucção juntamente com o fluxo de ar durante a abertura da válvula de admissão Assim o injetor para Otto não precisa ser de alta pressão a homogeneização da mistura ocorre no coletor de admissão e se completa no interior do cilindro durante a admissão e compressão A qualidade da mistura deve ser próxima da estequiométrica para que a propagação da chama seja adequada O sistema injetor deve conter um sensor para a vazão de ar para que possa dosar automaticamente a vazão de combustível Entre as vantagens do sistema injetor sobre um sistema de carburação convencional destacamse maior controle da mistura combustívelar maior economia de combustível melhor dirigibilidade principalmente a frio controle automá tico das rotações máximas e mínimas e melhor controle do nível de emissões Os sistemas de injeção eletrônica podem ser classificados quanto à tecnologia analógica ou digital quanto ao número de injetores quanto à sequência de injeção quanto à posição do injetor quanto ao processo de medição da vazão de ar admitido quanto ao processo de controle da relação arcombustível quanto ao combustível utilizado e quanto à diagnose A injeção direta de combustível em ciclo Otto foi motivada devido às vantagens apresentadas nas aplicações em ciclo Diesel como a eficiência térmica ligeiramente superior aos motores de ciclo Otto devido às menores perdas por bombeamento e maiores taxas de compressão que estão direta mente relacionadas com as propriedades de cada combustível A Figura 220 apresenta duas aplicações típicas a injeção indireta de combustível PFI port fuel injection Figura 220a e a direita o sistema de injeção direta de combustível GDI gasoline direct injection Figura 220b Seção 23 Mistura e injeção em ciclo Otto 101 Figura 220 Posicionamento do injetor em a sistema de injeção indireta e b sistema de injeção direta Fonte adaptada de Brunetti 2018 p 481 As menores perdas por bombeamento ocorrem devido à ausência do corpo de borboleta Os combustíveis utilizados no ciclo Otto são limitados pela inflamabilidade assim a nucleação da chama de frente necessita de uma mistura próxima da estequiométrica fazendo necessária a adoção de injeção de combustível diretamente no interior da câmara de combustão BRUNETTI 2018 p 482 O gráfico apresentado na Figura 221 indica a redução obtida quando no consumo específico de combustível está ausente o corpo de borboleta a b Figura 221 Influência da borboleta nas perdas por bombeamento Fonte Brunetti 2018 p 482 pmi bar Ce gkWh 450 400 350 300 250 200 0 2 4 6 8 10 12 4 Com borboleta Sem borboleta A injeção direta permite mais de uma injeção de combustível no mesmo ciclo de combustão resultando em uma menor temperatura no interior da câmara de combustão e maior resistência à detonação assim é possível adotar taxas de compressão mais elevadas e eficientes Outras vantagens da GDI quando comparadas a PFI são maior precisão no controle da mistura arcombustível melhor dirigibilidade controle de emissões de poluentes e 102 U2 Combustíveis e combustão Figura 222 Mecanismo de atomização em injetor do tipo hollowcone Fonte Brunetti 2018 p 483 Atomização do combustível esse processo aumenta a área superficial do combustível em contato com o ar A atomização é caracterizada pelo tamanho médio da gota de combustível injetado Orientação da combustão segundo a orientação da combustão consi derase os sistemas de ignição direta de combustível divididos em três o posicionamento do injetor da vela de ignição e do momento em que ocorre a injeção de combustível A combustão pode ocorrer das seguintes formas orientada pelo jato de combustível sprayguided pela cabeça do pistão e paredes do cilindro wallguided ou pela massa de ar deslocada do interior da câmara de combustão airguided A combustão orientada pelo jato de combustível tem a vantagem de sofrer menor influência da turbulência no interior da câmara para a formação da mistura BRUNETTI 2018 p 489 Combustão homogênea e estratificada queima estratificada do combustível isto é existe a variação da relação arcombustível no interior da câmara de combustão assim têmse regiões ricas até regiões sem qualquer quantidade de combustível dessa forma para garantir a ignição e a evolução melhor consumo de combustível Na injeção direta de combustível desta camse alguns requisitos de combustão e formação de mistura Mecanismo de atomização do spray o combustível ao emergir do injetor possui uma velocidade proporcional à diferença de pressão entre o sistema de injeção e cilindro O atrito e a pressão induzem instabilidades ondulatórias que aumentam até resultar na desintegração e na consequente formação de gotas de combustível cada vez menores devido a efeitos aerodi nâmicos O ângulo do cone a penetração S e diâmetro de gota são parâmetros importantes nesse mecanismo Essas variáveis podem ser obser vadas na Figura 222 Seção 23 Mistura e injeção em ciclo Otto 103 Figura 223 Exemplo de mapa característico de combustão Fonte Brunetti 2018 p 495 Homogênea λ1 Requesito de octanagem Utilização de ar 4 Eficiência volumétrica Homogênea injeção atrasada λ1EGC Baixa emissão de HC Boa estabilidade Baixo consumo de combustível Estratificada injeção atrasada λ1EGR Baixa emissão de NOx Boa estabilidade Baixo consumo de combustível 2 1000 2000 3000 5000 6000 4000 3 1 Carga do motor Rotação do virabrequim rpm da frente de chama garantese a relação arcombustível próxima da estequio métrica pelo menos no entorno dos eletrodos da vela de ignição Para os sistemas de injeção direta de combustível o que definirá a forma que acontecerá a queima estratificada ou homogênea é o desenho do motor associado às propriedades do combustível A Figura 223 apresenta o exemplo de um mapa característico de combustão Na região 1 observase a combustão estratificada caracterizada por baixa carga e baixa rotação com o objetivo de uma melhor eficiência energética Entre os fatores limitantes destacamse a dificuldade de formação da mistura em tempo reduzido e a estabilidade da combustão A região 2 representa a transição entre a combustão estratificada e homogênea cujo objetivo é eliminar por completo qualquer variação de torque do motor proveniente de instabilidade de combustão garantindo a satisfação do motorista e controle de emissões de poluentes Já a região 3 é definida por rotações elevadas e cargas similares àquelas da região 1 A elevação de rotação necessita o funcionamento em relação estequiométrica Por fim a região 4 é caracterizada pelas condições de plena carga do motor em que se deseja o máximo torque que é obtido com uma mistura ligeiramente rica em combustível Nos processos de formação de poluentes a variável determinante nos motores com injeção direta além da relação arcombustível a diferença angular entre a injeção e a centelha de ignição é fundamental Os principais poluentes formados nos MCI são o monóxido de carbono hidrocarbonetos e nitrogênio A Figura 224 apresenta um gráfico da formação de poluentes em função da fase de injeção 104 U2 Combustíveis e combustão Nos motores com injeção direta a emissão de poluentes como a formação de material particulado fuligem é uma preocupação constante A formação acentuada desse poluente acontece quando a injeção de combus tível se aproxima da centelha de ignição De forma semelhante a formação de CO ocorre devido a máformação de mistura em que se tem condições de início de combustão em misturas extremamente ricas Mas como tratar esses poluentes Tanto nos motores em combustão homogênea com injeção direta e indireta com relação estequiométrica é utilizado um catalisador de três vias No entanto ao adotar a queima estratificada além da utilização do catalisador é necessária a utilização de outras tecnologias para o tratamento específico do x NO como o catalisador DeNox o Nox storage e o SCR Assimile DeNox máxima conversão está entre 30 e 50 e a grande vantagem é a resistência à contaminação por enxofre Nox storage máxima conversão na ordem de 90 e é extremamente sensível à contaminação por enxofre e é necessário o sistema de regeneração SCR máxima conversão na ordem de 70 resistente ao enxofre e não necessita de regeneração O controle da razão arcombustível a valores próximos do coeficiente estequiométrico permite o melhor funcionamento dos catalisadores Figura 224 Formação de poluentes em função da fase de injeção Fonte Brunetti 2018 p 501 2500 rpm NMEP65barMAP 1bar SOA BTDC NSHC NSCO NSNOx Emissões líquidas específicas gkWh 25 20 15 10 60 90 120 150 180 210 240 5 0 Seção 23 Mistura e injeção em ciclo Otto 105 Sem medo de errar Trabalhando como analista em uma empresa que fabrica motores para automóveis você recebeu uma empresa cliente que tem interesse em um motor Otto carburado a gasolina 8 18 C H em cargas médias que funciona com uma fração relativa combustívelar igual a 085 Porém o cliente tem interesse que esse motor funcione com etanol 2 6 C H O sem alternar o gicleur principal com o limite pobre igual a 075 É possível fazer essa alteração Quais cálculos deverão ser realizados para verificar se existe a possibilidade de fazer essa mudança O que significa limite pobre O cliente também lhe questionou sobre as principais características da injeção direta Quais são essas características Inicialmente é necessário encontrar a relação combustívelar para a gasolina F considerando a razão combustível a ar rF igual a 085 e o valor de referência da relação estequiométrica para a gasolina igual a eF 0066 temos 085 0066 00561 r r e e F F F F F F F F Sabendo o valor de F devemos encontrar a massa de combustível deman dada pelo motor quando se utiliza gasolina ou seja 00561 1716 9627 kg c c a a c c m F m F m m m m Para o etanol devemos determinar a relação combustívelar F tendo a razão combustível ar Fr 075 limite pobre sabendo que a relação estequiométrica é igual a 0112 075 0112 0084 r r e e F F F F F F F F Sabendo o valor de F devemos encontrar a massa de combustível deman dada pelo motor quando se utiliza etanol lembrando que a massa do etanol é igual a 4124 temos 0084 4124 3464 kg c c a a c c m F m F m m m m 106 U2 Combustíveis e combustão Assim é possível a mudança de combustível para esse motor pois o gicleur quando se utiliza gasolina tem a massa de combustível demandada maior que o mínimo para o funcionamento do motor com etanol O limite pobre é a mistura mais pobre em combustível que consegue manter o funcionamento do motor estável o operando em maior torque possível para a condição de operação Sobre os motores de injeção direta você foi capaz de explicar que as princi pais características desse sistema são o combustível é injetado diretamente na câmara de combustão e não no coletor de admissão Todo o processo e distri buição de queima é feito na quantidade e no tempo adequado O combustível é queimado no local e no momento exato que é necessário Parabéns Você foi capaz de auxiliar o cliente em todos os seus questionamentos Avançando na prática Mistura e injeção em ciclo Otto Descrição da situaçãoproblema Atuando como engenheiro em uma empresa de motores seu gestor solicitou que você calculasse a vazão em massa de combustível que passa pelo gicleur principal de um motor Otto que deve trabalhar a plena carga com rF 11 utilizando etanol de eF 012 Já em cargas médias trabalha com rF 085 Como você deverá proceder Qual o valor da massa de combus tível demandada para esse motor nessas condições Resolução da situaçãoproblema O motor quando opera em plena carga tem rF 11 e para o etanol temos uma razão estequiométrica igual a 012 Assim temos 11 012 0132 r r e e F F F F F F F F Em carga média é dado rF 085 logo determinado a relação combustí velar temos 085 012 0102 r r e e F F F F F F F F Seção 23 Mistura e injeção em ciclo Otto 107 Para determinar a massa que passa pelo gicleur temos F a relação combus tívelar e a massa de ar estequiométrica para o etanol temos 01 412 32 5444 kg 4 c c a a c c m F m F m m m m Logo você foi capaz de calcular a massa de combustível demanda pelo motor igual a 5444 kg que passa pelo gicleur principal do motor Otto Faça valer a pena 1 A relação combustívelar do ponto de vista da admissão é o quociente entre as massas do combustível e do ar que entram no motor Já do ponto de vista da combustão o comportamento da mistura depende principalmente da homogenei zação do vapor de combustível no ar Assinale a alternativa correta quanto a classificação das misturas a A mistura é dita pobre quando é a mistura mais pobre em combustível que mantém o funcionamento do motor estável em menor torque possível para a condição de operação b A mistura é dita econômica quando a mistura é levemente pobre em que o excesso de ar promove a combustão completa e adequada ao combustível admitido c A mistura é dita de máxima potência quando a mistura é levemente rica em que o excesso de ar promove a combustão completa e adequado ao combustível que pode ser admitido pelo motor d A mistura é dita de limite rico quando a mistura tem excesso de combustível e auxilia a propagação da chama e consequentemente auxilia a combustão e A mistura é dita econômica quando a mistura de combustível que mantém o funcio namento do motor estável promove o maior torque possível para a condição de operação 2 A injeção direta permite mais de uma injeção de combustível no mesmo ciclo de combustão resultando em uma menor temperatura no interior da câmara de combustão e maior resistência à detonação assim é possível adotar taxas de compressão mais elevadas e eficientes Em relação aos sistemas GDI e PFI analise as afirmações I Os sistemas GDI proporcionam melhor dirigibilidade que os sistemas PFI II Os sistemas PFI apresentam maior precisão no controle da mistura combustí velar que os sistemas GDI III Os sistemas GDI possuem maior controle de emissões de poluentes que os sistemas GDI 108 U2 Combustíveis e combustão A partir das afirmações é correto somente o que se afirma em a I II e III b II e III c I e III d Apenas em I e Apenas em III 3 Nos processos de formação de poluentes a variável determinante nos motores com injeção direta além da relação arcombustível é a diferença angular entre a injeção e a centelha de ignição Os principais poluentes formados nos MCI são o monóxido de carbono hidrocarbonetos e nitrogênio A figura a seguir apresenta as curvas de formação desses poluentes em função da fase de injeção Com base no gráfico assinale a alternativa correta em relação à formação de poluentes a A emissão de monóxido de carbono é maior para variações menores entre injeção e ignição b A emissão de hidrocarbonetos diminui para variações elevadas entre injeção e centelha c A emissão de óxido de nitrogênio diminui para variações elevadas entre injeção e centelha d A emissão de monóxido de carbono é constante para variações maiores entre injeção e ignição e A emissão de hidrocarbonetos aumenta para variações elevadas entre injeção e centelha Figura 225 Curvas de formação desses poluentes em função da fase de injeção Fonte Brunetti 2018 p 501 2500 rpm NMEP65barMAP 1bar SOA BTDC NSHC NSCO NSNOx Emissões líquidas específicas gkWh 25 20 15 10 60 90 120 150 180 210 240 5 0 AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS Consumo de combustíveis no Brasil subiu 04 na comparação entre 2017 e 2016 Disponível em httpwwwanpgovbrnoticias4334consumodecombustiveisnobrasilsubiu04nacom paracaoentre2017e2016 Acesso em 4 out 2018 AGENCIA NACIONAL DO PETROLEO GAS NATURAL E BIOCOMBUSTIVEIS Biodiesel Disponível em httpwwwanpgovbrbiocombustiveisbiodiesel Acesso em 4 out 2018 BRUNETTI F Motores de combustão interna Volume 1 2 ed São Paulo Blucher 554p 2018 GOVERNO DO BRASIL Governo estabelece adição de 27 de etanol na gasolina Disponível em httpwwwbrasilgovbreconomiaeemprego201503adicaode27deetanolnagasoli naeestabelecidapelogoverno Acesso em 4 out 2018 PORTAL EDUCAÇÃO Produtos e serviços do petróleo Disponível em httpswwwporta leducacaocombrconteudoartigosadministracaoprodutoseservicosdopetroleo52274 Acesso em 11 jan 2019 TURNS S R Introdução à combustão conceitos e aplicações 3 ed Porto Alegre AMGH 420p 2013 BRUNETTI F Motores de combustão interna Volume 1 2 ed São Paulo Blucher 2018 554p TURNS S R Introdução à combustão conceitos e aplicações 3 ed Porto Alegre AMGH 2013 420p Referências Unidade 3 Sistemas de injeção ignição e sensores Convite ao estudo Em algum momento você já tentou dar partida no seu carro e teve dificul dades para ligar o motor Ou então percebeu alguma falha na aceleração Se você já passou por uma dessas situações ou se um dia elas vierem a acontecer saiba que está na hora de verificar o estado das velas de ignição do motor Nesta unidade de ensino você compreenderá os componentes e funcio namento dos sistemas de ignição e sensores Posteriormente avançando em nossos estudos você conhecerá os sistemas de injeção para motores diesel e por fim você será capaz de compreender o consumo de ar nos motores a 4T Para iniciarmos imagine que você atua em uma empresa que presta consultoria e desenvolve projetos de motores de combustão interna Frequentemente a companhia recebe demandas de outras empresas para solucionar problemas relacionados aos sistemas de injeção e ignição aos sistemas de injeção de motores diesel e relativos ao consumo de ar nos motores a 4 tempos No primeiro momento você auxiliará no teste de um motor de quatro cilindros 4T em que será necessário realizar os cálculos de armazena mento e descarga do sistema de ignição do motor Em seguida será o momento de auxiliar uma empresa parceira que lhe enviou um desenho de um elemento do sistema de injeção de um motor 2T para que você estime o volume de combustível injetado durante um ciclo Por fim será a vez de você auxiliar o setor da empresa que trabalha no teste dos motores e nesse momento você ajudará a encontrar o valor da eficiência volumétrica de um determinado motor Mas como você poderá auxiliar a empresa em que trabalha Como você realizará as análises e cálculos necessários Você será capaz de responder esses questionamentos a partir dos estudos desta unidade de ensino Iniciaremos a partir dos sistemas de ignição e sensores em que vamos conhecer os principais componentes o funcio namento desses sistemas e a análise do tempo de ignição Depois vamos estudar os sistemas de injeção para motores diesel bem como os requisitos do sistema o sistema modular de bombas individuais e os sistemas distri buidor e acumulador Finalizaremos nossos estudos aprendendo a analisar o consumo de ar nos motores a quatro tempos Portanto você precisará ser muito persistente e curioso essas são atitudes esperadas dos futuros profissionais Bons estudos Seção 31 Sistemas de ignição e sensores 113 Sistemas de ignição e sensores Diálogo aberto Muitas pessoas são bem cuidadosas com a manutenção de seus carros fazem as revisões programadas pelas montadoras ou levam o carro em algum mecânico de confiança para realizar a manutenção No entanto algumas vezes somos surpreendidos com situações inesperadas como uma bateria descarregada ou a falha do motor Você já tentou dar partida no seu carro hoje Se sim percebeu algo de anormal Infelizmente algumas vezes pode ocorrer de o motor falhar e isso pode indicar um problema no sistema de ignição que será o objeto de estudo Nesta seção vamos estudar sobre o sistema de ignição e os sensores utili zados nos motores de combustão interna e para ingressarmos no assunto vamos imaginar que você trabalha em uma empresa que desenvolve diversos projetos e testes na área de motores de combustão interna que sempre é procu rada por outras empresas parceiras para analisar problemas em sistemas de injeção e ignição Nesse momento um setor da empresa está trabalhando no teste do sistema de ignição de um motor de quatro cilindros 4T Algumas infor mações foram repassadas para você como o gráfico que apresenta as caracte rísticas do sistema de ignição de armazenamento e descarga Figura 31 o valor da tensão disponível na bateria igual a 12 volts o valor da resistência R equivalente da bobina de ignição do enrolamento primário igual a 3W e a indutância L equivalente da bobina de ignição do enrolamento primário igual a 5 mH e que a relação do número de espiras na bobina de ignição é igual a 100 O gestor que está conduzindo o teste informou também que o platinado abre e fecha em um mesmo ângulo e que a rotação do motor é igual a 4000 rpm além de solicitar os cálculos para determinar o valor de armazena mento e descarga bem como o valor da tensão induzida no secundário Seção 31 Figura 31 Representação das características do sistema de igni ção de armazenamento e descarga Fonte Brunetti 2018 534 05 p1 p1 p 02 ms tms t1 A 114 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores A partir desse montante de informações quais cálculos você deverá realizar Como você utilizará esses dados para calcular as variáveis solici tadas pelo gestor Nesta seção vamos compreender sobre o funcionamento do sistema de ignição como o cálculo e atraso do tempo de ignição Bons estudos Não pode faltar Em um veículo o sistema de ignição é o responsável por fornecer a centelha elétrica faísca para cada um dos cilindros dando início à combustão da mistura arcombustível admitida Mais precisamente isso ocorre devido às velas de ignição que estão localizadas no cabeçote do motor na parte superior da câmara de combustão próximo às válvulas de admissão e escapamento Essa posição pode variar de um motor para outro A geração da faísca na vela de ignição depende de uma tensão entre 5 kV a 20 kV de acordo com o motor do seu estado e da sua condição de funcionamento Esses valores são bem superiores aos 12 V disponibilizados pela bateria de chumbo ácido existente no veículo BRUNETTI 2018 Em nosso estudo assumiremos como referência o primeiro sistema de ignição desenvolvido baseado na bobina de ignição centralizada platinado distri buidor e cachimbo Um sistema de ignição deve ser capaz de realizar três funções diferentes mas igualmente importantes 1 Função transformadora o sistema deve ser capaz de elevar a tensão disponível na bateria para valores de tensão necessários para a geração da faísca 2 Função distribuidora o sistema deve distribuir a faísca nos cilin dros na ordem correta de ignição 3 Função avançoatraso automaticamente o sistema deve liberar a faísca no instante correto ao cilindro compatível com o estabelecido no desenvolvimento do motor Os componentes de um sistema de ignição convencional são apresen tados na Figura 32 a seguir Seção 31 Sistemas de ignição e sensores 115 Figura 32 Componentes de um sistema de ignição convencional Fonte Brunetti 2018 p 511 1 Bateria 2 Chave de ignição painel do carro 3 Bobina de ignição 4 Distribuidor de ignição 5 Condensador 6 Platinado 7 Velas de ignição 1 2 3 4 5 6 7 A bateria tem como função armazenar a energia química e conver têla em corrente elétrica Já a bobina de ignição tem a função de elevar a tensão disponibilizada pela bateria para o nível de tensão exigido pelas velas de ignição O distribuidor de ignição faz com que a tensão gerada pela bobina de ignição seja distribuída a cada uma das velas de ignição presentes no motor A alta tensão é transmitida para as velas de ignição em função da rotação do motor através do condensador também conhecido como cachimbo Além da transmissão da corrente elétrica outra função do condensador é impedir a entrada de umidade e de água na vela de ignição O platinado é o componente respon sável por chavear a alta tensão disponibilizada pela bobina de ignição fazendo com que as faíscas geradas pelas velas de ignição sejam geradas somente nos instantes pertinentes e não de forma contínua O funcio namento do platinado e do distribuidor combinados além de permitir que a tensão elevada seja trans mitida a cada vela de ignição a partir da rotação do motor executa a ordem de ignição necessária BRUNETTI 2018 No funcionamento do sistema de ignição a bobina de ignição é construída a partir de um núcleo ferromagnético envolto por dois enrolamentos denominados de enrolamentos primário e secun dário Figura 33 com caracterís ticas semelhantes à de um trans formador de tensão convencional Fonte Brunetti 2018 p 512 1 Figura 33 Detalhes de uma bobina de ignição 1 Núcleo de ferro 2 Enrolamento primário 3 Enrolamento secundário 2 3 116 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores O funcionamento do transformador de tensão se baseia no efeito de indução eletromagnética a partir da transmissão da corrente elétrica por meio de um indutor Por convenção o indutor que recebe a energia provinda de uma fonte de tensão externa normalmente de uma fonte de tensão do tipo alternada é chamado de enrolamento primário Já o indutor que recebe a indução eletromagnética gerada no enrolamento primário na qual a carga é conectada é chamado de enrolamento secundário BRUNETTI 2018 A Figura 34 ilustra o princípio de funcionamento de um transformador Figura 34 Princípio de funcionamento de um transformador Primário LpNp Secundário LsNs Transformador Mudança de fluxo p t ip P v t Sv t gv f f Fonte Brunetti 2018 p 512 A partir da análise da Figura 34 aplicando a Lei de Faraday para o enrolamento primário temse P P d t v t N v dt f é ù ê ú 31 Em que P v t é a tensão aplicada no primário P N é o número de espiras do primário e d f t é o fluxo magnético no enrolamento primário A quantidade de tensão induzida no secundário é definida por M S S d t v t N v dt f é ù ê ú 32 Na qual Sv t é a tensão induzida obtida no secundário S N é o número de espiras do secundário e M df é a parte do fluxo magnético do enrolamento primário d P f t que é fornecido ao enrolamento secundário chamado de fluxo magnético mútuo Admitindo que todo fluxo do enrolamento primário é transmitido para o enrolamento secundário sem perdas é possível reescrever a Equação 32 como S S S d t v t N v dt f é ù ê ú 33 Seção 31 Sistemas de ignição e sensores 117 Assim definese o coeficiente de acoplamento k que é a razão entre o fluxo magnético do enrolamento primário com o fluxo magnético mútuo M P t k t f f 34 O valor do coeficiente magnético nunca será maior que 1 já que o maior valor possível para d M t f é o valor de d P f t Quanto maiores forem o coefi ciente de acoplamento e a indutância nos enrolamentos maior será o valor da indutância mútua M BRUNETTI 2018 Agora considere que os enrolamentos primário e secundário foram acoplados a um núcleo ferroso como mostra a Figura 35 Figura 35 Transformador de núcleo ferro magnético Núcleo ferroso Secundário Ns m m Vs t ZL Np Vg Vp ip Primário Fonte Brunetti 2018 p514 Assim quando a corrente Pi t no primário do transformador for máxima o valor de d M t f também será máximo ou seja P PICO M i t I sen t MAX sen t Wb w f w 35 Em que w é a frequência máxima angular da corrente Pi t IPICO é o máximo valor atingido por Pi t em um período de sinal e M f é o máximo valor atingido por fM t em um período de sinal A partir da relação entre as Equações 35 e 31 obtémse o valor da tensão P v t em termos da Lei de Faraday P M P P P P M d t d t d v t N N N sen t dt dt dt f f w F 36 Derivando a Equação 36 obtémse a tensão P v t por meio da equação 37 cos 90 P P M P P M v t N t v t N sen t w w w w F F 37 De forma análoga obtémse a tensão para Sv t 90 S S M v t N sen t V w w F 38 118 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores Calculando os valores eficazes das Equações 37 e 38 têmse 2 0 1 T Valor eficazes f t dt T ò RMS 39 Em que T é o período ft e ft é a função periódica Assim 444 P P M RMS v t fN V F 310 444 S S M RMS v t fN V F 311 A partir da razão entre as Equações 310 e 311 têmse P P S S v t N a v t N 312 Essa é a principal relação de projeto para um transformador e demonstra como a tensão induzida no secundário é obtida a partir do número de espiras do enrolamento primário e do secundário O fator a é conhecido como constante de transformação Temos que para valores de 1 a o transfor mador em questão é um abaixador de tensão Já para valores de 1 a é um elevador de tensão Além do funcionamento descrito anteriormente sobre o efeito de trans formação utilizando uma tensão alternada a bobina de ignição também utiliza os efeitos transitórios gerados a partir do chaveamento provocado pelo platinado assim o enrolamento primário da bobina de ignição pode ser eletricamente representado por um circuito do tipo RL série onde R é a resistência equivalente do enrolamento e L é o indutor Sabendo que a relação entre tensão e corrente no indutor é definida por L di t v t L V dt 313 E que a tensão transmitida à bobina de ignição é contínua vinda da bateria do veículo existirá somente tensão sobre o indutor primário ou secundário caso ocorra uma variação na sua corrente fornecida BRUNETTI 2018 Dessa forma escrevendo a lei de Kirchhoff das malhas para esse circuito equivalente têmse R L v t v t v t V 314 Em que vt é a tensão aplicada ao circuito RL série equivalente Na aplicação automotiva será uma tensão contínua VBATERIA A partir da manipulação matemática entre as Equações 313 e 314 sabendo que a tensão sobre um resistor pode ser escrita como R v t Ri t V 315 Seção 31 Sistemas de ignição e sensores 119 A corrente it é definida como R L t BATERIA R L t MÁX it V 1e R itI 1e A æ ö ç ç ç çè ø æ ö ç ç ç çè ø æ ö ç ç ç ç çè ø æ ö ç ç ç ç çè ø 316 A variação da corrente D PI é calculada a partir da Equação 317 2 P x I x D 317 Em que x é o valor da resistência equivalente A partir dos valores das variações da corrente e do tempo e da indutância equivalente do enrolamento primário L é possível obter o valor da tensão induzida no primário a partir da Equação 318 P P I v L t D D 318 As variações de corrente e tensão que acontecem no circuito RL que opera em corrente contínua fazem com que o indutor armazene energia na forma de campo magnético Dessa forma quando o platinado fecha o circuito do enrolamento primário o circuito equivalente RL série começa a operar armazenando energia com o crescimento exponencial da corrente resultando em uma indução crescente no campo magnético do indutor O valor da corrente cresce em um primeiro momento de uma forma muito rápida seguida de uma taxa contínua de crescimento até atingir o valor máximo IMÁX Essa taxa de crescimento é definida pela relação R s t L 319 Em que t é denominado a constante de tempo e R e L são respectiva mente os valores da resistência equivalente e da indutância equivalente do enrolamento primário Com a abertura do platinado no circuito equivalente RL série ocorre uma queda brusca da intensidade da corrente passando muito rapidamente do valor máximo para o zero Por essa razão o circuito começa a funcionar no modo descarga de energia em que a variação di t dt da Equação 313 induzirá uma elevada tensão nos terminais do indutor que será ainda maior no enrolamento secundário Assim os níveis de tensão necessários para a geração da faísca na vela de ignição são facilmente atingidos a partir da combinação construtiva transformador e transitória funcionamento do indutor O gráfico da Figura 36 apresenta uma ilustração do funciona mento completo de um sistema de ignição nas fases de armazenamento e de descarga de energia possibilitando a geração da faísca na vela de ignição 120 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores Figura 36 Representação gráfica da corrente it dada em ampere A em função do tempo t em segundos s Fonte Brunetti 2018 p 517 Armazenamento e descarga Sistema de ignição Circuito RL it A Circuito RLC ts Abre platinado Fecha platinado As velas de ignição responsá veis pela liberação da faísca elétrica convertem toda a energia elétrica armazenada na bobina de ignição e são compostas basicamente pelo conector isolante de cerâmica junta e eletrodo A Figura 37 apresenta um esquemático de uma vela de ignição Conector Isolante de cerâmica Junta Eletrodo Figura 37 Componentes de uma vela de ignição Fonte Brunetti 2018 p 518 A partir da relação entre o ciclo de funcionamento de um motor quatro tempos ciclo Otto com o gráfico da corrente em função do tempo Figura 36 é possível determinar o valor da tensão para a geração da faísca em função da quantidade de cilindros do motor e de sua rotação Para um motor a quatro tempos a cada volta do eixo do comando de válvulas têmse duas voltas do virabrequim do motor Sendo assim o período em segundos a partir da rotação do eixo distribuidor do sistema de ignição é dado por 1 s 120 eixo motor T ærpm ö ç ç çè ø 320 Seção 31 Sistemas de ignição e sensores 121 Assimile A rotação do eixo do distribuidor pode ser obtida pela expressão 120 rpmmotor 321 Em que se obtém a rotação em rps O denominador 120 é resultado do produto entre o número 2 que indica que o eixo do distribuidor gira à metade da rotação do motor e o número 60 que é o fator para conversão de minutos em segundos Exemplificando Para um motor com rotação igual a 50 rps determine o período do eixo em segundos a partir da rotação do eixo distribuidor do sistema de ignição Resolução sabendo que a rotação do motor é de 50 rps basta substi tuirmos esse valor na equação 1 s 120 eixo motor T ærpm ö ç ç çè ø No entanto fique atendo às unidades de medida dadas no enunciado Nesse exemplo já temos a rotação em rps dessa forma devemos inserir esse valor diretamente como denominador na equação 1 ou 002 s 50 Teixo Portanto concluise que o período do eixo é igual a 002 segundos O tempo para uma faísca é determinado entre a razão do valor da rotação do eixo do distribuidor que para fins didáticos vamos chamar de rps e a quantidade de cilindros no motor Equação 322 1 1 rps Tempo para faísca quantidade de cilindros 322 O eixo do distribuidor possui um ressalto acoplado que tem como função a abertura e o fechamento do platinado em função da rotação do motor O tempo em que o platinado fica fechado é obtido pela Equação 323 1 2 Tempo para faísca Tempo que o platinado é fechado 323 Já o número de ressaltos é igual ao número de cilindros existentes no motor Então sabendo o número de ressaltos o período do eixo do rotor e o número de cilindros do motor z é possível calcular o intervalo de tempo 122 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores em que ocorre o armazenamento de energia na bobina de ignição a partir da Equação 324 EIXO armaz platinado T z t s t æ ö ç ç çè ø 324 Em que tplatinado é o intervalo de tempo no qual o platinado permanece fechado O crescimento da corrente no primário é essencial para a geração da faísca com uma energia consistente Esse crescimento é função do tempo em que o platinado se mantém fechado sendo possível definir um intervalo angular entre a abertura e o fechamento que é conhecido como dwell ou ângulo de permanência o qual expressa um valor relativo percentual capaz de indicar o tempo de armazenamento no qual o sistema de ignição armazena energia correlacionado com a variação em graus do eixo do distribuidor Assim têmse 100 360 armaz res dwell n g æ ö ç ç ç çè ø 325 Em que garmaz é o tempo de armazenamento em graus e res n é o número de ressaltos Ao estudarmos os motores de ignição por faísca vimos que existe um retardamento químico na reação de combustão da mistura arcombustível o que exige que a liberação da faísca ocorra antes da chegada do pistão no PMS finalizando a etapa de compressão A antecipação da faísca garante que a combustão ocorra por completo resultando na máxima pressão do cilindro no momento em que o pistão iniciar a etapa de expansão do ciclo A liberação da ignição em um breve instante anterior ao pistão atingir o PMS resulta na realização de um trabalho negativo 0 W com um posterior trabalho positivo 0 W depois do PMS facilitando a subida e a descida do eixo do virabrequim logo após a queima A Figura 38 mostra esses trabalhos qualitativamente Seção 31 Sistemas de ignição e sensores 123 Figura 38 Variação da pressão p em função do ângulo percorrido pelo virabrequim Ângulo da virabrequim PMI W0 W0 Sem combustão Ponto de ignição Antes do PMS Após o PMS Ângulo de avanço da ignição PMS PMI Pressão na câmara de combustão bar 40 20 0 1800 900 00 900 1800 00 900 1800 2700 3600 Fonte Brunetti 2018 p 525 A Figura 39 ilustra o que acontece dentro da câmara de combustão quando a ignição é muito adiantada b Z ou muito atrasada c Z em relação ao ponto ideal a Z Figura 39 Diagrama de combustão com ignição muito adiantada b Z ou muito atrasada c Z respectivamente Fonte Brunetti 2018 p 525 Pressão na câmara de combustão bar 40 30 20 10 0 750 500 250 00 250 500 750 Antes do PMS b a c Z a Z c Z b Após o PMS Ângulo de avanço da ignição A partir do gráfico da Figura 39 é possível observar que se o sistema liberar a faísca muito atrasada em relação ao ponto ideal ocasionará em um trabalho positivo muito pequeno No entanto caso a faísca seja liberada com muita antecedência além de provocar um trabalho negativo grande poderá provocar a detonação no interior da câmara de combustão BRUNETTI 2018 Outro ponto importante é que o atraso é quase independente da 124 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores rotação assim quanto maior for a rotação maior será o ângulo do virabre quim que corresponde ao atraso fato que pode ser observado na Figura 310 Figura 310 Ângulo do virabrequim a que corresponde ao atraso em baixa ou alta rotação mantido o avanço de ignição p Faísca Retardamento n alta Retardamento n baixa Alta rotação Baixa rotação Fonte Brunetti 2018 p 526 Assim é possível concluir que o aumento da rotação do motor é neces sário para promover o avanço da ignição que é uma função de duas variá veis a rotação do motor e a carga exigida Reflita Quando o motor trabalha em regime de mistura pobre isto é em baixa carga a velocidade de propagação da chama é menor Nesse caso o avanço da ignição deverá ser maior ou menor O uso de sensores nos motores tem como objetivo indicar o funciona mento do motor Assim alguns tipos de sensores são utilizados por exemplo Sensores de rotação e fase de motor a unidade de comando do motor necessita identificar a posição em que se encontram os pistões a cada instante e a velocidade de rotação do motor O sensor de rotação tem como função de medir o sinal de rotação sincronizando o motor e o sistema de gerencia mento O sensor de fase tem como função identificar o momento correto de início da ordem de ignição Sensores de pressão e temperatura do coletor de admissão disponibi liza informações simultâneas de pressão e temperatura do ar admitido para unidade de comando Essas informações são utilizadas para determinar a Seção 31 Sistemas de ignição e sensores 125 quantidade de combustível para uma combustão otimizada e no cálculo de avanço do ponto de ignição BRUNETTI 2018 p 538 Sensor de posição da borboleta componente que controla preci samente o fluxo do ar que vai na direção do coletor de admissão para que ocorra a combustão interna juntamente com o combustível Caudal de ar sensor que utiliza o princípio do fio quente ou filme quente que é aquecido pela passagem elétrica e arrefecido pela passagem do ar no coletor de admissão Se o sensor for mantido a temperatura constante a transferência de calor para o ar será proporcional ao seu caudal mássico Sensor de temperatura é necessário medir a temperatura em diversos locais do motor como a do liquido de arrefecimento e a do ar de admissão por exemplo A temperatura do líquido de arrefecimento é utilizada para identificar o aquecimento do motor e os sobreaquecimentos Já a tempe ratura do ar de admissão é utilizada no cálculo do avanço da ignição e da injeção e atualmente é utilizado conjugado com o sensor de pressão em um único sensor Sensor de detonação Knock permite avaliar a ocorrência da detonação durante a combustão da mistura arcombustível pela medida do nível de vibração Identificando o knock o controlador reduz o avanço da ignição em todos os cilindros ou cilindro a cilindro caso exista esse tipo de sensor em cada câmara de combustão Não deixe de aprofundar seus estudos sobre os sensores em motores de combustão interna lendo o material indicado LAGANÁ A AM M Apostila de sensores Escola Politécnica da USP Sd Disponível em httpsedisciplinasuspbrpluginfilephp241350 modresourcecontent1Apostila2BSensores03pdf Acesso em 31 jan 2019 Sem medo de errar Atuando em uma empresa que trabalha no projeto e no teste de motores você auxiliará uma equipe que está trabalhando no teste do sistema de ignição de um motor de quatro cilindros 4T Você recebeu algumas infor mações como o gráfico que apresenta as características do sistema de ignição de armazenamento e descarga Figura 31 o valor da tensão disponível na bateria igual a 12 volts o valor da resistência R equivalente da bobina de ignição do enrolamento primário igual a 3W e a indutância L equivalente da Saiba mais 126 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores bobina de ignição do enrolamento primário igual a 5 mH e que a relação do número de espiras na bobina de ignição é igual a 100 Também você recebeu uma informação do gestor que está conduzindo o teste que o platinado abre e fecha em um mesmo ângulo e que a rotação do motor é igual a 4000 rpm além de solicitar os cálculos para determinar o valor de armazenamento e descarga e o valor da tensão induzida no secundário Figura 31 Representação das características do sistema de ignição de armazenamento e descarga 05 p1 p1 p 02 ms tms t1 A Fonte Brunetti 2018 p 534 Quais cálculos você deve realizar Como você utilizará esses dados para calcular as variáveis solicitadas pelo gestor A partir dos dados fornecidos temos VBateria 12 V 3 R W e 6 10 3 L Henries O motor opera numa rotação de 4000 rpm e se despreza todas as perdas e a relação do número de espiras a entre o secun dário e o primário é 100 A quantidade de cilindros é igual a 4 Dessa forma temos que inicialmente calcular a rotação do eixo do distribuidor 4000 333 rps 120 120 rpmmotor Posteriormente calculase o tempo para 1 faísca e o tempo que o plati nado fica fechado 1 1 1 333 1 75 ms ou s 4 1332 rps Tempo para faísca quantidade de cilindros Logo o tempo de armazenamento e descarga é igual a 75 ms Já o tempo que o platinado fica fechado é dado por 1 1 1 1332 s 2 2 2664 Tempo para faísca Tempo que o platinado é fechado A partir do tempo que o platinado é fechado é possível calcular a corrente atingida Seção 31 Sistemas de ignição e sensores 127 3 3 1 2664 188 610 12 1 1 41 4 085 34 A 3 R t L BATERIA P V I e e e R æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø Assim a variação da corrente é obtida pela relação 3 3 34 51 A 2 2 2 P x x I x D A partir do valor da variação da corrente temos que calcular a tensão induzida no primário O valor do t D é obtido pela análise do gráfico forne cido Assim temos que 3 02 ms 02 10 s t D dessa forma 3 3 51 6 10 153 02 10 P P I v L V t D D A partir do valor da tensão induzida no primário é possível obter o valor da tensão induzida no secundário através da expressão 153 100 153 kV S P v v a Assim o valor da tensão induzida no secundário é igual a 153 kV Finalizando temos que a partir das informações recebidas você foi capaz de calcular o valor de armazenamento e descarga chegando em um valor igual a 75 ms e a tensão induzida no secundário igual a 153 kV Assim a partir dos dados foi possível concluir que a tensão induzida no secundário é obtida diretamente a partir do número de espiras do enrolamento primário Cálculo das características de um sistema de ignição Descrição da situaçãoproblema Recém contratado em uma empresa que fabrica motores para automó veis você foi acionado pelo engenheiro responsável para analisar um sistema de ignição por bateria de um motor de quatro cilindros a 4T O engenheiro responsável lhe passou algumas informações e solicitou que você calculasse o valor da corrente atingida no primário A caracte rística do primário do sistema de ignição é dada pela Figura 311 Avançando na prática Figura 311 Característica do sistema de ignição Fonte Brunetti 2018 p 535 01 ms 10 ms 18 ms 18 ms tms A x3 x p 128 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores O sistema opera com uma tensão de alimentação igual a 12 V com resis tências e indutâncias equivalentes da bobina de ignição iguais a 3W e 8 mH respectivamente A relação do número de espiras do primário para o secun dário é igual a 85 Como você encontrará o valor da corrente no primário Resolução da situaçãoproblema A partir dos dados mencionados para o cálculo do valor da corrente que atinge o primário temos 3 3 0010 375 8 10 12 1 1 41 390 A 3 R t L BATERIA P V i e e e R æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø Dessa forma você foi capaz de concluir que o valor da corrente no primário é igual a 39 A e que o crescimento desse valor é fundamental para a geração de uma faísca com uma energia consistente do sistema de ignição 1 O sistema de ignição de um veículo é responsável por fornecer a centelha elétrica para cada um dos cilindros dando início à combustão da mistura arcombustível admitida Esse fenômeno ocorre devido as velas de ignição que estão localizadas no cabeçote do motor na parte superior da câmara de combustão próxima às válvulas de admissão e escapamento Assinale a alternativa que apresenta corretamente as três funções principais de um sistema de ignição a Transformadora distribuidora avançoatraso b Transformadora armazenadora distribuidora c Armazenadora distribuidora indutora d Transformadora indutora distribuidora e Armazenadora indutora avançoatraso 2 O uso de sensores nos motores de combustão interna tem como finalidade indicar o funcionamento do motor Os diversos tipos de sensores são os de rotação e fase de motor os de pressão e temperatura do coletor de admissão de posição da borboleta caudal de ar de temperatura e de detonação Analise as informações das colunas A e B Faça valer a pena COLUNA 1 COLUNA 2 I Sensor de fase A Sensor que utiliza o princípio do fio quente ou filme quente que é aquecido pela passa gem elétrica e arrefecido pela passagem do ar no coletor de admissão Seção 31 Sistemas de ignição e sensores 129 Assinale a alternativa que correlaciona corretamente as informações das colunas 1 e 2 a IA IIB IIIC IVD b IC IID IIIB IVA c IA IIC IIIB IVD d IC IIA IIID IVB e IB IIA IIID IVC 3 Um sistema de ignição apresenta VBateria 12 V 3 R W e 6 10 3 L Henries O motor é a 4T de 4 cilindros e opera numa rotação de 3000 rpm A característica do circuito de carga e descarga é indicada na figura Desprezamse todas as perdas e a relação do número de espiras a entre o secundário e o primário é 90 Qual a tensão induzida no secundário Assinale a alternativa que apresenta o valor correto da tensão induzida no secundário a 55 kV b 166 kV c 15 V d 1665 V e 15 kV II Sensor de pressão B Componente que controla precisamente o fluxo do ar que vai na direção do coletor de admissão para que ocorra a combustão interna juntamente com o combustível III Sensor posição da borboleta C Tem como função identificar o momento correto de início da ordem de ignição IV Caudal de ar D As informações obtidas são utilizadas para determinar a quantidade de combustível para uma combustão otimizada e no cálculo de avan ço do ponto de ignição 130 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores Sistemas de injeção para motores diesel Diálogo aberto No inverno é comum alguns motoristas terem problemas para dar partida no motor do carro Você já passou por essa situação de ficar tentando dar partida no motor e não ter resposta E já reparou que esse fato ocorre principalmente em automóveis abastecidos exclusivamente com etanol A razão para que essa falha ocorra está relacionada com o sistema de injeção No carro a álcool esse sistema vaporiza o etanol que ao se misturar com o ar no interior do cilindro é queimado a partir do início da reação de combustão O problema está no fato de o etanol se condensar em temperaturas abaixo de 15 C atrapalhando a formação da mistura combustívelar ideal para que ocorra a combustão Já nos motores diesel não temos esse problema visto que utilizam bicos injetores capazes de injetar o combustível em elevadas temperaturas e pressões Quanto ao sistema distribuidor este é utilizado em tratores de pequeno porte e motores geradores e o sistema acumulador é aplicado em motores de passeios utilitá rios locomotivas e outros meios de transporte devido ao comando eletrônico Mas os modernos sistemas de injeção diesel desenvolvidos a partir de tecno logias inovadoras realmente oferecem a redução do consumo de combustível Reduzem a emissão de poluentes Nesta seção vamos estudar os sistemas de injeção para motores diesel Para dar início aos nossos estudos lembrese que você está atuando em uma empresa que trabalha no projeto e teste de diversos motores de combustão interna Essa companhia é muito procu rada por empresas parceiras para analisar e solucionar problemas relacionados aos sistemas de injeção e ignição aos sistemas de injeção de motores diesel e relativos ao consumo de ar nos motores a 4 tempos Nesse momento sua equipe ficou respon sável pela análise de um motor diesel e de seu respectivo sistema de injeção fabricado por uma empresa parceira Ao verificar o laudo emitido você verificou que na representação esquemática os componentes do sistema de injeção não foram corretamente identificados como mostra a Figura 312 Seção 32 Figura 312 Representação do sistema de injeção Fonte Brunetti 2012 p 45 Seção 32 Sistemas de injeção para motores diesel 131 Assim você ficou encarregado de identificar os componentes numerados de 1 a 13 do sistema de injeção Quais são esses componentes que fazem parte do sistema de ignição Nesta seção estudaremos os requisitos do sistema de injeção em motores diesel os diferentes tipos e características além de conhecermos o sistema modular de bombas individuais unidades injetoras tipo bombabico e tipo bombatubobico Vamos aprender sobre o funcionamento dos bicos injetores e do sistema distribuidor assim como o sistema distribuidor e Common Rail Bons estudos Não pode faltar No motor diesel a injeção do combustível finamente nebulizado e a alta pressão ocorre diretamente na câmara de combustão ao final do tempo de compressão e durante o de expansão Para que a nebulização e a distribuição do combustível ocorram corretamente o sistema de injeção deve seguir alguns requisitos como aponta Brunetti 2012 p 27 Dosar a quantidade correta de combustível em cada cilindro em função da carga e da rotação desejadas Distribuir o combustível finamente nebulizado facilitando sua mistura com o ar Dar início a injeção no momento correto Injetar o combustível com a velocidade de injeção desejada taxa de injeção Dosar o combustível com taxas de injeção adequadas Finalizar a injeção instantaneamente sem provocar gotejamento ou pósinjeção Para que esses requisitos sejam atendidos nos motores diesel utilizamse os seguintes tipos de sistema de injeção Sistema de bombeamento individual possuem três configura ções básicas 1 os elementos bombeadores são montados em conjunto numa estrutura que possui um eixo de ressaltos comum para seus aciona mentos bomba em linha 2 os elementos bombeadores são associados à linha de injeção e portainjetor formando conjuntos completos para cada cilindro do motor acionados por um eixo de ressaltos comum montado no bloco do motor bombatubobico 3 com uma unidade integrada de elemento bombeador e bico injetor para cada cilindro do 132 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores motor acionada por eixo de ressaltos montado no cabeçote bombabico BRUNETTI 2012 Sistema de bomba distribuidora ou rotativa com regulagem mecânica ou eletrônica é utilizada uma bomba de um único elemento bombeador acoplado a um sistema distribuidor rotativo para dosar o combustível para cada cilindro do motor Sistema acumulador é utilizada uma única bomba para a compressão do combustível e elementos dosadores individuais para cada cilindro do motor Esse é o método mais usual na atualidade O sistema de bomba em linha é formado por uma bomba com eixos de ressaltos e possui um elemento dosador para cada cilindro Um regulador da variação da quantidade de combustível por ciclo débito e da velocidade que pode ser mecânica ou eletrônico é conectado à bomba injetora A Figura 313 apresenta um sistema de bomba em linha para um motor de seis cilin dros e seus principais componentes Figura 313 Sistema individual de injeção bomba em linha 1 Tanque de combustível 2 Regulador 3 Bomba alimentadora ou de transferência 4 Bomba injetora 5 Avanço do ponto de injeção 6 Eixo do motor 7 Filtro de combustível 8 Dreno de ar 9 Conjunto portainjetor 10 Linhas de retorno do conjunto portainjetor 11 Linhas de retorno da bomba Fonte Brunetti 2012 p 29 1 3 2 11 10 9 7 8 6 5 4 O regulador 2 é o componente do sistema de injeção que controla automaticamente as condições de injeção e estabelece a rotação máxima do motor evitando que ocorra sobrevelocidades Nesse componente são montadas as alavancas que fazem a ligação com o operador do motorveí culo BRUNETTI 2012 Já a bomba injetora tem como função acrescentar pressão no combustível e enviálo ao injetor no momento correto e na quantidade adequada para cada ciclo Os componentes da bomba normal mente são lubrificados pelo óleo lubrificante do motor conferindolhes robustez e durabilidade Seção 32 Sistemas de injeção para motores diesel 133 Assimile A lubrificação é a técnica na qual se utiliza a aplicação de uma camada chamada lubrificante para reduzir o atrito e o desgaste entre os compo nentes de um equipamento Outro tipo de bomba utilizada no sistema em linha é apresenta na Figura 314 que se refere a uma bomba tipo P fabricada pela Bosch Figura 314 Bomba Bosch tipo P Nessa bomba o débito para a variação da carga e da rotação do motor é reali zada a partir do giro do pistão do injetor 5 O excêntrico 13 é o elemento que define o curso constante do pistão Durante o movimento descendente do pistão da bomba o combustível fornecido pela bomba de transferência preenche o volume do cilindro 4 Novamente o pistão da bomba é movimentado pelo excêntrico ultrapassando a abertura do comando no cilindro estabelecendo o escoamento do combustível através da válvula 3 e do portaválvula 1 seguindo para o injetor Em um determinado instante do deslo camento do pistão da bomba o sulco helicoidal do pistão conecta a câmara de combustível pressurizado com o conduto de retorno interrompendo a injeção conse quentemente o combustível em excesso retorna para o tanque 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Fonte Brunetti 2012 p 29 A quantidade de combustível injetado por ciclo é controlada pelo giro do pistão injetor por meio de uma haste de regulagem ou cremalheira 7 fazendo que o rasgo helicoidal de controle descubra o orifício de comando em diferentes posições do seu curso BRUNETTI 2012 Já a válvula de entrega ou de alívio de pressão 3 tem como função manter cheio de combustível o conduto de injeção de maneira que a injeção ocorra de imediato Ao atingir a posição de fim de injeção o rasgo helicoidal do pistão injetor faz com que a bomba inicie seu processo de fechamento devido ao alívio da pressão Os sistemas modulares de bombas individuais controladas eletronica mente são as unidades bombabico e bombaturbobico A vantagem dos sistemas modulares é a construção robusta e compacta características que favorecem a obtenção de pressões de injeção elevadas superiores a 2000 134 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores bar injeção otimizada alta durabilidade e menores problemas decorrentes da contaminação de combustíveis Para determinar as condições de funcio namento desses sistemas são utilizados mapas de calibração existentes na unidade de comando eletrônico BRUNETTI 2012 As unidades injetoras tipo bombabico são módulos injetores de um cilindro constituídos por uma bomba de alta pressão bico injetor e válvula eletromagnética Essas unidades são montadas no cabeçote e são acionadas por um balancim que por sua vez é acionado por um ressalto existente no eixo de comando do motor A Figura 315 apresenta um esquemático de uma unidade injetora do tipo bombabico Figura 315 Esquemático de uma unidade injetora do tipo bombabico O combustível entra pelo orifício de admissão 16 com a válvula desenergizada e flui através dos dutos internos diretamente para o orifício de retorno 15 possibilitando o enchimento da câmara da bomba durante o curso de retorno do pistão 3 que é impul sionado pela mola de retorno 1 No ciclo posterior com o pistão 3 impulsionado pelo eixo de ressaltos e pelo seu balancim para bombear o combustível e com a energi zação da válvula magnética o circuito de retorno se fecha e o combustível à alta pressão é bombeado ao bico 20 Quando a intensidade da onda de pressão ultrapassa os valores de prétensão da mola do bico 18 o injetor se abre permitindo a nebulização do combustível na válvula do combustível na câmara de combustão do motor Fonte Brunetti 2012 p 31 Com a desenergização da válvula novamente abrese o canal de retorno de combustível a pressão de injeção diminui rapidamente e a injeção é encer rada BRUNETTI 2012 Já a unidade injetora tipo bombatubobico funciona de forma semelhante às unidades injetoras tipo bombabico se diferenciando na construção Nesse caso o bico e a bomba não são integrados em um único componente A Figura 316 apresenta a montagem dos componentes do sistema no motor Nesse sistema a bomba de alta pressão 6 é montada no bloco do motor onde também existe o eixo de comando com os ressaltos de injeção 7 Já o conjunto portainjetor 1 constituído pelo bico injetor 3 é montado na região central do cabeçote do motor A bomba e o injetor são conectados por um curto tubo de alta pressão Seção 32 Sistemas de injeção para motores diesel 135 Figura 316 Unidade injetora tipo bombatubobico 1 4 5 6 7 2 Fonte Brunetti 2012 p 32 A válvula magnética das unidades injetoras modulares é acionada pela unidade de comando eletrônica que recebe todos os sinais emitidos pelos sensores instalados no sistema tais como os sensores de posição do pedal do acelerador de rotação e posição do virabrequim do motor de pressão e temperatura do óleo e da água Pesquise mais A unidade de comando eletrônica é um dos principais componentes do sistema de injeção Dessa forma se aprofunde nos estudos desse componente acessando o material a seguir o qual apresenta a compo sição e funcionamento da unidade de comando eletrônica DIAS A Injeção eletrônica UCEECU unidade de comando eletrônico Carros Infoco Os bicos injetores são componentes muito precisos e tem como função nebulizar finamente o combustível na câmara de combustão Dessa forma quanto melhor for a pulverização maior será a eficiência térmica do motor Em razão dessa característica obtémse economia de combustível e menor emissão de gases poluentes Nos modernos motores diesel são utilizados bicos injetores capazes de suportar pressão e tempe ratura elevadas aspecto importante para que o motor tenha um melhor desempenho Nos motores de injeção direta são mais utilizados os bicos de pino 317a enquanto nos motores de injeção direta o bico agulha 317b é o mais utilizado 136 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores Figura 317 Bicos injetores tipo a pino e b agulha e seus componentes FontehttpsptwikipediaorgwikiInjeC3A7C3A3oeletrC3B3nicamediaFileInjetor combustC3ADvelJPG httpsenwikipediaorgwikiUnitinjectormediaFileDelphiE1UnitInjectorJPG Acesso em 1 fev 2019 Os bicos de pino têm como vantagem a manutenção menos frequente uma vez que o próprio movimento do pino promove a limpeza dos depósitos Já os bicos agulha são muito utilizados devido a necessidade de uma melhor nebulização do combustível Nesse tipo de bico podem ser utilizados um ou mais orifícios de pequenos diâmetros Sistema distribuidor ou de bomba rotativa esse sistema é composto por uma bomba compacta conectada a um regulador A lubrificação pelo próprio combustível e sua construção compacta traz vantagens no custo no entanto esse sistema é muito sensível a combustíveis contaminados e ou mal filtrados BRUNETTI 2012 Exemplificando O diesel mineral de baixa qualidade por exemplo provoca a incrustação de resíduos sólidos nas linhas de condução do combustível Esse sistema é utilizado em pequenos tratores e motores de geradores A Figura 318 apresenta um exemplo de bomba tipo rotativa Figura 318 Bomba rotativa Fonte Brunetti 2012 p 34 Camisa dosadora Pistão distribuidor Válvula de saída entrada de combustível Ponta de entrada de combustível Ajuste de rotação de marcha lenta Ajuste de rotação máxima Governador centrífugo Bomba de palhetas Rolete Prato de ressaltos Avanço tempo de injeção Seção 32 Sistemas de injeção para motores diesel 137 Na bomba injetora a bomba de palhetas é responsável por alimentar um distribuidor através de uma válvula de medição ou dosadora que tem como função dosar o débito em função da carga desejada O volume entre os êmbolos é alimentado por um canal do cabeçote que ao girar conecta outro canal de comunicação com os injetores de cada cilindro ao mesmo tempo os êmbolos são deslocados para o centro pela ação do anel excêntrico BRUNETTI 2012 O cabeçote hidráulico funciona simultaneamente como bomba injetora e como distribuidor Assim o combustível flui da bomba de palhetas no mesmo instante em que o cabeçote gira passando pela válvula de admissão onde é dosado Em um determinado instante o canal de admissão conecta com um dos canais de alimentação do rotor central nesse momento o combus tível escoa pelo canal central entre os pistões bombeadores Posteriormente ao girar o rotor fará a conexão entre o canal central com um dos canais que alimentam o injetor ao mesmo tempo em que os pistões são empurrados para o centro pelo ressalto do anel de ressaltos BRUNETTI 2012 O sistema acumulador ou tipo Common Rail é constituído basicamente por uma bomba principal 1 que tem como função fornecer combustível em alta pressão a uma galeria comum 2 que disponibiliza o combustível para todos os injetores 4 Esse processo de injeção é controlado pela progra mação e mapas armazenados da unidade eletrônica de comando 3 que aciona eletricamente cada um dos injetores A Figura 319 apresenta um esquemático desse sistema Figura 319 Sistema Common Rail Fonte Brunetti 2012 p 36 138 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores No sistema Common Rail a produção da pressão e a injeção são processos independentes Enquanto a bomba fornece combustível sobre pressão em baixas rotações do motor o momento e a quantidade de injeção são calcu ladas na unidade de comando eletrônico assim ocorre o acionamento elétrico dos injetores para uma injeção mais precisa independentemente das tolerâncias dos elementos mecânicos do motor Esse tipo de sistema é aplicado desde motores para carros de passeios e utilitários até em locomo tivas e navios sendo que sua principal vantagem é associar a alta pressão de injeção com a possibilidade de realizar injeções múltiplas préinjeção injeção principal e pós injeção A bomba de alta pressão disponibiliza combustível adequadamente pressurizado em todas as faixas de funcionamento do motor em toda sua vida útil Reflita No sistema de injeção caso ocorra algum problema na bomba de alta pressão quais serão as consequências para o motor No motor diesel a bomba de alta pressão é montada preferencialmente ao lado da bomba injetora distribuidora A bomba é acionada pelo motor por meio de acoplamento engrenagem corrente ou correia dentada e sua lubrificação é realizada pelo combustível ou óleo lubrificante do motor A Figura 320 apresenta os principais componentes da bomba de alta pressão Fonte Brunetti 2012 p 37 Figura 320 Bombas de alta pressão 1 Eixo de acionamento 2 Ressalto excêntrico 3 Pistão da bomba 4 Câmara do pistão 5 Válvula de aspiração 6 Válvula de escape 7 Ligação de alta pressão para o rail 8 Válvula volumétrica MPROP 9 Retorno de combustível 10 Admissão combustível tanque 11 Admissão combustível filtro 12 Canal de baixa pressão para o elemento da bomba 13 Bomba de engrenagens 11 7 8 10 13 6 4 5 12 2 1 3 9 Seção 32 Sistemas de injeção para motores diesel 139 O injetor de comando elétrico é responsável pelo ajuste do volume de injeção e substitui o conjunto bico e portainjetor dos sistemas convencio nais de injeção diesel Os injetores são fixados no cabeçote do cilindro por meio de garras assim os injetores Common Rail são adequados para motores diesel DI Direct Injection sem ajustes significativos Os injetores podem ser divididos em blocos de função injetor de orifício com agulha sistema servo hidráu lico válvula magnética e canais de combustível BRUNETTI 2012 No injetor o combustível é levado da ligação de alta pressão 4 através de um canal 10 para o bico Da mesma maneira pelo estrangulador de admissão 7 o combustível é conduzido para a câmara de controle da válvula 8 por sua vez essa câmara é conectada ao retorno de combustível 1 através de um estrangulador de saída 6 que pode ser aberto pela válvula magné tica Com o estrangulador fechado a força hidráulica predomina sobre o pistão de comando da válvula 9 sobre aquela do estágio de pressão da agulha do injetor 11 Por conse quência a agulha é pressionada no assento vedando o canal de alta pressão em relação ao comparti mento do motor BRUNETTI 2012 Aberto o estrangulador de saída a pressão na câmara de combustão diminui e consequentemente a força hidráulica sobre o pistão de comando da válvula diminui resultando na abertura da agulha possibilitando a passagem do combustível para dentro da câmara de injeção Assim a quantidade injetada será propor cional ao tempo de abertura do bico e ao tempo de ativação da válvula magnética A Figura 321 apresenta uma representação do injetor Figura 321 Injetor Fonte Brunetti 2012 p 38 Atuando em uma empresa que projeta e testa motores de combustão interna você e sua equipe ficaram responsáveis em emitir um laudo de um motor diesel fabricado por uma empresa parceira No entanto ao verificar o Sem medo de errar 140 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores Figura 312 Representação do sistema de injeção Fonte Brunetti 2012 p 45 Quais os componentes que fazem parte do sistema de injeção do motor diesel Nesta seção estudamos os sistemas de injeção para motores diesel os diferentes tipos e as características que influenciam seu desempenho A partir da compreensão dos conceitos básicos de sistemas de injeção para motores diesel e da compreensão do funcionamento de bombas injetoras você foi capaz de identificar os componentes do sistema de injeção como 1 injetor 2 filtro de combustível 3 unidade eletrônica de comando 4 galeria comum 5 bomba de transferência 6 ressalto de injeção 7 excêntrico 8 válvula de saída de combustível 9 câmara 10 camisa dosadora 11 válvula de aspiração 12 reservatório de combustível e 13 filtro Assim você foi capaz de corrigir o laudo que será enviado para a empresa parceira identificando corretamente todos os componentes do sistema de injeção do motor Diesel trabalho realizado por sua equipe você observou que não havia a identifi cação dos componentes do sistema de injeção utilizado no motor Devido a urgência você não pode acionar sua equipe e solicitar a correção do laudo Seção 32 Sistemas de injeção para motores diesel 141 Gases poluentes Descrição da situaçãoproblema Atuando em uma empresa de transporte rodoviário como engenheiro responsável pela equipe de manutenção da frota de caminhões você foi acionado visto que um dos caminhoneiros reportou aos mecânicos que os caminhões da frota estão com fumaça preta excessiva no escape Você logo se recordou de uma experiência anterior quando atuava em uma multina cional automobilística e que alguns clientes haviam relatado esse problema nos automóveis Você se recordou que naquele momento o problema estava na mistura combustívelar com excesso de combustível Mas os motores de automóveis eram ciclo Otto enquanto dos caminhões são motores diesel Nesse caso o problema tem a mesma origem Quais as possíveis causas da emissão excessiva de fumaça preta observada nos caminhões Resolução da situaçãoproblema Você e sua equipe ao analisarem alguns caminhões identificaram que assim como nos automóveis a emissão excessiva de fumaça preta está relacionada a uma mistura combustívelar desequilibrada com excesso de combustível O desiquilíbrio foi causado por um injetor defeituoso do sistema de injeção e um problema na bomba de injeção que não estava atingindo a pressão necessária para nebulizar finamente o combustível Portanto a partir da identificação do problema você solicitou a manutenção dos bicos injetores e da bomba de injeção solucionando o problema nos caminhões Avançando na prática 142 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores 1 No motor diesel a injeção do combustível finamente nebulizado e a alta pressão ocorrem diretamente na câmara de combustão ao final do tempo de compressão e durante o de expansão A nebulização e a distribuição do combustível são fundamen tais na reação de combustão Assinale a alternativa que apresenta um dos requisitos necessários para que o sistema de injeção garanta a nebulização e a distribuição do combustível a O sistema de injeção deve dosar a quantidade correta de combustível em função do diâmetro de cada cilindro do motor b O sistema de injeção deve finalizar a injeção instantaneamente sem a ocorrência de gotejamentos ou pósinjeção c O sistema de injeção deve dosar a quantidade correta de ar no tempo de admissão em função da carga e da rotação d O sistema de injeção distribui o combustível líquido e garante que a injeção ocorra com a velocidade desejada e O combustível líquido é dosado com taxas de injeção adequadas de acordo com o respectivo sistema de injeção 2 Os sistemas modulares de bombas individuais controladas eletronicamente são as unidades bombabico e bombaturbobico A vantagem dos sistemas modulares é a construção robusta e compacta características que favorecem a obtenção de pressões de injeção elevadas Analise as afirmações I As unidades injetoras tipo bombabico são módulos injetores de um cilindro constituídos por uma bomba de alta pressão bico injetor e válvula eletromagnética II A unidade injetora tipo bombatubobico funciona de forma semelhante às unidades injetoras tipo bombabico se diferenciando na construção III Na unidade injetora tipo bombatubobico a bomba de alta pressão é montada no bloco do motor onde também existe o eixo de comando com os ressaltos de injeção A partir do julgamento das afirmações apresentadas no textobase assinale a alter nativa correta a Estão corretas as afirmações I e II b Estão corretas as afirmações I e III c Somente a afirmação II está correta d Somente a afirmação III está correta e Todas as afirmações estão corretas 3 O sistema distribuidor ou de bomba rotativa é composto por uma bomba compacta conectada a um regulador A lubrificação pelo próprio combustível e sua construção compacta traz vantagens no custo no entanto esse sistema é muito Faça valer a pena Seção 32 Sistemas de injeção para motores diesel 143 sensível a combustíveis contaminados eou mal filtrados a figura a seguir traz uma representação de uma bomba rotativa Figura 318 Bomba rotativa Camisa dosadora Válvula de saída entrada de combustível B C A Ajuste de rotação de marcha lenta Ajuste de rotação máxima Governador centrífugo Rolete Prato de ressaltos Avanço tempo de injeção Fonte Brunetti 2012 p 34 Analisando a figura apresentada no textobase assinale a alternativa que apresenta respectivamente os componentes A B e C da bomba rotativa a Bomba de palhetas ponta de entrada de combustível pistão distribuidor b Eixo de acionamento ressalto excêntrico pistão da bomba c Câmara do pistão válvula de aspiração retorno de combustível d Admissão de combustível bomba de engrenagem válvula volumétrica e Orifício de admissão pistão válvula magnética 144 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores Consumo de ar nos motores a 4 tempos Diálogo aberto Um automóvel ao ser projetado e posteriormente lançado no mercado possui todos os elementos necessários com características propriedades e especificações adequadas para o seu perfeito funcionamento Porém não é uma prática tão incomum encontrarmos proprietários que levam seus automóveis em mecânicos para alterar alguma característica do carro não é mesmo Você já viu algum automóvel que tenha passado por alguma trans formação como na altura do sistema de suspensão E no motor Em algumas situações as características originais dos motores são alteradas por meio da instalação de alguns componentes com a intenção de aumentar a potência do motor por exemplo com a instalação de turbocompressor no motor No entanto além de ser uma prática que requer um investimento financeiro considerável temos que a vida útil do motor inevitavelmente irá diminuir já que no projeto inicial não foram previstas essas modificações Nesta seção vamos estudar sobre algumas características importantes que estão relacionadas com a eficiência volumétrica Para iniciarmos nossos estudos imagine que você está atuando em uma empresa de consultoria em projetos de motores de combustão interna Essa empresa é muito procurada principalmente para analisar e solucionar problemas que estão relacionados aos sistemas de injeção e ao consumo de ar Nesse momento vocês receberam de uma empresa os dados de um motor ciclo Otto de 16 litros de cilindrada com injetores de combustível montados no coletor de admissão O motor foi equipado com um turboalimentador e testado em dinamômetro O combus tível utilizado foi o etanol hidratado e os dados coletados com acelerador em 100 A Tabela 31 apresenta os dados coletados Seção 33 Tabela 31 Dados do motor ciclo Otto 16 L obtidos a partir do teste em dinamômetro Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 100 n 1000 2000 3000 4000 5000 6000 T 95 201 202 195 182 151 64 181 272 366 462 536 37 134 202 268 322 356 T1 20 21 21 21 21 22 T2 51 105 102 105 112 120 T2S 26 33 38 42 47 49 Pressão Barométrica 700 700 700 700 700 700 P1 1 6 13 24 36 44 P2 82 807 800 802 809 810 P2S 80 801 793 782 775 771 B mc ma Seção 33 Consumo de ar nos motores a 4 tempos 145 Em que n rotação do motor rpm T torque Nm B c m consumo horário do combustível kgh a m consumo horário do ar kgh T1 temp entrada compressor C T2 temp saída compressor C T2S temperatura coletor admissão C P Baro pressão barométrica mmHg P1 pressão entrada compressor mbar P2 pressão saída compressor mbar P2S pressão coletor admissão mbar O técnico responsável pela aquisição de dados foi alocado para outro setor da empresa assim a empresa parceira lhe acionou a fim de que você analise os dados e finalize alguns cálculos como a potência do motor e os consumos específicos de combustível e de ar para cada rotação Como você analisará os dados Quais os cálculos envolvidos para se obter estes valores Para ajudálo na resolução deste desafio estudaremos os conceitos de eficiência volumétrica potência e pressão média em função da eficiência volumétrica e o processo de admissão ideal Adicionalmente vamos compre ender o efeito das condições de operação sobre a eficiência volumétrica e os tipos de coletores de admissão Por fim vamos entender o que é a sobreali mentação e um turbocompressor Bons estudos Não pode faltar A eficiência volumétrica é dada pela razão entre a massa de mistura nova combustívelar que entra no cilindro durante o tempo de admissão e a massa que ocuparia todo o volume deslocado pelo pistão com a massa específica da atmosfera Equação 326 326 Em que e m é a vazão mássica de mistura fresca que escoa para dentro dos cilindros Vcilindros é a cilindrada total do motor é a densidade ou massa específica da mistura fresca que escoa para dentro dos cilindros nas condi ções de entrada n é a rotação do motor e é a eficiência volumétrica O fator 2 observado na equação da eficiência volumétrica referese ao fato de que nos motores a quatro tempos temse um tempo motor para duas voltas do virabrequim BRUNETTI 2012 A eficiência volumétrica é um parâmetro muito importante que afere o desempenho do conjunto do cilindro como componente de bombeamento Assim para análise desse desempenho é necessário conhecer a densidade da mistura fresca na entrada da válvula ou próxima a ela Quando é determinada dessa forma a eficiência volumé trica resultante mede somente as condições de bombeamento do cilindro e perdas na válvula Quando a medida de densidade da atmosfera é aferida 146 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores próxima a tomada de ar do motor a eficiência volumétrica resultante mede o desempenho de escoamento de todo o sistema de admissão do motor assim como as condições dos cilindros e as perdas nas válvulas Essa eficiência volumétrica é chamada de eficiência volumétrica global A eficiência volumétrica também pode ser definida baseada na massa de ar seco As massas de combustível de vapor e de ar seco ocupam o mesmo volume e se relacionam de acordo com a Equação 327 327 Em que é a densidade específica de ar seco Assim a Equação 326 pode ser reescrita como 328 Reescrevendo em função da velocidade do pistão temos 329 Em que p A e p v são respectivamente a área dos pistões e a velocidade do pistão Dessa forma determinando a m e a eficiência volumétrica de um motor pode ser determinada em quaisquer condições de operação Para a mistura de ar vapor de água e combustível vaporizado ou gasoso utilizase a lei das pressões parciais também conhecida como lei de Dalton e a c v p p p p 330 Em que ep é a pressão da mistura fresca total a p é a pressão parcial do ar cp é a pressão parcial do combustível e v p é a pressão parcial do vapor de água umidade do ar Nesse caso cada constituinte se comporta como um gás perfeito dessa forma temos a a a e a c v a c v p p n p p p p n n n 331 Sendo m n M o número de moles assim temse que a n c n e v n são respectivamente o número de moles do ar do combustível e do vapor de água já a M c M e v M são as massas moleculares do ar do combustível e do vapor de água respectivamente Assumindo Ma 29 e Mv 18 temse Seção 33 Consumo de ar nos motores a 4 tempos 147 a a a c v e c m p 29 m m m p 29 M 18 332 Ou a e v c p 1 29 p 1F 16g M 333 Em que c v a m F m e v a m g m A partir da equação dos gases perfeitos no ponto de tomada de ep e eT temse 334 Em que a e T T eT é a temperatura fresca nas condições de entrada aT é a temperatura do ar e R é a constante universal dos gases perfeitos A partir da Equação 334 é possível concluir que a massa específica da mistura é igual a densidade do ar a uma ep e eT multiplicada por um fator de correção Esse fator de correção é dependente da porcentagem de combus tível vaporizado no ponto no qual se mede ep e eT da massa molecular do combustível e da umidade absoluta do ar Nas condições de umidade do ar utilizandose tubulações de admissão usuais vF é pequeno e a massa molecular dos combustíveis usuais não é baixa Assim nessas condições o fator de correção é da ordem de 98 valor que está dentro da precisão das medidas de ensaios de motores Para motores diesel vF é igual a zero BRUNETTI 2012 No caso de motores de ignição por faísca o fator de correção é desprezado devido a utilização do combustível líquido assim a eficiência volumétrica é expressa da seguinte forma 335 Em regiões com alta umidade e motores de MIF com carburadores o fator de correção deve ser utilizado Além disso ao se utilizar combustível de baixa massa molecular a massa de ar será reduzida devido a diminuição de em uma dada pressão de admissão BRUNETTI 2012 Para estimar os valores de vF quando o combustível está no estado gasoso aferese a e vF será a relação combustívelar total No entanto quando a evaporação do combustível é incompleta haverá combustível líquido na tubulação de admissão e na válvula de admissão assim utilizase a aproximação dada pela Equação 335 148 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores Sabemos que a potência de um motor pode ser obtida pelas expressões 2 60 1000 kW n T P p ou 2 60 75 CV n T P p Exemplificando Um motor ciclo Otto a 3500 rotações por minuto possui um torque de 202 Nm Qual o valor da potência desse motor A partir das unidades de medida que são dadas no enunciado devemos verificar qual a expressão da potência é a mais indicada A rotação por minuto 3500 rpm e o torque em Nm 202 Nm Nesse caso o ideal é utilizar a expressão cujo resultado seja dado em kW Dessa forma temos 2 3500 202 74 kW 60 1000 P p Caso o valor do torque fosse dado em kgf m utilizaríamos a expressão com resultado em cv É possível expressar a potência indicada e a pressão média em função da eficiência volumétrica Tomando têmse 336 A pressão média indicada será igual a razão entre a potência indicada pelo deslocamento do pistão 337 Assimile A pressão média efetiva é a pressão que está ligada diretamente ao torque desenvolvido no motor sobre o virabrequim dada por me P 1200 p V n Em nossos estudos vamos considerar o processo real de admissão e sua eficiência volumétrica como o processo de admissão ideal Assim a Figura 322 apresenta os diagramas p V dos três casos de processos de admissão ideal nos quais A p é a pressão de admissão e E p é a pressão de escape Seção 33 Consumo de ar nos motores a 4 tempos 149 Figura 322 Processos de admissão ideal a motor sobrealimentado b motor a plena carga e c motor em carga parcial Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 54 Serão admitidas algumas simplificações para o processo de admissão representado por 671 a A mistura nova e os gases residuais serão considerados gases perfeitos de mesma massa molecular e calor específico b Inexistência de transferência de calor processo adiabático c As pressões de admissão e de escape são constantes processo isobárico d A temperatura de admissão é constante processo isotérmico No final do tempo de escape ponto 6 a câmara de combustão com volume 2 V está cheia de gases residuais à temperatura rT e pressão E p É nesse ponto que ocorre o fechamento da válvula de escapamento e a abertura da válvula de admissão Antes de o pistão iniciar o movimento se A E p p a mistura entra para o cilindro comprimindo os gases residuais Se A E p p os gases residuais escoam pela tubulação de admissão até que a pressão no cilindro seja igual a A p Ainda no tempo de admissão 71 a pressão no cilindro se mantém constante igual a A p durante todo seu percurso Se qualquer quantidade de gás residual que escoou pela tubulação de admissão retorna para o cilindro a eficiência térmica do motor será reduzida A partir das simplificações impostas e da equação dos gases perfeitos a eficiência volumétrica do ciclo ideal é expressa por 338 Em que ηvi é a eficiência volumétrica do ciclo ideal vr é a taxa de compressão do motor k é relação p v c c em que pc é o calor específico à pressão constante e vc é o calor específico a volume constante A Figura 323 traz o gráfico para vários valores de E A p p e vr 150 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores 114 112 110 108 106 104 102 100 098 096 094 092 090 088 086 084 000 02 04 06 08 08 10 12 14 16 22 24 20 18 Figura 323 Efeito de E A p p sobre a eficiência volumétrica em motores com pequeno over lap ηvb é a eficiência volumétrica básica quando E A p p 1 Fonte Brunetti 2012 p 56 Outra característica que tem influência na eficiência volumétrica é a velocidade dos gases de admissão O índice de Mach M é a razão entre a velocidade do gás de admissão ev e a velocidade do som c assim temos ev M c 339 Considerando a velocidade do escoamento por meio das válvulas de admissão uma variável desconhecida é adequado encontrar uma velocidade conhecida que estabeleça a correlação entre a velocidade média do pistão e a do escoamento pela válvula Para fluidos incompressíveis a velocidade será expressa por p p v v v A v A 340 Na qual p v é a velocidade do pistão p A é a área do pistão e v A é a área da cobertura da válvula de admissão Assim o correspondente índice de Mach será Seção 33 Consumo de ar nos motores a 4 tempos 151 p p v v A M A c 341 Já para fluidos compressíveis fazse necessário conhecer o coeficiente médio de escoamento na válvula dessa forma é possível estabelecer uma relação entre a velocidade média do pistão e a do escoamento na válvula O coeficiente de escoamento na válvula pode ser obtido pela expressão 342 Em que o C é o coeficiente de escoamento no orifício de medida o D é o diâmetro do orifício de medida v D é o diâmetro na válvula pv é a perda de carga da válvula e po é a perda de carga do orifício de medida Já a Equação 343 representa a eficiência volumétrica em função do índice de Mach de válvula de admissão dada por 2 p o v i v D M D C c æ ö ç ç ç çè ø 343 O valor do coeficiente médio do escoamento i C é igual ao valor médio dos valores de v C apresentados na Figura 324 Figura 324 Esquemático experimental para a determinação do coeficiente de escoamento na válvula b variação de v C com LD dos resultados experimentais c variação de v C com o ângulo do virabrequim Fonte Brunetti 2012 p 62 Boca de sino da admissão Ângulo do virabrequim graius DPMS Parafuso de elevação vávula janela tanque de ar elevação Orificio de medida para a bomba de aspiração Dv Dv L Cv 08 06 04 02 0 a b c 000 320 0 40 80 120 160 200 240 005 010 015 020 025 030 035 08 06 04 02 0 152 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores Os motores semelhantes apresentarão a mesma eficiência volumétrica quando se observa a igualdade entre os seguintes parâmetros velocidade média do pistão pressão de admissão e escapamento temperatura de entrada temperatura do fluido de arrefecimento e a relação combustívelar assim concluise que as dimensões dos motores não afetam a eficiência volumétrica Outras condições de operação como a relação combustívelar tempe ratura de admissão temperatura do fluido de arrefecimento ângulo de fechamento da válvula de admissão o overlaping das válvulas e a relação da compressão têm influência na eficiência volumétrica Pesquise mais sobre essas condições no material traduzido do livro indicado PULKRABEK W W Engineering fundamentals of the internal combus tion engines Pearson Prentice Hall 2004 Disponível em httpeduloureirodominiotemporariocomdocSistAdmissaopdf Acesso em 4 fev 2019 Os componentes responsáveis pela ligação entre o corpo da borboleta ou carburador e o motor são os tubos de admissão também chamados de coletores de admissão Através desses coletores é transportado o ar do exterior do motor até os dutos de admissão do cabeçote do motor Os coletores podem ser encontrados em diversos formatos como a forma de simples dutos Figura 325a ter a adição de volume denominado plenum Figura 325b ou assumir formas complexas Figura 325 Coletores de admissão a dutos b com plenum Fonte Brunetti 2012 p 71 a b Vários são os fenômenos aerodinâmicos e acústicos que ocorrem no coletor de admissão Esses fenômenos em conjunto com o tempo de abertura e fechamento de válvulas determinam o desempenho do motor Assim a Saiba mais Seção 33 Consumo de ar nos motores a 4 tempos 153 eficiência volumétrica pode ser aumentada se o coletor de admissão estiver configurado para aperfeiçoar os pulsos de pressão no sistema de admissão isto é em determinadas rotações do motor o ponto de maior pressão dentro do coletor de admissão estará situado próximo às válvulas de admissão garantindo o maior suprimento de ar aos cilindros No sistema de admissão um dos fenômenos observados é a ressonância que consiste na vibração em uma frequência inversamente proporcional ao cumprimento da coluna de ar confinada em um tudo Para se calcular o comprimento dos dutos de admissão em uma determinada rotação o comprimento do duto no cabeçote deve ser considerado Assim temse 2 L t 1000 cs 344 t t 360 60 N deg q 345 t c L 0012 n N mm q 346 Em que t 80 90 q t é o tempo para a onda ir e voltar dentro do duto tq é o deslocamento angular do virabrequim c é a velocidade do som n é a rotação do motor e L o comprimento do duto Reflita A eficiência volumétrica é um parâmetro muito importante que afere o desempenho do conjunto do cilindro como componente de bombea mento Como é possível aumentar a eficiência volumétrica de um motor sem alterar a cilindrada curso e comando de válvulas Dessa forma observase que quanto maior o comprimento do tubo menor será a rotação do motor em que ocorrerá o pico de torque O efeito Ram enchimento inercial é outro fenômeno que ocorre no sistema de admissão e é caracterizado pelo fato de o ar possuir massa e portanto energia cinética De acordo com a equação de Bernoulli Equação 347 a energia de uma coluna de fluido é igual a soma das parcelas das energias potencial cinética e da pressão energia potencial ou seja 2 p v z C g 2g 347 A Equação 347 indica que a energia total de uma coluna de fluido é constante isto é quando uma das parcelas aumenta a outra deverá diminuir 154 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores Outros fatores ligados aos coletores de admissão e que influenciam na efici ência volumétrica são o volume do plenum e a interferência entre os cilindros Assimile O volume do plenum é o volume ligado aos dutos e tem como função promover uma ressonância diferente além da ressonância de tubo de órgão Já a interferência entre os cilindros existe entre os pulsos de pressão nos cilindros Em motores com mais de três cilindros tanto as válvulas de admissão como as de escapamento poderão estar abertas simultaneamente assim o fenômeno que estiver acontecendo em um cilindro afetará o outro O período de exaustão tem grande influência na eficiência volumétrica devido a energia considerável dos gases queimados que se encontram em elevadas temperaturas 300 C e 800 C e pressão 3 a 5 bar que podem ser utilizadas na admissão de mistura fresca Quer saber mais sobre a influência do volume do plenum a interferência entre os cilindros e influência do período de exaustão no desempenho de um coletor de admissão Estude as páginas 74 a 80 do livro BRUNETTI F Motores de combustão interna 1 ed São Paulo Blucher 2012 2 v O primeiro fenômeno em razão do pulso de pressão positiva dos gases de escape liberados no cilindro pela válvula de escape se desloca pelo pórtico e pelo coletor de escapamento Ao encontrar um ponto de descontinuidade como uma restrição ou o ponto que exista uma súbita expansão de área esse pulso será refletido de volta pelo conduto com sinal negativo isto é uma onda de depressão Se essa onda de depressão atingir a válvula de escapamento durante o período de sobreposição das válvulas de admissão e escapamento ela auxiliará na admissão da mistura fresca para o interior do cilindro Outro fenômeno é o efeito Kadenacy que se refere a um efeito das ondas de pressão dos gases Resumidamente o momento do gás de escape que sai do cilindro de um motor de combustão interna cria uma queda de pressão no cilindro que auxilia o fluxo admissão de uma nova carga de ar ou mistura arcombustível no cilindro Saiba mais Seção 33 Consumo de ar nos motores a 4 tempos 155 A Equação 348 é utilizada para calcular o comprimento ideal para maximizar a eliminação de gases de exaustão em uma determinada rotação t c L 12 n q 348 Em que tq é o deslocamento angular do virabrequim valor sugerido 120 c é a velocidade do som ms n a rotação do motor rpm e L o comprimento do duto m O potencial de produção de potência de um motor é proporcional ao seu consumo de ar assim temos e a g N m F PCi h ou e a N m µ 349 E que 350 Assimile O consumo específico de ar é dado pela razão entre o consumo horário do ar e a potência do motor ma Consumo horário do ar potência do motor P ar b De maneira análoga o consumo específico de combustível é dado pela razão entre o consumo horário de combustível e a potência do motor mc Consumo horário do combustível potência do motor P bcomb Supondo que são fixadas a cilindrada e a rotação e temse a mesma efici ência volumétrica a potência de um motor pode ser aumentada elevando a densidade de ar na entrada fenômeno conhecido como sobrea limentação Sabendo que a densidade de ar pode ser elevada pelo aumento da pressão Assim a sobrealimentação além de aumentar a potência de um motor também aumenta sua eficiência térmica A sobrealimentação pode ocorrer de duas formas Sobrealimentação mecânica o compressor é acionado mecanicamente pelo motor consumindo uma parte da potência Se o compressor for de deslocamento positivo o aumento da pressão do ar independe da rotação Os principais tipos de compressores para essa aplicação são os de palhetas o de lóbulos tipo Roots e o Lysholm 156 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores Turbocompressor é alimentado por uma turbina montada no fluxo de escape do motor A vantagem dessa montagem é que nenhuma das saídas do eixo do motor é usada para acionar o compressor isto é ele aproveita a energia dos gases de escape para acionar a turbina conectada ao eixo do rotor cuja função é bombear ar para o interior dos cilindros Sem medo de errar Atuando em uma consultoria de motores de combustão interna você foi acionado por uma empresa que realizou o teste de um motor Otto em um dinamômetro de 16 litros de cilindrada com injetores de combustível montados no coletor de admissão equipado com um turboalimentador combustível etanol hidratado e acelerador em 100 Os resultados coletados foram apresentados na Tabela 31 Tabela 31 Dados do motor ciclo Otto 16 L obtidos a partir do teste em dinamômetro n 1000 2000 3000 4000 5000 6000 T 90 196 197 190 177 146 64 181 272 366 462 536 37 134 202 268 322 356 T1 20 21 21 21 21 22 T2 51 105 102 105 112 120 T2S 26 33 38 42 47 49 Pressão Barométrica 700 700 700 700 700 700 P1 1 6 13 24 36 44 P2 82 807 800 802 809 810 P2S 80 801 793 782 775 771 B mc ma Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 100 Você ficou responsável de calcular a potência do motor e o consumo específico de combustível e de ar a cada rotação a partir dos dados fornecidos no teste Como Quais os cálculos envolvidos Iniciando devemos calcular a potência do motor em cada uma das rotações Na tabela apresentada temos os valores de n e T Dessa forma podemos utilizar a equação que relaciona a potência com o número de rotações rpm e o torque Nm 2 60 1000 kW n T P p Potência do motor em diferentes rotações Seção 33 Consumo de ar nos motores a 4 tempos 157 Para n 1000 Para n 2000 Para n 3000 Para n 4000 Para n 5000 Para n 6000 2 100090 94 kW 60 1000 P p 2 2000196 41 kW 60 1000 P p 2 3000197 62 kW 60 1000 P p 2 4000190 79 kW 60 1000 P p 2 5000177 93 kW 60 1000 P p 2 6000146 92 kW 60 1000 P p Após ter calculado a potência do motor para cada uma das rotações temos que calcular os consumos de ar ma P ar b e combustível mc P bcomb Consumo específico de ar em diferentes rotações Para n 1000 Para n 2000 Para n 3000 Para n 4000 Para n 5000 Para n 6000 37 39 kgkWh 94 ar b 134 37 kgkWh 41 ar b 202 32 kgkWh 62 ar b 268 34 kgkWh 79 ar b 322 35 kgkWh 93 ar b 356 39 kgkWh 92 ar b Consumo específico de combustível em diferentes rotações Para n 1000 Para n 2000 Para n 3000 Para n 4000 Para n 5000 Para n 6000 64 68 kgkWh 94 bcomb 181 044 kgkWh 41 bcomb 272 043 kgkWh 62 bcomb 366 046 kgkWh 79 bcomb 462 050 kgkWh 93 bcomb 536 058 kgkWh 92 bcomb Dessa forma como solicitado você foi capaz de obter os valores da potência do motor para cada rotação testada assim como os consumos específicos de ar e combustível Esses dados associados a outras informa ções como a cilindrada e as válvulas utilizadas serão importantes para determinar as características globais do funcionamento do motor 158 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores Potência de um motor diesel Descrição da situaçãoproblema Atuando em uma empresa fabricante de motores diesel você ficou como responsável técnico pelo teste em dinamômetro de um motor diesel com injeção direta e 11 litros de cilindrada Neste teste de plena carga vários dados foram levantados e a Tabela 32 apresenta alguns deles Avançando na prática n 2000 1800 1600 1400 1200 1000 T 15501 17459 18602 19238 19526 15491 64 607 58 52 452 305 17115 16235 14401 12347 9783 5373 T1 168 167 166 165 165 167 T2 1775 1682 1623 1548 1462 1002 T2S 427 426 415 40 397 402 B mc ma Tabela 32 Dados do motor Diesel 11 L obtidos a partir do teste em dinamômetro Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 102 A partir dos dados obtidos seu gestor solicitou os valores da potência do motor Nesse cálculo quais as variáveis importantes Como obter esses valores Resolução da situaçãoproblema A partir dos dados obtidos no teste do dinamômetro e a partir da expressão da potência temos Para n 2000 Para n 1800 Para n 1600 Para n 1400 Para n 1200 Para n 1000 2 2000 3246 kW 6 0 1 5 000 15 0 1 P p 2 1800 3291 kW 60 5 10 7 00 1 4 9 P p 2 1600 3117 kW 60 0 10 8 00 1 6 2 P p W 2 140019238 282 k 60 1000 P p 2 1200 2454 kW 60 2 10 9 00 1 5 6 P p 2 1000 1622 kW 60 9 10 5 00 1 4 1 P p Seção 33 Consumo de ar nos motores a 4 tempos 159 Os dados obtidos no teste de dinamômetro do motor diesel possibili taram que você calculasse os valores da potência em determinadas rotações como solicitado pelo seu gestor 1 A eficiência volumétrica é dada pela razão entre a massa de mistura nova combustívelar que entra no cilindro durante o tempo de admissão e a massa que ocuparia todo o volume deslocado pelo pistão com a massa específica da atmosfera Com relação a eficiência volumétrica analise as afirmações a seguir I A eficiência volumétrica é um parâmetro importante pois afere o desempenho do conjunto do cilindro como componente de bombeamento II A eficiência volumétrica mede o desempenho de escoamento de todo o sistema de admissão do motor quando a medida de densidade da atmosfera é aferida próxima a tomada de ar do motor III A eficiência volumétrica é influenciada pela velocidade dos gases de admissão Dada as afirmações assinale a alternativa correta a Estão corretas I II e III b Apenas I e II estão corretas c Apenas II e III estão corretas d Apenas III está correta e Apenas II está correta 2 Vários são os fenômenos aerodinâmicos e acústicos que ocorrem no coletor de admissão Esses fenômenos em conjunto com o tempo de abertura e fechamento de válvulas determinam o desempenho do motor Portanto a eficiência volumétrica pode ser aumentada se o coletor de admissão estiver configurado para aperfeiçoar os pulsos de pressão no sistema de admissão Dada a seguinte afirmação Este fenômeno é caracterizado pelo fato de o ar possuir massa logo energia cinética Assinale a alternativa que apresenta corretamente o fenômeno ao qual a afirmação se refere a Ressonância b Efeito Ram c Efeito Kadenacy d Sobrealimentação e Overlap 3 Para fins didáticos os estudos do processo real de admissão e sua eficiência volumétrica são considerados como o processo de admissão ideal A figura a seguir Faça valer a pena 160 U3 Sistemas de injeção ignição e sensores apresenta os diagramas p v dos três casos de processos de admissão ideal onde A p é a pressão de admissão e E p é a pressão de escape Processos de admissão ideal Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 54 Assinale a alternativa que apresenta a relação correta entre os diagramas e a razão entre as pressões de escape e de admissão a I E A p p 10 II E A p p 10 III E A p p 10 b I E A p p 10 II E A p p 10 III E A p p 10 c I E A p p 10 II E A p p 10 III E A p p 10 d I E A p p 10 II E A p p 10 III E A p p 10 e I E A p p 10 II E A p p 10 III E A p p 10 Referências BRUNETTI F Motores de combustão interna 2 ed São Paulo Blucher 2018 1v BRUNETTI F Motores de combustão interna 1 ed São Paulo Blucher 2012 2 v Unidade 4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Convite ao estudo Nos estudos dos motores de combustão interna aprendemos que alguns detalhes influenciam na potência de um motor como por exemplo um sistema de admissão eficiente que além de garantir a potência do motor economiza combustível Ao observarmos o tráfego em nossa cidade nos deparamos com diversos carros caminhões e motocicletas mas será que todos esses meios de transporte possuem motores que trabalham com a máxima eficiência Quantas vezes no trânsito você esteve com o seu carro atrás de um caminhão ou automóvel que emitia tanta fumaça pelo escapa mento que era quase impossível respirar ou até mesmo enxergar Os motores desses veículos eram eficientes Além da eficiência dos motores como a máxima potência existem outras preocupações no projeto de um MCI Por exemplo nas cidades você saberia dizer se os motores utilizados nos meios de transporte contribuem para a poluição atmosférica As respostas para essas questões são encontradas a partir do estudo dos sistemas de exaustão e de emissão do motor temas que abordaremos na primeira seção Complementando temos que a eficiência de um motor depende de muitos outros fatores além dos sistemas citados anteriormente como uma boa lubri ficação e sistemas de bielamanivela e de arrefecimento eficazes conteúdos que vamos abordar na segunda e terceira seção Dessa forma você conhecerá e compreenderá os sistemas de exaustão lubrificação de arrefecimento e os princípios de projeto de motores de combustão interna Esperase que você saiba controlar as emissões nos motores Otto e Diesel definir os compo nentes de um sistema de lubrificação e de um sistema de arrefecimento e aplicar os princípios de projeto de motores de combustão interna Para iniciarmos nossos estudos você como gerente da área de projetos de uma montadora de automóveis recentemente contratou um engenheiro recémformado para sua equipe No primeiro momento você alocou o novo profissional para atuar no projeto do sistema de exaustão de um motor de quatro cilindros ciclo Otto Posteriormente será o momento do novo engenheiro compreender quais as características necessárias dos lubrificantes e utilizar o mais adequado para os motores de MCI e por fim ele conhecerá e aplicará as premissas que os engenheiros devem seguir ao iniciar um projeto de um MCI e as etapas do processo de desenvolvimento de produtos neces sárias para atender à indústria automotiva Mas os sistemas de exaustão são fundamentais para o bom funcionamento do motor Qual a importância de utilizar o lubrificante adequado no motor Quais os pontos fundamentais de um projeto de MCI Para que você seja capaz de orientar o novo membro da equipe na primeira seção iremos conhecer os sistemas de exaustão e de emissões dos MCI Posteriormente iniciaremos os estudos sobre lubrificação lubrifi cantes e tribologia e para finalizarmos nossos estudos vamos compreender o funcionamento dos sistemas bielamanivela e de arrefecimento bem como as premissas de um projeto de motores Bons estudos Seção 41 Sistemas de exaustão e emissões 165 Sistemas de exaustão e emissões Diálogo aberto A utilização de automóveis e outros meios de transporte faz parte do nosso cotidiano porém a manutenção muitas vezes é negligenciada pelos proprietários Normalmente nos preocupamos com o abastecimento de combustível os níveis de água e óleo do motor e a calibragem dos pneus Mas e o sistema de escapamento do automóvel quantas vezes paramos para verificálo A resposta seria nunca O escapamento é um sistema frequente mente esquecido e nos lembramos de sua existência somente quando ocorre sua quebra ou quando aparece um furo provocando a eliminação excessiva de fumaça e o aumento do ruído do motor Nesta seção vamos compreender o funcionamento e a importância dos sistemas de exaustão e do controle de emissões nos motores de combustão interna Para iniciarmos nossos estudos imagine que você é um gerente de uma montadora de automóveis e se encontra na liderança do setor de projeto de motores Recentemente você contratou um engenheiro para fazer parte da sua equipe de trabalho que nesse momento está trabalhando no projeto de um motor Diesel Nessa fase do projeto a equipe está trabalhando no desenvolvi mento do sistema de exaustão do motor e dentro das questões levantadas o engenheiro recémchegado levantou algumas dúvidas por que as válvulas de escape são menores do que as válvulas de admissão Seria possível determi narmos a quantidade de carbono emitida para a atmosfera como fumaça por esse motor anualmente supondo 25000 quilômetros percorridos Alguns dados técnicos motor com consumo de 100 g de combustível 12 22 C H por quilômetro de viagem e 05 do carbono no combustível é convertido em fumaça de exaustão Para responder a essas questões vamos compreender o funcionamento do sistema de exaustão e a disposição geral dos coletores de descarga e estudar o sistema de emissão de gases compostos e partículas Além desses temas vamos associálos a outros conhecimentos adquiridos ao longo dessa disciplina como o estudo dos combustíveis massa molar número de mols e no estudo básico de química Seja bemvindo ao estudo da nossa última unidade de ensino da Motores de Combustão Interna Bons estudos Seção 41 166 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Os motores de combustão interna independentemente de sua aplicação requerem um sistema de escapamento cujas funções sejam coletar e descar regar os gases provenientes da combustão de maneira adequada Assim a redução do ruído provocado pelo motor no ambiente a perda mínima de potência do motor o atendimento às exigências operacionais durabilidade nível de vibração dentre outros a geometria externa compacta e o baixo custo são requisitos básicos de um sistema de escapamento No sistema de escapamento a idealização do processo de descarga pode ser separada em duas fases na primeira ocorre a liberação dos gases de combustão que se expandem para o coletor de descarga já na segunda fase ao se movimentar o pistão expulsa os gases queimados No processo de liberação idealizado assumese o pistão estacionário no PMI ao final do curso de expansão Antes que o pistão inicie o curso de exaustão os gases que escapam dos cilindros passam por uma expansão adiabática e reversível até a pressão atmosférica BRUNETTI 2012 p 106 A Figura 41 apresenta um diagrama do processo de liberação dos gases Figura 41 Diagrama do processo de liberação Fonte Brunetti 2012 p 106 A partir da interpretação da Figura 41 antes de escapar do cilindro quaisquer quantidades de gases n D ocupando um determinado volume DV possui uma energia U para uma dada temperatura T Já os gases que permanecem no interior do cilindro ao se expandirem realizam trabalho ò pdv sobre n D empurrandoos para fora do cilindro Assim n D ficará com energia 2 U e realizará o trabalho 2 2 p V consequentemente empur rando os demais gases ao longo do coletor de descarga BRUNETTI 2012 p 106 Considerando que toda energia cinética adquirida pelo elemento n D é Não pode faltar Seção 41 Sistemas de exaustão e emissões 167 dissipada por atrito em energia interna e que não ocorre transmissão de calor para o ambiente a equação de energia aplicada a qualquer elemento n D a temperatura T é dada pela expressão 41 2 2 2 U pdV U p V ò 41 No entanto caso a quantidade n D for infinitamente pequena pdV ò tende ao produto pV no qual V é o volume elementar a equação 41 será igual 2 2 2 U pV U p V 42 2 H H 43 Onde H é a entalpia total e 2 H é a entalpia no instante imediatamente anterior à expansão Na Figura 42 se observa o elemento que escapa em uma determinada pressão p do cilindro ocorrendo o processo AB assim todas as porções elementares que escapam do cilindro possuem as mesmas condições finais e que são indicadas pela linha 2 p do primeiro ao último elemento Figura 42 Diagrama de energia entropia do processo de liberação Figura Brunetti 2012 p 107 Assim para qualquer porção elementar que ocupa um determinado volume no coletor de descarga à pressão d p têmse pd V nRT D D 44 Ou d R V T n p D D 45 168 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Caso n D seja infinitamente pequeno calculase o volume de gás descar regado no coletor pela expressão 46 V n d 0 0 R dV T dn p ò ò 46 A Figura 43 mostra a variação de temperatura dos gases de descarga em função da fração de gases descarregados calculada a partir da equação 46 e considerando que a fração de gases no cilindro sofre expansão adiabá tica reversível Nesse caso observase que 80 dos gases são descarregados durante o processo de liberação enquanto 20 são expulsos pelo movimento do pistão BRUNETTI 2012 p 108 Figura 43 Variação da temperatura nos gases de descarga Fonte Brunetti 2012 p 108 Na fase de expulsão dos gases a velocidade de escoamento pode ser obtida pelo produto entre a velocidade do pistão e as áreas do pistão e da passagem na válvula A temperatura média dos gases de estacionamento na fase de liberação pode ser calculada a partir da equação da energia para o processo de liberação como um todo Assumindo U como a energia total dos gases e o trabalho p Vdes realizado pelos gases que deixam o cilindro sobre os gases que estão no coletor temos 1 1 cil cil des des des des des 1 1 cil cil n u n u n u pV n h n u n u 47 Seção 41 Sistemas de exaustão e emissões 169 Em que cil n e ndes são respectivamente os gases que permanecem no cilindro e são descarregados udes a energia dos gases de escapamento e hdes a entalpia total dos gases de escapamento por unidade molar dos gases de carga Esta equação 47 permite o cálculo da entalpia dos gases liberados sabendo a condição dos gases no cilindro ao final do curso de expansão Os sistemas de escapamento devem ser projetados de maneira que ocorra a mínima contrapressão de escapamento durante as fases de descarga reduzindo o trabalho necessário para expulsar os gases de e ter uma melhor lavagem dos cilindros A descarga de vários cilindros no mesmo coletor pode causar interferência e aumento na contrapressão em momentos importantes como por exemplo no cruzamento de válvulas Dessa forma um coletor de descarga ideal deve ter caminhos separados para cada cilindro mas que possam se encontrar de maneira suave num único tubo ou grupo de tubos de descarga a uma certa distância do motor Em ordem de preferência poderia ser utilizado um sistema de descarga que particiona o coletor em vários ramos ou caminhos de maneira que impeça que dois cilindros descarre guem ao mesmo tempo no mesmo coletor Esse projeto seria complexo para motores de quatro cilindros e facilmente utilizado em motores de seis cilin dros em linha Já para grandes ângulos de cruzamento de válvulas devese utilizar tubos individuais de saída unidos de forma suave no seu caminho correspondente Outra solução é a aplicação de tubos individuais curtos que descarreguem numa mesma galeria BRUNETTI 2012 p 115 Para efeitos dinâmicos considerase que o tubo de escapamento se comporta como um tubo de órgão fechado em uma extremidade dessa forma a frequência fundamental natural de vibração longitudinal do gás no interior do tubo nessa configuração é igual c f 4L 48 O estudo do processo de descarga nos motores de combustão interna é complexo e envolve diversos fatores que podem ser analisados como a condição dos gases de descarga as unidades molares dos gases liberados e expulsos o estudo da velocidade ideal de descarga dos gases variação da eficiência térmica com a pressão no coletor de escapamento variação da pressão média indicada com a pressão no coletor de escapamento e efeito da contrapressão de escapamento na potência de motores de aspiração natural Para o aprofundamento do tema estude as páginas 110114 do livro Motores de Combustão Interna vol 2 de Franco Brunetti ed Blucher 2012 Saiba mais 170 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Outra função muito importante do sistema de escapamento é a atenuação de ruído A Figura 45 apresenta a influência do ruído de exaustão no ruído interno do carro Na qual c é a velocidade do som no gás e L o comprimento do tubo Sabendo que a velocidade do som em um gás perfeito é dada por c kRT 49 Nesse caso dos gases de escapamento a velocidade pode ser escrita como c 19 T 410 Considerando que as unidades de medidas de c e T são respectivamente ms e K A Figura 44a apresenta diagramas da amplitude de vibração das partí culas e da variação de pressão ao longo do tubo além de permitir o cálculo da amplitude e da pressão em qualquer seção do tubo Já a Figura 44b apresenta diagramas para a frequência fundamental de vibração em tubo complexo com uma extremidade fechada Figura 44 Diagrama para a frequência fundamental da vibração em um tubo fechado em uma extremidade a Diagrama para a frequência fundamental da vibração em um tubo complexo com uma extremidade fechada b Fonte Brunetti 2012 p 116 Saiba mais Os estudos de sintonia de tubos de escapamento envolvem desde a compreensão da formação de ondas estacionárias até a análise de pressão nos cilindros e nos coletores de descarga e admissão Saiba mais estudando as páginas 116119 do livro Motores de Combustão Interna vol 2 de Franco Brunetti ed Blucher 2012 Seção 41 Sistemas de exaustão e emissões 171 Figura 45 Contribuição de fontes acústicas em uma cabine automotiva típica Fonte Brunetti 2012 p 120 A partir da análise da Figura 45 observase que em altas velocidades o ruído da cabine é determinado pela rolagem dos pneus e pelo vento enquanto na aceleração o ruído é determinado por um balanço entre power train rolagem pneus escapamento e filtro de ar BRUNETTI 2012 p 120 As fontes de ruído podem ser compreendidas como primárias estão ligadas às flutuações cíclicas de massa e de entropia nas válvulas de admissão e descarga relacionadas às partes móveis e secundárias estão associadas ao espalhamento de vórtices no escoamento turbulento correspondentes a processos não lineares ou quase lineares em alguns casos As emissões de ruído primeiro acontecem nas terminações abertas e são representadas com níveis espectrais de pressão sonora A radiação de ruído é uma interação entre fontes e caminhos de transmissões Já do ponto de vista sonoro o sistema de escapamento é uma sequência de elementos conectados por tubos cujo objetivo é atenuar o ruído vindo do motor Um dos principais componentes para atenuação é o muffler Figura 46 Assimile Powertrain se refere ao conjunto de componentes do automóvel que incluem o motor a transmissão e o sistema de transmissão isso é componentes que auxiliam no movimento do carro 172 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Figura 46 Sistema simplificado de escapamento com muffler Fonte Brunetti 2012 p 121 No estudo do princípio de acústica em dutos observe o tubo da Figura 47 onde fontes sonoras se encontram na entrada e na terminação não rígida A atenuação de sistemas de exaustão corre principalmente pela reflexão das ondas que se propagam dentro dos sistemas de dutos denominados reativos Assim o objetivo principal do projeto de escapamento do ponto de vista acústico é a minimização da potência sonora transmitida A fonte sonora produz uma onda incidente que atinge a terminação e uma parte dessa energia é refletida e outra parte transmitida Figura 47 Propagação ideal de ondas em um duto Fonte Brunetti 2012 p 122 Os fenômenos que ocorrem no interior do duto são compreendidos a partir da terminação A Figura 48 apresenta um tubo com terminação rígida em xL excitada por um pistão móvel com área transversal S em x0 gerando pulsos de pressão e velocidade de partícula Seção 41 Sistemas de exaustão e emissões 173 Figura 48 Duto excitado por pistão Fonte Brunetti 2012 p 122 Assumindo a terminação em L fechada o duto apresentará ressonâncias acústicas em n nc f 2L 411 Em que c é a velocidade do som no ar L é o comprimento do tubo e n um valor inteiro Agora considerando a terminação aberta em x L as ressonâncias para o mesmo tubo da Figura 48 são calculados por n 2 n1 c f 4L 412 Para n ímpar O escapamento apesar de ter a função de amenizar o ruído que passa pelo tubo possui ressonâncias em que ocorrem com as máximas transmis sões de potência sonora para fora isto é poderá ocorrer amplificação do ruído em determinadas frequências Assim a base do projeto de sistemas de escapamento do ponto de vista acústico deve ser trabalhada nessas faixas de frequência A terminação possui um papel fundamental no comporta mento do duto já que a onda produzida pelo pistão gera pulsos de pressão sonora e velocidade de partícula que viajará através do duto e encontrará a terminação O que a onda observa é a impedância acústica da terminação definição como a razão Z P U pressão sonora sobre a velocidade de partí cula A condição de contorno definida pela impedância na entrada e na saída é fundamental para o modelamento correto do sistema de escapamento BRUNETTI 2012 p 123 A câmara de expansão o ressonador de Helmhotz o tubo de 14 de comprimento de onda e materiais de absorção são elementos acústicos de atenuação de ruídos 174 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Na reação de combustão em MCI ocorre a formação de produtos e a análise destes se faz importante principalmente para avaliar a eficiência do processo pela aferição das concentrações de gases CO 2 CO 2 O etc quando a vazão de um dos reagentes não é conhecida e procedese à avaliação dos gases de combustão completa e ao balanço de massa e para determinar a concentração de gases poluentes limitados pela legislação Nos estudos de MCI adotouse a palavra emissões para se referir aos produtos nocivos para o homem e o meio ambiente Como visto anterior mente a reação de combustão completa estequiométrica leva à formação de 2 CO 2 H O e 2 N Assim a partir de modelos de previsão do aumento das fontes de emissões e de previsão das condições atmosféricas são estabele cidas as projeções das concentrações de poluentes em determinada região Com base nessas projeções são estabelecidas as legislações que limitam a emissão dos principais poluentes como monóxido de carbono óxidos de nitrogênio hidrocarbonetos aldeídos compostos de enxofre partículas compostos de chumbo e dióxido de carbono O monóxido de carbono em motores resulta da combustão incompleta de hidrocarbonetos e indica uma relativa redução na eficiência do motor A formação desse poluente é consequência principalmente da relação arcom bustível e do nível de homogeneização da mistura Os óxidos de nitrogênio indicam a soma de monóxido de nitrogênio na proporção aproximada de 90 e dióxido de nitrogênio Ao entrar em contato com o vapor de água na atmosfera esses óxidos formam ácido nítrico que juntamente com o ácido sulfúrico formado na queima de combustível com enxofre forma a chamada chuva ácida Os hidrocarbonetos que não são queimados na câmara de combustão se tornam produtos da decomposição térmica do combustível primário em hidrocarbonetos de menor peso molecular A presença desses hidrocarbo netos nos gases de escapamento é uma das responsáveis pela fumaça branca ou azul Pesquise mais sobre os elementos acústicos utilizados na atenuação dos ruídos do sistema de escapamento e sobre o desempenho de filtros acústicos Nas páginas 123 a 129 do livro Motores de Combustão Interna vol 2 de Franco Brunetti ed Blucher 2012 você encontrará o material para esses estudos Saiba mais Seção 41 Sistemas de exaustão e emissões 175 Os aldeídos são formados quando em baixas temperaturas em motores Diesel conferindo um mau cheiro aos gases do motor Já em motores Otto com etanol no período de aquecimento também se formam aldeídos Os compostos de enxofre são produtos da reação de enxofre existente no combustível e da razão arcombustível Esses produtos são altamente corro sivos e compõem a chuva ácida Os materiais particulados são resultados da combustão incompleta formamse principalmente no processo de combustão por propagação nas frações de óleo diesel de alto ponto de ebulição em plena carga quando o excesso de oxigênio é menor Os materiais particulados são as principais emissões dos motores do ciclo Diesel assim como os óxidos de nitrogênio Já nos motores do ciclo Otto as emissões de materiais particulares são prati camente desprezíveis A formação dos compostos de chumbo em motores Otto se deve à utilização do chumbotetraetila para o aumento de octanas da gasolina são altamente tóxicos e corrosivos No Brasil o chumbo tetraetila foi substituído pelo etanol anidro eliminando esse problema O dióxido de carbono é o produto primário formado de qualquer combustão de hidrocarbonetos Alguns estudos sugerem que o acúmulo desse gás na atmosfera é um dos principais responsáveis pelo aquecimento global Nos motores Otto são utilizadas medidas para controlar a emissão de CO x NO e HC como por exemplo manter a qualidade da mistura e o uso da recirculação dos gases de escape EGR Exhaust Gas Recirculation e o conversor catalítico Nos motores Diesel algumas medidas são aplicadas para reduzir principalmente a emissão de material particulado tais como a instalação de um catalisador de oxidação no sistema de escapamento Diesel Ficou interessado sobre as principais emissões em motores de combustão interna As páginas 138142 do livro Motores de Combustão Interna vol 2 de Franco Brunetti ed Blucher 2012 apresentam mais detalhes sobre os poluentes citados no texto Exemplificando O metano etano acetileno aldeídos tolueno propileno são alguns exemplos dos hidrocarbonetos de menores pesos moleculares que são formados a partir dos hidrocarbonetos que não são queimados na câmara de combustão Saiba mais 176 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Oxidation Catalyst DOC A jusante desse catalisador pode utilizar um filtro composto por um substrato de cerâmica porosa que retém o material particulado dos gases de escapamento em cerca de 70 otimizar a combustão por meio da elevação da temperatura e balanceando a razão arcombustível e reduzir as emissões de óxidos de nitrogênio a jusante da câmara utilizando um catalisador de redução seletiva Selective Catalytic Reduction SCR A medição das emissões em motores é uma ferramenta importante pois além de certificar que os motores estejam trabalhando dentro dos limites exigidos pela legislação aplicável é utilizada na validação de modelos de combustão durante a etapa de desenvolvimento e verificação de conformi dade da produção BRUNETTI 2012 p 150 Basicamente um teste para a medição de emissões é composto de três itens um conjunto de procedimentos de preparação do objeto a ser testado e dos equipamentos de medição calibração de um ciclo de condições ao qual o motor ou veículo será submetido e dos limites máximos de emissão de gases ou partículas que devem ser atendidos BRUNETTI 2012 p 150 Atuando como gestor de projetos de motores em uma montadora lembrese de que recentemente foi contratado um engenheiro para compor seu time de especialistas Nesse momento sua equipe está envolvida no projeto de um motor Diesel e o novo integrante levantou alguns questio namentos por que as válvulas de escape são menores do que as válvulas de admissão É possível calcular a quantidade de carbono emitida para a Sem medo de errar Saiba mais Diversos são os ensaios de emissões veiculares e você pode saber mais sobre esse tema acessando os materiais intitulados O ensaio de emissão veicular disponível em httpwwwinmetrogovbrmetcientificapalestrasastorfilhopdf e Ensaio de proficiência de emissões veiculares disponível em httpwww inmetrogovbrmetcientificapalestrasrelFinalEP2C2AA20 rodadapdf Acesso em 10 jan 2019 Reflita Existem algumas maneiras de controlar as emissões de material parti culado Você acha que o tipo de combustível utilizado também pode reduzir os níveis de emissões do motor Seção 41 Sistemas de exaustão e emissões 177 atmosfera como fumaça por esse motor anualmente supondo 25000 quilô metros percorridos a partir de alguns dados técnicos consumo de 100 g de combustível 12 22 C H por quilômetro de viagem e 05 do carbono no combustível é convertido em fumaça de exaustão Para responder a essas questões compreendemos que os sistemas de escapamento são projetados de maneira que ocorra a mínima contrapressão de escapamento durante as fases de descarga reduzindo o trabalho neces sário para expulsar os gases de combustão e ter uma melhor lavagem dos cilindros A descarga de vários cilindros no mesmo coletor pode causar inter ferência e aumento na contrapressão Dessa forma as razões das válvulas de escape serem menores que as válvulas de admissão são devido à existência de um diferencial de pressão maior que empurra a mesma quantidade de massa pelas válvulas de escape e na ocorrência de fluxo intenso a veloci dade sônica através da válvula de escape é maior devido à temperatura mais elevada quando comparada às válvulas de admissão Para calcular a quantidade de carbono que é emitida pelo motor para a atmosfera a partir das informações temos que C 12 gmol e H 1 gmol A massa molar é 12 C H22 12 12 1 22 166 gmol No entanto vamos assumir as unidades kg Assim o 12 22 C H tem 144 kg de carbono e 22 kg de hidrogênio Portanto a massa percentual de carbono no combustível é massa de carbono 144 08675 166 Para determinar a quantidade da massa de carbono eliminada mceliminada devemos desenvolver um raciocínio lógico entre os dados dessa forma temos eliminada eliminada massa de carbono consumo de combustível por quilômetro quilometragem do motor por ano quantidade de carbono convertido em fumaça 08675 100 gkm 25000 kmano 0 mc mc eliminada 005 1084375 gano108 kgano mc O novo integrante da equipe compreendeu a importância e a necessidade de as válvulas de escape serem menores que as válvulas de admissão e ficou impressionado com a quantidade de carbono que o motor Diesel analisado elimina para a atmosfera no período de um ano igual a 108 kg 178 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Análise de emissões em motores ciclo Otto Descrição da situaçãoproblema Atuando como engenheiro em uma indústria automotiva responsável pela fabricação de motores imagine que você atua na análise das concen trações de emissões Em conjunto com a equipe de projetos você recebeu a análise sobre a emissão de CO de um motor ciclo Otto testado a 2500 rpm e marcha lenta utilizando diferentes tipos de combustível Figura 49 Avançando na prática Figura 49 Emissão de monóxido de carbono CO a partir da combustão entre diferentes combustíveis Fonte httpsgoogle8q8TD Acesso em 27 jan 2019 A partir da análise do gráfico quais as conclusões sobre a emissão de CO É possível reduzir a concentração de CO em marcha lenta nesse tipo de motor Quais as dificuldades para se alcançarem esses objetivos Resolução da situaçãoproblema A partir da análise do gráfico você concluiu que o etanol é um combus tível ideal quando se refere a redução de emissão de monóxido de carbono já que nas duas condições testadas do motor em 2500 rpm e marcha lenta o percentual de CO foi idêntico 001 originado da reação de combustão Na combustão do GNV Gás Natural Veicular com o motor a 2500 a emissão de carbono foi de 002 enquanto em marcha lenta foi de 001 compor tamento inverso do biometano que apresentou 001 e 002 respectiva mente em 2500 rpm e marcha lenta Na análise dos motores ciclo Otto a maior dificuldade para reduzir a concentração de monóxido de carbono em marcha lenta se encontra no fato Seção 41 Sistemas de exaustão e emissões 179 de que esse tipo de motor opera frequentemente próximo à relação arcom bustível estequiométrica em cargas parciais e com misturas ricas à plena carga quando estão em marcha lenta o que prejudica o mesmo com relação à emissão do monóxido de carbono 1 Os motores de combustão interna independentemente de sua aplicação requerem um sistema de escapamento cujas funções sejam coletar e descarregar os gases prove nientes da combustão de maneira adequada e que atendam à legislação vigente Assinale a alternativa que apresenta corretamente os requisitos básicos de um sistema de escapamento a Redução do ruído do motor perda mínima de potência durabilidade b Redução do consumo de combustível geometria compacta redução do nível de vibração c Durabilidade geometria amplificada redução da ressonância d Baixo custo durabilidade ganho mínimo de potência e Redução do ruído do motor geometria amplificada redução do nível de vibração Faça valer a pena 2 Os modelos de previsão do aumento das fontes de emissões e de previsão das condições atmosféricas estabelecem as projeções das concentrações de poluentes emitidos por motores de combustão interna em determinadas regiões do país Com base nessas projeções são estabelecidas as legislações que limitam a emissão dos principais poluentes Analise as seguintes asserções e a razão entre elas O monóxido de carbono em motores resulta da combustão incompleta de hidrocar bonetos e indica uma relativa redução na eficiência do motor PORQUE A formação desse poluente é consequência principalmente da relação arcombus tível e do nível de homogeneização da mistura Assinale a alternativa que apresenta corretamente a relação entre as afirmações a A asserção é verdadeira e a razão justifica a asserção b A asserção é verdadeira e a razão é falsa c A asserção é falsa e a razão é verdadeira d A asserção e a razão são verdadeiras e A asserção e a razão são falsas 180 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto 3 A medição das emissões em motores é uma ferramenta importante pois além de certificar que os motores estejam trabalhando dentro dos limites exigidos pela legis lação aplicável é utilizada na validação de modelos de combustão durante a etapa de desenvolvimento e verificação de conformidade da produção Assinale a alternativa que apresenta a descrição do sistema Diesel Oxidation Catalyst DOC a A otimização da combustão ocorre por meio da elevação da temperatura e balance ando a razão arcombustível reduzindo as emissões de óxidos de nitrogênio a jusante da câmara utilizando um catalisador de redução seletiva b A jusante desse catalisador pode utilizar um filtro composto por um substrato de cerâmica porosa que retém o material particulado dos gases de escapamento em cerca de 70 c A jusante desse catalisador a combustão é otimizada por meio da elevação da temperatura e balanceando a razão arcombustível retendo cerca de 80 do material particulado d A jusante desse catalisador a combustão é otimizada por meio da elevação da temperatura e balanceando a razão arcombustível retendo cerca de 80 de óxidos de nitrogênio e A jusante desse catalisador pode utilizar um filtro composto por um substrato de metal poroso que retém o material particulado dos gases de escapamento em cerca de 70 Seção 42 Lubrificação lubrificantes e tribologia 181 Lubrificação lubrificantes e tribologia Diálogo aberto Os meios de transporte fazem parte do nosso cotidiano e são fundamen tais para o nosso deslocamento para o trabalho universidade ou lazer Ao abastecermos nosso veículo é comum ouvirmos do frentista Gostaria de verificar os níveis do óleo e de água do motor Mas qual a importância desses elementos para o funcionamento do motor O motor não funcionaria sem água e óleo Os óleos utilizados podem ser de qualquer tipo ou para cada modelo de motor existe um óleo específico Nesta seção vamos estudar o processo de lubrificação conhecer os tipos de lubrificantes e definir o que é tribologia Para darmos início aos nossos estudos imagine que você é gerente da área de projetos de uma montadora de automóveis e recentemente recebeu em sua equipe um engenheiro recémformado Nesse momento o novo integrante trabalhará com a equipe responsável pela análise das caracterís ticas do sistema de lubrificação do motor que recebeu uma demanda para analisar o motivo de um dos motores já aprovados apresentar problemas de superaquecimento e emissões excessivas Nesse caso o que pode estar provo cando o superaquecimento do motor Figura 410 O sistema de lubrificação está eficiente Quais medidas devem ser tomadas Como resolver a emissão excessiva dos gases poluentes Seção 42 Figura 410 Sistema de lubrificação em motor de combustão interna Fonte httpsgooglJrsbeR Acesso em 21 jan 2019 182 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Para elucidar esses questionamentos vamos compreender a classificação e os sistemas de lubrificação assim como a função do cárter das válvulas e dos filtros Nesta seção ainda vamos estudar a classificação dos óleos lubri ficantes aditivos e suas propriedades e por fim vamos introduzir o estudo da tribologia Estamos na reta final nos estudos dos Motores de Combustão Interna seja persistente e curioso para sempre aprender mais Bons estudos Nos motores de combustão interna existem diversos sistemas de lubri ficação do motor cujas principais funções são reduzir o atrito entre as peças com movimento relativo impedir o contato direto entre essas peças e o desgaste promover o resfriamento das peças lubrificadas auxiliar na vedação entre pistão cilindros e anéis proteger contra ferrugem e corrosão limpar e facilitar a eliminação de resíduos indesejáveis e evitar a formação de espuma BRUNETTI 2012 p 175 As válvulas hastes os tuchos balancins e árvore de comando são os componentes que mais precisam de lubrificação O sistema de lubrificação é efetivo quando possui o lubrificante na quantidade correta as propriedades necessárias para o tipo de motor acaba mento específico em contato escolha adequada do tipo de material e dureza das superfícies em contato das folgas que existem entre as peças e da pressão da superfície de contato BRUNETTI 2012 p 176 A Figura 411 a e b apresenta danos ocasionados pela falta de lubrificação Figura 411 a Eixo comando e tucho danificado pitting b scuffing na saia do pistão Fonte adaptada de BrunettI 2012 p 176 Não pode faltar Seção 42 Lubrificação lubrificantes e tribologia 183 A lubrificação pode ocorrer em diferentes formas e pode ser classificada em Sistema de lubrificação por salpico ou aspersão Figura 412 A lubri ficação ocorre a partir da aspersão de finas gotas de óleo que são arrastadas por turbulência no interior do motor O contato do virabrequim com o óleo lubrificante diminui a potência efetiva do motor BRUNETTI 2012 p 177 Esse tipo de lubrificação atualmente é pouco utilizado e nesse processo os componentes lubrificados no motor são os mancais principais eixo de comando pinos dos pistões e mecanismo de válvulas Figura 412 Lubrificação por salpico ou aspersão Fonte Brunetti 2012 p 177 Sistema de lubrificação Motores 2T Figura 413 A lubrificação ocorre pela adição de lubrificantes ao combustível que pode ocorrer diretamente no tanque de combustível ou pela utilização de um dosador na linha de combus tível chamado de lubrimatic O lubrificante circula em forma de uma espécie de nuvem misturada ao combustível A desvantagem nesse processo encon trase na dificuldade de lubrificação dos mancais das bielasvirabrequim e na manutenção devido à falta de homogeneidade Assimile A corrosão alveolar isso é a corrosão caracterizada por furos localizados nos metais é denominada pitting Já o scuffing pode ser compreendido como escoriações ou arranhões que acontecem no corpo da peça 184 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Figura 413 Lubrificação de Motores 2T admissão para o cárter Fonte Brunetti 2012 p 178 Sistemas de lubrificação sob pressão ou forçada Figura 414 Atualmente é o sistema mais utilizado e tratase de uma bomba com deslo camento positivo em que a vazão de óleo a uma dada pressão é transpor tada através dos orifícios a todos os componentes móveis do motor como os mancais principais bielas topo dos pistões eixo do comando de válvulas eixo de balanceiros acessórios do motor e engrenagens de sincronização A lubrificação das paredes dos cilindros ocorre a partir do óleo que escapa dos mancais principais Figura 414 Sistema de lubrificação forçada Fonte Brunetti 2012 p 179 Nos motores de combustão interna é observado um fenômeno denomi nado blow by nome em inglês dado à parcela de gases queimados após a combustão que passa através dos anéis durante o tempo de compressão e expansão e atinge o cárter e a superfície do óleo lubrificante sendo arrastada para o sistema de admissão como mostra a Figura 415 BRUNETTI 2012 p 179 Seção 42 Lubrificação lubrificantes e tribologia 185 Figura 415 Gases de blow by Fonte Brunetti 2012 p 180 Nos motores atuais geralmente admitese entre 10 e 15 de volume de blow by A Figura 416 apresenta resultados de blow by em um teste de durabilidade em que é perceptível o aumento momentâneo por volta de 300 h É importante realizar esse tipo de acompanhamento uma vez que o cresci mento de blow by indica o engripamento do motor Figura 416 Condição do teste plena carga com rotação constante Fonte Brunetti 2012 p 182 Temos que junto com os gases queimados são arrastadas algumas gotículas de óleo que variam de acordo com sua vazão Dessa forma utili zamse separadores de blow by com regime de escoamento laminar que têm como função fazer com que a mistura rica seja direcionada ao sistema de admissão e o óleo lubrificante retorne ao cárter O cárter tem como funções decantar o lubrificante ocorrendo a separação aróleoespuma armazenar o óleo do motor promover a troca de calor além de ser um elemento estru tural bloco do motor chassis Nos MCI os tipos mais comuns de cárter são o úmido Figura 417 utilizado nos motores convencionais cuja desvan tagem é o fato de aumentar a altura final do motor e o cárter seco utili zado em motores horizontais geralmente utilizados em ônibus e motores de competição 186 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Figura 417 Cárter úmido Fonte Brunetti 2012 p 183 O cárter além de armazenar o óleo lubrificante atualmente é utilizado como elemento de suporte para a montagem de outros componentes como o filtro de óleo trocador de calor sensor de nível etc Para que ocorra a ventilação positiva do cárter é utilizada a válvula PCV positive cranckcase ventilation que abre a passagem desses gases para o coletor de admissão Outro aspecto fundamental para a lubrificação do motor é a utilização de filtros que têm como função reter os contaminantes do óleo lubrificante resíduos da combustão partículas do atrito das superfícies além de possuir uma elevada eficiência na retenção de partículas A lubrificação como citado anteriormente tem funções essenciais para o bom funcionamento do motor e para ser efetiva depende de um conjunto de propriedades dos óleos lubrificantes como viscosidade índice de viscosi dade ponto de fluidez oleosidade corrosão espuma emulsão detergência estabilidade massa específica total base number TBN total acid number TAN e a resistência à extrema pressão Existem outros componentes essenciais na lubrificação dos motores de combustão interna como a bomba de óleo a válvula reguladora de pressão os diversos tipos de filtros o sistema de filtragem total e parcial o trocador de calor e a bomba elétrica Não deixe de explorar esses temas nas páginas 188203 do livro Motores de combustão interna v 2 de Franco Brunetti ed Blucher 2012 Saiba mais Seção 42 Lubrificação lubrificantes e tribologia 187 A viscosidade qualitativamente pode ser definida como a facilidade que um óleo tem para escoar enquanto quantitativamente ela é definida como a força por unidade de área que é necessária para gerar um gradiente de velocidade unitário Por definição o coeficiente de proporcionalidade é a viscosidade absoluta ou dinâmica e também é representada pela letra grega mi m A viscosidade possui um valor definido para lubrificante em uma determinada temperatura Aumenta em baixas temperaturas e diminui com o aumento da temperatura Além da viscosidade absoluta ou dinâmica definese a viscosidade cinemática u como a razão entre a viscosidade dinâmica e a massa específica r do lubrificante O viscosímetro Saybolt é um dos mais utilizados em análises de viscosi dade e nele é indicada em Segundos Saybolt Universal SSU As unidades utilizadas para a viscosidade cinemática são o Stoke St e o centistoke cSt O fato de a viscosidade dos lubrificantes depender da temperatura dificulta a partida dos motores a frio e provoca perdas por fuga através dos anéis de pistão em temperaturas elevadas BRUNETTI 2012 p 218 O índice de viscosidade vI de um óleo é um valor experimental que estabelece uma relação entre a variação de sua viscosidade com a tempera tura e a variação da viscosidade de dois óleos adotados como padrões um com alta sensibilidade vI 0 e outro de baixa vI 100 Nos óleos com elevado valor de vI a viscosidade não varia tanto com a temperatura quando comparado a um óleo com baixo valor de vI A SAE Society of Automotive Engineers classifica os lubrificantes de acordo com suas condições de uso Tabela 41 Os graus SAE são seguidos ou não pela letra W de winter inverno aqueles lubrificantes que apresentam a denominação W são especificados para a utilização em baixas tempera turas e portanto têm viscosidade mais baixa Já os lubrificantes multigrade apresentam caraterísticas para serem aplicados tanto em baixa quanto em elevada temperatura 188 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Tabela 41 Classificação SAE J300 Grade de viscosidade SAE VISCOSIDADE Temperaturalimite de bombeamento A baixa temperatura mPa s C C C S A 100 C ASTM D445 2 mm s Máximo Mínimo Máximo Máximo 0 W 5 W 10 W 15 W 3250 30 3500 25 3500 20 3500 15 38 38 41 56 35 30 25 20 20 30 40 50 56 93 125 163 93 125 163 219 Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 220 Exemplificando Por exemplo o óleo lubrificante denominado 10W40 significa dizer que este óleo têm em baixas temperaturas o comportamento do óleo 10 W isso é apresenta baixa viscosidade já em elevadas temperaturas possui o comportamento de um óleo 40 isso é viscosidade adequada a quente A temperatura do óleo lubrificante não é a única propriedade que define a escolha da viscosidade do lubrificante a carga e a velocidade são outros parâmetros considerados Em relação a carga quanto maior for a carga maior deverá ser a viscosidade Já em termos de velocidade quanto maior ela for mais baixa deverá ser a viscosidade do óleo e viceversa Saiba mais Outras caraterísticas sobre as propriedades dos lubrificantes são funda mentais para o sistema de lubrificação como o ponto de fluidez oleosi dade corrosão espuma emulsão detergência estabilidade massa específica total base number TBN total acid number TAN e a resis tência a extrema pressão Não deixe de explorar esses temas nas páginas 221225 do livro Motores de combustão interna v 2 de Franco Brunetti ed Blucher 2012 Para melhorar algumas propriedades dos óleos lubrificantes muitas vezes são utilizadas adições de aditivos que potencializam alguma propriedade do lubrificante para atender às especificações de uso No entanto a escolha do melhor aditivo para um determinado óleo lubrificante não é simples uma Seção 42 Lubrificação lubrificantes e tribologia 189 vez que ao potencializar uma determinada característica do óleo outra pode ser minimizada Os aditivos utilizados em lubrificantes podem ser distinguidos em três classes de acordo com o seu modo de ação aqueles que melhoram uma propriedade física do óleo afetando a reologia do lubrificante a baixas temperaturas aqueles que possuem ação protetora do lubrificante em serviço e ocorre nas interfaces limitando sua deterioração ou alterações químicas aqueles que atuam por um mecanismo químico e protegem o equipa mento contra o desgaste ou o ataque de contaminantes agressivos no caso dos antioxidantes e extrema pressão Os lubrificantes também podem ser classificados quanto aos aditivos Óleos regulares óleos minerais aplicados em motores com solici tações moderadas Óleos premium contêm aditivos que atuam na melhoria das carac terísticas antioxidantes e anticorrosivas e são utilizados em condi ções mais severas Óleos heavyduty além da adição de aditivos contém em sua composição óleos detergentes são indicados para motores Diesel com ignição por centelha e quando solicitados por grandes cargas e altas velocidades A tribologia pode ser compreendida como o estudo entre a interação de duas superfícies que interagem em movimento relativo e engloba os mecanismos de atrito lubrificação e desgaste Os MCI são compostos por diversas peças que apresentam movimento giram deslizam etc uma contra a outra fazendo necessário o estudo tribológico para garantir a durabili dade e eficiência exigidas pelas indústrias BRUNETTI 2012 p 341 Os parâmetros importantes na tribologia são normalmente dependentes do sistema e não das características dos materiais portanto temos que as perdas mecânicas ocasionadas pelo atrito entre as peças afetam o desempenho do motor Estimase que uma redução de perdas por atrito de 10 resultaria na diminuição no consumo de combustível da ordem de 3 BRUNETTI 2012 p 342 O melhor desempenho tribológico de um motor pode ocasionar os seguintes benefícios redução de consumo de combustível aumento de potência do motor redução de consumo de óleo redução de emissões de 190 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Figura 418 Perfil de uma superfície real a mesma ampliação nos eixos x e y b mesma superfície com ampliações diferentes em x e y c perfil típico de rugosidade com ampliação em y muito maior que em x Fonte Brunetti 2012 p 344 gases tóxicos melhoria na durabilidade confiabilidade e vida do motor e no aumento no intervalo de revisões Rugosidade e topografia A rugosidade ou acabamento superficial pode ser compreendida como os pequenos desvios de alta frequência de uma superfície real para a super fície ideal Em algumas situações esses desvios podem ser propositais A diferença entre rugosidade e ondulação é dada pela frequência espacial dos desvios e é fundamental o controle e entendimento do acabamento super ficial para o funcionamento correto do sistema A Figura 418 apresenta o perfil de rugosidade de uma superfície real com ampliação vertical muito maior que a horizontal Seção 42 Lubrificação lubrificantes e tribologia 191 Outro fenômeno estudado na tribologia é o desgaste que é compre endido como um dano progressivo que envolve a perda de material e que ocorre sobre a superfície de um componente As causas do desgaste estão relacionadas basicamente por dois tipos principais mecânico e químico O desgaste mecânico envolve processos que estão associados ao deslizamento rolamento abrasão erosão e fadiga Enquanto o desgaste químico relacio nase com as reações triboquímicas reações de corrosão que as superfícies sofrem de acordo com o meio em que estão inseridas Para compreender o mecanismo de desgaste é necessário compreender o tribossistema isso é as condições que cercam o sistema tribológico como as propriedades dos materiais o tipo de movimento a geometria o meio e as solicitações força velocidade vibrações Assim fazse necessário pensar no desgaste e no atrito como respostas de um sistema e não como propriedades dos materiais BRUNETTI 2012 p 348 O desgaste pode ser classificado como Moderado Aparência da superfície desgastada é lisa rugosidade menor que a original a superfície de desgaste é coberta por uma camada de óxido altos valores de resistência de contato fragmento de desgaste de pequenas dimensões diâmetros da ordem de 100 mm baixos valores de coeficiente de atrito Severo Alta taxa de desgaste a superfície desgastada apresentase mais rugosa que a original ausência de camada de óxido baixos valores de resis tência de contato fragmentos de tamanho grande altos valores de coefi ciente de atrito Saiba mais Existem diversas equações que tentam modelar o desgaste com destaque para as equações baseadas nos mecanismos de contato equações empíricas e equações baseadas nos mecanismos de falha dos materiais Da mesma forma vários são os ensaios de desgaste que são utilizados para classificar a resistência de diferentes materiais Saiba mais sobre esses temas estudando as páginas 350356 do livro Motores de combustão interna v 2 de Franco Brunetti ed Blucher 2012 O atrito é outro parâmetro estudado pela tribologia e pode ser definido como a força necessária para iniciar o deslizamento entre duas superfícies e é frequentemente maior que a força necessária para manter o deslizamento Reflita Em sistemas lubrificados o coeficiente de atrito estático é maior ou menor do que o coeficiente de atrito dinâmico 192 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Sem medo de errar Atuando como gestor de projetos de motores em uma montadora lembrese de que recentemente foi contratado um engenheiro para compor seu time de especialistas Nesse momento o novo integrante trabalhará com a equipe responsável pela análise das características do sistema de lubrifi cação do motor que recebeu uma demanda para analisar o motivo de um dos motores já aprovados apresentar problemas de superaquecimento e emissões excessivas Nesse caso o que pode estar provocando o superaquecimento do motor Figura 410 O sistema de lubrificação está eficiente Quais medidas devem ser tomadas Como resolver a emissão excessiva dos gases poluentes Figura 410 Sistema de lubrificação em motor de combustão interna Fonte httpcarrosinfococombrwpcontentuploads201407sl1jpeg Acesso em 21 jan 2019 O coeficiente de atrito estático possui uma relação importante com o fenômeno denominado stickslip em que a adesão repentina dos corpos com deslizamento subsequente pode provocar um mecanismo de desgaste com morfologia na forma de ondas além de vibração no sistema BRUNETTI 2012 p 356 O atrito do ponto de vista da energia é um processo em que a energia cinética é convertida em outras formas de energia Normalmente grande parte da energia mecânica é convertida em calor Nas aplicações de engenharia normalmente os sistemas são lubrificados fazendo com que nos estudos do comportamento de atrito de superfícies seja levada em consi deração a presença de filmes de diversas naturezas na superfície do metal Os modos de lubrificação podem ser definidos pela curva de Stribeck que apresenta a variação do coeficiente de atrito em função do parâmetro de filme t no qual se observam os regimes de lubrificação denominados lubrifi caçãolimite lubrificação mista e lubrificação hidrodinâmica Seção 42 Lubrificação lubrificantes e tribologia 193 A partir dos estudos desta seção você foi capaz de concluir que devido às altas temperaturas alcançadas pelo óleo no interior do motor o sistema de lubrificação não se encontrava eficiente Assim você foi capaz de identi ficar que o problema estava no mau funcionamento do sistema que tem como função controlar a temperatura do mesmo antes que volte a circular novamente pelo sistema Dessa forma fazse necessária a manutenção do sistema regulador de temperatura que basicamente consiste em um trocador de calor e uma válvula termostática A lubrificação eficiente do motor fará com que não ocorra o superaquecimento que também é responsável pela emissão exces siva de poluentes na atmosfera Outra medida que deve ser adotada para a redução na emissão de poluentes é a seleção e aplicação de filtros para o motor nos quais apenas o cartucho é trocado Essa construção é válida para os motores Otto e Diesel pois diminui o descarte de componentes usados isso é não é necessária a troca de todo o conjunto que compõe o filtro Saiba mais Conheça mais sobre os tipos de filtros e válvulas termostáticas acessando catálogos de fabricantes que trazem todas as especificações técnicas desses componentes MANN FILTER Catálogos de filtros 20172018 Disponível em https wwwmannfiltercomfileadminuseruploadInternationalWebsites BrazilMFcatalogueBrazilCatalogoMannLinhalevee Pesada2018Web02pdf Acesso em 11 mar 2019 VDO Catálogo de peças de reposição 2017 Dessa forma você foi capaz de identificar o problema e propor uma solução contribuindo para o trabalho da equipe Seleção de lubrificante Descrição da situaçãoproblema Atuando como engenheiro em indústria automobilista você está atuando no laboratório com análise de lubrificantes de motores de combustão interna A partir dos dados de viscosidade segundo a classificação SAE J300 dos óleos lubrificantes apresentados na Tabela 41 você foi questionado pelo seu gestor sobre qual dentre esses óleos é o ideal para operar numa faixa de temperatura de 23 C Avançando na prática 194 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Tabela 41 Classificação SAE J300 Grade de viscosidade SAE VISCOSIDADE Temperaturalimite de bombeamento A baixa temperatura mPa s C C C S A 100 C ASTM D445 2 mm s Máximo Mínimo Máximo Máximo 0 W 5 W 10 W 15 W 3250 30 3500 25 3500 20 3500 15 38 38 41 56 35 30 25 20 20 30 40 50 56 93 125 163 93 125 163 219 Fonte adaptada de Brunetti 2012 p 220 Resolução da situaçãoproblema A partir dos óleos fornecidos na tabela você foi capaz de avaliar que entre os óleos designados com a letra W o lubrificante 10 W é aquele que possui uma temperaturalimite de bombeamento igual a 25 e é indicado para a utilização em baixas temperaturas e portanto têm viscosidade mais baixa No entanto é possível utilizar um lubrificante multigrade que apresenta caraterísticas tanto para serem aplicados em baixa temperatura quanto em elevadas temperaturas Assim por meio de pesquisas você verificou que para essas condições o lubrificante 10W 40 atende perfeitamente às caracte rísticas necessárias para esse motor sendo o lubrificante ideal 1 O sistema de lubrificação é efetivo quando possui o lubrificante na quantidade correta as propriedades necessárias para o tipo de motor acabamento específico em contato escolha adequada do tipo de material e dureza das superfícies em contato das folgas que existem entre as peças e da pressão da superfície de contato O sistema de lubrificação pode ser classificado em lubrificação por salpico ou aspersão lubrifi cação sob pressão ou forçada e lubrificação de motores 2T Assinale a alternativa que se refere corretamente ao sistema de lubrificação sob pressão a O sistema conta com uma bomba de deslocamento positivo que envia uma vazão de óleo a uma determinada pressão através de orifícios a todos os componentes móveis do motor b O sistema libera óleo em finas gotículas que são arrastadas por turbulência no interior do motor já que o contato entre componentes do motor reduz a potência efetiva Faça valer a pena Seção 42 Lubrificação lubrificantes e tribologia 195 2 Nos motores de combustão interna o cárter tem como funções decantar o lubrifi cante ocorrendo a separação aróleoespuma armazenar o óleo do motor promover a troca de calor além de ser um elemento estrutural bloco do motor chassis Analise as seguintes afirmações I Nos MCI o cárter úmido é utilizado nos motores convencionais cuja desvantagem é o fato de aumentar a altura final do motor II Para que ocorra a ventilação positiva do cárter é utilizada a válvula PCV positive cranckcase ventilation que abre a passagem dos gases de combustão para o coletor de admissão III O cárter além de armazenar o óleo lubrificante atualmente é utilizado como elemento de suporte para a montagem de outros componentes como o filtro de óleo trocador sensor de nível entre outros A partir das afirmações assinale a alternativa correta a Apenas a afirmação III está correta b Apenas a afirmação I está correta c Estão corretas as afirmações I e II d Estão corretas as afirmações II e III e Todas as afirmações estão corretas c Nesse sistema o lubrificante circula sob a forma de névoa misturada ao combus tível e normalmente é encontrada em motores com potência efetiva menor que 50 cv d Esse tipo de lubrificação lubrifica principalmente os mancais principais eixo de comando pinos dos pistões cilindros e mecanismos de válvulas e Nesse sistema a parcela de gases da combustão escapa através dos anéis durante os processos de compressão e expansão atingindo o cárter e a superfície do lubrificante 3 A tribologia pode ser compreendida como o estudo entre a interação de duas superfícies que interagem em movimento relativo e engloba os mecanismos de atrito lubrificação e desgaste Os MCI são compostos por diversas peças que apresentam movimento giram deslizam etc uma contra a outra fazendo necessário o estudo tribológico para garantir a durabilidade e eficiência exigidas pelas indústrias Considerando esse contexto avalie as seguintes asserções e a relação proposta entre elas I Os parâmetros importantes na tribologia são normalmente dependentes do sistema e não das características dos materiais PORQUE II II As perdas mecânicas ocasionadas pelo atrito entre as peças afetam diretamente o desempenho do motor A respeito dessas asserções assinale a opção correta 196 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto a As asserções I e II são proposições verdadeiras e a II é uma justificativa da I b As asserções I e II são proposições verdadeiras mas a II não é uma justificativa da I c A asserção I é uma proposição verdadeira e a II é uma proposição falsa d A asserção I é uma proposição falsa e a II é uma proposição verdadeira e As asserções I e II são proposições falsas Seção 43 Sistema bielamanivela sistemas de arrefecimento e projeto de motores 197 Sistema bielamanivela sistemas de arrefecimento e projeto de motores Diálogo aberto Os motores de combustão interna estão presentes em nosso cotidiano principalmente nos meios de transporte Ao adquirirmos um automóvel por exemplo sabemos que para o funcionamento do motor é necessário abastecêlo com o combustível adequado Porém o abastecimento faz parte de um dos sistemas envolvidos no funcionamento do motor Uma situação comum nos postos de combustível é sermos questionados pelos frentistas se o nível de água do motor está adequado mas você sabe a qual sistema pertence esse reservatório e qual a importância de manter a água no nível correto A quantidade de água estando correta quais os sistemas que fazem o carro ganhar movimento A partir dessas questões podemos perceber que os sistemas de um motor de combustão interna estão conectados e para que tenhamos a máxima eficiência do motor é necessário garantir que todos os processos envolvidos trabalhem corretamente A concepção e o projeto de um motor requerem o envolvimento de várias equipes e de muita engenharia embarcada Nesta seção de estudos vamos conhecer sobre o sistema bielamani vela e o sistema de arrefecimento e seus respectivos componentes por fim vamos aprender os princípios fundamentais que estão envolvidos no projeto de um motor de combustão interna Para iniciarmos nossos estudos você é gerente da área de projetos de uma montadora de automóveis que recente mente contratou um engenheiro recémformado Nesse momento a equipe está investigando as possíveis causas do superaquecimento de um motor Os engenheiros constataram a ausência do fluxo de fluido de arrefecimento no sistema mesmo o motor já estando em funcionamento Mas quais as possí veis causas desse superaquecimento Pode ser o mau funcionamento do sistema de arrefecimento Quais os componentes que compõem esse sistema e que podem estar com defeitos Seção 43 198 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Figura 419 Motor superaquecido Fonte httpsgooglUEWb2J Acesso em 5 fev 2019 No projeto do motor não foram levantados todos os possíveis problemas que poderiam ocorrer Mas para iniciar um projeto de um motor a combustão interna qual a premissa principal que deve ser seguida No estudo desta seção iremos conhecer o funcionamento do sistema de arrefecimento e quais os principais elementos que o compõem Para finalizar nossos estudos vamos compreender as premissas que devem ser conside radas ao iniciar um projeto de MCI A partir destes estudos você terá compreendido o sistema de arrefeci mento e os princípios de projeto de motores de combustão interna e será capaz de definir os componentes de um sistema de arrefecimento e aplicar os princípios de projeto de motores de combustão interna Seja curioso e persistente Bons estudos Não pode faltar Os motores de combustão interna a pistões apresentam uma cinemá tica que parte do movimento de translação alternativo gerando movimento rotativo por meio de um eixo de manivelas sendo a geração de potência intermitente e com regimes de trabalho variáveis Dessa forma fazse neces sário conhecer os esforços desenvolvidos nesses motores para o correto dimensionamento das peças com relação à resistência rigidez para o projeto da estrutura e dos suportes assim como na atenuação das vibrações decor rentes BRUNETTI 2012 p 299 O mecanismo bielamanivela Figura 420 devido à sua simplicidade é um dos mais utilizados em motores de combustão interna Seção 43 Sistema bielamanivela sistemas de arrefecimento e projeto de motores 199 Figura 420 Mecanismo do motor bielamanivela Fonte Brunetti 2012 p 300 A partir da Figura 420 é possível determinar a posição instantânea do pistão P a partir do PMS por meio do seu deslocamento x Admitindo como referência o ponto morto superior temos que r é o raio da manivela L é o comprimento da biela a é o ângulo percorrido pela manivela a partir do PMS e b é o ângulo da biela Assim a posição do pistão será dada por cos cos x r L r L a b ou 1 cos 1 cos x r L a b 413 Indicando a relação r L por l é possível escrever sen sen b l a Aplicando o binômio de Newton e as devidas transformações trigono métricas a posição do pistão Figura 420 pode ser encontrada com grande precisão e com a vantagem algébrica de apresentar uma derivada imediata pela expressão 2 1 cos 1 cos2 4 x r L l a a 414 A velocidade instantânea do pistão v pode ser calculada por dx dx d dx v x dt d dt d a w a a 415 Em que w é a velocidade angular a manivela r Logo pela equação 416 têmse 2 2 v r sen l sen w a a æ ö ç ç çè ø 416 200 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Já a aceleração do pistão será dada por 2 cos cos2 a w r a l a 417 Utilizando mais termos das séries do Binômio de Newton a expressão da aceleração é dada por 3 2 5 9 cos cos2 cos4 cos6 4 128 a r l w a l a a l a æ ö ç ç ç çè ø 418 No sistema bielamanivela as principais forças são Força de pressão pF é a força dos gases dada por 2 4 p D F pA p p 419 Na qual p é a pressão existente na câmara A é a área projetada da cabeça do cilindro e D é o diâmetro do pistão A pressão p é uma função do ângulo a percorrido pela manivela em todos os instantes A partir do diagrama p V V é o volume ocupado pelos gases para uma determinada posição da manivela é possível calcular p em função de a isto é p f a por meio da seguinte expressão 2 1 cos 1 cos2 4 V xA r L A a l a a é ù ê ú ê ú ë û 420 Forças de inércia alternativa aF É o resultado da aceleração do movimento alternativo das massas ou seja temos que a a F m a em que a m são as massas com movimento relativo e a é a aceleração do pistão A força de inércia alternativa é dada por 1 2 cos cos2 aF C C a a 421 Em que 2 1 a C m w r e 2 2 a C m w l a m são as massas com movimento alternativo e a aceleração do pistão A equação 423 pode ser reescrita como aF P S 422 Em que 1 cos P C a é a força alternativa primária e 2 cos2 S C a é a força alternativa secundária Força centrífuga cF É a reação da aceleração centrípeta logo têmse 2 c r F m w r 423 Seção 43 Sistema bielamanivela sistemas de arrefecimento e projeto de motores 201 Em que r m são as massas rotativas A força de pressão e a força alternativa possuem a mesma direção que é a do eixo do cilindro Assim em cada instante é possível indicar uma força total TF dada por T p a F F F 424 A Figura 421 apresenta um esquemático da decomposição dessa força nos principais componentes BRUNETTI 2012 p 306 Figura 421 Decomposição de forças Fonte Brunetti 2012 p 306 Na Figura 421 observase que a força N F produz um momento em que faz o motor oscilar BRUNETTI 2012 p 306 A parcela da TF devida à pressão é equilibrada pela força pF aplicada no cabeçote assim a única força que faz com que o motor oscile é a força aF O momento Ma no eixo é calcu lado por tan M a F r 425 O estudo da cinemática e dinâmica do motor é complexo e envolve a manipulação matemática de diversas equações o estudo da divisão das massas o diagrama da força total e o momento no eixo No estudo das páginas 301314 do livro Motores de combustão interna v 2 de Franco Brunetti ed Blucher 2012 você poderá se aprofundar nesses temas Saiba mais 202 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Nos motores de combustão interna além de produzir uma grande diferença de temperatura entre os gases e as paredes da câmara de combustão a reação de combustão promove a transferência de parte do calor gerado para as paredes dos cilindros e consequentemente ao cabeçote BRUNETTI 2012 p 369 Dessa forma o sistema de arrefecimento deve garantir que os compo nentes do motor operem em temperaturas médias que sejam adequadas em relação às propriedades dos materiais constituintes Alguns componentes são bastante solicitados como por exemplo as válvulas de admissão e de escapa mento que estão diretamente em contato com a combustão Exemplificando As válvulas de escapamento atingem valores médios de tempera tura iguais a 300 C a 450 C para a haste e 600 C a 820 C para a sede As válvulas normalmente são constituídas por ligas CrNi Cromoníquel que são resistentes a temperaturas de até 800 C para valores superiores são indicadas ligas Co Stellite ou válvulas com resfriamento interno por sódio O resfriamento das válvulas de admissão ocorre pelo ar que é admitido e pela área maior em contato com esse fluxo Nas válvulas de escapamento existem problemas graves de resfriamento exigindo em sua construção materiais que apresentem elevadas resistência a oxidação desgaste e fluência À medida que os projetos de motores elevam as solicitações térmicas como o aumento da potência específica por meio da elevada rotação agravamse os problemas de resfriamento das válvulas de escapamento que normalmente operam a temperatura na ordem de 800 C Quando se operam misturas pobres ou ignição atrasada essas misturas pobres de combustívelar potencializam a oxidação e a corrosão da válvula devido às temperaturas elevadas e ao oxigênio livre As válvulas de escapa mento são constituídas de três materiais distintos cujo objetivo é atender às condições desfavoráveis de operação por um determinado período sem apresentar falhas Esses materiais são cabeça material austenítico resistente à corrosão periferia revestida com um material de alta dureza Stellite haste material martensítico resistente à abrasão As ligas utilizadas na fabricação de válvulas de escapamento são normal mente compostas por 030045 Carbono C 0813 Manganês Mn 25325 Silício Si 17502050 Cr Crômio e 700900 Níquel Ni Essas ligas possuem resistência de 2 1200 kgfcm a 900 C Seção 43 Sistema bielamanivela sistemas de arrefecimento e projeto de motores 203 Também é comum a utilização de válvulas de escapamento ocas interna mente e preenchidas parcialmente com sódio sólido que se funde em baixas temperaturas 95 C e possui elevada condutividade térmica diminuindo a temperatura média na cabeça da válvula Assim como as válvulas de admissão e de escapamento os pistões estão em contato direto com a combustão sendo solicitados de forma extrema Em motores com grande diâmetro a temperatura média da cabeça do pistão costuma ser elevada devido ao percurso para o calor escoar pelas paredes frias A troca de calor entre a cabeça do pistão e o fluido de arrefecimento ocorre através dos anéis que estão em contato com a superfície mais fria BRUNETTI 2012 p 377 Com o objetivo de evitar temperaturas elevadas e tensões excessivas os projetos de pistões são alterados de acordo com o tamanho do motor Existem pistões com canal resfriador na cabeça no qual o óleo lubrificante circula retirando calor dessa região neste caso utilizase fluido trocador de calor Figura 422 Figura 422 Pistão com canal resfriador jet cooling Fonte Brunetti 2012 p 377 A redução da relação combustívelar em motores Diesel e a redução da rotação do motor são outras alternativas utilizadas para baixar a temperatura média da cabeça do pistão A Figura 423 apresenta o perfil de temperaturas no pistão de um motor de ignição por faísca com diâmetro de 70 mm 204 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Figura 423 Perfil de temperaturas MIF com plena carga Fonte Brunetti 2012 p 378 As camisas ou os cilindros são outros componentes do motor que são solicitados de forma extrema A temperatura de pico do gás queimado pode atingir até 2200 C e junto às paredes o lubrificante trabalha a 180 C pois o fluxo de calor no pico é da ordem de 05 2 MWm a 10 2 MWm Essas condi ções podem levar ao aquecimento da vela e a préignição nos MIF a variação da temperatura de exaustão que interfere diretamente nas emissões de gases na temperatura máxima na parede do cilindro necessitando de maior potência nas bombas ou nos ventiladores Atualmente os processos utilizados para retirada do calor são Circulação de água fechada com torre de arrefecimento aberta com reservatório termofissão forçada Circulação de ar livre forçada Circulação de óleo forçada complementar à circulação de ar O estudo dos processos meios de arrefecimento é importante para a compreensão das características de cada processo seus componentes e suas respectivas condições de operação Conheça mais sobre esses temas a partir dos estudos das páginas 380 a 388 do livro Motores de combustão interna v 2 de Franco Brunetti ed Blucher 2012 Saiba mais Seção 43 Sistema bielamanivela sistemas de arrefecimento e projeto de motores 205 A válvula termostática presente no sistema de arrefecimento é necessária para o controle do fluxo de água que circula pelo radiador em cada regime do motor Encontrase instalada entre a saída da água do motor no cabeçote e o radiador A válvula termostática encontrase fechada quando o motor está frio impede a circulação da água pelo radiador permite a circulação de água somente em circuito fechado pelo motor através de uma derivação existente no bloco Adotando esse procedimento o aquecimento do motor ocorre mais rápido A Figura 424 apresenta um esquemático de uma válvula termostática Figura 424 Válvula termostática Fonte Brunetti 2012 p 389 Os tipos de válvulas termostáticas são de estrangulamento de passo com aquecimento e eletrônica Outros componentes importantes do sistema de arrefecimento são Bomba dágua mecânica ou elétrica Promove a circulação da água no interior do motor e tratase de uma bomba centrífuga de rotor aberto Ventiladores Os sistemas de ventilação são divididos de acordo com o tipo de acionamento como mecânico elétrico e viscoso Vaso de expansão Possibilita aferir o nível do líquido refrigerante evitando perdas por evaporação já que a água se encontra sob pressão tornando seguro o funcionamento do motor 206 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Não deixe de aprofundar seus estudos sobre os diferentes tipos de válvulas termostáticas as diferenças entre as bombas dágua mecânica e elétrica diferentes sistemas de ventilação a função os requisitos e o dimensionamento dos radiadores As páginas 388 a 418 do livro Motores de combustão interna v 2 de Franco Brunetti ed Blucher 2012 trazem um conteúdo mais detalhado sobre esses temas A criação de um novo MCI nasce da necessidade das empresas em atender ao planejamento estratégico e sua consequente Linha de Visão Dessa forma o portfólio de motores de uma empresa deve ser constante mente atualizado de maneira que atenda às necessidades do mercado tais como competitividade custo aprimoramento tecnológico adequação às leis de emissões gasosas e de ruído desempenho dentre outras Essas demandas são levantadas pelas equipes de marketing vendas e engenharia bem como as tendências tecnológicas Ao conceituar o produto as equipes de marketing e técnica devem selecionar parâmetros do novo produto como Tipo de aplicação Esses requisitos são tão diversos que cada motor deve ser projetado para a principal utilização A Figura 425 apresenta a classi ficação típica de motores por tipo de aplicação baseada no uso e na faixa aproximada de potência nominal do motor Saiba mais Seção 43 Sistema bielamanivela sistemas de arrefecimento e projeto de motores 207 Figura 425 Classificação por tipo de serviço Fonte Brunetti 2012 p 428 Dentro dessa classificação existem diversas possibilidades e especiali dades que podem determinar a aplicação adequada de um tipo de motor ou outro de maneira que possam existir sobreposições de serviços isso é motores que podem ser utilizados para mais de uma classe BRUNETTI 2012 p 428 Reflita Considerando a possíveis superposições de serviço é possível utilizar um motor cuja aplicação básica seja para automóveis em aplicações marítimas ou mesmo industriais 208 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Os requisitos que são exigidos para os motores têm prioridades distintas em função de cada tipo de aplicação como por exemplo motores para automóveis apresentam como características classificadas como muito importante ruído e vibrações reduzidas confiabilidade flexibilidade baixa manutenção economia de combustível e emissões gasosas O baixo custo para motores de automóveis é uma característica classificada importante Saiba mais O projeto de motores de combustão interna engloba diversos outros projetos relacionados à construção e ao desempenho do motor como a análise preliminar de desempenho o projeto do sistema de combustão o projeto estrutural do bloco o projeto do trem de força o projeto do absorvedor de vibrações torcionais projeto do sistema de comando de válvulas projeto do sistema sincronizador projeto do sistema de acessó rios e agregados projeto do volante de inércia projeto do sistema de partida e projeto de suportes e coxins Para saber mais sobre esses projetos não deixe de estudar as páginas 429 a 449 do livro Motores de combustão interna v 2 de Franco Brunetti ed Blucher 2012 que traz um estudo de cada projeto que envolve a construção de um MCI Finalizando temos que a simulação e a prototipagem virtual são ferra mentas muito utilizadas na indústria uma vez que permitem analisar todos os sistemas e subsistemas motor e o veículo como um todo No entanto apesar da utilização e do avanço dessas ferramentas a prototipagem física e a fase de pesquisa e desenvolvimento experimental são fundamentais Sem medo de errar Atuando como gestor de projetos de motores em uma montadora recen temente você contratou um engenheiro para compor seu time de especia listas Nesse momento o novo integrante trabalhará com a equipe respon sável pela análise de um motor que apresenta superaquecimento Mas quais as possíveis causas desse superaquecimento Pode ser o mau funcionamento do sistema de arrefecimento Quais os componentes que compõem esse sistema e que podem estar com defeitos Seção 43 Sistema bielamanivela sistemas de arrefecimento e projeto de motores 209 Figura 419 Motor superaquecido Fonte httpsgooglUEWb2J Acesso em 5 fev 2019 No projeto do motor não foram levantados todos os possíveis problemas que poderiam ocorrer Mas para iniciar um projeto de um motor a combustão interna qual a premissa principal que deve ser seguida Após a análise do motor concluise que o superaquecimento foi ocasio nado pelo mau funcionamento do sistema de arrefecimento Esse sistema é composto basicamente por bomba dágua válvula termostática ventiladores vaso de expansão aditivos mangueiras e radiador O superaquecimento do motor pode ser ocasionado por nível inadequado ou ausência do líquido de arrefecimento ou problemas na válvula do vaso expansão de água que não é capaz de manter a elevada pressão de trabalho vazamento da água de arrefecimento devido ao ressecamento de mangueiras e no radiador No entanto a constatação da ausência do fluxo de fluido de arrefeci mento no sistema indica um problema na válvula termostática já que uma de suas funções é permitir a passagem do fluxo de arrefecimento quando o motor atinge uma determinada temperatura mínima A válvula termostática permite a troca entre o fluido de menor temperatura com o fluido do bloco do motor mais quente Assim fazse necessária a troca desse componente No projeto de um motor de combustão interna todos os sistemas são projetados de maneira que atendam à necessidade do mercado com relação a competitividade custo aprimoramento tecnológico adequação às leis de emissões gasosas e de ruído e desempenho que são demandas levantadas pelas equipes de marketing vendas e engenharia 210 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Assim o novo integrante da equipe compreendeu que para um sistema de arrefecimento ser efetivo seus componentes devem funcionar perfeita mente sendo necessárias revisões periódicas do motor e substituição de peças e que mesmo projetando o MCI de acordo com as características das demandas é comum ocorrer falhas de componentes Seleção de material para a fabricação de válvulas empregadas em motores de combustão interna Descrição da situaçãoproblema Atuando em uma empresa fabricante de válvulas de escapamento você solicitou a uma empresa fabricante de aços e ligas metálicas um catálogo com as especificações técnicas dos produtos que a empresa comercializa e que podem ser utilizados na fabricação de válvulas de exaustão para MCI A empresa lhe enviou as informações de composição química Tabela 42 e as características dos metais Avançando na prática Tabela 42 Aços e ligas metálicas composição química Aços Composição química C Mn Cr Ni Mo W V Outros V422A 022 075 1175 075 1 1 025 Si 030 VV40 040 050 1040 100 Si230 VV45 045 040 850 Si330 VV85 085 1750 050 230 045 N4873 045 120 1800 900 100 Si250 VV33 033 325 2300 800 Si075 N050 VV50 050 900 2100 425 115 Nb215 N050 VV53 053 900 2100 400 N042 Fonte adaptada de httpsgoogl5AT8bq Acesso em 7 fev 2019 Os aços V422A VV40 VV45 VV85 são denominados aços martensí ticos e apresentam boa resistência ao calor à oxidação em altas temperaturas e também ao ataque corrosivo proveniente dos gases de combustão dos motores Os aços N4873 VV33 VV50 VV53 são denominados aços austeníticos e são endurecíveis por precipitação Apresentam boa resistência ao ataque corrosivo e demonstram notável resistência ao desgaste e aos choques térmicos e mecânicos Seção 43 Sistema bielamanivela sistemas de arrefecimento e projeto de motores 211 A partir das informações quais aços são adequados para a fabricação de válvulas de exaustão para motores de combustão interna Resolução da situaçãoproblema As ligas de metais que são utilizadas na fabricação de válvulas de exaustão normalmente têm as seguintes faixas de composição 030045 C 0813 Mn 25325 Si 17502050 Cr e 700900 Ni Essas ligas possuem resistência de 2 1200 kgfcm a 900 C Dessa forma a composição química das ligas é o parâmetro fundamental para a utilização da liga na fabricação de válvulas A partir desse parâmetro foi possível comparar com as composi ções químicas das ligas metálicas comercializadas pela empresa produtora de metais Dessa forma você foi capaz de selecionar a liga austenítica denomi nada N4873 que possui as concentrações dos elementos químicos dentro dos limites recomendados 045 C 12 Mn 25 Si 18 Cr e 9 Ni Ao escolher esse material a empresa confirmou ser uma boa escolha para a fabricação de válvulas de exaustão pois essa liga possui alta resistência à corrosão a quente e é indicada para motores de combustão interna 1 Os motores de combustão interna a pistões apresentam uma cinemática que parte do movimento de translação alternativo gerando movimento rotativo por meio de um eixo de manivelas sendo a geração de potência intermitente e com regimes de trabalho variáveis Assinale a alternativa que apresenta corretamente o nome do sistema no qual o texto base se refere a Sistema de arrefecimento b Sistema de lubrificação c Sistema bielamanivela d Sistema de admissão e Sistema de exaustão Faça valer a pena 2 Nos motores de combustão interna além de produzir uma grande diferença de temperatura entre os gases e as paredes da câmara de combustão a reação de combustão promove a transferência de parte do calor gerado para as paredes dos cilindros e consequentemente ao cabeçote 212 U4 Sistemas de MCI e princípios de projeto Analise as afirmações a seguir I O sistema de arrefecimento deve garantir que os componentes do motor operem em temperaturas médias que sejam adequadas às propriedades dos materiais constituintes II As válvulas de admissão e de escapamento são componentes do sistema de arrefecimento que não estão diretamente em contato com a reação de combustão mas são bastante solicitados quando a resistência é exposta a elevadas temperaturas III Em motores com grande diâmetro a temperatura média da cabeça do pistão costuma ser elevada devido ao percurso para o calor escoar pelas paredes frias Assinale a alternativa correta em relação as afirmações a I II e III estão corretas b Somente I e II estão corretas c Somente II e III estão corretas d Somente I e III estão corretas e Somente I está correta 3 O conhecimento dos esforços que se desenvolvem nos motores de combustão interna é indispensável para o dimensionamento das peças quanto à resistência e rigidez Por meio de um eixo de manivelas os MCI a pistões têm uma cinemática que parte do movimento de translação alternativo para gerar movimento rotativo A Figura 420 a seguir apresenta o mecanismo bielamanivela Figura 420 Mecanismo do motor bielamanivela Fonte Brunetti 2012 p 300 Assinale a alternativa correta quanto ao equacionamento do sistema bielamanivela a A posição do pistão é dada por cos cos x r L r L b b b O sistema bielamanivela apresenta apenas um grau de liberdade c A velocidade instantânea do pistão é calculada por dx dx d dt v x dt d dt d a w a a Seção 43 Sistema bielamanivela sistemas de arrefecimento e projeto de motores 213 d A aceleração do pistão é obtida por 3 2 5 9 cos cos2 cos4 cos6 4 128 a r l w a l a a l a æ ö ç ç ç çè ø e A posição do pistão é calculada por 2 1 cos 1 cos2 4 r L x r L a a æ ö ç ç çè ø Referências BRUNETTI F Motores de combustão interna v 2 1 ed São Paulo Blucher 2012 USP Edisciplinas Estado de superfície Disponível em httpsgoogl6sYKp4 Acesso em 19 mar 2019 FILHO A V S Inmetro O ensaio de emissão veicular Disponível em httpsgooglVSvYNQ Acesso em 19 mar 2019 SANTOS et al Ensaio de proficiência de emissões veiculares Disponível em httpsgoogl eFiytV Acesso em 19 mar 2019