Motores à Combustão: Fundamentos e Aplicações

MOTORES À COMBUSTÃO Rafael Bertoncini 2 SUMÁRIO 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 3 2 COMBUSTÍVEIS LUBRIFICANTES E SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO 34 3 SISTEMAS DE ARREFECIMENTO E DE INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL 59 4 COMBUSTÃO 91 5 CONSUMO DE AR NOS MOTORES 4T 110 6 PROPRIEDADES E CURVAS CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES TENDÊNCIAS E TECNOLOGIAS FUTURAS 133 3 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS Apresentação Neste bloco será feita a introdução aos motores de combustão através das suas definições arquitetura mecânica e ciclospadrão A compreensão destes conceitos é fundamental para que possamos então compreender os seus subsistemas e o seu funcionamento global Neste curso iremos nos ater somente aos motores de combustão interna MCI mas vale notar que existem também motores de combustão externa MCE como os motores a vapor ciclo de Rankine 11 Definições Os motores são máquinas térmicas isto é são dispositivos que transformam calor Q em trabalho W Existem diversas fontes de calor disponíveis e no caso dos motores o calor é obtido através da queima de um combustível ou seja a energia química do combustível é transformada em energia mecânica útil BRUNETTI 2012 Fonte adaptado de Brunetti 2012 Figura 11 Fluxos de massa e energia em um motor de combustão interna 4 O fluido ativo FA também conhecido por fluido motor é a substância na qual os processos necessários para a obtenção do trabalho são realizados No caso dos MCIs como ilustrado na figura 11 o FA é formado pela mistura arcombustível Assim o movimento dos componentes do motor é provocado por uma série de processos realizados pelo FA Segundo Brunetti 2012 as máquinas térmicas são classificadas quanto ao comportamento do FA como segue Motor de combustão externa MCE o FA não participa da combustão ele é apenas o veículo da energia térmica que será transformada em trabalho Exemplo máquina a vapor motor de Stirling Motor de combustão interna MCI o FA participa diretamente da combustão Os MCIs são classificados em Motores alternativos são aqueles no qual o trabalho é obtido através do movimento linear de vaivém do pistão e transformado em rotação contínua pelo sistema bielamanivela São motores de combustão cíclica Motores rotativos são aqueles no qual o trabalho é obtido diretamente pelo movimento de rotação Exemplo motor Wankel combustão cíclica e turbina a gás combustão contínua Motores de impulso são aqueles no qual o trabalho é obtido pela propulsão empuxo gerada por gases expelidos em alta velocidade Exemplo motores a jato e foguete combustão contínua Os motores alternativos de maior aplicação no mercado serão o foco deste curso 5 Fonte Wikimedia Commons 2006 Figura 12 Peças móveis de um motor alternativo 111 Nomenclatura dos motores alternativos A partir deste ponto iremos começar a detalhar os MCIs e para isso necessitamos unificar algumas nomenclaturas básicas A figura a seguir ilustra os principais componentes de um MCI neste caso um motor do ciclo Diesel e a tabela na sequência identifica os seus componentes Fonte adaptado de Brunetti 2012 Figura 13 Principais componentes de um MCI do ciclo Diesel 6 1 Bomba de água 15 Bloco 29 Balancim da válvula de escape 2 Válvula termostática 16 Eixo comando de válvula 30 Coletor de escape 3 Compressor de ar 17 Volante 31 Pistão 4 Duto de admissão 18 Virabrequim 32 Motor de partida 5 Injetor de combustível 19 Capa do mancal 33 Dreno de água 6 Válvula de escape 20 Biela 34 Filtro de óleo 7 Coletor de admissão 21 Bujão do cárter de óleo 35 Radiador de óleo 8 Válvula de admissão 22 Bomba de óleo 36 Vareta do nível de óleo 9 Linha de combustível 23 Cárter 37 Bomba manual de combustível 10 Haste de válvula 24 Engrenagem do virabrequim 38 Bomba injetora de combustível 11 Duto de água 25 Amortecedor vibracional 39 Respiro do cárter 12 Tampa de válvula 26 Ventilador 40 Filtro de combustível 13 Cabeçote 27 Duto de admissão 14 Tampa lateral 28 Balancim da válvula de admissão Fonte Brunetti 2012 A figura abaixo apresenta a posição do pistão no cilindro Fonte adaptado de Brunetti 2012 Figuras 14 Posições do pistão no cilindro 7 Sendo PMS Ponto Morto Superior é o ponto mais alto que o pistão pode atingir dentro do cilindro PMI Ponto Morto Inferior é o ponto mais baixo que o pistão pode atingir dentro do cilindro S Curso do pistão é a distância percorrida entre o PMS e o PMI e viceversa V1 Volume total é o volume contido entre o topo do pistão e a face do cabeçote quando o pistão se encontra no PMI V2 Volume morto volume da câmara de combustão é o volume contido entre o topo do pistão e a face do cabeçote quando o pistão se encontra no PMS Vdu Cilindrada unitária ou volume deslocado útil ou deslocamento volumétrico é o volume deslocado pelo pistão de um ponto morto a outro z Número de cilindros do motor D Diâmetro dos cilindros do motor Vd Volume deslocado do motor ou deslocamento volumétrico do motor ou cilindrada total Da figura 14 temos Assim para um motor com z cilindros o volume deslocado do motor Vd cilindrada será Vd πD2 4 Sz Vdu πD2 4 S 8 Um parâmetro importante que influencia o rendimento térmico do motor é a relação volumétrica rv ou taxa de compressão ou seja a relação entre o volume total V1 e o volume morto V2 Os valores habituais de taxa de compressão variam em função da tecnologia do motor e do combustível como segue Ciclo Otto gasolina E22 de 81 a 111 Ciclo Otto etanol hidratado de 101 a 141 Ciclo Otto flex fuel de 101 a 131 Ciclo Diesel de 151 a 241 As características cinemáticas dos motores são apresentadas na figura 15 Fonte Brunetti 2012 Figura 15 Nomenclatura cinemática Onde VE válvula de escape VA válvula de admissão r raio do virabrequim n frequência do virabrequim rv V1 V2 VduV2 V2 9 ω velocidade angular do virabrequim Vp velocidade média do pistão α ângulo formado entre a manivela e o eixo vertical de referência o α0 quando o pistão está no PMS o α180 quando o pistão está no PMI L comprimento da biela x distância para o pistão atingir o PMS 112 Classificações dos motores alternativos Segundo Brunetti 2012 os motores alternativos podem ser classificados de diversas maneiras Quanto à ignição A ignição calor é o processo que dá início à combustão isto é ela é o agente que provoca a reação do combustível com o oxigênio do ar comburente Os motores alternativos são divididos em dois tipos de ignição Motores de ignição por faísca MIF ciclo Otto a mistura arcombustível admitida previamente dosada ou formada no interior dos cilindros no caso dos motores com injeção direta de combustível é inflamada por uma faísca formada entre os eletrodos da vela de ignição como ilustrado na figura 16 Fonte Brunetti 2012 Figura 16 Motor de ignição por faísca 10 Motores de ignição espontânea MIE ciclo Diesel o pistão comprime o ar até que ele atinja uma temperatura elevada e perto do PMS o combustível é injetado reagindo espontaneamente com o oxigênio do ar aquecido sem a necessidade de uma faísca como ilustrado na figura 17 A temperatura de autoignição TAI é a temperatura do ar necessária para que haja a reação espontânea com o combustível A tabela abaixo apresenta valores típicos da TAI para diferentes combustíveis Fonte Brunetti 2012 Figura 17 Motor de ignição espontânea Tabela 11 Valores típicos da TAI para diferentes combustíveis Temperatura de autoignição C Diesel Etanol hidratado Metanol Gasolina E22 250 420 478 400 Quanto ao número de tempos do ciclo de operação O ciclo é a sequência de processos periódicos sofridos pelo FA para obter a energia mecânica útil Os diversos tempos de um ciclo referemse ao curso do pistão Desta forma os motores alternativos MIFs ou MIEs são classificados em dois grupos de tempos 4T e 2T Motores a quatro tempos 4T o pistão percorre quatro cursos ou duas voltas do virabrequim para completar um ciclo A figura a seguir apresenta os quatro tempos do ciclo 11 Fonte Brunetti 2012 Figura 18 Os quatro tempos do motor alternativo 1 Admissão o pistão deslocase do PMS ao PMI gerando uma depressão sucção que promove a entrada da mistura arcombustível ou só do ar no caso dos MIFs de injeção direta e MIEs através da válvula de admissão que está aberta 2 Compressão a válvula de admissão se fecha e o pistão deslocase do PMI ao PMS comprimindo a mistura arcombustível ou só o ar dependendo do tipo de motor 3 Expansão quando o pistão está próximo ao PMS a faísca provoca a ignição nos motores MIFs enquanto é injetado o combustível em meio ao ar quente nos motores MIEs iniciando a combustão que provoca o aumento da pressão no cilindro empurrando assim o pistão ao PMI de maneira que o FA sofra o processo de expansão A expansão é a responsável pelo trabalho útil do motor 4 Escape o pistão deslocase do PMI ao PMS com a válvula de escape aberta empurrando os gases queimados para fora do cilindro finalizando o ciclo 12 Fonte Brunetti 2012 Figura 19 Motor de ignição por faísca 4T e quatro cilindros Motores a dois tempos 2T de ignição por faísca o pistão percorre apenas dois cursos ou uma única volta do virabrequim para completar um ciclo Os processos que ocorrem no motor 4T também ocorrem da mesma maneira no motor 2T porém alguns destes processos se sobrepõem num mesmo curso Fonte Brunetti 2012 Figura 110 Motor de ignição por faísca 2T 1 1º tempo o ciclo se inicia com o pistão no PMS e a mistura arcombustível comprimida A combustão tem início com a faísca empurrando o pistão ao PMI Durante este deslocamento o pistão comprime o conteúdo do cárter até o ponto no qual a janela de escape B fica exposta e os gases queimados em alta pressão saiam do cilindro Na sequência o pistão expõe a janela de admissão C comunicando o cárter pressurizado com o cilindro de modo que 13 uma nova mistura entre Neste momento as janelas de admissão e escape estão abertas permitindo o fluxo de mistura nova ao escape chamado de curtocircuito Este problema pode ser reduzido com um projeto adequado de janelas aliado ao formato do topo do pistão 2 2º tempo durante o deslocamento do pistão do PMI ao PMS ocorre o fechamento das janelas de admissão C e depois a de escape B abrindo a passagem A que devido à depressão sucção criada no cárter pelo movimento ascendente do pistão permite o preenchimento de mistura nova no cárter Neste mesmo instante está ocorrendo a compressão da mistura previamente admitida no cilindro e com o aproximar do pistão ao PMS uma nova faísca inicia o próximo ciclo Nesse motor o trabalho útil ocorre a cada dois cursos do pistão ou uma volta do virabrequim Dessa maneira se esperaria que este motor produzisse o dobro da potência de um motor 4T a uma mesma rotação no entanto isso não ocorre devido a precariedade dos processos sobrepostos Outro ponto negativo é a lubrificação uma vez que o cárter é utilizado para a admissão da mistura arcombustível não permitindo a sua utilização como reservatório de lubrificante Dessa forma o lubrificante é misturado ao combustível numa proporção de 120 1 litro de lubrificante para 20 litros de combustível e a lubrificação ocorre de maneira precária por aspersão diminuindo a durabilidade dos componentes e aumentando as emissões visto que o lubrificante é queimado junto ao combustível prejudicando a combustão Em contrapartida por não apresentar um sistema de válvulas o motor 2T é simples pequeno leve e barato quando comparado a um motor 4T de mesma potência 14 Fonte Brunetti 2012 Figura 111 Ciclo completo do motor de ignição por faísca 2T Motores a dois tempos 2T de ignição espontânea o motor 2T do ciclo Diesel diferentemente do MIF 2T não utiliza o cárter para a admissão mas sim uma máquina auxiliar acionada pelo virabrequim A bomba de lavagem é um compressor volumétrico isto é um componente que expele os gases queimados ao introduzir uma grande quantidade de ar pelas janelas de admissão empurrandoos para fora Contudo uma parte desses gases fica retido no cilindro quando as válvulas fecham Ao se aproximar do PMS o pistão os comprime fortemente até a injeção do combustível que irá iniciar o processo de ignição espontânea gerando a pressão necessária expansão para a produção do trabalho útil Após a expansão no deslocamento do pistão ao PMI as janelas de admissão são novamente expostas e a bomba faz a lavagem dos gases queimados proporcionando uma nova admissão fechando assim o ciclo Existem versões de MIE 2T com e sem válvulas de escape neste caso mais baratos com a utilização de janelas de escape 15 Fonte Brunetti 2012 Figura 112 MIE 2T com válvula de escape Tabela 11 Principais diferenças dos motores 4T e 2T Diferenças 4T 2T Tempos x ciclo útil 2 voltas do virabrequim 1 volta do virabrequim Sistema mecânico Mais complexo Mais simples com a ausência de válvulas e eixo comando Admissão Boa Ruim com perda de mistura no escape e presença de lubrificante Lubrificação Boa Ruim com a presença de combustível Quanto ao ciclo de operação Mecanicamente não há diferenças relevantes entre os motores do ciclo Otto e Diesel a 4T a não ser pela maior robustez do motor Diesel devido a maior taxa de compressão e pressões envolvidas A seguir são apresentadas as principais diferenças Injeção de combustível nos MIFs geralmente a mistura é injetada já homogeneizada e dosada com exceção dos motores com injeção direta onde apenas o ar é admitido e a injeção ocorre diretamente dentro do cilindro Nos MIEs admitese somente o ar e o combustível é finamente pulverizado no cilindro ao final da compressão Um sistema de injeção de alta pressão é o responsável por atomizar o combustível 16 Ignição nos MIFs a ignição é dada por uma faísca oriunda de um sistema elétrico Nos MIEs a combustão ocorre espontaneamente por autoignição Taxa de compressão nos MIFs a taxa de compressão é baixa para evitar autoignição visto que o momento correto de ignição será dado pela faísca Nos MIEs em contrapartida a taxa de compressão deve ser alta de modo que o ar ultrapasse o TAI do combustível Quanto ao sistema de alimentação de combustível A alimentação de combustível dos MIFs pode ser feita por um carburador ou por um sistema de injeção de combustível Embora o carburador ainda seja utilizado em aplicações de baixa potência sem as restrições de emissões impostas aos automóveis não iremos estudálo neste curso A injeção de combustível é mais precisa contribuindo para uma combustão mais eficiente e com emissões reduzidas podendo ser realizada no duto de admissão Port Fuel Injection PFI ou diretamente no cilindro Gasoline Direct Injection GDI como segue Fonte Brunetti 2012 Figura 113 Tipos de injeção de combustível dos MIFs Como informado anteriormente a injeção de combustível nos motores MIEs é feita com um sistema de alta pressão em torno de 2000 bar de modo a atomizar o combustível dentro do cilindro durante a compressão 17 Fonte Brunetti 2012 Figura 114 Esquema de um sistema de injeção dos MIEs Quanto à disposição dos cilindros Os cilindros dos motores podem estar dispostos de maneiras diferentes num motor A figura a seguir apresenta o esquema de disposições típicas a em linha em V e oposto ou boxer Podese observar também dois exemplos aeronáuticos b oposto e radial onde os cilindros estão dispostos radialmente em torno do virabrequim Fonte Brunetti 2012 Figura 115 Disposições de cilindros típicas No Brasil a disposição mais comum é a linha com quatro cilindros Já nos EUA a disposição mais comum é a em V com seis ou oito cilindros 18 Existem outras disposições de cilindros disponíveis no mercado mas menos habituais Entre elas podemos elencar a disposição em W podendo ser dois blocos em V ou três em linha unidos em U em H e a de pistões opostos onde a câmara de combustão é formada pelo topo dos dois pistões opostos entre si não há cabeçote Fonte adaptado de Martins 2016 Figura 116 Outras disposições de cilindros Quanto ao sistema de arrefecimento Boa parte do trabalho gerado pela combustão é perdida em forma de atrito e calor que podem reduzir a durabilidade dos componentes caso não sejam tratados adequadamente O sistema de arrefecimento existe justamente para dissipar a temperatura nas áreas e componentes mais sensíveis do motor Basicamente existem dois sistemas de arrefecimento a ar que é mais simples porém é menos homogêneo e portanto menos eficiente e a água sendo mais eficiente e contribui na redução do ruído do motor mas é muito mais complexo Fonte Brunetti 2012 Figura 117 Sistemas de arrefecimento a água e a ar 19 Quanto ao comando de válvulas O eixo comando de válvulas é o componente responsável pela abertura e fechamento das válvulas Este eixo pode estar posicionado basicamente em duas regiões diferentes no motor No bloco do motor o eixo comando aciona tuchos que são ligados a hastes que por sua vez acionam os balancins no cabeçote abrindo ou fechando as válvulas Tratase de um sistema complexo e que permite folgas que impactam o desempenho do motor No cabeçote o eixo comando pode ser montado no cabeçote em duas configurações eixo único que aciona balancins OverHead Camshaft OHC e eixo duplo que acionam tuchos Double OverHead Camshaft DOHC sendo um sistema mais eficiente e com menos peças móveis Fonte adaptado de Brunetti 2012 Figura 118 Sistemas de acionamento de válvulas Quanto à admissão de ar A quantidade de ar admitido por um motor irá determinar o seu desempenho pois quanto mais ar for admitido e retido no cilindro mais combustível poderá ser alimentado aumentando assim a eficiência para uma mesma rotação Para isto existem dois sistemas 20 Naturalmente aspirado pressão negativa neste sistema o fluxo de ar para o cilindro na admissão ocorre devido a depressão sucção criada pelo movimento do pistão do PMS ao PMI onde a pressão do coletor pressão atmosférica é maior do que a pressão no cilindro pressão negativa Neste caso o gradiente de pressão é limitado pela pressão de admissão que será no máximo a pressão atmosférica Sobrealimentado pressão positiva visando aumentar o gradiente de pressão de modo a admitir mais ar foram desenvolvidos sistemas com dispositivos que aumentam a pressão no coletor de admissão acima da atmosférica No geral existem dois sistemas de sobrealimentação 1 Turbocompressor os gases de escape giram a turbina que transfere esse trabalho ao compressor que por sua vez comprime o ar aumentando assim a pressão de admissão Fonte Brunetti 2012 Figura 119 Motor com turbocompressor 21 2 Compressor mecânico um compressor é acionado mecanicamente pelo motor e comprime o ar de admissão Fonte Brunetti 2012 Figura 120 Motor com compressor mecânico do tipo roots No caso dos motores sobrealimentados a compressão do ar provoca o aumento da sua temperatura reduzindo a sua massa específica densidade e portanto reduzindo a eficiência da combustão Com o objetivo de minimizar esse efeito foram desenvolvidos trocadores de calor que são posicionados depois do compressor podendo ser eles arar onde o ar que passa pelo veículo refrigera o ar de admissão ou arágua onde o fluido de arrefecimento do motor refrigera o ar de admissão Fonte adaptado de Brunetti 2012 Figura 121 Motor com turbocompressor e trocador de calor arar 22 Quanto à relação diâmetrocurso do pistão Segundo Martins 2016 ao se tratar das características de um motor habitualmente se menciona o diâmetro do cilindro D seguido pelo curso S da seguinte forma D x S Exemplo 825 x 928 mm Assim num MCI o curso pode ser maior ou menor que o diâmetro No entanto a relação diâmetrocurso apresenta uma razão de compromisso que deve ser observada ao diminuir o curso reduzse a velocidade linear do pistão e aumentase a velocidade angular do virabrequim para uma mesma rotação adicionalmente um motor com diâmetro maior dispõe de mais espaço para o desenho da câmara de combustão e posicionamento das válvulas bem como permite válvulas de diâmetro maiores que favorecem o enchimento e o escape dos gases contudo motores com diâmetro excessivos apresentam perdas de compressão pior queima da mistura arcombustível e elevadas perdas térmicas Existem três relações de diâmetrocurso para classificar os MCIs superquadrado DS apresentam torque e potência em altas rotações quadrado DS com bom desempenho em todas as faixas de rotação e subquadrado DS que apresentam torque e potência em baixas rotações Quanto à rotação Os MCIs podem ser classificados em Lentos n 600 rpm Médios 600 n 1500 rpm Rápidos n 1500 rpm Os MIFs tendem a ser motores rápidos Já os MIEs quando aplicados industrialmente ou em navios são lentos e médios e quando aplicados em veículos de passageiros ou veículos comerciais são rápidos 23 Quanto à fase do combustível Os MCIs podem ser classificados quanto à fase do combustível que utilizam liquida como a gasolina o etanol ou o óleo Diesel e gasosa como o gás natural veicular GNV Quanto à potência específica As novas e restritivas regulamentações para as emissões veiculares vêm forçando as montadoras a investir pesado no desenvolvimento de MCIs mais eficientes 𝐍𝐞específica 𝐍𝐞 𝐕T Onde Neespecífica potência efetiva específica Ne potência efetiva VT cilindrada total Vd Estes novos MCIs apresentam aumento de torque e potência para uma mesma cilindrada total VT habitualmente com o uso da sobrealimentação ou uma redução da cilindrada total para uma mesma potência ou ainda a redução de cilindros z MCIs mais eficientes são os que consomem menos combustível e consequentemente que emitem menos poluentes para um mesmo trabalho Isto entre outros é possível em razão da redução das perdas por bombeamento do motor devido ao menor volume deslocado pelos pistões a cada rotação do motor e a maior pressão no cilindro do maior aproveitamento térmico no trabalho de expansão dada uma menor transferência de calor devida à redução da área de superfície interna e da redução das perdas por atrito seja pelo tratamento de baixo atrito de alguns componentes seja pela dimensão menor dos componentes do motor O MCI vem sendo otimizado passoapasso desde a sua invenção conforme novas tecnologias foram sendo desenvolvidas e a principal otimização é a redução dos deslocamentos volumétricos com o passar do tempo A diminuição da cilindrada não é recente mas foi só recentemente que o termo downsizing foi cunhado para 24 denominar esta evolução que agregava algumas soluções técnicas que proporcionavam aumento de eficiência permitindo assim o aumento do torque e da potência enquanto havia a redução da cilindrada e do consumo de combustível Dentre estas soluções podemos listar a câmara de combustão multiválvula mais de uma válvula de admissão e escape para melhor enchimento e escape o eixo comando de válvulas variável na admissão eou escape sobrealimentação injeção direta de combustível tratamentos para a redução de atrito etc 12 Aplicações dos motores alternativos Segundo Brunetti 2012 a escolha de um MCI para uma determinada aplicação é importante para garantir a melhor eficiência a esta aplicação Entretanto outras características dos motores devem ser observadas como volume peso ruído vibrações consumo de combustível emissões potência máxima durabilidade robustez confiabilidade facilidade de manutenção custo operacional etc Muitas vezes pode haver mais de uma possível solução a uma aplicação e caberá à montadora aportar o seu conhecimento ou estratégia para definir a melhor solução Os MIFs a 4T possuem uma baixa relação pesopotência ou volumepotência além de possuir um funcionamento suave em todas as faixas de rotação baixo custo inicial e baixa complexidade São mais adequados aos veículos de passageiros e podem ainda ser utilizados em pequenos veículos comerciais empilhadeiras aplicações estacionárias geradores pequenas embarcações esportivas e pequenos aviões Os MIFs a 2T possuem custo inicial inferior aos MIFs a 4T porém apresentam elevado consumo específico de combustível e baixa durabilidade dos componentes devido a lubrificação precária o que os tornam mais caros no longo prazo Logo eles limitamse a aplicações de baixa potência Ademais são motores poluentes ruidosos e instáveis em algumas faixas de rotação sendo aplicados a pequenas motocicletas pequenas embarcações aplicações estacionárias geradores cortadores de grama motosserras etc 25 Os MIEs caracterizamse por uma elevada eficiência térmica porém apresentam um custo inicial elevado e funcionamento pouco suave Possuem durabilidade robustez e confiabilidade elevados além do baixo custo operacional Existem aplicações com potência superior a 30000 cv sendo que acima de 4000 cv geralmente são MIEs a 2T visto que não possuem as mesmas desvantagens dos MIFs a 2T São habitualmente aplicados nos veículos comerciais ônibus navios locomotivas tratores máquinas de construção civil aplicações estacionárias geradores e veículos de passageiros em alguns países com pesadas regulamentações de emissão 13 Ciclospadrão a ar O FA é muito complexo sua composição varia durante os processos e os processos físicos e químicos por si só são complexos tornando difícil o estudo dos ciclos do motor BRUNETTI 2012 Consequentemente um ciclo real é associado a um ciclo padrão teórico de modo a facilitar o estudo a obter conclusões qualitativas e até quantitativas utilizando hipóteses simplificadoras que guardem semelhança com o ciclo real e permita a aplicação da termodinâmica Seguem as hipóteses 1 O FA é ar sem combustível 2 O ar comportase como um gás perfeito GP 3 Não há admissão nem escape o sistema é fechado SF só ocorrendo a troca de calor eou trabalho com o meio permitindo a aplicação da 1ª Lei da Termodinâmica no lugar da 1ª Lei para Volume de Controle 4 Os processos de compressão e expansão são considerados isentrópicos adiabáticos e reversíveis 5 A combustão é substituída pela adição de calor ao FA a partir de uma fonte externa Tal fornecimento de calor poderá ocorrer num processo isocórico ou num isobárico ou numa combinação dos dois a depender do ciclo 6 A abertura da válvula de escape é substituída pela retirada de calor rejeição por uma fonte fria num processo isocórico restituindo o FA ao seu estado inicial 7 Todos os processos são considerados reversíveis 26 Segue uma breve recapitulação sobre os processos termodinâmicos Processo reversível é aquele que transcorridos os estados intermediários retorna ao estado inicial sem perda de energia Processo irreversível é aquele que transcorridos os estados intermediários retorna ao estado inicial com perda de energia na prática os processos são irreversíveis devido às perdas por atrito Principais processos o Isobárico pressão p constante o Isocórico volume V constante o Isentrópico entropia S constante o Isotérmico temperatura T constante o Adiabático sem troca de calor Ciclo sequência de processos que leva a um estado final coincidente com o inicial A diferença entre os ciclos teóricos está na fase de fornecimento de calor sendo a volume constante no ciclo Otto instantâneo e a pressão constante no ciclo Diesel durante a descida do pistão 131 Ciclo Otto a 4T padrão a ar Representa o ciclo real do motor Otto MIF considerando as hipóteses apresentadas anteriormente A figura a seguir apresenta dos diagramas pV e TS Fonte Brunetti 2012 Figura 122 Diagramas pV e TS do ciclo Otto 27 Segundo Brunetti 2012 e de acordo com a hipótese 3 temos quatro processos 12 Compressão isentrópico adiabático o FA é comprimido pelo trabalho de compressão Wcompr negativo e definido pela área 12V2V1 no diagrama pV 23 Fornecimento de calor isocórica simula o calor liberado na combustão Q23 instantaneamente ao pistão no PMS definido pela área 23S4S1 no diagrama TS 34 Expansão isentrópica adiabática o FA se expande com o trabalho de expansão Wexp positivo definido pela área 34V1V2 do diagrama pV 41 Retirada de calor isocórica simula o calor rejeitado nos gases ao abrir da válvula de escape Q41 definido pela área 41S1S4 no diagrama TS O trabalho útil do ciclo ou simplesmente trabalho do ciclo Wc e o calor útil Qu são apresentados a seguir Wc Wexp Wcompr área 1234 no diagrama pV Qu Q23 Q41 área 1234 no diagrama TS Para qualquer motor térmico a equação da eficiência térmica é ηt Wc Q23 Q23Q41 Q23 1 Q41 Q23 1 T4T1 T2T3 1 T1 T2 𝑻𝟒 𝑻𝟏 𝟏 𝑻𝟑 𝑻𝟐 𝟏 Como rv V1 V2 taxa de compressão e k Cp Cv razão entre os calores específicos do FA temos T1 T2 V2 V1 k1 1 rvk1 e como T4 T3 V3 V4 k1 V2 V1 k1 T1 T2 Temos T4 T1 T4 T3 T3 T2 T2 T1 T3 T2 e finalmente ηt1 1 rvk1 Assim sendo a eficiência térmica do ciclo Otto cresce ao aumentar a taxa de compressão e quanto maior o valor de k maior será o valor de eficiência do ciclo 28 A seguinte figura apresenta a variação qualitativa da eficiência térmica ηt do ciclo Otto com a taxa de compressão rv para FA com diferentes fatores de k Fonte Brunetti 2012 Figura 123 Variação qualitativa da eficiência térmica de um ciclo Otto Notase que quanto maior for a taxa de compressão menor será o ganho em eficiência térmica Os resultados teóricos obtidos para o ciclo Otto correspondem qualitativamente com a realidade onde podemos verificar o aumento da eficiência térmica de acordo com o aumento da taxa de compressão Ademais quanto maior a taxa de compressão nos motores do ciclo Otto maior será o risco de autoignição dependendo da resistência do combustível TAI e de detonação Vale lembrar também que para os gases reais o valor da razão k declina com o aumento da temperatura 132 Ciclo Diesel a 4T padrão a ar Representa o ciclo real do motor Diesel MIE e como já informado anteriormente a única diferença entre os ciclos Diesel e Otto se refere ao processo de fornecimento de calor ao FA que será isobárico ao invés de isocórico Os diagramas reais dos ciclos Diesel e Otto são semelhantes em formato 29 Fonte Brunetti 2012 Figura 124 Diagramas pV e TS do ciclo Diesel Os conceitos apresentados no ciclo Otto sobre as áreas nos diagramas permanecem válidos de sorte que a área 1234 no pV é o Wc e a área 1234 no TS é o Qu Q23 Q41 Assim a equação da eficiência térmica do ciclopadrão a ar com adição de calor a pressão constante é ηt1 1 rvk1 T3 T2 k 1 k T3 T2 1 Para uma mesma taxa de compressão a eficiência térmica do ciclo Otto é sempre maior que a do ciclo Diesel ou seja a combustão a volume constante é mais eficiente que a combustão à pressão constante Todavia como os motores do ciclo Diesel podem usar taxas de compressão maiores na prática eles são mais eficientes termicamente conforme a figura a seguir que inclui também o ciclo Misto ou Sabathé Fonte Brunetti 2012 Figura 125 Comparação entre a eficiência térmica e a taxa de compressão 30 133 Outros ciclos Existem outros ciclos de combustão no mercado que não farão parte do nosso estudo Os mais importantes são ciclo Misto ou de Sabathé ciclo Atkinson e ciclo Miller 134 Comparação dos ciclos reais com os ciclos teóricos Embora os valores obtidos para misturas e produtos de combustão com os diagramas teóricos apresente alguma melhoria eles ainda não são aderentes aos valores reais É obvio que esta falta de aderência está mais relacionada com os processos ideais adotados e menos com o comportamento do FA dado que estes diagramas permitem uma boa aproximação aos valores reais A seguinte comparação baseiase no ciclo Otto padrão a ar MIF mas os conceitos introduzidos poderiam ser adaptados para a comparação de qualquer outro ciclo real com o seu correspondente teórico A figura abaixo apresenta a sobreposição de um ciclo Otto com o real correspondente quer dizer mesma taxa de compressão rv mesmo volume total V1 e mesmo calor adicionado ao ciclo As letras A B C e D indicadas no diagrama representam os fenômenos expostos na sequência Fonte Brunetti 2012 Figura 127 Sobreposição de um ciclo Otto padrão a ar com o real A Admissão e escape esses processos não estão presentes no ciclo teórico e a área compreendida pelos dois se constitui num trabalho negativo usado para a 31 troca do fluido no cilindro Esse trabalho de bombeamento é usualmente incorporado no trabalho perdido por atrito Será tão maior quanto maiores forem as perdas nos dutos de admissão e escape Nos motores com corpo de borboleta controle de carga através da restrição de fluxo esta área será tão maior quanto mais fechada estiver a borboleta do acelerador uma vez que a perda de carga provocada fará cair a curva de admissão para uma posição inferior à da pressão atmosférica Se os dutos forem bem desenhados o motor em plena aceleração deveria apresentar uma área praticamente desprezível B Perdas de calor os processos de compressão e expansão do ciclo teórico são considerados isentrópicos ao passo que no ciclo real as perdas de calor são sensíveis A diferença não é tão grande na compressão mas na expansão quando a diferença de temperatura entre o cilindro e o meio é muito grande a troca de calor será igualmente grande e consequentemente os dois processos se afastarão sensivelmente C Perda por tempo finito de combustão a combustão é considerada instantânea no ciclo teórico uma vez que o processo é considerado isocórico Na realidade a combustão leva um tempo significante em relação à velocidade do pistão Assim a faísca deve ser dada antes do PMS e a expansão se inicia antes da combustão alcançar a máxima pressão possível É claro que ao adiantar a faísca até determinado ponto perdese área na parte inferior do ciclo no entanto ganhase na parte superior e ao atrasar acontece o contrário de tal maneira que a faísca deve ser estudada visando obter a menor diferença possível na perda de áreas trabalho O momento ideal de ignição é aquele que faz com que o balanço do trabalho negativo na compressão e do trabalho positivo na expansão seja o máximo possível Normalmente tal momento de ignição é chamado de maximum brake torque MBT isto é o avanço de ignição que gera o maior torque possível para a condição de operação D Perdas pelo tempo finito de abertura da válvula de escape o escape foi substituído por uma expansão isocórica no ciclo teórico rejeitando calor para uma fonte fria O tempo para o processo de escape no ciclo real é finito e 32 portanto a válvula deve ser aberta com uma certa antecedência Quanto mais adiantada for a abertura em relação ao PMI mais irá se perder área na parte superior e menos na parte inferior e viceversa Desta forma o momento de abertura da válvula de escape tem o objetivo de otimizar a área nessa região É o resultado entre o balanço do trabalho gasto no final do curso de expansão e o trabalho necessário para expulsar os gases queimados no tempo de escape Estimase que o trabalho do ciclo real seja da ordem de 80 do trabalho do ciclo padrão a ar correspondente Claramente com os diagramas para misturas a aproximação é melhor A perda de trabalho poderia ser assim distribuída aproximadamente 60 às perdas de calor B cerca de 30 ao tempo finito de combustão C e em torno de 10 à abertura da válvula de escape É claro que estes valores são médios podendo ser alterados em alguns casos particulares Conclusão Este primeiro bloco serviu para introduzir os conceitos fundamentais dos motores de combustão interna MCI Nele foram apresentadas as suas definições nomenclaturas básicas e de cinemática as diversas classificações dos motores e finalmente foram apresentados os principais ciclos de combustão sejam eles teóricos para fins educativos sejam eles reais e as suas diferenças Este bloco foi o alicerce para que possamos nos aprofundar nos diferentes sistemas dos motores 33 REFERÊNCIAS BRUNETTI F Motores de Combustão Interna Volume I São Paulo Blucher 1 jan 2012 MARTINS J Motores de Combustão Interna 5 edição Portugal Engebook 01012016 SWAROOPVARMA Cutaway view of a V6 engine Wikimedia Commons 2006 Disponível em httpscommonswikimediaorgwikiFileICengineJPG Acesso em 15042021 34 2 COMBUSTÍVEIS LUBRIFICANTES E SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO Apresentação Este bloco irá abordar os diferentes tipos de combustíveis em utilização no mercado assim como as suas características e aplicações Serão apresentados também as características e aditivações dos lubrificantes de modo a compreender a sua importância para os MCIs e na sequência iremos estudar o sistema de lubrificação dos motores 21 Combustíveis Os combustíveis principalmente o querosene e o gás natural passaram a ser utilizados a partir da metade do século XIX basicamente para iluminação iniciando o desenvolvimento da indústria do petróleo Ao final deste século a demanda pela gasolina começa a aumentar devido ao crescimento do transporte motorizado porém esta gasolina era basicamente composta por leves destilados do petróleo e apresentava baixa resistência à detonação A adição de álcoois etílico e metílico se mostrou eficaz resolução deste problema Na 2ª Guerra Mundial o consumo de petróleo aumentou consideravelmente e o esforço de guerra proporcionou a criação de novos processos de refino e a descoberta de novos catalisadores possibilitando o surgimento da indústria petroquímica As crises do petróleo de 1973 e 1979 proporcionaram o desenvolvimento de combustíveis alternativos porém poucos países adotaram a sua utilização em larga escala Um destes poucos países foi o Brasil que criou em 1975 o Programa Brasileiro de Álcool o PróÁlcool Apesar de já adicionar álcool etílico à gasolina desde 1935 ao teor de 5 foi somente a partir de 1980 que o teor aumentou para 2022 e mais recentemente para 2227 variação dada em função da sazonalidade da produção do etanol 35 O petróleo bruto é uma mistura complexa de compostos orgânicos com carbono e inorgânicos sem carbono com predominância de hidrocarbonetos HC desde o metano CH4 o mais simples até os aromáticos mais complexos como o benzeno C6H6 O petróleo é composto elementarmente de Carbono C 8390 a 8680m em massa Hidrogênio H 1140 a 1400m Enxofre S 006 a 900m Nitrogênio N 011 a 170m Oxigênio O 010 a 200m Metais diversos 030m Algumas impurezas são encontradas na composição do petróleo bruto como segue Compostos sulfurados são os principais responsáveis pela corrosividade mau cheiro e efeito poluidor dos produtos derivados do petróleo Compostos nitrogenados causam o escurecimento dos derivados com o tempo devido à sua oxidação Compostos oxigenados conferem caráter ácido aos derivados Compostos organometálicos são compostos em sua maioria de ferro níquel cobre e vanádio sendo envenenadores para catalisadores de processamento e causam corrosão a altas temperaturas Água sais minerais areia e argila são causadores de corrosão e depósitos durante o processamento do petróleo A queima do petróleo bruto irá produzir monóxido e dióxido de carbono CO e CO2 vapor de água hidrocarbonetos não queimados e óxidos de nitrogênio NOx contribuindo para as emissões de gases do efeito estufa e para a poluição atmosférica fumaça e particulados No refino o petróleo bruto é separado em diversas frações que são na sequência processadas quimicamente para produzir os seus derivados A destilação fracionada produz os seguintes derivados dos mais leves aos mais pesados 36 Gases butano propano GNV GLP etc Gasolina e solventes Querosene e petróleo Óleo Diesel Óleos combustíveis leves e pesados Parafinas Óleos lubrificantes Betumes Asfaltos Em torno de um terço do petróleo bruto irá produzir gasolina outro terço o óleo Diesel e o restante irá produzir os demais derivados Os principais combustíveis derivados do petróleo utilizados atualmente nos MCIs são as gasolinas os óleos Diesel o querosene de aviação e os óleos combustíveis marítimos 211 Propriedades dos combustíveis Os combustíveis apresentam diferentes propriedades que definem a maneira como eles reagem As principais propriedades são apresentadas a seguir Estequiometria da combustão os combustíveis são hidrocarbonetos HC ou seja são constituídos de hidrogênio e carbono que reagem com o oxigênio do ar O2 Desta forma combustíveis com diferentes proporções de HC irão reagir com proporções diferentes de O2 Conhecendo a proporção de oxigênio no ar 23 e a relação HC de um combustível é possível calcular a relação arcombustível para a sua reação estequiométrica ver bloco 4 Pressão de Vapor Reid e temperatura de ebulição a Pressão de Vapor de Vapor Reid PVR é a pressão de vapor de uma mistura líquidovapor a 378C As gasolinas e os óleos Diesel são misturas de diversos HC com diferentes temperaturas de ebulição apresentando assim uma curva de destilação A composição da gasolina varia com as estações do ano alterando sua curva de destilação para no inverno haver suficiente vaporização que permita a partida a frio e no verão menor pressão de vapor caso o veículo fique ao sol A curva 37 de destilação apresenta ao menos 3 temperaturas importantes o volume de combustível que vaporiza abaixo de 70C deve ser suficiente para a partida a frio o volume de vaporização acima de 100C determina a qualidade de aquecimento do motor e a rápida resposta de aceleração e a quantidade de líquido disponível a 150C deve ser a menor possível para minimizar a diluição do lubrificante Calor latente de vaporização os combustíveis líquidos devem ser vaporizados para que se misturem ao ar necessitando assim de calor latente de vaporização que é retirado do ar que então resfria Este arrefecimento nos MIFs é benéfico pois provoca o arrefecimento da câmara de combustão permite o uso de taxa de compressão mais elevada e portanto aumenta o rendimento do motor Ponto de fulgor é a temperatura de um combustível na qual se produz uma mistura estequiométrica do seu vapor com o ar entrando facilmente em ignição seja através de uma faísca ou espontaneamente Desta forma o ponto de fulgor mostra a inflamabilidade de um combustível Quando a temperatura ambiente se aproxima do ponto de fulgor do combustível aumenta drasticamente a probabilidade de ignição e propagação de chama pois a existência dos vapores do combustível misturados com ar se aproxima da razão estequiométrica sendo um risco para o manuseio e estocagem do combustível Valores muito baixos ou altos do ponto de fulgor não produzirão misturas combustíveis dado que ficarão muito ricas ou pobres Limites de explosividade para que haja uma combustão completa num MIF é necessário que a mistura esteja dentro de alguns limites os limites de explosividade O Limite Inferior de Explosividade LIE é a menor concentração de combustível que misturado ao ar forma uma mistura inflamável abaixo deste nível a mistura é pobre e não queima e o Limite Superior de Explosividade LSE é a maior concentração de combustível que misturado ao ar forma uma mistura inflamável e acima deste nível a mistura é rica e não queima Estes valores são apresentados em porcentagens volumétrica 38 Temperatura de autoignição a mistura quando aquecida chega a uma temperatura na qual inicia a sua combustão espontaneamente é a temperatura de autoignição Temperatura adiabática de chama é a temperatura do final da combustão de uma mistura sem trocas de calor isto é a maior temperatura da combustão A produção de óxidos de nitrogênio NOx está ligada à temperatura de chama ou seja quanto maior for esta temperatura maior será a produção do NOx Misturas pobres ou com a adição de gases de escape recirculação dos gases de escape RGE causam temperaturas de chama mais baixas Contudo quanto maior for a temperatura média e máxima maior será o rendimento Poder calorífico é a quantidade de energia química disponível num combustível Ele é medido a partir da quantidade de calor extraída durante a combustão O poder calorífico superior PCS é a soma da energia liberada em forma de calor e da energia de vaporização da água que é um dos constituintes dos gases de escape e o poder calorífico inferior PCI é apenas a energia liberada em forma de calor Se o combustível não possuir hidrogênio em sua composição não haverá formação de água e portanto PCI será igual ao PCS 212 Gasolina A gasolina é um derivado do petróleo produzido a partir de sua destilação fracionada contendo cadeias de hidrocarbonetos de 4 a 12 carbonos estando a maioria entre 5 e 9 No Brasil são assim classificadas Gasolina A isenta de álcool etílico anidro com comercialização restrita somente a refinadores e distribuidores Gasolina C com adição de álcool etílico anidro na ordem de 22 em volume podendo chegar a 27 dependendo da sazonalidade da produção de etanol comercializada nos postos de abastecimento Nota o chumbo foi banido da gasolina no Brasil em 1989 39 São adicionados à gasolina aditivos que visam reduzir os depósitos nas válvulas topo do pistão e nos injetores melhorar a combustão reduzir o atrito entre os componentes inibir a corrosão e reduzir a formação de precipitados durante a armazenagem A combustão da gasolina iniciada pela faísca abre uma frente de chama esférica na câmara de combustão se estendendo a todo o volume da mistura até o cilindro Assim a gasolina deve suportar pressões e temperaturas elevadas durante a combustão sem que a mistura não queimada entre em combustão irregular chamada de detonação que se caracteriza por pressões muito altas e frequências vibracionais destrutivas conhecida popularmente como bater pino Portanto a gasolina deve ter alta resistência à detonação Os combustíveis dos MIFs possuem uma característica muito importante que influencia no desempenho dos motores chamada octanagem número de octano NO ou poder antidetonante Ela é a capacidade de resistência do combustível em mistura com o ar à autoignição responsável pela detonação Quanto maior for a octanagem maior será a resistência à detonação Esta propriedade determina a possível taxa de compressão do motor e indiretamente a velocidade da combustão Quanto maior for a octanagem de um combustível mais eficiente será a sua queima devido a possibilidade de usar uma taxa de compressão maior Por outro lado um combustível de alta octanagem em um motor de baixa taxa de compressão terá o mesmo rendimento de um combustível de baixa octanagem nele Existem dois métodos diferentes para caracterizar a octanagem de um combustível um caracteriza o motor em alta rotação método MON Motor Octane Number e o outro a baixa rotação método RON Research Octane Number Como as temperaturas das misturas e os avanços de ignição não são iguais os valores dos métodos são diferentes sendo os de RON habitualmente superiores aos de MON Como MON e RON não apresentam o poder antidetonante dos combustíveis em condições normais foram desenvolvidos testes para determinar a octanagem de estrada 40 O Índice AntiDetonante IAD é uma boa aproximação desta octanagem e é calculado da seguinte forma IADMONRON2 No Brasil assim como nos EUA a octanagem é expressa pelo IAD enquanto a Europa utiliza os valores de RON A gasolina comum no Brasil possui um IAD de 87 a premium de 91 e a Podium Petrobrás 95 Para efeito de comparação nos EUA a comum possui IAD de 87 a gasolina intermediária midgrade de 89 e a premium 91 Na Europa a premium apresenta um RON de 90 e a super premium 93 Os motores são desenvolvidos para poderem rodar em todo o país assim é considerado durante o desenvolvimento definição da taxa de compressão o combustível que é mais facilmente encontrado pelo país no caso a gasolina comum IAD 87 Logo consumir uma gasolina de melhor desempenho não trará maior desempenho ao motor Caso o motor tenha alta taxa de compressão devese utilizar um combustível com maior octanagem sob risco de perda de potência e detonação Com o passar do tempo a octanagem requerida por um motor aumenta dados os depósitos acumulados nas paredes dos cilindros e nas câmaras de combustão que dificultam a troca de calor e aumentam a taxa de compressão É por isso que muitas vezes vemos veículos mais antigos detonando batendo pino 212 Óleo Diesel Nota iremos chamar o combustível por diesel enquanto o ciclo térmico será designado por Diesel O óleo diesel é um derivado do petróleo produzido a partir de sua destilação fracionada contendo cadeias de hidrocarbonetos maiores que as da gasolina É o combustível mais polivalente e de maior consumo no mundo sendo utilizado em veículos de passageiros em alguns mercados e comerciais no ramo agrícola ferroviário marítimo industrial na geração de energia elétrica e até no aquecimento residencial calefação É compreensível então que o óleo diesel possua diversas propriedades para as diversas aplicações Mesmo nas aplicações veiculares a composição e propriedades do diesel varia bastante devido as regulamentações de cada país No Brasil o diesel recebe a adição de 12 de biodiesel de base éster de fonte renovável sendo aproximadamente 80 feito a partir da soja 41 Os combustíveis dos MIEs devem possuir características de autoignição que é determinada pela cetanagem ou número de cetano NC Ela representa a facilidade do combustível em entrar em autoignição e influencia a partida do motor o funcionamento sob carga e as emissões A medição da cetanagem utiliza os mesmos princípios da medição da octanagem e os seus valores variam no mundo entre 40 e 55 Quanto maior for o seu valor mais suave será o funcionamento do motor e menores serão as emissões porém menor será o seu poder calorífico ao contrário da octanagem Desta forma o aumento da cetanagem a partir de um determinado ponto não é interessante pois irá causar o aumento do consumo de combustível O diesel apresenta uma densidade maior que a gasolina portanto um menor consumo quando medido em volume Como derivado do petróleo tem características lubrificantes porém a contínua diminuição dos teores de enxofre no diesel tem diminuído a sua lubricidade apesar de ser benéfico para as emissões do outro lado O TAI do diesel não é superior à temperatura de vaporização assim parte de seus componentes não serão vaporizados após a queima diferentemente da gasolina porém apresenta poder calorífico similar à gasolina 213 Compostos oxigenados Os compostos oxigenados são basicamente os álcoois os éteres e os ésteres Os álcoois mais utilizados no mundo como combustível são o metanol e o etanol se caracterizando por serem hidrocarbonetos parcialmente oxidados Já os éteres são hidrocarbonetos com um átomo de oxigênio são líquidos ou gasosos e muito inflamáveis Os ésteres biodiesel são produzidos a partir da esterificação de óleos vegetais ácidos gordos em reação com o metanol sendo o processo mais comum o de transesterificação O biodiesel será tratado no próximo item junto com os óleos vegetais Em relação à gasolina possuem poder calorífico 30 menor logo um maior volume de combustível deve ser alimentado para um mesmo volume de ar admitido maior consumo em volume Ademais possuem alto calor latente de vaporização o que permite maior enchimento do motor por retirar mais calor do ar da mistura deixandoo mais frio e portanto com maior massa específica menor volume ou seja 42 mais ar entra no cilindro e a combustão gera mais energia Na prática o elevado calor latente de vaporização compensa um pouco o poder calorífico mais baixo A octanagem dos oxigenados é maior do que a da gasolina e quando misturados a ela tendem a subir a octanagem dela justamente pelo maior calor latente de vaporização que resfria a câmara de combustão e reduz a tendência de detonação fazendo com que a octanagem suba A alta octanagem permite taxas de compressão maiores permitindo a operação com avanço de ignição mais alto que a gasolina logo apresentam maiores pressões de combustão e maior potência Temos no Brasil a aplicação de dois tipos de etanol Etanol anidro com máximo teor de água de 04 em volume é adicionado à gasolina e possui coloração alaranjada para não ser vendido como etanol hidratado mais barato por não haver incidência de impostos Sua mistura em teores maiores aporta ganho em eficiência térmica e potência aos motores além de aumentar a octanagem Etanol hidratado incolor é o etanol disponível nos postos de abastecimento O máximo teor de água permitido é de 49 em volume Apresenta problema de partida a frio abaixo de 127C ponto de fulgor do etanol e necessita de um sistema de préaquecimento próximo ao injetor de modo a evitar os tanques de partida a frio com gasolina Os oxigenados apresentam uma combustão seca assim como o gás natural veicular GNV impactando a lubricidade dos componentes da câmara de combustão Ademais em excesso podem lavar o cilindro contaminando assim o lubrificante que poderá perder as suas propriedades básicas de lubrificação Isso não ocorre com a gasolina e nem com o diesel pois são subprodutos do petróleo e de certa forma são lubrificantes também Eles atacam plásticos resinas e elastômeros em geral corroem materiais metálicos como o aço alumínio e ligas zinco e ligas Quando misturados à gasolina tendem a dissolver os depósitos de polimerização de olefinas formando uma goma que se acumula em algumas regiões do veículo como no tanque linha e filtro de combustível 43 galeria de injeção e injetores dutos e válvulas de admissão além do sistema de blowby respiro e separação de óleo do motor Neste caso a única solução é utilizar aditivos detergentes junto aos oxigenados 214 Óleo vegetais ácidos gordos São combustíveis alternativos ao diesel MIEs e compostos por substâncias oriundas de biomassa renováveis Estes óleos são extraídos de oleaginosas como soja girassol mamona dendê canola entre outros e são esmagadas filtradas degomadas e refinadas para o uso nos motores Puros ou em mistura com o diesel apresentam uma série de problemas resultantes de sua combustão incompleta como dificuldade de partida a frio formação de depósitos nos injetores formação de depósitos nos cilindros redução das trocas térmicas e aumento de hidrocarbonetos não queimados emissões formação de laca diluição do óleo entupimento dos dutos de lubrificação entre outros Todos estes problemas acabam por limitar o uso destes óleos como combustíveis O biodiesel apresenta uma estrutura química diferente dos óleos vegetais tradicionais graças ao seu processo de transesterificação que produz ésteres de cadeias menores tornandoo um combustível mais adequado não demandando qualquer alteração no motor para utilizálo Seu menor poder calorífico 10 menor do que o Diesel é compensado por sua maior massa específica É um combustível perfeitamente miscível ao diesel apresenta cetanagem maior do que o diesel devido aos ésteres dos óleos vegetais por ser um composto oxigenado reduz a produção de CO e de particulados com teores de enxofre e aromáticos quase nulos mais lubrificante do que o diesel o que aumenta a durabilidade dos componentes e apresenta ponto de fulgor mais alto do que o diesel deixandoo mais seguro para ser manipulado e estocado Entretanto o biodiesel pode atacar alguns tipos de tintas e elastômeros há a diluição do lubrificante a formação de depósitos na válvula de admissão apresenta alta oxidação e degradação 44 22 Lubrificantes Os óleos lubrificantes são derivados do petróleo bruto assim como a gasolina e o diesel e são responsáveis por formar uma fina película de óleo entre os componentes metálicos com movimento relativo evitando o contato metalmetal que poderia gerar um engripamento fusão entre os componentes Eles são produzidos a partir da destilação do petróleo e são denominados minerais enquanto outros óleos que são produzidos por processos químicos mesmo que a base seja o petróleo bruto são denominados sintéticos Os lubrificantes não limitam apenas a lubrificar o motor e os seus componentes na verdade existe uma série de funções que eles exercem e benefícios que entregam como segue Reduzir o atrito e o desgaste economia de combustível aumento de desempenho e de durabilidade do motor Trocar calor auxilia no aquecimento do motor na fase fria e retira calor dos componentes em funcionamento Proteger contra corrosão protege os componentes metálicos da corrosão de alguns combustíveis Limpar e manter limpo resistência à carbonização formação de depósitos detergentes e dispersantes Vedar vedação de possíveis comunicações externas e entre pistão e cilindro diluição Transmitir energia pressão e vazão do óleo na lubrificação do motor acionamento de componentes tensionadores polia variadora de fase etc Durabilidade do próprio lubrificante estabilidade térmica Proteção contra reações químicas antioxidantes passivadores etc Limitação do ruído insulamento acústico do motor Propriedades a frio facilidade de partida a frio redução de fuligem e borra 45 221 Propriedades Os lubrificantes possuem diversas propriedades de modo a poder atender as suas finalidades São listadas abaixo as propriedades mais importantes Viscosidade indica a facilidade que um fluido tem a escoar Fluidos finos são menos viscosos ex água e fluidos grossos são mais viscosos ex óleo Índice de viscosidade Iv a viscosidade dos óleos diminui com a temperatura mas a variação dos óleos de alto Iv é menor do que os óleos da baixo Iv a uma mesma temperatura Ponto de fluidez é a menor temperatura na qual o óleo é capaz de fluir por efeito da gravidade Oleosidade é a capacidade do óleo aderir a uma superfície metálica por adsorção Corrosão o lubrificante deve ter uma proteção contra corrosão pois eles se oxidam com o tempo e formam ácidos orgânicos que são corrosivos Espuma a presença de gás e vapores além do contato do lubrificante com peças móveis ex virabrequim formam espuma que aumentam a oxidação do óleo Emulsão a formação de emulsão se dá quando pequenas gotas de água ficam retidas nos óleos Detergência o lubrificante é detergentedispersante se for capaz de dissolver os depósitos Estabilidade é a resistência à oxidação de modo a evitar a formação de ácidos vernizes e sedimentos Massa específica é a densidade TBN Total Base Number reserva alcalina é uma medida do potencial alcalino do lubrificante para anular os ácidos dos gases de combustão 46 TAN Total Acid Number é uma medida de acidez necessária para anular os ácidos em um grama do óleo Resistência à extrema pressão pressões muito elevadas podem romper o filme de óleo entre dois componentes gerando um aumento da temperatura local por atrito a perda de metal e finalmente o engripamento 222 Aditivos Aditivos são adicionados aos lubrificantes de modo a promover todas as características que lhe são necessárias Estes aditivos vão perdendo estabilidade ao longo do tempo principalmente em condições extremas de funcionamento baixas e altas temperaturas devendo o lubrificante ser trocado por quilometragem ou por tempo As partidas a frio do motor produzem condensação ácidos e outros contaminantes que são absorvidos pelo lubrificante reduzindo a sua capacidade de proteção do motor Os aditivos modificam propriedades químicas e físicas permitindo a correta atuação do lubrificante Os aditivos têm o objetivo de Melhorar a viscosidade Reduzir a temperatura de solidificação dispersantes Limpar o motor Inibir a formação de espuma Inibir a oxidação Inibir a corrosão Reduzir o atrito 223 Óleos sintéticos Os óleos sintéticos não necessitam de tantos aditivos uma vez que a sua composição já contém algumas das propriedades necessárias São lubrificantes mais estáveis principalmente em condições de funcionamento extremo pressão e temperatura Sua variação de viscosidade com a temperatura não é grande como nos lubrificantes minerais possibilitando que o motor tenha pressão adequada em altas temperaturas mesmo em marcha lenta e baixa viscosidade em baixas temperaturas possui maior índice de viscosidade Eles não criam depósitos e apresentam boa fluidez em baixa 47 temperatura possuem durabilidade muito superior aos minerais e podem ser trocados em passos de manutenção com o dobro e até o triplo do tempo de um mineral dependendo das condições de funcionamento do motor Sofrem menos degradação térmica quando submetidos a altas temperaturas de funcionamento e possuem menor volatilidade Ademais não apresentam enxofre e nitrogênio em sua composição ao contrário dos lubrificantes minerais o ponto negativo é o preço mais elevado 224 Classificação Os lubrificantes possuem duas classificações uma quanto à viscosidade e outra quanto à aplicação do motor Classificação quanto à viscosidade a instituição Society of Automotive Engineers SAE instituiu um sistema de código numérico para classificar as características de viscosidade dos lubrificantes SAE J300 Desta forma dois grupos de códigos indicam a viscosidade de um determinado óleo a frio onde W referese ao inverno em inglês winter sendo 0W 5W 10W 15W e 20W e a quente sendo 8 12 16 20 30 40 e 50 por exemplo 5W30 Assim quanto menor o número da classificação a frio menor será a sua temperatura de aplicação ex 5W pode chegar a 30C e o mesmo ocorre ao contrário para o número da classificação a quente ex 30 pode chegar a 45C Classificação quanto à aplicação do motor a American Petroleum Institute API em conjunto com a American Society for Testing and Materials ASTM e a SAE instituíram a referida classificação de modo a definir um nível mínimo de desempenho que cada óleo deveria ter para as diversas aplicações Ela está em constante evolução de modo a acompanhar a evolução dos motores devido às constantes restrições regulamentares Os lubrificantes para os MIFs são classificados por S de spark ignition ignição por faísca em inglês e uma segunda letra que indica o nível evolutivo do óleo e os lubrificantes para os MIEs são classificados por C de compression ignition ignição por compressão em inglês mais a segunda letra 48 Fonte adaptado de Brunetti 2012 Figura 21 Classificação API para lubrificantes dos MIFs Fonte adaptado de Brunetti 2012 Figura 22 Classificação API para lubrificantes dos MIEs 49 23 Sistema de lubrificação O sistema de lubrificação é fundamental para o correto funcionamento do motor e para a manutenção da sua durabilidade Esse sistema tem como principais funções Reduzir o atrito entre componentes de movimento relativo Impedir o contato metalmetal entre componentes diminuindo o desgaste Resfriar os componentes lubrificados Auxiliar na vedação do motor e entre o pistão e cilindro Proteger os componentes contra corrosão Limpar dispersar e eliminar depósitos e sedimentos Evitar a formação de espuma Algumas condições mínimas são necessárias para o bom funcionamento do sistema de lubrificação e a ausência de alguma destas pode causar danos graves ao MCI Disponibilidade de lubrificante na quantidade apropriada Lubrificante com propriedades adequadas Acabamento das superfícies de contato Definição dos materiais e dureza Folgas entre os componentes Pressão específica da superfície de contato 231 Classificação Existem diferentes sistemas de lubrificação disponíveis no mercado Lubrificação por salpico ou aspersão é um sistema pouco utilizado geralmente em motores pequenos A lubrificação é realizada por aspersão do óleo isto é finas gotículas de óleo são arrastadas por turbulência Esse sistema permite que o virabrequim entre em contato com o óleo reduza a potência efetiva do motor e gere espuma 50 Fonte Brunetti 2012 Figura 23 Sistema de lubrificação por aspersão Lubrificação dos motores a 2T o lubrificante adicionado diretamente no combustível em uma proporção de 120 pode ser adicionado diretamente no tanque de combustível ou através de um dosador na linha de combustível A névoa formada pela mistura de combustível com lubrificante circula dentro do motor que geralmente são de baixa potência até 50 cv Fonte Brunetti 2012 Figura 24 Sistema de lubrificação de um motor a 2T 51 Lubrificação sob pressão ou forçada é o sistema de lubrificação mais aplicado no mundo com uma bomba de óleo de deslocamento positivo distribuindo a vazão de óleo a uma dada pressão através de orifícios aos componentes móveis do motor Fonte adaptado de Donkie Speed 2018 Figura 25 Típico sistema de lubrificação 232 Componentes do sistema de lubrificação A seguir serão apresentados os principais componentes do sistema de lubrificação Cárter de óleo sua principal função é armazenar o lubrificante porém possui outras funções como trocar calor calmar o óleo reservatório separar o arespuma e ser elemento estrutural em conjunto com o bloco do motor Recentemente o cárter de óleo se tornou um sistema ao agregar outros componentes nele como filtro e defletor de óleo sensor de nível e trocador de calor Possui duas configurações 52 o Cárter úmido armazena o óleo logo abaixo do motor é o mais aplicado porém impõe uma altura maior ao motor o Cárter seco o reservatório de óleo não faz parte do motor sendo aplicado em motores horizontais e em motores de competição Válvula PCV Positive Crankshaft Ventilation ventilação positiva do cárter é a responsável pela ventilação positiva do cárter direcionando os gases ao coletor de admissão ou seja a PCV deve regular a pressão do cárter gerado pelo bombeamento do motor Fonte Brunetti 2012 Figura 26 Funcionamento da válvula PCV Bomba de óleo pressuriza o óleo de modo a fazêlo circular pelas galerias para chegar com pressão suficiente no cabeçote ponto mais distante Pode ser acionada de duas maneiras diretamente pelo virabrequim ou por engrenagens ou correntes quando a bomba está posicionada dentro do motor Assim quanto maior for a rotação do motor maior será a vazão e a pressão do óleo Dentre os vários sistemas de bombeamento os principais são por lóbulos duocêntrica engrenamento externo e engrenamento interno crescente 53 Fonte adaptado de Brunetti 2012 Figura 27 Bombas de lóbulos de engrenamento externo e de engrenamento interno crescente As bombas são dimensionadas para a condição mais crítica de trabalho isto é baixa velocidade e alta temperatura No entanto ao satisfazer esta condição a bomba fica superdimensionada para as demais condições produzindo vazão em excesso e tendo a pressão controlada por uma válvula de alívio que a partir de uma determinada pressão permite um vazamento interno baixando assim a pressão do óleo a um nível constante Foi visando contornar este problema e reduzir o tamanho da bomba que foram desenvolvidas bombas de vazão variável Elas possuem mecanismos internos que permitem a redução do deslocamento da bomba ao aumentar a rotação reduzindo o consumo de potência da bomba e consequentemente o consumo de combustível além de serem menores e mais leves Fonte adaptado de Karle 2010 Figura 28 Bomba de vazão variável com palhetas 54 Válvula reguladora de pressão é um sistema de segurança da bomba sendo posicionada o mais próximo possível ou incorporada a ela mantendo constante a pressão do óleo Influencia significativamente na pressão na temperatura e na viscosidade do óleo a vazão da bomba e o dimensionamento das galerias de óleo Fonte Brunetti 2012 Figura 29 Válvula reguladora de pressão Filtro de óleo é responsável por filtrar o lubrificante retendo contaminantes resíduos da combustão e particulados O filtro deve suportar a vazão e pressão do óleo nas piores condições além de possuir resistência química térmica e à partida a frio Devem ser facilmente acessados de modo a facilitar a sua troca Fonte Brunetti 2012 Figura 210 Filtro tipo módulo 55 Basicamente existem dois tipos de sistemas de filtragem total onde toda a vazão de óleo é filtrada e por consumir muita potência do motor é menos utilizada e parcial onde apenas uma parte da vazão é filtrada 520 Fonte adaptado de Brunetti 2012 Figura 211 Sistema de filtragem total e parcial Trocador de calor é responsável por retirar calor do lubrificante em motores nos quais as temperaturas podem ser superiores a 120C Podem ser óleoar ou óleoágua sendo de dois tipos casco ou tubo e placas com a maior capacidade específica de troca de calor Fonte Brunetti 2012 Figura 212 Trocador de calor por placas 56 233 Blowby É uma parcela dos gases da combustão que passa pelos anéis dos pistões durante os ciclos de compressão e expansão Esta mistura rica desce ao cárter entrando em contato com o óleo e depois é arrastada para a admissão de ar Fonte Brunetti 2012 Figura 213 Gases de blowby através dos anéis O blowby e o consumo de óleo pelos pistões são efeitos opostos que ocorrem na região dos anéis Um blowby excessivo pode promover a diluição do óleo e em casos extremos quebrar o filme entre o conjunto pistãoanéis e o cilindro podendo gerar um engripamento Os gases de blowby acabam carregando consigo gotículas de óleo e este óleo não pode passar pelo sistema de admissão e ser consumido pela combustão devido às emissões Dessa forma tornase mandatória a separação de óleo dos gases de blowby Existem diferentes sistemas de separação do óleo todos eles com o objetivo de garantir que a mistura rica seja enviada à admissão e o óleo separado retorne ao cárter O uso do etanol pode contaminar o óleo de tal maneira que o sistema de ventilação o mesmo da PCV e de separação do óleo sejam entupidos por um gel com um aspecto de maionese chamado gel de blowby e se houver bloqueio dos dutos de ventilação a pressão do cárter irá subir muito até que algum componente se rompa gerando danos ao motor 57 Fonte Eichler et al 2014 Figura 214 Ventilação dos gases de blowby para consumo pela admissão de ar 234 Razões para o consumo de lubrificante em um motor Algumas causas podem ser citadas Mudança da viscosidade do óleo Período de amaciamento do motor Rotações e cargas de trabalho Condição mecânica do motor Condição de operação e de manutenção Processo natural de lubrificação Diluição do óleo pelo combustível Maiores intervalos de troca do lubrificante Vazamentos internos e externos Nível de óleo 58 Conclusão Pudemos estudar neste bloco as principais propriedades e características dos combustíveis e dos lubrificantes cuja compreensão é fundamental para a definição de um projeto de motor levando em consideração o ciclo térmico do mesmo e a sua aplicação final Vimos também o primeiro sistema do motor neste curso o sistema de lubrificação Sua importância é fundamental para o correto funcionamento de um MCI devendo ser considerado com muito cuidado durante a fase de projeto Mais importante ainda é a sua manutenção pois mesmo um bom projeto não poderá garantir a durabilidade do motor caso haja descuido com algum componente como o filtro de óleo ou com os intervalos de troca dos lubrificantes REFERÊNCIAS BRUNETTI F Motores de Combustão Interna Volume I São Paulo Blucher 1 jan 2012 D8 GTO OIL circulation system Donkie Speed 2018 Disponível em httpsdonkiespeednld8gtooilcirculationsystem Acesso em 16 abr 2021 EICHLER F et al The 10l ThreeCylinder TSI Engine in Volkswagens Modular Gasoline Engine System MTZ worldwide Alemanha 75 11 1823 outubro 2014 KARLE T et al Gasoline Engines for the Audi A6 ATZextra worldwide Alemanha 15 11 4651 set 2010 MARTINS J Motores de Combustão Interna 5ª edição Portugal Engebook 1 jan 2016 59 3 SISTEMAS DE ARREFECIMENTO E DE INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL Apresentação Este bloco irá abordar outros dois sistemas dos MCIs o sistema de arrefecimento e o de injeção Por se tratar de uma máquina térmica o sistema de arrefecimento é fundamental para a manutenção da temperatura ótima de funcionamento O sistema de injeção de combustível é por sua vez não menos importante pois cabe a ele dosar o combustível no volume correto de modo que haja uma combustão eficiente Iremos estudar suas características e componentes de modo a conhecêlos melhor 31 Sistema de Arrefecimento A combustão se dá a temperaturas muito grandes acima de 2000C gerando uma diferença de temperatura elevada entre os gases e os componentes integrantes da câmara de combustão havendo assim a transferência de calor por gradiente de temperatura a esses componentes Logo o sistema de arrefecimento é responsável por retirar o calor dos componentes do motor de modo que estes possam trabalhar em suas faixas corretas de temperatura Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 31 Formas de transferência de calor num MCI 60 Esse sistema é constituído por uma série de componentes hidráulicos e eletromecânicos responsáveis por controlar a temperatura do MCI O calor gerado na combustão é transferido para o fluido de arrefecimento nas seguintes proporções verificadas experimentalmente 2535 nos motores arrefecidos a água e 2025 nos motores arrefecidos a ar Os meios arrefecedores mais comuns são o ar a água e o óleo Este meio circula por entre as partes aquecidas do motor absorvendo o calor para depois transferilo ao meio ambiente Altas temperatura de trabalho podem causar deformações desgaste degradação do óleo corrosão e o engripamento do motor O dimensionamento do sistema de arrefecimento deve levar em consideração os limites de temperatura dos componentes como apresentado a seguir Lubrificante não deve ultrapassar 180C para não degradar e nem perder as suas propriedades Cilindros não deve ser muito superior ao do lubrificante em torno de 200C pois há a formação do filme de óleo entre o pistão e o cilindro Pistão está limitado pelas ligas de alumínio que o compõem em torno de 320C caso o motor exija maiores temperaturas no topo do pistão tratamentos superficiais serão necessários Câmara de combustão cabeçote gira em torno de 200C dentro dos limites do material geralmente ligas de alumínio porém não deve ser muito maior sob o risco de promover a detonação do motor Vela de ignição pode chegar a 600C Válvulas a de escape pode chagar a 800C enquanto a de admissão que é resfriada pela mistura na admissão fica em torno de 150C 61 Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 32 Temperaturas médias nos principais componentes 311 Tipos de arrefecimento São três os tipos diferentes de sistemas de arrefecimento habitualmente aplicados aos MCIs 1 Arrefecimento a ar também conhecido por arrefecimento direto uma vez que o calor é transferido diretamente para o ar motivo pelo qual adota aletas para aumentar a superfície de troca de calor É o sistema mais simples mais leve de fácil manutenção o meio arrefecedor é abundante não é corrosivo não gera incrustações não evapora e nem congela em qualquer condição de funcionamento do motor Entretanto é difícil controlar a temperatura do motor que acaba trabalhando com temperatura inconstante e ficando facilmente susceptível a superaquecimentos além de haver a necessidade de limpeza das aletas queda de rendimento Ele demanda mais ar para retirar uma unidade de calor do motor dado o seu baixo calor específico Como a temperatura não é constante pode causar pontos quentes que podem promover a detonação limitando a sua aplicação a motores com baixa taxa de compressão Existe uma variante o sistema de arrefecimento forçado de ar onde uma ventoinha ligada ao virabrequim força a passagem do ar pelos cilindros aletados através de dutos sendo um pouco mais eficientes 62 Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 33 Arrefecimento a ar Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 34 Arrefecimento forçado a ar 2 Arrefecimento por circulação de óleo é geralmente utilizado como complemento ao sistema de arrefecimento a ar e não possui muitas aplicações no mundo 63 Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 35 Arrefecimento por circulação de óleo 3 Arrefecimento por circulação de água é o sistema de arrefecimento mais aplicado pois possibilita melhor controle da temperatura dos componentes além de mantêla em valores mais baixos melhorando a eficiência energética do motor possibilitando um bom desempenho com taxas de compressão mais altas sem a ocorrência de detonação A temperatura ótima de trabalho é em torno de 90C devendo ela ser atingida o mais rápido possível O controle do fluxo de água que circula no radiador é dado pela válvula termostática posicionada no cabeçote O líquido de arrefecimento entra pela parte baixa do motor e sai pelo cabeçote para evitar a formação e o aprisionamento das bolhas de vapor Assim a água retira o calor dos componentes e transfere ao meio ambiente através do radiador Existem dois sistemas de arrefecimento por circulação de água Circulação por termossifão não existe uma bomba pressurizando o sistema o fluxo acontece pelo gradiente da temperatura da água ΔT40C e continua a funcionar mesmo com o motor desligado Como desvantagens necessita de menor perda de carga isto é as tubulações internas devem ser mais amplas demanda um radiador 30 maior e se o nível de fluido de arrefecimento estiver baixo corre o risco de formar bolhas e provocar o superaquecimento do motor É aplicado apenas em motores pequenos às vezes com ventoinhas junto ao radiador 64 Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 36 Circulação por termossifão Circulação forçada é o sistema mais aplicado onde uma bomba centrífuga circula o líquido de arrefecimento de maneira forçada Dispõe de válvula termostática e radiador para o controle da temperatura O volume de água pode ser reduzido consideravelmente uma vez que o sistema é pressurizado e o fluxo apresenta maior velocidade maior troca de calor maior eficiência Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 37 Circulação forçada 312 Componentes do sistema de arrefecimento São apresentados a seguir os principais componentes do sistema de arrefecimento Válvula termostática é responsável pelo controle do fluxo de água que passa pelo radiador e está localizada no cabeçote Quando o motor está frio ela está bloqueada impedindo a circulação de água pelo radiador circulando apenas pelo bloco de modo a aquecer o mais rápido possível 65 A temperatura ideal de resfriamento varia de motor a motor e fica geralmente compreendida entre 7590C com gasolina e 8595C com etanol Sua principal função é garantir o rápido aquecimento do motor e do lubrificante pois se o motor trabalhasse muito tempo a frio poderia ocorrer a condensação do vapor de combustível na câmara de combustão promovendo a diluição do óleo e acelerando o desgaste do motor formação de vernizes e gomas que poderiam bloquear os anéis e combustão incompleta aumento do consumo de combustível Ela é imprescindível para o correto funcionamento do motor devendo ser trocada em caso de falha Podem ser de quatro tipos Estrangulamento nela um bulbo metálico com parafina éter ou mola bimetálica permite a passagem do fluxo quando a válvula atinge a temperatura desejada O abrir e fechar ocorre em função da temperatura do fluxo e a histerese do material permite grandes flutuações de temperatura A figura abaixo apresenta a sua construção e ilustra o seu funcionamento Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 38 Válvula com bulbo de cera a motor a frio b motor a quente Passo esta válvula possibilita a seleção entre o radiador e outra passagem pelo motor como ilustrado abaixo 66 Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 39 Válvula de passo Com aquecimento possui uma resistência elétrica PTC que permite aquecer a cera possibilitando a abertura pela água aquecida ou eletricamente no caso do uso de diferentes combustíveis Eletrônica é uma válvula completamente variável que permite a abertura em qualquer momento e com controle de temperatura bem apertado Apresenta restrição de fluxo mais baixa ou seja perdas menores de bombeamento fazendo a bomba de água consumir menos energia e promovendo assim uma redução do consumo de combustível Bomba de água ela é responsável por pressurizar o sistema de arrefecimento permitindo a circulação da água entre o motor e o radiador sendo uma bomba centrífuga com rotor aberto e um rendimento em torno de 70 Seu acionamento é dado pelo virabrequim e funciona sempre que o motor funciona Caso haja bolhas no sistema de arrefecimento pode ocorrer a erosão por cavitação nas pás da bomba Recentemente foi desenvolvida uma versão elétrica que só funciona quando necessário 67 podendo variar a vazão e a pressão independente da rotação do motor reduzindo assim o consumo de combustível e permite a redução do tamanho do radiador em até 30 Fonte adaptado de Brunetti 2012 vol II Figura 310 Vista de uma bomba de água e circuito de arrefecimento Ventoinha ventilador é peça fundamental na ventilação forçada do radiador sendo montado em conjunto com um defletor de modo a maximizar o seu efeito Existem três tipos Ventiladores mecânicos acionado por correia e montado diretamente na bomba de água permanecem o tempo todo ligado e devido ao atrito da correia e o acionamento permanente possuem maior consumo de potência e de combustível Ventiladores viscosos possui uma embreagem viscosa térmica que só é acionada quando se torna necessário a partir de uma determinada temperatura Possui custo elevado e aumenta o consumo de combustível quando acionado Ventiladores elétricos é o tipo mais aplicado e é acionado por um motor elétrico Pode ser montado em conjunto com o defletor à frente ou atrás do radiador inclusive com dois ventiladores 68 Fonte adaptado de Brunetti 2012 vol II Figura 311 Ventilador viscoso e ventilador elétrico Reservatório de expansão este reservatório é um volume adicional do sistema de arrefecimento que permite a expansão e a contração da água nas diversas condições de funcionamento do motor o volume de água não deve ser inferior a marcação de mínimo nível quando a frio e nem superior ao máximo quando a quente A tampa deste reservatório possui uma válvula de segurança que compensa a sobrepressão na expansão e a contração no resfriamento Pode ser selado geralmente junto ao radiador e elimina as perdas por evaporação ou pressurizado como na maioria dos casos O uso do aditivo detalhado a seguir permite a elevação da temperatura de ebulição que aliada à pressão do sistema em torno de 1 bar pode chegar a 130C Fonte adaptado de Brunetti 2012 vol II Figura 312 Motor com reservatório de expansão e reservatório em operação 69 Fluido de arrefecimento falase muito da água do sistema de arrefecimento mas na prática o fluido de arrefecimento é composto pela água e um anticongelante habitualmente o etileno glicol A proporção de mistura geralmente é de 5050 mas pode chegar a 7525 de etileno glicol em países de extremo frio Este fluido deve resistir a temperaturas abaixo de zero sem congelar e a temperaturas acima de 120C sem ferver O etileno glicol possui aditivos inibidores de corrosão controladores de pH manutenção do equilíbrio ácidoalcalino evitar a corrosão eletrolítica reduzir o ponto de congelamento e aumentar o ponto de ebulição além de um corante para identificálo e funciona também como lubrificante Tabela 31 Propriedades físicoquímicas do etileno glicol Fonte Brunetti 2012 vol II Mangueiras várias mangueiras de borracha fazem a conexão do sistema de arrefecimento as que ligam o motor ao radiador as que ligam o motor com o aquecedor do habitáculo do veículo a de derivação que faz o fluido circular no motor na fase de aquecimento do motor e a que liga o reservatório de expansão As mangueiras são desenvolvidas para suportar as pressões do sistema no entanto são considerados componentes de desgaste e devem ser trocadas de tempos em tempos Elas são moldadas conforme o circuito que irão percorrer de modo que não haja cotovelos são flexíveis para acomodar os movimentos relativos entre os componentes e devem ser reforçadas se forem muito extensas 70 Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 312 Sistema de arrefecimento completo 32 Injeção de combustível Otto Nos MIFs a propagação da chama depende da correta proporção da mistura arcombustível e a aceleração do motor é dada pela abertura da válvula borboleta controle da vazão fazendo variar a carga eou o regime do motor estes conceitos serão melhores explicados no próximo bloco combustão Conhecida a vazão de ar um dispositivo automático se encarregará de dosar a quantidade correta de combustível Esta dosagem será feita pelo carburador ou pelo sistema de injeção de combustível 321 Formação da mistura arcombustível Definições Relação arcombustível AF é a relação entre a massa de ar e a de combustível ou entre a vazão em massa de ar e a de combustível AF mc ma mc ma 71 A figura abaixo ilustra de forma esquemática a proporção usual das massas de ar e de combustível admitidas pelo motor tratase de um motor com injeção nos dutos de admissão ou Port Fuel Injection PFI Fonte Brunetti 2012 vol I Figura 313 Relação arcombustível Relação arcombustível estequiométrica AFe é a relação química da mistura arcombustível ou seja é o valor de referência de uma combustão completa Fração relativa arcombustível AFR é a relação entre uma determinada relação racombustível e a relação estequiométrica do combustível em questão AFR AF AFe Se AFR1 a mistura é chamada de pobre Se AFR1 a mistura é chamada de estequiométrica Se AFR1 a mistura é chamada de rica 72 Tipos de mistura Pela perspectiva da admissão a AF é simplesmente o quociente da massa de ar pela massa do combustível No entanto pela perspectiva da combustão o comportamento da mistura arcombustível independe apenas da sua composição mas especialmente da homogeneização do combustível no ar Em alguns casos podese ter uma mistura rica se comportando como uma mistura pobre justamente pela falta da homogeneização Por exemplo quando o motor está frio a falta de vaporização do combustível causa sinais de pobreza mesmo que a mistura esteja em média extremamente rica Quanto ao comportamento do motor as misturas podem ser classificadas Limite pobre é a mistura mais pobre possível que possibilita a estabilidade do motor operando com o mínimo avanço para o máximo torque Maximum Brake Torque MBT Sua chama excessivamente lenta poderá se manter durante a maior parte da expansão e provavelmente até o fim do escape e o início da admissão provocando o superaquecimento da câmara de combustão e possivelmente a ignição da mistura admitida provocando o retorno da chama pela admissão back fire Nesta situação o motor tornase instável sem conseguir manter a rotação constante mesmo que seja fixado o acelerador e a carga A situação de limite pobre é obviamente indesejada e abaixo dela o motor não poderá funcionar A sua AFR fica entre 070 e 085 Mistura econômica é levemente pobre onde o excesso de ar provoca uma combustão completa e apropriada para o volume de combustível admitido Ela gera o mínimo consumo específico contribuindo para a redução do monóxido de carbono CO Mistura de máxima potência é levemente rica onde o excesso de combustível provoca uma combustão completa e apropriada para o volume de ar admitido Ela gera a máxima potência aumentando a emissão do CO 73 Limite rico é a condição em que o excesso de combustível atrapalha a propagação da chama O vapor de combustível em excesso retira calor da câmara de combustão evitando que a combustão libere calor e por falta de ar ocorre a extinção da chama Esta condição promove a instabilidade do motor mesmo sem alteração da posição da borboleta e da carga de seu eixo Ao ultrapassar este limite o motor não funciona mais motor afogado 322 Tipos de injeção de combustível Existem basicamente três tipos de alimentação de combustível para os motores do ciclo Otto Carburador O carburador promove a dosagem de combustível desejada para uma determinada vazão de ar em admissão pelo motor Ele possui um reservatório de combustível chamado de cuba 9 onde o nível de combustível se mantém constante por uma boia 8 que por meio de uma válvula agulha 10 regula a entrada do combustível proveniente da bomba 11 A borboleta 2 regula a vazão de ar 7 pela perda de carga depois de passar por um tubo de Venturi 4 que aumenta a sua velocidade gerando assim depressão sucção do combustível que passa pelo pulverizador 6 e é dosado pelo gicleur orifício calibrado 6 Fonte Brunetti 2012 vol I Figura 314 Carburador elementar 74 O carburador possui sistemas auxiliares para melhorar a sua eficiência Sistema de partida a frio possui uma segunda borboleta que promove o arrasto do combustível por todos os orifícios de modo que uma mistura bastante rica facilite a partida do motor mesmo a frio Sistema de marcha lenta e progressão orifícios situados estrategicamente acima da borboleta introduzem combustível de acordo com a carga garantindo uma passagem amena da marcha lenta às rotações mais altas Sistema principal é a saída de combustível da cuba para a garganta do Venturi Sistema de aceleração rápida uma bomba de membrana insere uma quantidade complementar de combustível em caso de brusca abertura da borboleta compensando assim a entrada complementar de ar Fonte Brunetti 2012 vol I Figura 315 Carburador e sistemas auxiliares O carburador é um sistema de alimentação de combustível barato e confiável sendo praticamente universal ao passo que se pode retirar o carburador de um motor e usá 75 lo noutro praticamente sem modificações Entretanto a constrição de fluxo do Venturi reduz a potência máxima e é um sistema incapaz de produzir uma mistura de precisão sendo também sensível à pressão atmosférica já que ele mede somente o fluxo volumétrico do ar e não o mássico podendo criar misturas ricas a altas altitudes Injeção mecânica de combustível Utilizado desde 1925 em motores aeronáuticos uma vez que seu funcionamento independe da gravidade permitindolhe trabalhar em qualquer posição e possuir menor sensibilidade ao congelamento Foi aplicado pela primeira vez num veículo em 1954 e permite o aumento da potência a redução do consumo a diminuição das emissões e respostas mais rápidas ao acelerador No entanto é um sistema complexo delicado e de alto custo permitindo uma grande sobrevida aos carburadores Fonte Brunetti 2012 vol I Figura 316 Sistema KEJetronic da Bosch introduzido em 1973 Este não possui sistema eletrônico de gerenciamento injeta o combustível de maneira contínua apresentando controle de partida a frio de marcha lenta de acelerações parciais e totais 76 Injeção eletrônica de combustível As constantes regulamentações de emissões permitiram a evolução dos sistemas de alimentação de combustível até o desenvolvimento da injeção eletrônica A central de controle do motor Engine Control Unit ECU em inglês recebe os sinais instantâneos da temperatura do ar do volume de ar admitido da temperatura do motor da posição da borboleta da rotação do motor e da tensão da bateria para que possa calcular a massa de combustível a ser injetada A dosagem de combustível aprimorada a cada condição do motor é um dos responsáveis pelos níveis de emissões reduzidos Este sistema apresenta maior controle da mistura e portanto menor consumo de combustível melhor dirigibilidade especialmente a frio controle automático das rotações do motor e melhor nível de emissões Fonte Becker 2011 Figura 317 Sistema de injeção eletrônica Bosch ME17520 Os principais componentes deste sistema são 77 Corpo de borboleta é acionado pelo pedal do acelerador seja por cabo ou mais recentemente por comandos elétricos da ECU drive by wire A posição angular da borboleta define a quantidade de ar admitida pelo motor Coletor de admissão é responsável por distribuir o ar admitido igualitariamente a todos os cilindros com dispersão inferior a 5 São geralmente feitos em poliamida para reduzir o custo o peso a perda de carga e a transferência de calor do cofre do motor para o ar admitido Alguns componentes são fixados a ele como o corpo de borboleta o sensor de temperatura do ar a galeria de injeção com os injetores as tomadas de servo freio pressão absoluta entrada da recirculação dos gases do cárter blowby e regulador de pressão do combustível Subsistema de combustível é formado pelo tanque bomba filtro e linha de combustível É responsável por fornecer a quantidade necessária de combustível pressurizado ao motor em todas as rotações Quando se desliga o motor a linha permanece pressurizada de modo a evitar a formação de bolhas de vapor do combustível que possam comprometer a partida seguinte Galeria de injeção é responsável por armazenar e distribuir o combustível aos injetores fixos a ela O volume de combustível armazenado é maior do que o necessário para o funcionamento do motor evitando assim oscilações de pressão nos injetores Cânister é o responsável pelo controle das emissões evaporativas Os vapores de combustível do tanque são filtrados pelo cânister carvão ativado e são admitidos por depressão sucção através da tomada no coletor de admissão O fluxo dos vapores é controlado pela válvula de purga que é comandada pela ECU isto é quando ela abre os vapores são sugados pela admissão Subsistema elétrico é responsável por energizar todos os componentes elétricos do sistema detectar e medir as condições de funcionamento do motor além de gerar os sinais correspondentes interligar os componentes processar os sinais recebidos dos sensores e controlar a massa de combustível por meio dos pulsos elétricos enviados aos injetores 78 Os sistemas de injeção eletrônica podem ser classificados da seguinte maneira Quanto à tecnologia analógica ou digital Quanto à quantidade de injetores monoponto single point e multiponto multi point a ser detalhado no próximo item Quanto à posição do injetor no interior da câmara de combustão Direct Injection DI próximo à válvula de admissão Port Fuel Injection PFI ou junto ao corpo de borboleta Central Fuel Injection CFI a ser detalhado no próximo item Quanto à sequência de injeção sequencial faseado semissequencial faseado ou simultânea full group Quanto à medição da vazão de ar admitido sensor de massa de ar Mass Air Flow MAF sensor de palheta e rotaçãodensidade speed density ou alfan Quanto ao controle da relação arcombustível malha aberta ou fechada Quanto ao combustível sistema dedicado um único combustível ou multicombustível misturas de combustíveis Flex Fuel Quanto à diagnose embarcada sistemas OBDBr1 OBDBr2 EOBD etc Injeção direta de combustível Todos os sistemas apresentados até agora são conhecidos por injeção indireta ou seja nos quais o combustível é alimentado fora da câmara de combustão O posicionamento da alimentação do combustível também irá determinar a qualidade e homogeneidade da mistura além da eficiência da combustão No caso do carburador há apenas um ponto de alimentação de combustível antes da borboleta para todos os cilindros como pode ocorrer em alguns sistemas de injeção chamados de CFI Central Fuel Injection ou SPFI Single Point Fuel Injection Há casos em que um injetor é posicionado em cada duto de admissão sendo chamados de MPFI Multi Point Fuel Injection ou de PFI Port Fuel Injection No caso da injeção direta de combustível o injetor é posicionado diretamente na câmara de combustão e chamado de DI Direct Injection como ilustrado a seguir 79 Fonte adaptado de Brunetti 2012 vol I Figura 318 Diferentes posicionamentos dos injetores O uso da injeção direta permite múltiplas injeções de combustível num mesmo ciclo o que resulta numa menor temperatura da câmara de combustão e consequentemente numa maior resistência à detonação permitindo assim uma taxa de compressão maior e mais eficiente Além da maior eficiência térmica o GDI apresenta outras vantagens em comparação com o PFI como o controle da mistura mais preciso devido a não haver deposição de combustível nos dutos de admissão paredes do coletor de admissão e cabeçote Fonte Brunetti 2012 vol I Figura 319 Comparação entre um motor PFI e um GDI 80 O sistema de injeção direta trabalha com pressões superiores de 40 a 200 bar aos do sistema indireto de 25 a 45 bar e os seus componentes têm que ser redimensionados A pressão superior é para garantir a atomização do combustível de modo a compensar o menor tempo de formação da mistura que ocorre dentro da câmara de combustão A atomização aumenta a área superficial do combustível com o ar sendo caracterizada pelo diminuto tamanho da gota de 85200 μm da indireta para 1424 μm da direta aumentando assim a sua taxa de evaporação A linha de combustível permanece de baixa pressão como nos demais sistemas e uma bomba secundária de combustível acionada pelo motor se encarrega de pressurizar esse sistema A galeria de combustível é metálica para suportar a pressão elevada e possui um sensor de pressão de combustível que permite a correção da quantidade de combustível a ser injetado dependendo da pressão sendo este controle especialmente importante na partida do motor Fonte Brunetti 2012 vol I Figura 320 Comparativo injeção indireta e injeção direta 81 Fonte Brunetti 2012 vol I Figura 321 Sistema de injeção direta Bosch MED Motronic O sistema de injeção direta funciona em dois modos Carga homogênea o combustível é injetado simultaneamente com a admissão de ar pela válvula de admissão produzindo uma mistura homogênea e estequiométrica quando o motor estiver em alta carga Carga estratificada quando o motor estiver em baixa carga o combustível é injetado durante a compressão produzindo uma mistura heterogênea que deverá ser aproximadamente estequiométrica próximo a vela para uma combustão estável podendo ser pobre ou somente ar em volta Assim é possível diminuir a carga do motor sem a borboleta isto é sem a diminuição drástica de rendimento por bombeamento comum nos MIFs em carga parcial Fonte Brunetti 2012 vol I Figura 322 Mapa característico de combustão 82 Este sistema pode ser ainda dividido em três tipos quanto a orientação da combustão Nestas divisões são levadas em consideração o posicionamento do injetor e da vela além do momento de injeção do combustível Assim a combustão pode ser guiada Pelo jato de combustível sprayguided sofre menor influência da turbulência dentro da câmara de combustão para formar a mistura O injetor deve estar o mais próximo possível da vela e apresenta o menor tempo para formar a mistura contudo o que aumenta a probabilidade de carbonização da vela Pelo topo do pistão e paredes do cilindro wallguided e pelo ar deslocado na câmara de combustão airguided ambas configurações apresentam a vela no centro da câmara de combustão e apresentam a melhor formação de mistura uma vez que há mais tempo disponível entre a injeção e a ignição Uma nuvem compacta de combustível é direcionada à vela e sofre turbulência durante a compressão ajudando na formação da mistura Para isso o formato do topo do pistão é fundamental para o direcionamento da mistura à vela A única diferença entre as duas configurações é o tempo em que o combustível é injetado No caso da orientação pelas paredes o combustível é injetado mais tarde e pode não ter tempo útil para evaporar o combustível além de aumentar o risco de deposição de combustível no topo do pistão e nas paredes do cilindro Já na orientação pela massa de ar o combustível é injetado mais cedo diminuindo a probabilidade de deposição do combustível dado o tempo maior de permanência da mistura na câmara antes da ignição contudo a estabilidade da combustão depende da turbulência na câmara de combustão que é muito difícil de ser controlada Fonte Brunetti 2012 vol I Figura 323 Classificação quanto à orientação da combustão 83 33 Injeção de combustível Diesel O combustível nos MIEs é injetado diretamente na câmara de combustão sendo finamente nebulizado à pressões que podem ultrapassar 2000 bar ao final da compressão e até mesmo durante a expansão Desta forma a nebulização do combustível e a sua distribuição na câmara são fundamentais para o desempenho da combustão sendo requisitos deste sistema Dosar o volume correto de combustível para cada cilindro conforme a carga e a rotação desejadas Fornecer o combustível nebulizado com o objetivo de facilitar a sua mistura com o ar Iniciar a injeção no momento correto Injetar o combustível na velocidade desejada taxa de injeção Dosar o combustível com as taxas de injeção apropriadas Encerrar a injeção imediatamente sem gotejamento ou pósinjeção Assim de modo a cumprir os requisitos listados acima os MIEs podem utilizar um dos sistemas abaixo 1 Sistema de bombeamento individual com 3 configurações básicas Bomba em linha elementos bombeadores montados em conjunto numa mesma estrutura com um eixo comando único Bombatubobico elementos bombeadores e portainjetor individuais para cada cilindro acionados por um eixo comando montado no motor Bombabico unidade integrada de elemento bombeador e injetor individual para cada cilindro acionados por um eixo comando montado no cabeçote 2 Sistema distribuidor ou de bomba rotativa com regulagem mecânica ou eletrônica usa uma bomba de um único elemento bombeador ligado a um sistema distribuidor rotativo para distribuir o combustível a cada cilindro 84 3 Sistema acumulador ou tipo Common Rail usa uma bomba única para comprimir o combustível e elementos distribuidores individuais para cada cilindro 331 Tipos de injeção de combustível Os diferentes tipos de injeção para os motores Diesel são apresentados a seguir Sistema de bomba em linha Este sistema é composto por uma bomba com eixo comando um elemento dosador de combustível para cada cilindro e um regulador de débito e velocidade que está disponível nas versões mecânica e eletrônica Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 324 Sistema de bomba em linha para um motor 6 cilindros O regulador ajusta as condições de injeção automaticamente e define a rotação máxima do motor de modo a evitar sobrerrotações As alavancas que fazem interface com o motor são montadas nele A bomba injetora tem por função pressurizar o combustível e direcionálo ao injetor no instante correto e na quantidade exata para cada ciclo A lubrificação destas bombas é feita pelo lubrificante do motor lhe atribuindo robustez e durabilidade 85 Sistema modular de bombas individuais É um sistema controlado eletronicamente De construção robusta e compacta este sistema é capaz de obter pressões acima de 2000 bar e por possuir um circuito de alta pressão bastante reduzido possui uma dinâmica de injeção mais otimizada menores problemas de contaminação de combustível e maior durabilidade As condições de funcionamento são determinadas pela central de controle eletrônico da unidade através dos mapas de calibração Esse sistema possui duas unidades distintas Unidade injetora tipo bombatubobico a bomba de alta pressão é montada no motor sendo acionada por um eixo comando O conjunto portainjetor é montado no cabeçote de modo que o injetor fique posicionado no centro da câmara de combustão e a união entre a bomba e o injetor é feita por um tubo de alta pressão Fonte Brunetti 2012 vol II Figura 325 Unidade injetora tipo bombatubobico Unidade injetora tipo bombabico é um módulo com bomba de alta pressão injetor e válvula eletromagnética integrados montados no cabeçote e acionados por balancins movimentados por um eixo comando A válvula eletromagnética é responsável por injetar o combustível pressurizado após o enchimento do injetor pelo sistema de balancim 86 Fonte adaptado de Brunetti 2012 vol II Figura 326 Unidade injetora tipo bombabico Sistema distribuidor ou de bomba rotativa São bombas compactas com um regulador mecânico ou elétrico agregado ainda utilizadas em tratores e geradores De construção compacta e lubrificada pelo próprio combustível são mais baratas e sensíveis à contaminação do combustível A bomba de transferência por palhetas acionada pelo motor alimenta o distribuidor rotativo por meio de uma válvula dosadora que controla a vazão em função da carga desejada funcionando simultaneamente como bomba e distribuidor O combustível vem da bomba de palhetas ao mesmo tempo em que o distribuidor rotaciona passa pela válvula de admissão onde ocorre a dosagem da quantidade de combustível Quando o canal de admissão coincidir com um dos canais de alimentação centrais o combustível flui pelo canal central até os pistões bombeadores Na sequência ao girar o distribuidor faz o canal central se comunicar com um dos canais de alimentação do injetor ao mesmo tempo em que os pistões injetores são deslocados ao centro pelos cames da placa de cames 87 Fonte adaptado de Brunetti 2012 vol II Figura 327 Bomba rotativa de um motor 6 cilindros Sistema acumulador ou tipo Common Rail É o sistema de injeção mais utilizado na atualidade desde os motores dos veículos de passageiros em alguns países até locomotivas e navios Ele alia uma alta pressão de injeção acima de 2000 bar a possibilidade de múltiplas injeções num mesmo ciclo préinjeção injeção principal e pósinjeção possui flexibilidade para o ajuste do início da injeção de acordo com o funcionamento do motor pequenas tolerâncias e alta precisão por toda a vida útil do sistema Este sistema é acionado eletricamente e controlado pela unidade eletrônica que armazena os mapas de injeção Assim a bomba fornece o combustível em alta pressão a uma galeria que o distribui aos injetores 88 Fonte adaptado de Brunetti 2012 vol II Figura 328 Sistema Common Rail Neste sistema a pressão e a injeção são acontecimentos independentes pois a bomba pressuriza o combustível em qualquer rotação e o momento e a quantidade de injeção são calculados e comandados pela unidade eletrônica de comando que aciona os injetores eletricamente com precisão sem perdas mecânicas 332 Componentes Os principais componentes dos diversos sistema de injeção Diesel são apresentados a seguir Unidade eletrônica de comando o comando dos sistemas eletrônicos é dado por esta unidade Ela recebe os sinais de diversos sensores como da posição do pedal de aceleração da rotação e posição do virabrequim de pressão e temperatura da água e do óleo Desta forma baseado nos mapas de calibração gravados em sua memória para as diversas condições do motor ela comanda o momento de início e duração da injeção otimizada em sincronia com a posição do pistão Estão gravadas em sua memória não só as funções básicas de funcionamento do motor mas também as funções de partida a frio de pré injeção auxílio à redução de ruído e vibração do motor de segurança do sistema diagnose e monitoramento e economia de combustível 89 Bicos injetores são componentes de extrema precisão e são responsáveis pela nebulização fina do combustível Quanto melhor for a nebulização maior será a eficiência térmica do motor e a economia de combustível e menor será o nível de emissões Os injetores modernos suportam pressões e temperaturas elevadas de modo a permitir melhor desempenho ao motor Podem ser constituídos por o Bico em forma de pino mais aplicado nos motores de injeção indireta estes exigem menos manutenção uma vez que o movimento do pino proporciona a limpeza dos depósitos o Bico em forma de agulha mais aplicado nos motores de injeção direta devido a maior necessidade de pulverização do combustível Podem possuir um ou mais orifícios pequenos podendo possuir até 12 orifícios de 0203 mm Bomba de alta pressão é responsável pela pressurização do combustível em todas as faixas de funcionamento do motor por toda a sua vida útil Ela é montada no motor preferencialmente do mesmo lado da bomba injetora distribuidora de combustível e o seu acionamento é dado pelo motor seja através de engrenagens correia dentada ou corrente a no máximo 3000 rpm e a sua lubrificação pode ser feita pelo próprio combustível ou pelo lubrificante do motor Conclusão Neste bloco conhecemos o sistema de arrefecimento e o de injeção O primeiro é fundamental para a manutenção da temperatura ótima de funcionamento retirando calor das zonas quentes do motor e permitindo o rápido aquecimento do MCI após partida a frio Já o sistema de injeção de combustível é como o coração do motor cabendo a ele dosar o combustível no volume correto de modo que haja uma combustão eficiente Adicionalmente pudemos compreender as diferenças entre os diversos sistemas de injeção disponíveis para os MIFs e MIEs 90 REFERÊNCIAS BECKER N The New 10l ThreeCylinder MPI Engine for the up ATZextra Alemanha 16 3 3643 set 2011 BRUNETTI F Motores de Combustão Interna Volume I e II São Paulo Blucher 1 jan 2012 MARTINS J Motores de Combustão Interna 5 ed Portugal Engebook 1 jan 2016 91 4 COMBUSTÃO Apresentação Este bloco é dedicado ao estudo exclusivo da combustão a principal característica dos MCIs É a combustão que gera o trabalho útil e que caracteriza os MCIs como máquinas térmicas Todo projeto de motor se inicia pela definição design da combustão para que todos os outros componentes possam ser definidos na sequência Logo serão apresentadas as combustões dos motores de ignição por faísca e de ignição espontânea suas particularidades e possíveis falhas que possam ocorrer Ao término deste bloco iremos conhecer também outros tipos de combustão 41 Combustão nos motores Otto 411 Sistema de ignição e câmara de combustão Serão apresentados a seguir os diversos sistemas de ignição dos MIFs bem como os detalhes construtivos da câmara de combustão que impactam diretamente na eficiência da combustão Sistema de ignição O sistema de ignição é responsável por fornecer uma centelha elétrica faísca que dará início à combustão A vela de ignição é o principal componente deste sistema sendo instalada no cabeçote do motor próximo às válvulas de admissão e escape o posicionamento irá variar de motor a motor dependendo da definição da combustão A faísca é gerada com uma tensão elétrica entre 5 e 20 kV dependendo do motor tensão superior à tensão da bateria do veículo 12 V As principais funções desse sistema são Função transformadora o sistema deve ser capaz de elevar a tensão disponível na bateria aos valores de tensão necessários para a geração da faísca 92 Função distribuidora o sistema deve distribuir a faísca a todos os cilindros na correta ordem de ignição ex em um motor a 4T com quatro cilindros em linha a ordem de ignição será 1342 Função avançoatraso o sistema deve de maneira automática gerar a faísca no momento correto conforme definido no desenvolvimento da combustão A bobina de ignição é o componente deste sistema responsável por elevar a tensão da bateria aos níveis de geração da faísca função transformadora O distribuidor outro componente desse sistema se encarrega de distribuir a tensão gerada pela bobina a todas as velas na ordem de ignição correta função distribuidora Ele é acionado pelo eixo comando garantindo que a distribuição ocorra em função da rotação do motor utilizando o quarto componente do sistema o cachimbo O quinto componente é o platinado que é responsável por chavear a tensão da bobina a partir da rotação do motor de modo a garantir o momento correto da faísca função avançoatraso a todos os cilindros na ordem de ignição em combinação com o distribuidor A figura abaixo apresenta os componentes que formam o sistema de ignição convencional Fonte Brunetti 2012 Figura 41 Sistema de ignição convencional de um motor seis cilindros 93 A vela converte a energia da bobina em uma faísca arco elétrico formada entre os seus eletrodos ponta ignífera Como ela está posicionada dentro da câmara de combustão ela deve suportar elevadas temperaturas e pressões além de é claro resistir às vibrações do motor às bruscas alterações de temperaturas e pressões e ao ataque químico dos gases queimados Sua ponta ignífera pode chegar a 800C A figura a seguir apresentam o detalhe construtivo da vela e uma curva de temperatura e pressão dentro de uma câmara de combustão Fonte Brunetti 2012 Figura 42 Vela em detalhe e curva de temperatura e pressão na câmara de combustão Notase que a vela possui um corpo cerâmico para isolar a tensão que percorre o eletrodo mas a cerâmica é uma péssima condutora de temperatura Assim de modo a resfriar a vela a troca de calor é feita pela rosca de fixação no cabeçote e o sistema de arrefecimento da câmara será responsável por refrigerála O grau térmico GT é a facilidade com que a ponta de uma vela consegue dissipar calor ou seja quanto maior o GT mais fria será a vela e viceversa O GT é dado pela área de contato da cerâmica com a parte metálica isto é quanto maior for a área de contato maior será dissipação de calor e menor será a temperatura de funcionamento da vela O uso de uma vela mais fria ou mais quente é definido pelo desenvolvimento da combustão Motores de alto desempenho apresentam temperaturas mais elevadas e necessitam de velas mais frias de modo que não ocorra um evento de préignição isto é uma ignição antes da faísca devido a um ponto quente na câmara de combustão como a ponta ignífera da vela Resumindo os eletrodos da vela devem resistir mais de 94 mil faíscas por minuto devem suportar elevadas temperaturas e a erosão dos gases queimados e aos depósitos carbonização formados em função da temperatura dos eletrodos durante o funcionamento do motor Sua temperatura de funcionamento varia de 450 a 850C abaixo de 450C ocorre a carbonização que pode causar falhas na combustão e acima de 850C poderá ocorrer préignição Fonte Brunetti 2012 Figura 43 Dissipação de calor nas velas Há um retardamento químico na combustão da mistura nos MIFs demandando a geração da faísca antes da chegada do pistão ao PMS compressão Essa antecipação possibilita uma combustão por completo permitindo que se atinja a máxima pressão no momento no qual o pistão iniciar a expansão A ignição antecipada provoca um trabalho negativo W 0 facilitando a subida do pistão ao PMS por depressão sucção e na sequência com a combustão ocorre o trabalho positivo W 0 que empurra o pistão para baixo Fonte Brunetti 2012 Figura 44 Variação da pressão em função do ângulo do virabrequim 95 Notase na figura a seguir que se a faísca for gerada muito atrasada haverá um trabalho positivo muito pequeno Zc entretanto se for gerada muito antecipadamente Zb além de um trabalho negativo grande poderá ocorrer uma detonação propagação desorientada da chama na câmara de combustão Conforme a rotação do motor aumenta tornase necessário avançar o ponto de ignição Ademais em baixa carga do motor mistura pobre a velocidade de propagação da chama é menor exigindo o avanço do ponto Portanto o avanço da ignição é função da rotação do motor e da carga exigida Fonte Brunetti 2012 Figura 45 Diagrama de combustão para pontos de ignição diferentes A figura 41 apresentou um sistema de ignição convencional No entanto os recentes sistemas de gerenciamento eletrônico dos MIFs são capazes de determinar os momentos nos quais serão fornecidos os sinais de ignição além de controlar a exata mistura visando atingir a performance desejada em torque e em potência observando ainda o consumo de combustível e as emissões A seguinte figura apresenta um sistema de gerenciamento eletrônico atual com o sistema drivebywire acelerador eletrônico com controle motor baseado em torque ajustando assim os sistemas de injeção e de ignição O regime de funcionamento do motor é medido por diversos sensores espalhados pelo motor e pelo sistema de escape permitindo à ECU definir a melhor estratégia de torque a ser aplicada naquele momento baseado nos mapas de calibração disponíveis 96 Fonte Brunetti 2012 Figura 46 Sistema Bosch Motronic ME7 Um dos principais sensores para o controle da ignição é o sensor de detonação responsável por identificar a ocorrência desse evento Caso haja sinal deste sensor a ECU é capaz de atrasar a ignição individualmente no cilindro anômalo mantendo os demais com o avanço otimizado conforme o mapa de calibração Outra evolução desse sistema foi a eliminação da bobina central e do distribuidor sendo eles substituídos por bobinas individuais para cada cilindro minimizando assim as perdas de energia nos cabos de ignição e consequentemente disponibilizando mais energia às velas o que melhora a combustão reduz o consumo de combustível e as emissões além de aumentar a potência do motor Fonte Brunetti 2012 Figura 47 Sistema de ignição com bobinas individuais 97 Câmara de combustão Uma câmara de combustão de bom desempenho deve obedecer a três regras Promover um adequado nível de turbulência para uma combustão eficiente e rápida é importante lembrar que o excesso de turbulência provoca o aumento da perda de calor dado o aumento do fluxo térmico junto às paredes Ela deve ser criada ou otimizada por um ou mais modelos de escoamento na câmara de combustão o Swirl movimento ordenado e de corpo rígido do fluido definido pela rotação no eixo do cilindro a amplamente utilizado nos MIFs e carga estratificada bem como nos MIEs tendendo a aumentar a eficiência em cargas parciais e impedir a detonação em plena carga o Tumble é similar ao swirl mas com rotação perpendicular ao eixo do cilindro b bastante utilizado nos MIFs proporcionando alta potência específica o Squish jato causado pelo esmagamento da mistura ao final da compressão geralmente direcionado à vela c aumentando bastante a intensidade da turbulência e acelerando a combustão Fonte adaptado de Brunetti 2012 Figura 48 Movimentos de corpo rígido swirl e tumble e tipo squish 98 Ser compacta ao reduzir a distância percorrida pela chama reduzse a duração da combustão o tempo de exposição da mistura aos gases queimados e diminui o risco de detonação Velas centralizadas são ideais para tal Possuir relação volumesuperfície VS grande no início da chama e pequeno no fim se a chama é iniciada em um volume pequeno ocorre o retardo da propagação da chama devido à proximidade com diversas superfícies e uma maior troca de calor com elas Já na região terminal da combustão a relação é grande havendo a diminuição do fluxo de calor dos gases queimados para as paredes Essa mistura estará sujeita a temperaturas maiores e a uma maior possibilidade de detonação No caso contrário a propagação da chama é rápida no início já que as reações acontecem com pouca interferência Na região terminal o volume menor possui bastante contato com as paredes tornando menos provável atingir o TAI Fonte Brunetti 2012 Figura 49 Exemplo didático da relação volumesuperfície A figura abaixo ilustra uma boa câmara de combustão para motores Otto Fonte Brunetti 2012 Figura 410 Exemplo didático de uma boa câmara de combustão para um MIF 99 412 Combustão normal A alimentação da mistura previamente dosada ocorre durante a admissão nos MIFs carburados ou injetados nos dutos de admissão PFI e na sequência a mistura é comprimida ocorrendo a vaporização e a homogeneização do combustível líquido com o ar No entanto nos MIFs de injeção direta de combustível GDI a alimentação do combustível é realizada diretamente no cilindro e dependendo da estratégia de formação da mistura homogênea ou estratificada a ignição pode ocorrer na admissão ou na compressão Em todas as versões de motor a ignição se dá quando o pistão se aproxima do PMS e a faísca provoca o início das reações de oxidação do combustível Quando o calor gerado pela faísca é suficientemente intenso para gerar reações de oxidação em cadeia ocorre a propagação da chama O atraso que ocorre entre a faísca e o início da propagação da chama onde não se registra o aumento da pressão é denominado retardamento químico da combustão ou atraso de ignição Neste instante de formação do núcleo da combustão antes da propagação da chama ocorre a queima de até 10 da massa da mistura no cilindro Uma vez ocorrido o retardamento a primeira fase da combustão a propagação da chama ocorre a partir da vela até a parede do cilindro a segunda fase da combustão que também é chamada de combustão normal Podese reconhecer uma terceira fase quando se processa a combustão dispersa de combustível não queimado Fonte Brunetti 2012 Figura 411 Exemplo de uma combustão normal 100 Na combustão é interessante que a máxima pressão ocorra quando o pistão estiver na expansão próximo ao PMS de modo a minimizar o trabalho negativo Como a combustão não acontece imediatamente requerendo um tempo para o atraso da ignição para a propagação da chama combustão normal e para a extinção da combustão combustão esparsa é necessário que ela se inicie suficientemente cedo de modo que o pico de pressão aconteça no ponto ótimo motivo pelo qual o avanço da ignição em relação ao PMS é necessário Fonte Brunetti 2012 Figura 412 Diagrama pα para uma combustão normal O avanço da ignição com o melhor compromisso entre o trabalho negativo e o positivo avanço ideal é chamado de mínimo avanço para máximo torque Maximum Brake Torque MBT Os fatores que influenciam a velocidade da propagação de chama são Turbulência promove o aumento da área efetiva da frente de chama por meio do efeito de enrugamento que promove maior contato entre as partículas em combustão e as que irão reagir na frente de chama aumentando a reação O crescimento da turbulência acontece com o aumento da rotação do motor acelerando a velocidade da combustão justamente quando o tempo disponível diminui 101 Temperatura e pressão temperaturas maiores aumentam a velocidade laminar da frente de chama ocasionando maiores velocidades de queima Relação arcombustível misturas levemente ricas até 10 acima da estequiometria ocasionam uma maior velocidade de propagação da chama visto que é nesta região na qual se encontram os picos de velocidade laminar das frentes de chama Presença de gases residuais desaceleram a combustão por acarretarem a redução da velocidade laminar da frente de chama Além dos fatores acima mencionados o avanço da frente de chama causa o aumento da temperatura e pressão da mistura ainda não queimada Assim a mistura poderá em alguns pontos alcançar a TAI do combustível permitindo a ocorrência de chamas secundárias formadas por autoignição como ilustrado a seguir Fonte Brunetti 2012 Figura 413 Ocorrência de chamas secundárias por autoignição 413 Falhas de combustão Existem basicamente duas falhas de combustão nos motores do ciclo Otto Detonação é uma autoignição brusca de uma parcela da mistura ainda não queimada na câmara Pode ser ocasionada por qualquer fator que aumente a temperatura ou a pressão na câmara de combustão aquecendo a mistura até o TAI do combustível A frente de chama aberta por esta fonte não controlada colide com a frente de chama da faísca propagando uma onda de choque 102 audível batida de pino que aumenta a pressão repentinamente gerando pontos quentes que poderão ocasionar uma préignição a seguir e causando a erosão da superfície dos componentes da câmara de combustão Os seguintes fatores influenciam a detonação o Qualidade do combustível combustíveis com baixa propriedade antidetonante eou com baixa octanagem o Elevada temperatura e pressão na câmara o Qualidade da mistura o Turbulência na câmara quanto menor pior A detonação pode ser controlada através Diminuição da temperatura e pressão na câmara seja pela restrição da admissão pela borboleta perda de performance seja pelo retardo do tempo de ignição Enriquecimento da mistura gera a redução da temperatura na câmara maior vaporização Uso da recirculação dos gases de escape Exhaust Gas Recirculation EGR a ser detalhado no bloco 5 A figura abaixo apresenta o diagrama pα com uma combustão normal e uma detonação onde na parte inferior é apresentada a evolução da fração de massa queimada xb onde 0 indica ausência e 1 indica queima total Fonte Brunetti 2012 Figura 414 Diagrama pα de uma detonação 103 Préignição é um evento de ignição que ocorre antes da liberação da faísca Pode ser ocasionado por pontos incandescentes na câmara de combustão como o eletrodo da vela quando muito quente ou por depósitos de carbono carbonização na própria vela nas válvulas ou no topo do pistão Geralmente ocorre após eventos seguidos de detonação onde a temperatura da câmara de combustão aumenta demasiadamente Assim como na detonação as duas frentes de chama colidem entre si propagando uma onda de choque que aumenta a pressão podendo danificar os componentes da câmara de combustão furo no topo do pistão e nucleação de trincas em diversos componentes O enriquecimento da mistura no cilindro com falha reduz a pré ignição pela redução da temperatura na câmara maior vaporização 42 Combustão nos motores Diesel 421 Combustão normal A ignição nos motores do ciclo Diesel ocorre por autoignição ao contato do combustível nebulizado com o ar aquecido pela compressão do pistão O combustível é injetado na câmara quando o pistão está se aproximando do PMS sendo injetado em alta velocidade através de um ou múltiplos orifícios nebulizaçãopulverização a depender da definição do injetor e sendo vaporizado ao passo que entra em contato com o ar em alta temperatura e pressão Estando a temperatura e a pressão do ar acima do ponto de ignição do combustível o combustível entrará em autoignição logo após a injeção A diferença de tempo entre a injeção e a ignição é chamada de atraso de ignição A combustão inicial prémistura libera energia rapidamente aumentando a temperatura e a pressão no cilindro Este aumento resulta numa redução no atraso de ignição ao resto do combustível injetado que queima a uma taxa controlada pela mistura A figura a seguir apresenta a curva característica da combustão nos MIEs com os diversos eventos da combustão nos tempos em que ocorrem pelo ângulo de rotação do virabrequim 104 Fonte Brunetti 2012 Figura 415 Curva característica da combustão de um MIE pelo ângulo do virabrequim Podemos observar na curva o tempo de abertura do injetor início da injeção e a taxa de liberação do calor que indica a razão de queima do combustível Note que esta taxa é negativa antes da combustão indicando assim a prévia vaporização do combustível retirada de calor do ar Notase ainda dois picos de liberação de calor um maior no período da combustão prémisturada e outro menor durante a combustão controlada O tempo entre o início da injeção e o início da combustão é composto por um retardamento físico e outro químico semelhante ao dos motores Otto A soma dos dois constitui o retardamento total onde não se observa nem o aumento da temperatura e nem o aumento da pressão na câmara Diversos fatores influenciam na autoignição dos MIEs como segue Qualidade do combustível Temperatura e pressão Turbulência 105 422 Falhas de combustão Se por algum motivo o retardamento se estender mais do que o normal haverá o acúmulo de combustível na câmara que ao se inflamar causará um aumento brusco de pressão a detonação Ela também pode ocorrer quando há falha de estanqueidade dos injetores podendo causar a erosão na superfície dos componentes da câmara de combustão sobrecarga térmica ou mecânica ou desintegração térmica dos componentes 423 Câmara de combustão As câmaras de combustão dos MIEs são classificadas em dois grupos câmara de injeção direta ou aberta na qual o combustível é injetado diretamente na câmara de combustão e câmara de injeção indireta ou fechada na qual o combustível é injetado em uma précâmara conectada à câmara principal como segue Câmaras de injeção direta elas habitualmente fazem parte do topo do pistão e produzem turbulência por squish e swirl além do movimento da mistura gerado pelo combustível injetado Estas câmaras são adequadas a um comportamento mais calmo do ar quiescente para a formação da mistura de modo a reduzir o gradiente de aumento da temperatura na combustão da pré mistura reduzindo a geração de NOx Atualmente este tipo de câmara é rasa e centrada ao pistão funcionando com injetores centrados de múltiplos orifícios A figura abaixo apresenta os tipos mais comuns de câmara de injeção direta câmara quiescente de baixa turbulência com injetores multiorifício veículos comerciais a câmara profunda de swirl elevado veículos de passageiros b e câmara de swirl elevado com injetor de um único orifício veículos de passageiros c 106 Fonte Brunetti 2012 Figura 416 Tipos mais comuns de câmaras de injeção direta Câmaras de injeção indireta construídas no cabeçote de modo a provocar turbulências mais intensas maiores do que nas câmaras abertas com o objetivo de acelerar a formação da mistura em motores Diesel de alta rotação aplicados nos veículos de passageiros A turbulência elevada reduz o retardamento físico permitindo uma combustão mais suave e rápida porém promovem maior perda de calor reduzindo o rendimento térmico Elas podem ser divididas como segue a Précâmara turbulenta durante o curso de compressão o ar é forçado através de uma estreita passagem para uma câmara auxiliar no cabeçote ganhando velocidade O combustível é então injetado em menor pressão iniciando a combustão que aumenta a pressão fazendo com que a frente de chama se propague à câmara principal através do canal estreito gerando elevada turbulência b Précâmara de swirl o princípio é o mesmo da précâmara turbulenta no entanto o canal estreito possui um ângulo de modo a gerar um fluxo rotativo de alta velocidade induzindo o swirl na câmara principal onde a combustão será completada 107 Fonte Brunetti 2012 Figura 417 Tipos mais comuns de câmaras de injeção indireta 43 Outros tipos de combustão Existe um processo avançado de combustão por autoignição controlada denominado por Homogeneous Charge Compression Ignition HCCI ou Controlled AutoIgnition CAI que possibilita uma redução significativa das emissões e do consumo de combustível Ademais tratase de um processo multicombustível por natureza isto é permitindo o uso da maioria dos combustíveis utilizado atualmente Esse processo combina as características dos MIFs e dos MIEs utilizando a compressão em conjunto com algum meio complementar de elevação de temperatura para permitir a autoignição da mistura prédosada É possível ao controlar a temperatura e a composição da mistura obter a autoignição de misturas estequiométricas e altamente diluídas muito pobres ou diluídas com EGR com baixas temperaturas de combustão possibilitando uma redução substancial das emissões de NOx e aumentando a eficiência pela redução da perda de calor para o arrefecimento do motor Uma vez que esta modalidade de combustão promove o controle de torque através da composição da mistura carga permite a operação em condições de não estrangulamento pela borboleta acelerador a pleno diminuindo drasticamente as perdas por bombeamento e promovendo uma redução substancial de consumo de 108 combustível em carga parcial nos MIFs Já nos MIEs como não trabalham de maneira estrangulada sem borboleta seu principal benefício é a redução das emissões de NOx e de material particulado fuligem fumaça preta Este processo permite uma ignição em condições adversas de mistura permitindo o uso de misturas ultradiluídas com EGR e ultrapobres Entretanto ainda é um problema viabilizar este processo nos MIFs devido ao seu controle e equipamentos necessários Podese obter a combustão por autoignição controlada através dos principais métodos listados a seguir Aquecimento do ar de admissão Aumento da razão de compressão Utilização de combustíveis mais autoignitáveis Recirculação dos gases de escape EGR Todos os métodos acima impõem algum tipo de dificuldade técnica que impede a sua implementação Contudo o uso do EGR é a única alternativa factível para o uso do HCCICAI em motores de veículos de passageiros Assim o calor dos gases queimados é utilizado como um iniciador de ignição em conjunto com o calor gerado pela compressão O EGR apresenta duas vantagens ser o auxiliar da ignição ao fornecer o calor necessário para a autoignição e limitar a taxa de liberação de calor de modo que o aumento da pressão não cause uma detonação Apesar das suas grandes vantagens o HCCICAI possui ainda desafios importantes a serem transpostos como o controle da combustão e a faixa limitada de operação Os desafios são maiores nos MIFs sendo os MIEs mais adequados no momento No entanto independentemente do ciclo e do combustível utilizado tratase de um processo muito interessante pela perspectiva das emissões e do consumo de combustível e é seguramente a melhor alternativa para a sobrevida dos MCIs 109 Conclusão Neste bloco pudemos conhecer a combustão no detalhe seja para os MIFs seja para os MIEs desde as suas características básicas até a combustão normal e as falhas de combustão Foram apresentados também outros tipos de combustão a título de curiosidade A combustão é de fato a característica principal do motor o seu domínio e compreensão são mandatórios para a sua boa definição e para uma melhor eficiência que irá se traduzir em um menor consumo de combustível e nível de emissões para um mesmo trabalho REFERÊNCIAS BRUNETTI F Motores de Combustão Interna Volume I São Paulo Blucher 1 jan 2012 MARTINS J Motores de Combustão Interna 5ª edição Portugal Engebook 1 jan 2016 110 5 CONSUMO DE AR NOS MOTORES 4T Apresentação Este bloco irá abordar a respiração do motor isto é veremos os sistemas de admissão do ar e de escape dos gases queimados Com este bloco iremos finalizar a compreensão completa da combustão uma vez que já foram vistos os combustíveis a ignição e a combustão propriamente dita Serão apresentados os diferentes sistemas de admissão e suas características e iremos entender como este sistema influencia a eficiência volumétrica do motor Na sequência será detalhado o sistema de escape seus componentes e o póstratamento dos gases de escape 51 Eficiência volumétrica A potência indicada de um motor pode ser definida abaixo Ni m a AFe pci ηt Onde Ni potência indicada m a vazão mássica de ar seco que escoa para dentro do cilindro AFe relação arcombustível estequiométrica pci poder calorífico inferior do combustível ηt eficiência térmica rendimento do motor É seguro afirmar que em um motor com ignição por faísca a potência indicada se mantém proporcional à vazão mássica de ar utilizando o mesmo combustível mantendo a relação arcombustível constante assim como a relação de compressão e o melhor avanço de ignição Nestas condições a eficiência térmica do motor permanece aproximadamente constante sendo a potência indicada diretamente proporcional à vazão mássica de ar 111 Nos motores de ignição por faísca a variação da potência é dada pela variação da pressão de admissão ou seja pela variação da vazão mássica de ar Já nos motores de ignição espontânea a variação da potência é dada pela mudança da relação ar combustível variando a eficiência térmica Mesmo no caso em que essa relação permaneça constante não é possível afirmar que a eficiência térmica será constante pois ela é impactada pela temperatura e pressão ambiente e pela rotação do motor É claro que nos MIEs a máxima potência é limitada pela massa de ar já que o máximo valor da AFe é aquela que poderá ser usada sem dificuldades de formação de depósitos excessivos de carbono de formação de fumaça no escape ou pressão excessiva de combustão A eficiência volumétrica é a relação entre a massa de mistura nova admitida no cilindro durante a admissão e a massa que preencheria o volume deslocado do pistão com a massa específica atmosférica ηv 2m e ρe Vd n Sendo ηv eficiência rendimento volumétrico m e vazão mássica de mistura fresca que escoa para dentro do cilindro ρe densidade massa específica da mistura fresca que escoa para dentro do cilindro Vd cilindrada total do motor n rotação do motor Os seguintes fatores influenciam a eficiência volumétrica Efeito quaseestático Atrito do fluxo de ar na admissão e escapamento Atrito no duto e válvula de admissão devido a restrição Transferência de calor no sistema de admissão Tempo de abertura e fechamento da válvula de admissão Choque das ondas de fluxo de ar na admissão 112 Transferência de calor no cilindro Afinação tuning da admissão e do escape Sobrealimentação Usase a lei de Dalton para pressões parciais para a mistura de ar combustíveis vaporizados ou gasosos e vapor de água Pe Pa Pc Pv Onde Pe pressão da mistura fresca total Pa pressão parcial do ar Pc pressão parcial do combustível Pv pressão parcial do vapor de água umidade do ar A influência da umidade do ar e da vaporização do combustível no rendimento volumétrico é denominado efeito quaseestático Se considerarmos que cada constituinte se comporta como um gás perfeito temos Pa Pe 1 1Fv 29 Mc 16g Sendo que Mc massa molecular do combustível Fv mc ma massa molecular do vapor de combustível massa molecular do ar seco g mv ma massa molecular do vapor de água massa molecular do ar seco Geralmente a umidade absoluta do ar não supera 2 A massa molecular dos combustíveis não é baixa habitualmente e o Fv é pequeno com os dutos de admissão usuais Nestas condições o fator de correção será em torno de 98 estando dentro das medidas dos testes de motores Fv é zero no caso dos MIEs 113 Assim sendo nos dois casos desprezase o fator de correção Entretanto em regiões de alta umidade ou em MIFs carburados utiliza combustíveis de baixa massa molecular ou gasosos o fator de correção não poderá ser desconsiderado Nesse último caso a massa de ar será sensivelmente reduzida devido a diminuição de ρa a uma determinada pressão de admissão O processo de admissão ideal tem três casos PEPA 10 quando se tratar de um motor sobrealimentado PEPA 10 quando o motor estiver à plena carga PEPA 10 quando o motor estiver em carga parcial Onde PA pressão de admissão PE pressão de escape Fonte Brunetti 2012 Figura 51 Processo de admissão ideal 114 Ao processo de admissão indicado por 671 serão consideradas as seguintes simplificações Os gases residuais e a mistura nova serão encarados como gases perfeitos de mesma massa molecular e de mesmo calor específico Não há transferência de calor adiabático A pressão de admissão é constante A temperatura de admissão é constante A pressão de escape é constante Dadas as simplificações acima e utilizando as equações dos gases perfeitos temos a expressão da eficiência volumétrica do ciclo ideal ηvi k1 k rv PE PA krv1 Onde ηvi eficiência volumétrica do ciclo ideal k relação cp cv cp calor específico à pressão constante cv calor específico ao volume constante rv relação taxa de compressão do motor A figura abaixo apresenta as eficiências volumétricas para vários valores de PEPA e rv No caso do ciclo ideal PEPA 10 e ηvi 10 115 Fonte Brunetti 2012 Figura 52 Diversas curvas de eficiência volumétrica O atrito resistência do fluxo nos dutos gera uma significante perda de carga nos MCIs e pode sofrer variações maiores em função da velocidade pois o ar admitido atravessa todo o sistema de admissão incluindo a tomada de ar sujo o filtro de ar os dutos e as válvulas Esse atrito influencia diretamente a eficiência volumétrica e deve ser tratado ainda na fase de projeto do motor A pressão média no coletor de escape varia conforme a carga determinada pelo vácuo no coletor de admissão e da velocidade angular do virabrequim O acréscimo das restrições no escape proporciona redução da eficiência volumétrica devido ao incremento da fração de gás residual e aumento do trabalho de expulsão dos gases queimados perda por bombeamento O ar passa pelo duto de admissão que está em contato com o líquido de arrefecimento em torno de 90C e passa pela válvula de admissão em torno de 150C sendo o aquecimento do ar inevitável Esse aquecimento provoca uma queda média de 2 a 3 da eficiência volumétrica Em altas rotações a perda diminui devido a maior velocidade do ar nesse percurso Quando o ar entra no cilindro ele se mistura com o gás residual que lá permaneceu após a queima Além do gás residual existem os 116 componentes da câmara de combustão como pistão válvulas cabeçote cilindro e vela que estão com temperaturas elevadas Estes dois processos fazem a eficiência volumétrica reduzir ainda mais em torno de 1 a 2 A estratégia de superposição overlap de abertura de válvulas tem por objetivo melhorar a eficiência volumétrica Quando a válvula de admissão abre antes do PMS significa que ela estará toda aberta no início do ciclo de admissão oferecendo menor resistência ao escoamento reduzindo a depressão no cilindro Quando a válvula de escape fecha após o PMS significa que ela estará aberta no final do ciclo de escape reduzindo a elevação de pressão no cilindro Ambos os efeitos tendem a melhorar a eficiência volumétrica 52 Sistema de admissão de ar O sistema de admissão de ar é responsável por coletar o ar sujo do ambiente filtrálo e conduzilo ao cabeçote de modo que ele possa ser admitido na câmara de combustão Nessa configuração o motor é denominado naturalmente aspirado ou de pressão negativa uma vez que a depressão do cilindro vácuo do motor suga o ar a ser admitido Fonte adaptado de Audi Media Center 2006 Figura 53 Sistema de admissão de ar de um motor naturalmente aspirado 117 Existe no entanto uma outra configuração de admissão conhecida por sobrealimentação ou de pressão positiva Neste caso o ar após passar pelo filtro é direcionado a um compressor que irá elevar a sua pressão para a admissão no cilindro Entretanto ao elevar a pressão do ar elevase também a temperatura e como visto anteriormente temperaturas elevadas do ar reduzem a sua densidade reduzindo assim a eficiência volumétrica Logo o ar deve ser arrefecido antes de ser admitido no motor seja através de um trocador de calor localizado à frente do radiador seja através de um trocador de calor posicionado dentro do coletor de admissão Esse último caso é a melhor solução pois além de reduzir a quantidade de componentes e de volume de ar em deslocamento reduzse também o custo total do sistema de admissão e principalmente reduzse a temperatura imediatamente antes de sua admissão na câmara de combustão melhorando ainda mais a eficiência volumétrica Fonte adaptado de Audi Technology Portal 2021 Figura 54 Sistema de admissão de ar de um motor sobrealimentado convencional 118 Fonte Audi Media Center 2020 Figura 55 Detalhe de um trocador de calor posicionado junto ao coletor de admissão 521 Componentes São apresentados a seguir os principais componentes do sistema de admissão Tomada de ar sujo captação é a entrada do ar ambiente no sistema de admissão do motor Geralmente está posicionado na grade frontal do veículo de modo a captar o ar mais frio uma vez que o ar disponível no vão do motor está aquecido impactando a eficiência volumétrica e no ponto mais alto visando evitar a admissão de água no caso de um alagamento Em alguns casos possuem dispositivos para separar a água chuva intensa spray do veículo à frente ou alagamento e em países frios para permitir a partida com o veículo coberto por neve que possa tamponar a tomada do ar captando assim por sucção o ar disponível no vão do motor Dutos de admissão podem ser de baixa e alta pressão no caso de um motor sobrealimentado servem para conduzir o ar da captação ao filtro e do filtro ao coletor de admissão No caso da sobrealimentação ligam o filtro ao compressor o compressor ao trocador de calor alta pressão e na sequência 119 o coletor Possuem sensores de temperatura e pressão do ar Temperature Manifold Absolute Pressure sensor TMAP de modo que essas características do ar admitido naquele momento sejam informadas à ECU para a correta dosagem de combustível formação da mistura Podem possuir também no caso de sobrealimentação sensores de fluxo e massa de ar Mass Air Flow sensor MAF e amortecedores do fluxo pulsante reverso do compressor Fonte adaptado de Karle 2010 Figura 56 Diferentes tipos de dutos com integração de componentes Ressonadores são responsáveis por reduzir o ruído na admissão do ar Estes ruídos podem possuir frequências sonoras diferentes demandando soluções diferentes para cada faixa de frequência Os ressonadores podem ser posicionados entre a captação do ar e o filtro no próprio filtro ou nos dutos de baixa e alta pressão como exemplificado na figura anterior 120 Filtro de ar é responsável por filtrar o ar particulados poeira pólen etc antes da formação da mistura Possui uma mídia papel natural ou sintética que é dobrada de modo a criar uma superfície de filtragem grande para uma ocupação de espaço reduzida tendo as suas tramas gramatura mais abertas ou mais fechadas dependendo do tipo de admissão naturalmente aspirado ou sobrealimentado As carcaças do filtro de ar desempenham ainda outras funções como separação de água direcionamento do fluxo redução de ruído ressonador e em alguns casos pode ser uma peça de estilo Fonte Skoda Storyboard 2017 Figura 57 Filtro de ar embarcado sobre o motor Coletor de admissão o coletor de admissão é fixado ao cabeçote do motor e recebe o ar do sistema de admissão para distribuilo igualitariamente 5 máxima variação aos cilindros pelos dutos de admissão Além da sua função principal coletar e distribuir o ar tem diversas outras funções o Acelerar o ar para os cilindros de modo a promover uma mistura homogênea e evitar o retorno da chama que poderia causar o efeito de backfire estouro na admissão o Possuir um volume de ar de reserva que também funcione como um ressonador o plenum 121 o Ser a tomada captação de vácuo para o sistema de freio do veículo servo freio ser a captação dos gases de blowby e da purga do cânister no caso do motor aspirado pressão negativa Os motores sobrealimentados possuem sistemas auxiliares bombas para gerar o vácuo necessário o Posicionar os injetores no caso dos motores SPFI e PFI o Servir de suporte a diversos componentes como o corpo de borboleta chicotes elétricos linha de combustível linha de vácuo do freio suportes diversos etc o Posicionar o sensor TMAP para a medição do ar para a formação da mistura o Integrar abas para a formação do efeito swirl e tumble do fluxo para os cilindros o Permitir a recirculação dos gases de escape EGR Podem ser produzidos em alumínio fundido ou injetado sendo produzidos recentemente em polímeros para a redução de custo de peso e proporcionando maior liberdade de projeto e de integração de componentes e funções 522 Características Existem algumas características importantes a serem observadas no projeto do sistema de ar Perda de carga a perda de carga é particularmente mais sensível nos motores aspirados pois a admissão depende da depressão sucção promovida pelo motor e varia em função da cilindrada total Contrapressões restrições de fluxo e cotovelos em excesso devem ser evitados A perda de carga não é um problema para os motores sobrealimentados pois o compressor garante depressão plena antes dele e após ele a pressão é positiva 122 Acústica a admissão do ar ocorre em altas velocidade e portanto geram ruído em várias faixas de frequência Assim uma vez definidos os componentes e o percurso da admissão se faz necessário a afinação acústica do sistema com a adição de ressonadores como visto anteriormente Fenômenos aerodinâmicos eles influenciam diretamente o desempenho do motor Pulsos de pressão do fechamento das válvulas de admissão por exemplo podem atrapalhar a dinâmica do ar para outros dutos impactando a eficiência volumétrica do motor O dimensionamento dos componentes do coletor é chamado de sintonização Uma característica construtiva do coletor de admissão que impacta o desempenho do motor é o comprimento dos dutos quanto mais longo forem menor será a rotação de ocorrência do pico de torque do motor Essa construção é mais indicada aos motores de baixa cilindrada que serão majoritariamente utilizados no trânsito das cidades No entanto se os dutos forem curtos dentro de um determinado limite haverá o favorecimento da potência refletindo em uma maior velocidade máxima Logo existem coletores com um sistema de geometria variável permitindo assim a variação do comprimento dos dutos para privilegiar o torque em baixas rotações e a potência em altas rotações 523 Sobrealimentação O objetivo da sobrealimentação é aumentar a potência do motor no entanto é acompanhado pelo aumento da eficiência volumétrica O aumento da potência do motor é devido a uma maior densidade do ar admitido massa específica A limitação destes motores com maior potência específica é a resistência dos materiais por conta do aumento das cargas térmicas e mecânicas A sobrealimentação dos MCIs é feita de duas maneiras Compressor mecânico é acionado mecanicamente pelo motor consumindo parte da potência dele sendo esse efeito parasita a sua maior desvantagem Assim a potência consumida pode chegar a 15 da potência efetiva Entretanto não há atraso no tempo de resposta sendo mais favorável em baixas rotações Os principais tipos são 123 o Palhetas demanda óleo para a sua lubrificação interna contaminando o fluxo de ar e sendo queimado pelo motor o Lóbulos roots possui baixo rendimento muitas vezes menores do que 50 e consome muita potência do motor o Lysholm possui alto rendimento até 90 porém é grande e caro sendo utilizado em motores muito grandes não automotivos Fonte Brunetti 2012 Figura 58 Compressores mecânicos deslocamento positivo Turbocompressor o compressor é movido pela turbina a qual é acionada pelos gases de escape do motor Os motores aspirados e sobrealimentados por compressores mecânicos não utilizam a energia contida nos gases de escape sendo desperdiçada O turbocompressor ao utilizar tal energia altera o balanço energético do motor o que propicia um aumento de sua eficiência térmica Dizse que o turbocompressor é termodinamicamente acoplado ao motor e por não estar ligado mecanicamente a ele não consome potência Contudo sua faixa operacional com alta eficiência é mais restrita do que a faixa operacional do motor ou seja ele funciona bem em médias e altas rotações em carga apresentando um atraso no tempo de resposta em baixas rotações pela inércia da turbina turbo lag 124 Fonte Brunetti 2012 Figura 59 Turbocompressor Independentemente do tipo de sobrealimentação adotado praticamente todas as aplicações atuais possuem um trocador de calor visto que a compressão do ar aumenta a sua temperatura conforme apresentado na figura 54 Desta forma o ar é resfriado visando aumentar a sua densidade antes de ser admitido promovendo o aumento da eficiência volumétrica e consequentemente da potência Adicionalmente o ar mais frio ajuda a reduzir a temperatura no cilindro resultando numa redução de consumo de combustível e de emissões 53 Sistema de escape O sistema de escape é responsável por coletar os gases queimados da combustão tratálos devido as regulamentações emissões e conduzilos ao meio ambiente Antigamente basicamente era composto pelo coletor de escape no entanto desde que as regulamentações têm se tornado mais restritivas passou a compor um sistema com diversos componentes Além da sua função principal o sistema de escape possui outras funções importantes como Reduzir o ruído gerado pelo motor Provocar a mínima perda de potência do motor Satisfazer requisitos técnicos da aplicação como nível de vibração durabilidade Apresentar geometria externa compacta Possuir baixo custo 125 Entretanto de modo a cumprir suas funções e ainda ser um sistema eficiente existem algumas características construtivas e efeitos que devem ser tratados como segue Contrapressão de escape no desempenho do motor os gases queimados começam a sair da câmara de combustão ao abrir das válvulas de escape 80 do volume e na sequência são expulsos pelo pistão 20 No entanto o percurso destes gases até a ponteira do escape impõe uma contrapressão a eles impactando a eficiência e a potência do motor uma vez que expulsar os gases demanda trabalho adicional do motor compressão Ademais quanto mais difícil for expulsar os gases maior será a fração de gases residuais no cilindro diminuindo assim a eficiência volumétrica do motor O efeito dinâmico dos gases no coletor de escape e estratégias de cruzamento de válvulas quando há a abertura das válvulas de admissão antes do total fechamento das válvulas de escape também impactam a contrapressão total do sistema Portanto o sistema de escape deve ser projetado para apresentar a menor contrapressão possível impondo restrições mínimas ao escoamento dos gases aplicando curvas suaves contornos arredondados e menores restrições sempre que possível Comportamento dinâmico dos gases no coletor o escape de vários cilindros num mesmo coletor de escape pode causar interferência dos gases onde o próximo fluxo de escape chega ao coletor antes que o fluxo anterior tenha completamente sido descarregado no sistema principalmente em momentos críticos como no cruzamento de válvulas onde o volume de gases ao escape é maior pela lavagem adicional realizada pelo ar de admissão aumentando a contrapressão no coletor Logo idealmente os dutos do coletor devem ser separados para cada cilindro em função da ordem de ignição depois reagrupados parcial e totalmente ou apenas totalmente em um único tubo a alguma distância do cabeçote para permitir que os gases tenham liberdade para escoar sem encontrar um fluxo anterior à frente 126 Sintonia dos tubos de escape para efeitos dinâmicos o tubo de escape de um cilindro se comporta como um tudo de órgão fechado numa extremidade Assim o trabalho de sintonia dos tubos de escape pode gerar um aumento de potência de até 30 em motores maiores e sobrealimentados sendo menos importantes em motores aspirados de quatro cilindros mas não negligenciáveis Atenuação de ruído basicamente existem duas fontes de ruído num MCI o ruído da combustão e dos componentes móveis da câmara de combustão fontes primárias e o ruído do escoamento turbulento dos gases de escape fontes secundárias Desta forma do ponto de vista da acústica o sistema de escape é uma sequência de elementos conectados por tubos de modo a atenuar o ruído proveniente do motor Dentre os componentes utilizados para esta atenuação podemos listar as câmaras de expansão no circuito ressonadores tubo de ¼ de comprimento de onda materiais de absorção acústica etc 531 Componentes O sistema de escape é composto por diversos componentes como apresentado a seguir Vale notar que a linha de escape é conhecida por parte quente do coletor de escape ao conversor catalítico e parte fria do conversor catalítico para frente Neste curso iremos estudar somente os componentes da parte quente que são embarcados no motor 127 Fonte adaptado de Audi Media Center 2020 Figura 510 Detalhe da parte quente do escape Coletor de escape é o responsável por coletar os gases queimados na combustão e direcionálos à linha de escape Sonda de oxigênio ou lambda sensor eletrônico que mede a proporção de oxigênio O2 nos gases de escape de modo que a unidade de controle do motor Engine Control Unit ECU possa calcular a estequiometria da mistura queimada e ajustar a combustão Conversor catalítico catalisador se embarcado dispositivo de controle de emissões que transforma os gases tóxicos e poluentes em gases menos tóxicos catalisando uma reação de oxidação e redução Filtro de partículas se embarcado dispositivo de filtragem das partículas de fuligem dos motores Diesel 532 Póstratamento dos gases de escape Parte do trabalho de redução das emissões está diretamente relacionado com a combustão isto é como a combustão será definida desenhadaprojetada e as condições de contorno como desenho da câmara de combustão tipo e localização da vela nos MIFs tipo e localização da alimentação do combustível quantidade de 128 válvulas por cilindro e o controle do motor pela ECU baseado nos sinais dos inúmeros sensores espalhados pelo motor e escape Entretanto mesmo com as tecnologias disponíveis essa redução não atende as regulamentações de emissões cada vez mais restritivas que acabaram por impor a necessidade pelo desenvolvimento de sistemas e dispositivos adicionais para o póstratamento dos gases de escape Dentre estes sistemas e dispositivos os mais importantes são Conversor catalítico catalisador é um dispositivo catalisador dos gases queimados na combustão que tem por objetivo reduzir estes gases tornando os menos tóxicos O catalisador em si é um monólito de cerâmica com estrutura em favo de mel de secção quadrada e não hexagonal que possui metais preciosos platina paládio e ródio impregnados em sua superfície por imersão banho Assim um catalisador de 15 l possui uma área de superfície de aproximadamente 25000 m2 Logo os gases passam por ele e são catalisados numa temperatura em torno de 700C Eles podem ser de o 2 vias aplicado nos MIEs onde a platina e o paládio oxidam o monóxido de carbono CO e os hidrocarbonetos HC não queimados transformandoos em água H2O e dióxido de carbono CO2 o 3 vias aplicado nos MIFs possuem o mesmo processo de 2 vias mais o processo redução dos óxidos de nitrogênio NOx pelo ródio transformandoos em nitrogênio N2 Fonte Brunetti 2012 Figura 511 Catalisador de 3 vias 129 Recirculação dos gases de escape Exhaust Gas Recirculation EGR é um sistema utilizado para reduzir as emissões de NOx na câmara de combustão e a sua concentração depende da temperatura e da riqueza da mistura O CO2 resultante da combustão e presente nos gases de escape é injetado no duto de admissão recirculado de modo a reduzir a temperatura da chama O volume de gás recirculado é limitado em algumas condições de uso do motor pois atrapalha a estabilidade da chama e reduz a qualidade da combustão impactando o consumo de combustível Fonte adaptado de Audi Technology Portal 2021 Figura 512 Sistema de recirculação dos gases de escape Filtro de partículas se embarcado o material particulado fuligem que compõe a fumaça visível no escape é uma das mais significativas emissões dos MIEs Este material particulado é constituído basicamente de carbono formado na combustão que acaba por absorver outros compostos orgânicos dependendo das condições da câmara de combustão O filtro de partículas foi desenvolvido para reduzir a emissão destes particulados e é constituído por um substrato de cerâmica porosa que retém o particulado dos gases de escape A sua limpeza é feita por oxidação do particulado acumulado com o próprio funcionamento do motor quando a contrapressão do sistema aumenta Estes filtros são capazes de reduzir a emissão dos particulados em até 70 130 Fonte adaptado de Audi Media Center 2020 Figura 513 Trajetória das partículas num filtro de partículas Redução catalítica seletiva Selective Catalytic Reduction SCR se embarcado os MIEs emitem uma quantidade maior de NOx que os MIFs devido ao seu princípio de combustão com excesso de ar mistura pobre Ele não pode ser reduzido nos catalisadores convencionais de 3 vias dos MIFs devido justamente à sua grande quantidade Assim habitualmente temse um catalisador 2 vias um injetor de uma solução aquosa de ureia a 32 chamada no Brasil de ARLA 32 e um segundo catalisador SCR onde haverá a redução do NOx com a ureia transformandoo em N2 além do CO2 e H2O dos demais gases A figura a seguir apresenta um exemplo de uma aplicação mais recente que utiliza dois injetores de ureia um antes do filtro de partícula e outro antes do catalisador SCR Fonte adaptado de Heiduk 2016 Figura 514 Redução catalítica seletiva embarcada no motor 131 Conclusão Estudamos neste bloco a respiração do motor ou seja a admissão do ar e o escape dos gases queimados Foram apresentados os principais componentes que constituem o sistema de admissão de ar bem como as suas características e os seus efeitos na eficiência volumétrica do motor Vimos também os diferentes tipos de sobrealimentação suas vantagens e desvantagens e os efeitos de tal sistema nas eficiências volumétrica e térmica do motor Por último foram apresentados os componentes que constituem o sistema de escape além do póstratamento dos gases de escape REFERÊNCIAS AUDI ROADJET CONCEPT V6 FSI Engine with Audi Valvelift System Audi Media Center 2006 Disponível em httpswwwaudimediacentercomenphotosdetailaudi roadjetconceptv6fsienginewithaudivalveliftsystem15355 Acesso em 27 abr 2021 AUDI SQ5 SPORTBACK TDI Audi Media Center 2020 Disponível em httpswwwaudimediacentercomenphotosdetailaudisq5sportbacktdi97404 Acesso em 27 abr 2021 BRUNETTI F Motores de Combustão Interna Volume II São Paulo Blucher 1 jan 2012 CHARGEAIR COOLER Audi Technology Portal 2021 Disponível em httpswwwauditechnologyportaldeendrivetrainengineefficiency technologieschargeaircooler Acesso em 27 abr 2021 EFFICIENT AND CLEAN Exhaust Aftertreatment for Gasoline and Diesel Engines Audi Media Center 2020 Disponível em httpswwwaudimediacentercomenpress releasesefficientandcleanexhaustaftertreatmentforgasolineanddieselengines 13346 Acesso em 23 abr 2021 132 EXHAUST GAS RECIRCULATION Audi Technology Portal 2021 Disponível em httpswwwauditechnologyportaldeendrivetrainengineefficiency technologiesexhaustgasrecirculation Acesso em 23 abr 2021 HEIDUK T et al The New V8 TDI Engine from Audi Part 2 Calibration and Exhaust Gas Cleaning System MTZ worldwide Alemanha 77 78 4045 jun 2016 KARLE T et al Air Intake System for V6 Engines ATZextra worldwide Alemanha 15 11 5661 set 2010 POWERFUL AND EFFICIENT Skoda Storyboard 2017 Disponível em httpswwwskodastoryboardcomeninnovationandtechnologypowerfuland efficient Acesso em 2 abr 2021 133 6 PROPRIEDADES E CURVAS CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES TENDÊNCIAS E TECNOLOGIAS FUTURAS Apresentação Iremos estudar neste último bloco as propriedades gerais dos MCIs de modo a compreender o torque e como ele é medido as potências e as relações entre elas além das curvas características de potência e torque pressão média efetiva e consumo específico Ao final do bloco iremos ver as tendências de mercado e as tecnologias futuras dos motores de combustão interna de maneira a entender se eles estão mesmo à beira da extinção como muitos pregam 61 Propriedades do motor Os MCIs possuem características de projeto e de funcionamento que os definem e os especificam Como estudado no bloco 1 eles possuem uma certa arquitetura mecânica têm uma determinada cilindrada podem atingir uma dada velocidade máxima e geram um certo valor de potência Estes parâmetros e outros mais são importantes e específicos dos mais diferentes motores Em linhas gerais os fatores importantes para o usuário são Performance do motor Custo geral e facilidade de instalação Consumo de combustível Emissões ruído e vibrações Confiabilidade durabilidade e manutenção Estes fatores irão determinar a escolha de um dado motor dentre outros geralmente em função do custo total de operação Total Cost of Ownership TCO e da performance A especificação de um MCI é normalmente dada pelos seus valores de potência e torque e mais recentemente de sua eficiência energética conforme a etiqueta fixa nos veículos novos oriunda do Programa Brasileiro de Etiquetagem Veicular PBEV do Inmetro Neste bloco iremos focar no torque potência e consumo de combustível características mais pertinentes ao nosso estudo 134 611 Momento de força conjugado ou torque T O sistema pistãobielamanivela apresentado na figura abaixo forma o mecanismo responsável pela implantação de um momento torçor no virabrequim composta por Fr e pela força normal A força resultante no pistão F composta pela normal Fn e pela força Fr é transmitida à biela e por sua vez à manivela originando a força tangencial Ftan e por consequência a um momento instantâneo no virabrequim Fonte Brunetti 2012 Figura 61 Sistema pistãobielamanivela A força de pressão F sujeitase à posição angular da manivela e consequentemente a Ftan é variável Assim embora o braço r seja fixo o momento no virabrequim varia com o ângulo α calculado a partir da posição na qual a biela está alinhada à manivela estabelecendo o menor volume entre o topo do pistão e a câmara de combustão do cabeçote constituindo o ponto morto superior PMS do mecanismo bielamanivela O torque T é um momento torçor médio positivo obtido com o funcionamento do motor Desconsiderando outros efeitos a força F aplicada sobre o pistão é resultado da pressão p causada pela combustão e varia em função da rotação e da massa da mistura disponibilizada para a combustão carga Desta forma o torque varia em função da rotação e da carga 135 Caso para uma determinada posição do acelerador o motor rende certo torque desconsiderandose os atritos e não havendo resistência imposta ao movimento do virabrequim a rotação n do virabrequim ou a velocidade angular ω 2πn tenderia a aumentar indeterminadamente Para medir o torque a uma determinada rotação fazse necessário impor ao virabrequim um momento resistente externo com o mesmo valor que o momento gerado pelo motor Do contrário haverá variação da rotação diminuindo ou aumentando ao passo que o momento torçor resistente posto se torna maior ou menor que o gerado pelo motor momento torçor motor Esse efeito pode ser conseguido com a utilização de um freio comumente chamado de freio dinamométrico ou dinamômetro a ser explicado no item 622 a seguir 612 Potência efetiva Ne É a potência medida no virabrequim podendo ser expressa em cavalosvapor ou em quilowatts 1cv 0735 kW e 1hp 1014 cv Ne Tω T2πn Fonte Brunetti 2012 Figura 62 Potência efetiva 613 Potência indicada Ni É a potência desenvolvida através do ciclo termodinâmico do FA podendo ser medida com um indicador de pressões que possibilite traçar o ciclo do FA 136 Fonte Brunetti 2012 Figura 63 Representação de um ciclo de um MCI num diagrama pV A partir da termodinâmica é sabido que as áreas no diagrama pV são correspondentes ao trabalho Assim a área no ciclo da figura anterior corresponde ao trabalho do ciclo ou indicado Visto que a potência é o trabalho por unidade de tempo dado um trabalho a potência pode ser calculada através da multiplicação do trabalho pela frequência com que é realizado Ni Wi n x z Onde n rotação do motor do qual o ciclo é indicado x 1 ou 2 a depender do tempo do motor 2T ou 4T z número de cilindros do motor 614 Relações entre as potências Sendo o motor uma máquina térmica o calor proveniente da combustão gera a potência 137 Fonte Brunetti 2012 Figura 64 Relação entre o calor fornecido ao FA e as potências determinadas para o motor Q mc pci Sendo Q calor fornecido pela combustão por unidade de tempo fluxo de calor mc consumo de combustível fluxo ou vazão em massa pci poder calorífico inferior do combustível Tabela 61 pci de diversos combustíveis disponíveis no mercado e seus TAIs Fonte Brunetti 2012 Analisando a figura acima podese concluir que nem todo o calor gerado é transformado em trabalho parte é cedida a uma fonte fria parte pode não ser convertida já que a combustão não é completa Ni Ne Na 138 O método mais simples para se obter a potência de atrito Na é através do conhecimento de Ni e Ne Assim temos Eficiência térmica rendimento térmico indicado ηt Ni Q Eficiência global eficiência térmica efetiva ηg Ne Q Eficiência mecânica ηm Ne Ni Desta forma concluímos que ηg ηtηm Para os MIFs optase pelo controle do ma consumo de ar mantido F aproximadamente constante uma vez que nesses motores a mistura deve manter determinada qualidade de modo que a propagação da chama na câmara de combustão seja possível a partir da faísca Logo a admissão dos MIFs é dotada da borboleta que controla a vazão do ar e de maneira indireta a potência no virabrequim e o sistema de injeção que a cada variação do consumo de ar gerada pela borboleta varia o mc consumo de combustível com o objetivo de manter F ma mc constante Já nos MIEs não há problema de propagação de chama uma vez que a combustão por autoignição é realizada igualmente em qualquer ponto da câmara de combustão Assim mantendo a rotação constante mantémse o consumo de ar constante e a potência pode variar pela variação de F ao dosar mais ou menos combustível através da bomba injetora Dessa maneira podese observar que a potência do motor varia com a rotação ou com a variação do acelerador que nos MIFs aciona a borboleta e nos MIEs aciona o volume injetado débito pela bomba injetora Considerase que o motor está à plena carga quando o seu acelerador está totalmente acionado rendendo a máxima potência que se pode render a uma determinada rotação desde que F seja compatível Posições intermediárias do acelerador são chamadas de cargas parciais para uma dada rotação Logo no banco de teste item 622 podese efetuar dois tipos de testes básicos 139 Medição da variação das propriedades de um motor mantendo a carga e variando a rotação Medição da variação das propriedades de um motor mantendo a rotação e variando a carga 615 Consumo específico de combustível Ce É a relação do consumo de combustível com a potência efetiva Ce mc Ne Como visto anteriormente a potência efetiva é mensurada em um banco de teste dinamômetro enquanto o consumo de combustível é mensurado de maneiras diferentes seja de maneira gravimétrica ou volumétrica Medição gravimétrica medese o tempo necessário para consumir uma massa conhecida de combustível sendo a medição mássica mais propícia ao considerar a variação da massa específica decorrente da variação da temperatura mc mc t Fonte Brunetti 2012 Figura 65 Medição gravimétrica do consumo de combustível 140 Medição volumétrica frasco calibrado a medição é realizada com um frasco de volume calibrado e uma válvula de três vias permite o preenchimento do frasco para posteriormente alimentar o motor a partir dele O tempo de consumo do combustível contido no frasco é então registrado vc Vc t Fonte Brunetti 2012 Figura 66 Medição gravimétrica do consumo de combustível Esta medição é realizada de maneira automática nos bancos de teste considerando o consumo médio verificado em um intervalo de tempo Contudo as regulamentações de emissões acabaram por tornar necessária a medição instantânea do consumo que é realizada por um software permitindo a conversão para massa através da medição instantânea da temperatura do fluido aliada a mapas de massa específica 616 Relações envolvendo pressão média A pressão média do ciclo ou indicada é a pressão aplicada constantemente no topo do pistão durante o ciclo de expansão produzindo o mesmo trabalho do ciclo pmi Wi V 141 A pressão média indicada caracteriza o trabalho por unidade de cilindrada Dessa forma motores de pequena cilindrada produzem uma pequena quantidade de trabalho enquanto os motores de grande cilindrada produzem uma grande quantidade Logo motores com desempenho similares devem ter pressões médias semelhantes dentro de uma pequena variação A pmi é uma média das pressões dos gases ao longo do ciclo portanto se o pmi for alto isso significa que o motor em questão possui maiores esforços e cargas Fonte Brunetti 2012 Figura 67 Pressão média do ciclo ou indicada Nos motores naturalmente aspirados a pmi em potência máxima gira em torno de 10 bar Logo um motor que apresente valores abaixo deste nível poderia alcançar um desempenho melhor No caso contrário valores superiores representam uma carga excessiva que poderá reduzir a durabilidade do motor Vimos anteriormente que Ni Wi n x z Logo pmi xNi Vn 142 Assim teremos Pressão média efetiva pme xNe Vn Pressão média de atrito pma xNa Vn Pressão média calorífica pmq x𝑄 Vn E finalmente pmi pme pma ηm pme pmi ηt pmi pmq 62 Curvas características dos motores As propriedades dos motores variam em função das suas condições de funcionamento Assim de modo a visualizar tais variações curvas características são geradas a partir dos testes de bancada As curvas mais usuais são as de plena carga de potência efetiva Ne torque T e consumo específico de combustível Ce em função da rotação Fonte Brunetti 2012 Figura 68 Curvas características de um motor 143 Podemos notar que os pontos característicos apontados nas curvas não coincidem Assim por exemplo o torque aumenta em função do aumento do produto ηv ηt ηm Tal produto indica a eficiência de enchimento do cilindro e a utilização do calor fornecido ao ciclo assim como o aproveitamento destes efeitos no virabrequim Na rotação de atingimento do máximo produto temse o máximo torque no virabrequim e a máxima pressão média efetiva A partir deste ponto o trabalho indicado diminui mas o aumento da rotação do motor compensa esta diminuição de tal modo que a potência continua a crescer A partir de uma determinada rotação o seu aumento não compensa mais a diminuição do trabalho indicado e portanto a potência cai Já o consumo específico será mínimo quando ηt ηm ηg for máximo A forma da curva de torque para um valor máximo em uma rotação intermediária é desejável visto que o aumento do momento resistente no virabrequim a partir de uma alta rotação promove a redução da rotação do motor aumentando o torque automaticamente por consequência possibilitando com isso um novo equilíbrio O motor é estável na faixa de rotação entre o torque máximo e a máxima rotação se autorregulando a pequenas variações do torque resistente Este efeito de autorregulagem é chamado de Índice de Elasticidade IE IE Tmax TNemax nNEmax nTmax Onde Tmax torque máximo TNEmax torque no ponto de potência máxima nNEmax rotação de potência máxima nTmax rotação de torque máximo A figura a seguir é o gráfico de mapeamento do motor onde diversas variáveis dele são agrupadas em um mesmo gráfico como a variação do consumo específico a carga e a rotação 144 Fonte Brunetti 2012 Figura 69 Mapeamento de um MIF de quatro cilindros a 4T e 1900 cm3 621 Redução da potência do motor a condições atmosféricas padrão A performance de um motor varia em função da pressão da temperatura e da umidade do ar Desta forma um mesmo motor testado em locais ou dias distintos irá apresentar resultados diferentes dependendo das condições naquele momento Assim de modo a haver uma padronização e eliminar os efeitos do ambiente tornase necessário corrigir a potência observada do motor Portanto foram criadas normas para a redução da potência a condições atmosféricas padrão Não iremos detalhar o procedimento para a redução da potência a valores equivalentes a condições atmosféricas padrão Em resumo as condições atmosféricas de referência praticadas são ta 25C temperatura ambiente de referência pas 99 kPa pressão atmosférica do ar seco de referência pv 1 kPa pressão do vapor de água da umidade do ar de referência patm pas pv 99 1 100 kPA pressão atmosférica ou barométrica de referência Aplicação da redução só é valida quando o teste do motor é realizado nas seguintes condições 145 tadm temperatura de admissão do motor 10C tadm 40C padm pressão de admissão 80 kPa padm 110 kPa medida junto ao filtro de ar 622 Bancos de teste Os motores podem ser testados em dinamômetros de motores ou em dinamômetros de rolo chassi destinado ao teste de veículos Existem diversos tipos de dinamômetros disponíveis no mercado 1 Dinamômetros de motores os dinamômetros de motores são utilizados na fase de projeto de validação dos componentes e do motor conjunto na certificação e na homologação permitindo também gerar as curvas características do motor potência torque e consumo específico Podem ser a Dinamômetro hidráulico b Dinamômetros elétricos de correntes parasitas ou correntes de Foucault e de correntes alternadas mistos Tabela 62 Principais características de cada tipo de dinamômetro de motor Fonte adaptado de Brunetti 2012 146 Fonte Brunetti 2012 Figura 610 Principais sistemas de um dinamômetro de motores 2 Dinamômetros de rolo chassi estes dinamômetros são menos utilizados no desenvolvimento dos motores porém eles permitem medir a eficiência dos demais sistemas do trem de forças e do veículo além de permitir a análise das emissões dos veículos de acordo com os ciclos regulatórios vigentes Fonte Brunetti 2012 Figura 611 Dinamômetro de chassi 147 63 Tendências e tecnologias futuras As constantes demandas e regulamentações para a redução das emissões dos MCIs e consequentemente do consumo de combustível sem prejuízo às atribuições correntes dos motores como performance segurança durabilidade confiabilidade e manutenção têm criado o ambiente perfeito para o desenvolvimento de novas tecnologias híbridas com o objetivo de melhorar ainda mais a eficiência e a prestação dos MCIs Estas tecnologias híbridas se baseiam na eletrificação de componentes sistemas ou do próprio trem de força Geralmente os veículos híbridos possuem duas fontes de energia um motor de combustão interna convencional e um motor elétrico ME como fonte alternativa permitindo assim aumentar a potência do veículo potência total combinada reduzir o consumo de combustível e as emissões No entanto não é a adoção de um ME que define o veículo como híbrido na verdade essa definição é dada quando a energia para a propulsão do veículo é proveniente de dois ou mais tipos de fontes Iremos nos ater neste curso aos trens de força formados por um MCI e um ME 631 Eletrificação Os veículos híbridos podem ser acionados de três maneiras distintas Em série o MCI funciona como um gerador motorgerador gerando energia para o ME e para a bateria Como ele não é responsável pela tração do veículo o motor é gerenciado de maneira eficiente atendendo às regulamentações independentemente da condição de dirigibilidade do veículo Este acoplamento faz uso de dois MEs e um MCI onde um ME funciona como gerador enquanto o outro como motor Assim o MCI funciona em modo estacionário na zona de melhor eficiência térmica e por não haver acoplamento entre o MCI e o ME há a possibilidade de instalação do ME separado do MCI Contudo ocorrem muitas conversões de energia impondo perdas de rendimento 148 Fonte Brunetti 2012 Figura 612 Acoplamento em série Em paralelo os MCI e os ME podem tracionar o veículo sendo o MCI acoplado diretamente às rodas e o ME em paralelo ao outro podendo acrescentar torque ao movimento O MCI pode ainda utilizar o ME como gerador de modo que ele por sua vez possa carregar a bateria não se fazendo necessário o uso de um gerador como no caso do acoplamento simples Fonte Brunetti 2012 Figura 613 Acoplamento em paralelo 149 Combinado sérieparalelo sistema duplo ou powersplit este sistema incorpora os componentes dos acoplamentos em série e em paralelo ou seja um motor e um gerador A potência do MCI é dividida entre o acoplamento em série do MCI ao gerador e o acoplamento em paralelo do MCI às rodas O Toyota Prius é o exemplo mais conhecido Fonte Brunetti 2012 Figura 614 Acoplamento combinado Existem diversos sistemas diferentes para a propulsão alternativa como segue Híbrido completo Full Hybrid Electric Vehicle FHEV o veículo pode funcionar apenas com o MCI com o ME ou com uma combinação dos dois O Toyota Prius é o exemplo mais conhecido a utilizar este sistema Não é possível carregar um veículo híbrido completo sua bateria é recarregada apenas pelo funcionamento do motor Tratase do sistema híbrido mais eficiente podendo trabalhar em série em paralelo ou apenas em modo elétrico em velocidades reduzidas trânsito nos centros urbanos podendo trabalhar também como um extensor de autonomia range extender quando o MCI funciona como um gerador elétrico e a tração do veículo é elétrica Assim sendo é o sistema mais caro maior investimento inicial Híbrido moderado mild hybrid possui um MCI e um ME que sempre trabalham juntos Um exemplo da utilização deste sistema é o Honda Accord Hybrid Os híbridos moderados não podem funcionar apenas no modo elétrico ou apenas no modo de combustão interna seus motores funcionam sempre em paralelo 150 Híbrido plugin Plugin Hybrid Electric Vehicle PHEV assim como o nome sugere requer uma conexão à rede elétrica para recarregar totalmente a bateria Os PHEVs podem funcionar apenas no modo elétrico porém o seu MCI não é suficiente para carregar completamente a sua bateria Possui o mesmo sistema de um FHEV mas com baterias maiores que podem ser carregadas na tomada permitindo uma autonomia maior do que um FHEV Micro híbrido são veículos que possuem sistemas e componentes elétricos automatizados que os ajudam a melhorar a eficiência e reduzir o consumo como stopstart um sistema que desliga o motor numa parada do veículo e volta a partir quando o motorista pisa na embreagem ou tira o pé do freio reduzindo o consumo de combustível a cada parada freios regenerativos que transformam a energia cinética da frenagem em energia elétrica armazenada na bateria gerenciamento do MCI quando acoplado a um ME fazendoo funcionar somente quando necessário e para gerar energia motorgerador trabalhando como um range extender adoção do ciclo Atkinson que é um ciclo de potência reduzida e de maior eficiência do MCI com potência complementada por um ME e aplicação de uma caixa de velocidades CVT câmbio continuamente variável do inglês Continuously Variable Transmission que privilegia a utilização do MCI na zona de menor consumo específico de combustível Veículo elétrico com célula de combustível Fuel Cell Electric Vehicles FCEV a célula de combustível utiliza o hidrogênio líquido pressurizado que ao ser combinado ao ar gera eletricidade para o ME Diferentemente dos demais sistemas o FCEV não necessita de grandes e pesadas baterias para funcionar Assim como um veículo convencional o seu combustível é transportado em um tanque podendo ser abastecido em poucos minutos em um posto de combustível tradicional desde que este possua a infraestrutura necessária para o abastecimento do hidrogênio líquido que é obtido por meio da eletrólise processo que utiliza a eletricidade e a água Da mesma maneira que outros veículos elétricos o FCEV não emite gases poluentes pelo contrário emite apenas vapor de água em pequena quantidade 151 Fonte adaptado de Naunheimer et al 2014 Figura 615 Veículo elétrico com célula de combustível Fonte adaptado de Naunheimer et al 2014 Figura 616 Esquema do processo de uma célula de combustível de hidrogêniooxigênio A eletrificação não se trata somente da aplicação de um ME junto ao MCI mas também pode ser incorporada aos MCIs de maneira orgânica Sistemas e componentes elétricos vêm sendo aplicados com maior regularidade aos MCIs de modo a tornálos mais eficientes seja por permitir um controle mais efetivo a uma determinada função apenas quando demandada seja pela abolição do acionamento mecânico que impõe perda de potência ao motor Atualmente podemos encontrar os seguintes componentessistemas elétricos nos MCIs polias variadoras de tempo do eixo comando válvula do waste gate do turbo o próprio turbo redução do turbo lag aquecedor do conversor catalítico bomba de água e de óleo 152 632 Tendências tecnológicas Vimos anteriormente que existem ciclos de combustão que apresentam maior eficiência como o de Sabathé o ciclo Miller o ciclo Atkinson e o HCCICAI Alguns deles começam a ser utilizados com maior frequência enquanto outros como o HCCICAI ainda carecem de evolução antes de serem aplicados em larga escala Esses ciclos irão ajudar a estender a utilização dos MCIs por mais algum tempo além de outros sistemas de injeção e ignição como o de ignição de jato turbulento Turbulent Jet Ignition TJI e a adição de componentes elétricos nos motores Outra tendência global é a utilização de biocombustíveis nos motores à gasolina a diesel e a gás natural Além de serem corretos do ponto de vista ambiental a possibilidade de uma economia sustentável é muito apreciada atualmente principalmente ser for de origem local ajudando a reduzir a dependência da importação de insumos Um exemplo é o etanol de canadeaçúcar assim como o biodiesel de óleos vegetais sendo renováveis biodegradáveis e não tóxicos Estas aplicações ainda deverão ser longevas principalmente em países em desenvolvimento como o Brasil especialmente por produzir e distribuir estes biocombustíveis em larga escala sem custos adicionais de utilização Os veículos híbridos sofrem a concorrência de tecnologias competitivas apesar de toda a tecnologia aplicada As células de combustível estão cada vez mais competitivas e começam a se tornar realidade embora ainda estejam longe de serem aplicadas em grande escala Acreditase que a sua aplicação em veículos só será viável em uma década independente dos esforços dispêndios ou tempo disponibilizados Ainda são veículos mais caros cujo transporte e armazenamento do hidrogênio são complexos além da periculosidade envolvida Porém uma alternativa mais simples e eficiente é utilizar o etanol líquido para gerar hidrogênio Novamente poderemos usar esse combustível verde de forma prática eliminando os problemas de transporte e armazenamento do hidrogênio já que ele passaria a ser retirado do etanol nas células de combustível do veículo 153 Ao menos no caso do Brasil os MCIs deverão possuir vida longa e eficiente baseados no ciclo de carbono negativo do etanol ou seja que retira o carbono da atmosfera desde a sua plantação até o seu processamento e distribuição aos postos de combustível poucos países do mundo possuem tal oportunidade sustentável e eficiente como o Brasil e devemos aproveitála plenamente A figura a seguir apresenta a relação entre a energia disponível por massa de diversos combustíveis Notase que a energia disponível do etanol por quilograma é superior do que a do hidrogênio líquido sendo mais um fator a favor da utilização do etanol nos veículos com célula de combustível Adicionalmente a infraestrutura já está disponível em todo o país e o combustível pode ser uma mistura de etanol com água na proporção 5545 Fonte adaptado de Naunheimer et al 2014 Figura 617 Energia disponível a partir de vários combustíveis 154 Conclusão Vimos neste bloco as propriedades gerais dos MCIs e pudemos compreender as curvas características do motor Elas são importantes pois definem um motor Compreendemos como estas curvas são geradas além de conhecer os diversos tipos de dinamômetros disponíveis sendo cada um indicado para um tipo de verificação ou aplicação diferente As tendências de mercado foram apresentadas bem como vimos a importância da eletrificação do trem de força dos veículos mais recentes tendência que veio para ficar abocanhando um pedaço do que antes era uma hegemonia dos MCIs As tecnologias futuras darão aos MCIs uma sobrevida longeva seja através do desenvolvimento e a aplicação de novos ciclos de combustão mais eficientes seja a aplicação da célula de combustível além de é claro uma maior aplicação dos biocombustíveis REFERÊNCIAS BRUNETTI F Motores de Combustão Interna Volume I São Paulo Blucher 1 jan 2012 MARTINS J Motores de Combustão Interna 5ª edição Portugal Engebook 1 jan 2016 NAUNHEIMER H et al Automotive Transmissions Fundamentals Selection Design and Application 2ª edição Alemanha Springer 11 out 2014