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TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO TÉCNICO EM
MANUTENÇÃO AUTOMOTIVA
“E – CHARGER”
Allan Poletti de Sousa
Cleberson Michelini Vezzaro
Diego Juan Bérgamo
Eric Yoshisada Higa
João Vitor Bergamin de Souza
Renato Matheus Marcelino
Renildo de Freitas Rabelo
Orientadores:
Prof. Milton Alexandre Rhein Merízio
Prof. Nubas Custódio
São Caetano do Sul / SP
2013
Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza
GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO
ETEC “JORGE STREET”
2
“E – CHARGER”
Trabalho de Conclusão do Curso
apresentado como pré-requisito para
obtenção do Diploma Técnico em
Manutenção Automotiva.
São Caetano do Sul / SP
2013
3
Dedicamos este trabalho a todos que,
com amor e carinho, produzem, transformam, reconstroem
ou simplesmente realizam e ensinam a arte da
manutenção de veículos automotivos.
4
Agradecimentos
Aos nossos mestres, que se dedicaram (e nos aturaram!) para nos ensinar,
com grande sabedoria e conhecimento, esta difícil e árdua arte da manutenção
automotiva, e outras tantas coisas que devemos conhecer para vencermos na vida.
Aos nossos familiares, pela compreensão (ou não) dos nossos objetivos
pessoais e por nos esperar todos os dias de braços abertos, para nos acolher com
todo amor e carinho.
Aos amigos e colegas de escola, pela troca de ideias e experiências que
muito também contribuíram para crescermos como seres humanos.
Especial aos membros dos outros grupos de trabalho de conclusão de curso,
que muito nos ajudaram para o projeto se tornar realidade.
A todos, que de alguma forma contribuíram para a realização deste projeto.
5
Resumo
A superalimentação de um motor de combustão interna sempre teve por
objetivo os ganhos de potência e de torque, assim melhorando o seu rendimento
global, proporcionando maior desempenho a um veículo automotor ou algum
sistema no qual este pode ser utilizado (grupos geradores, navios e veículos
marítimos em geral, locomotivas, caminhões e utilitários, máquinas agrícolas, etc.).
Com o sistema de acionamento elétrico do compressor, eliminamos dois principais
inconvenientes dos sistemas convencionais existentes no mercado: baixo
desempenho em baixas rotações e perda de rendimento global do motor, produzindo
maior potência e torque, e direcionando toda a energia mecânica do motor somente
para o seu fim principal: produzir movimento. Adotando um sistema elétrico para
girar um compressor (ou blower), acreditamos na aplicação em escala industrial
deste sistema, não somente para superalimentar um motor, mas também para
movimentação de bombas hidráulicas (para direção) e compressores de ar
condicionado, assim direcionando o máximo possível da potência produzida pelo
motor para movimentar veículos, grupos geradores e demais equipamentos. Além
disto, pode ser facilmente empregado em veículos que já possuam eletrônica
embarcada, além de proporcionar a veículos de baixa cilindrada um desempenho
muito aquém do convencional.
Palavras – chave: e – charger, superalimentação, blower.
6
Lista de Figuras
Figura 1 – Compressor “Roots” .................................................................................13
Figura 2 – Primeiro Motor Ciclo Otto..........................................................................13
Figura 3 - Desenho Esquemático do Motor 2 Tempos de Clerk................................14
Figura 4 – Primeiro Automóvel a Utilizar Blower........................................................14
Figura 5 – Compressor Centrífugo.............................................................................15
Figura 6 - Turbocompressor.......................................................................................15
Figura 7 - Compressor “Lysholm”..............................................................................16
Figura 8 – Rotores do Compressor “Lysholm”...........................................................16
Figura 9 – Ilustração Esquemática de um Motor Dois Tempos Diesel.......................17
Figura 10 – Funcionamento de um Turbocompressor...............................................18
Figura 11 - Turbocompressor BorgWarner K-16........................................................18
Figura 12 - Esquema de Funcionamento do Blower..................................................19
Figura 13 - Esquema de Funcionamento do Compressor “Roots” de Dois Lóbulos..20
Figura 14 - Compressor “Roots” (Ilustração de Funcionamento)...............................20
Figura 15 - E- Charger................................................................................................21
Figura 16 - Motor FIASA 1300 C................................................................................23
Figura 17 - Componentes e Carburador (Solex H32 DIS)..........................................24
Figura 18 - Sistema de Ignição Convencional............................................................25
Figura 19 - Distribuidor do Motor FIASA 1300 C.......................................................26
Figura 20 - Ajustes do Motor......................................................................................28
Figura 21 – Dispositivo de Acionamento do ERMC...................................................28
Figura 22 - Ilustração do Eixo do Blower....................................................................37
7
Sumário
Introdução.................................................................................................................11
1 – Breve Histórico sobre Superalimentação de Motores....................................13
2 – Aplicação de Compressores em Motores de Combustão Interna.................17
2.1 – Aplicações de Compressores em Motores de Quatro e de Dois Tempos
2.2 – Turbo Alimentador
2.2.1 – Funcionamento Básico
2.2.2 – Principais Vantagens
2.2.3 – Principais Desvantagens do Turbo Alimentado
2.3 – Compressor de Lóbulos ou “Blower”
2.3.1 – Funcionamento Básico
2.3.2 – Vantagens do Blower
2.3.3 – Desvantagens do Blower
2.4 – O “E – Charger
2.4.1 – Funcionamento Básico
2.3.2 – Vantagens do E- Charger
2.3.3 – Desvantagens do E- Charger
3 – Desenvolvimento do Trabalho..........................................................................22
3.1 – Cavalete do Motor
3.1.1 – Material
3.1.2 – Ferramental
3.1.3 – Etapas de Construção
3.2 – Manutenção do Motor
3.2.1 – Motor FIASA 1050 C
3.2.2 – Condições Iniciais
3.2.3 – Etapas de Manutenção
3.3 – Manutenção do Carburador
3.3.1 – Carburador
3.3.2 – Etapas de Manutenção
3.4 – Manutenção do Distribuidor
3.4.1 – Distribuidor
3.4.2 – Etapas de Manutenção
8
3.5 – Testes do Motor FIASA 1300 C
3.5.1 – O Motor Após a Revisão dos Componentes
3.5.2 – Aquisição e Instalação de Outros Componentes
3.5.3 - Considerações sobre o Funcionamento do Motor
3.6 – Controle da Rotação do Motor Elétrico:
3.6.1 – Controlador Eletrônico de Rotação do Motor Elétrico (ERMC –
Electronic Rotation Motor Controller)
3.6.2 – Etapas da Adaptação do ERMC
4 – Cálculos...............................................................................................................30
4.1 – Cálculos do Ganho de Potência
4.1.1 – Grandezas para Cálculos
4.1.2 – Potência Final do Motor com o Compressor
4.1.3 – Temperatura Real do Ar Comprimido
4.1.4 – Relação de Densidade
4.1.5 – Fator de Compressão
4.1.6 – Eficiência Volumétrica
4.2 – Cálculo de Usinagem do Eixo de Acoplamento
Conclusão.................................................................................................................38
Referências Bibliográficas......................................................................................40
Anexos.......................................................................................................................41
ANEXO 1: Cronograma de Atividades
ANEXO 2: Custos do Projeto
ANEXO 3: Desenhos de Componentes
10
“Quem acredita sempre alcança.”
(Renato Russo)
11
Introdução
O objetivo do projeto “E – Charger” é o uso de um método diferente do
convencional para superalimentar de ar atmosférico um motor de baixa cilindrada,
utilizando um compressor de lóbulos (blower) montado em um motor elétrico, o qual
terá a sua rotação controlada por um resistor variável acoplado ao eixo de borboleta
do carburador, assim obtendo acréscimo de potência e torque ao motor.
Apesar de já existirem projetos deste tipo, o E – Charger difere e inova por
utilizar um compressor de lóbulos (ou, simplesmente, “blower”, “soprador” em
inglês), e acreditamos na ampla utilização deste, seja em escala industrial para
equipar veículos automotores de baixa cilindrada, seja na adaptação e
transformação de carros para fins diversos (competição, tunning, etc.). Com a
eletrônica cada vez mais inserida nos automóveis de hoje, é muito fácil a adaptação
deste sistema acoplado diretamente ao resistor variável dos corpos de potência
(TBI). Além disto, o conceito de se movimentar um blower com motor elétrico abre
um leque de possibilidades para se aplicar este mesmo conceito em compressores
de ar condicionado e bombas de direção hidráulica de automóveis e caminhões,
assim minimizando a perda do rendimento global, assim gerando menor consumo de
combustível do motor.
O grupo teve outras opções de projeto, como um “Sistema de Arrefecimento
de Freios”, um “Alarme de Anomalia de Fusíveis”, um “Sistema de Amortecimento de
Choques” e até um “Sistema de Acessibilidade para Deficientes Físicos”. Mas,
optamos pelo “E – Charger” pelo fato deste ser um projeto o qual abrange tudo o
que aprendemos no curso técnico em Manutenção Automotiva, pois aqui temos de
colocar um motor em pleno funcionamento novamente, e equipá-lo com um
compressor impulsionado por um motor elétrico: este último é a “inovação”, o resto é
pura aplicação do aprendizado.
A equipe encontrou muitas dificuldades no desenvolvimento do projeto: prazo
curto para realização, incompatibilidade de ideias e sugestões, aquisição de peças e
insumos, utilização da oficina da escola, etc.. Mas, nada que não pudesse ser
superado para o projeto sair no prazo estipulado.
Nas páginas seguintes, será apresentado tudo o que envolve o universo da
superalimentação de motores de combustão interna, sua história, as diversas
12
utilizações, além de explicar o ganho de potência e torque que este proporciona.
Será entendido o porquê do projeto, quais suas principais vantagens e
desvantagens diante dos sistemas convencionais, as etapas de trabalho, os
resultados obtidos, etc.
13
1 – Breve Histórico sobre Superalimentação de Motores
Desde a invenção da roda, o homem vem sempre estudando e inovando para
descobrir um meio de aumentar a velocidade dos meios de transporte sobre rodas
até aqui inventados. O objetivo sempre foi o ganho de desempenho para assim
chegar mais rápido a algum lugar.
Mas, para entender melhor como surgiu a ideia da superalimentação de
motores de combustão interna, veja o histórico a seguir:
- 1860 – os irmãos norte americanos Philander e Francis Marion Roots inventaram o
compressor de lóbulos (ou, simplesmente, compressor “Roots”), para insuflar ar na
mistura de ferro fundido em fornos siderúrgicos para obtenção do aço. Esta invenção
teve também outras aplicações industriais posteriormente;
Figura 1: Compressor “Roots”. Fonte: www.ebah.com.br
- 1876 – Nikolaus Otto, engenheiro alemão, consegue patentear o motor de
combustão interna de quatro tempos;
Figura 2: Primeiro Motor Ciclo Otto. Fonte: http://www.museudantu.org.br
- 1878 – Dugald Clerk, engenheiro britânico, inventou o motor dois tempos com um
compressor alternativo (ou de pistão) acoplado ao virabrequim do motor. Este motor
devido à sua arquitetura não tinha a capacidade de sugar o ar atmosférico para
14
dentro do cilindro. A utilização de compressores Roots em motores dois tempos se
deu efetivamente em 1935, em motores Diesel da GM-EMD (General Motors-Electro
Motive Division), para uso em locomotivas.
Figura 3: Desenho Esquemático do Motor 2 Tempos de Clerk. Fonte: carruagemsemcavalo.blogspot.com
- 1885 – o alemão Gottlieb Daimler patenteou o uso do blower em motor de
combustão interna de quatro tempos. Mas, somente em 1921 foram fabricados os
primeiros automóveis em série com blower, os Mercedes-Benz modelos 6/25/40 CV
e o 10/40/65 CV;
Figura 4: Primeiro Automóvel a Utilizar Blower, o Mercedes 6/25/40 CV de 1921. Fonte: http://www.ultimatecarpage.com
15
1902 - Louis Renault, industrial francês, patenteou um compressor centrífugo
acionado pelo virabrequim do motor;
Figura 5: Compressor Centrífugo (em corte parcial e esquema de funcionamento). Fonte: http://motoresnanet.blogspot.com.br
- 1905 - o suíço Alfred Büchi inventou o compressor acionado pelos gases de
escape, conhecido como “turbocompressor”. Foi utilizado primeiramente em motores
ciclo Diesel de locomotivas, em 1920;
Figura 6: Turbocompressor. Fonte: http://www.boattest.com
16
- 1930 – baseado no compressor “Roots”, o sueco Alf Lysholm desenvolveu um
compressor com parafusos de rosca dupla, o qual leva o seu nome, para aumentar a
potência de motores para várias utilizações: veículos marítimos, automóveis,
locomotivas, etc..
Figura 7: Compressor “Lysholm” em corte parcial. Fonte: www.whipplesuperchargers.com.
Figura 8: Rotores do compressor “Lysholm”, de três e quatro fios de rosca. Fonte: forum.autohoje.com.
17
2 – Aplicação de Compressores em Motores de Combustão Interna
2.1 – Aplicação de Compressores em Motores de Quatro e de Dois
Tempos:
Os compressores automotivos sempre foram associados ao aumento de
desempenho dos motores. Mas, alguns modelos de motores dois tempos dependem
de um compressor para funcionar corretamente. Um exemplo disto são os motores
dois tempos das locomotivas diesel-elétricas GM EMD (General Motors Electro –
Motive Division): elas utilizam, em modelos de locomotivas distintos, dois meios de
compressão (blower e turbo alimentador), pois as janelas de admissão se
encontram no PMI (Ponto Morto Inferior) dos cilindros.
Figura 9: Ilustração Esquemática de um Motor Dois Tempos Diesel (semelhante ao GM – EMD utilizado em locomotivas).
Fonte: http://www.outboardmotoroilblog.com
Nos motores de quatro tempos, devido ao sistema de válvulas (admissão e
escape) e estas se situarem no topo do cilindro, o pistão suga o ar (ou mistura ar +
combustível) para dentro deste. Portanto, quando se instala um compressor em um
motor deste tipo, podemos afirmar a “superalimentação” deste e,
consequentemente, o aumento de seu desempenho, entregando maiores torque e
potência ao motor. Daí os conceitos de “motor aspirado” e “motor superalimentado”:
o motor aspirado suga o ar para dentro dos cilindros, e o motor superalimentado tem
o ar injetado ou insuflado para os cilindros, utilizando um compressor de ar: o
blower, de acionamento mecânico, ou o turbocompressor (ou, simplesmente, turbo)
acionado pelos gases de escape. Infelizmente, os termos “aspirado” e
18
“superalimentado” são muito confundidos, principalmente por pessoas envolvidas no
meio automobilístico: muitos, erroneamente, ainda dizem que “motores aspirados”
são “motores superalimentados”.
2.2 – Turbo Alimentador:
2.2.1 – Funcionamento Básico:
O turbo alimentador (ou simplesmente, turbo) é dotado de dois rotores ligados
por um eixo: um é o rotor acionado pelos gases provenientes da combustão, mais
conhecido como “roda quente”, e o outro é o rotor movido, ou “roda fria”, a qual
capta e comprime o ar para os cilindros. O turbo, portanto, é movido pelos gases de
escape para proporcionar a superalimentação de ar (motor quatro tempos) ou a
injeção de ar para o perfeito funcionamento (motor dois tempos).
A rotação média de um turbo é em torno de 50000 RPM (Rotações Por
Minuto), mas pode ultrapassar a casa dos 100000 RPM, chegando a 240000 RPM.
Figura 10: Funcionamento de um Turbocompressor. Fonte: www.caboturbo.com
Figura 11: Turbocompressor BorgWarner K-16. Fonte: http://www.mecanicaonline.com.br
19
2.2.2 – Vantagens do Turbo Alimentador:
- Reaproveitamento dos gases de escape para o seu acionamento;
- Sistema exige baixo investimento;
- Pode ser reversível (voltar para o motor aspirado);
- Mantém a estrutura original do motor.
2.2.3 – Desvantagens do Turbo Alimentador:
- Baixo desempenho em baixas rotações (faltam gases de escape para o seu
acionamento);
- Manutenção corretiva relativamente cara: conforme a gravidade da avaria, muitas
vezes o equipamento tem que ser totalmente substituído;
- Filtro de óleo lubrificante auxiliar para o turbo (para alguns modelos), devido ao
risco de danos ao eixo dos rotores por impurezas contidas no óleo;
- Equipamento delicado, portanto exige atenção redobrada com a manutenção
deste.
2.3 – Compressor de Lóbulos e de Parafusos ( “Blower”):
2.3.1 – Funcionamento Básico:
O “blower” é ligado ao eixo do virabrequim através de engrenagens, correntes
ou correias, dependendo do projeto do motor e sua utilização. Consiste de dois
rotores lobulares (de dois, três ou quatro lóbulos) ou dois parafusos de roscas
interna e externa (de três ou quatro fios), engrenados em um compartimento
separado dos rotores, os quais não tem contato nenhum entre si, assim criando
câmaras sucessivas devido ao seu formato helicoidal: quando em movimento,
proporcionam a sucção, o bombeamento e a compressão do ar atmosférico para os
cilindros do motor.
Figura 12: Esquema de Funcionamento do Blower (“Roots” de Três Lóbulos). Fonte: www.ebah.com.br.
20
Figura 13: Esquema de Funcionamento do Compressor “Roots” de Dois Lóbulos. 1 e 3 – Rotores; 2 – Corpo do Compressor;
a – Sucção; b – Bombeamento; c – Compressão. Fonte: www.ebah.com.br
Figura 14: Compressor “Roots” (Ilustração de Funcionamento). Fonte: http://www.aa1car.com.
2.3.2 – Vantagens do Blower:
- Muito eficiente em baixas rotações;
- Equipamento mais robusto (baixa manutenção);
- Maior volume de ar deslocado.
2.3.3 – Desvantagens do Blower:
- Perda de 15% no rendimento do motor, pelo fato do blower ser diretamente ligado
ao motor por meio de engrenagens, coroas (correntes) ou polias (correias);
- Perda de eficiência volumétrica em altas rotações;
- Necessita lubrificação com óleo especial.
Entrada de Ar (aspiração)
Saída de Ar (compressão)
21
2.4 – O “E – Charger”:
2.4.1 – Funcionamento Básico:
Diferente do convencional, um motor elétrico acoplado move o blower, e tem
a sua rotação cotrolada por um resistor variável, o qual está ligado ao eixo da
borboleta do carburador (ou corpo de potência), ou seja, conforme a abertura da
borboleta varia a rotação do motor elétrico e, por consequência, o volume de e a
pressão do ar comprimido injetado no motor.
2.4.2 – Vantagens do E- Charger:
- Não utiliza gases de escape ou a força do motor para funcionar;
- Eficiência desde as baixas rotações, assim como o blower acionado pelo
virabrequim;
- Pode ser facilmente adaptável em motores dotados de sistemas de acelerador
eletrônico ou com sensor de posição da borboleta (TPS).
2.4.3 – Desvantagens do E- Charger:
- Necessita provável redimensionamento do alternador (maior capacidade de
corrente elétrica);
- Difícil regulagem da rotação do motor elétrico em caso de manutenção corretiva
(motor carburado);
- Em caso de adaptação em carros com injeção eletrônica, remapeamento da
unidade de comando;
- Necessidade de dispositivo eletrônico para controle da rotação do motor,
principalmente em veículos com motor carburado.
Figura 15: E- Charger - Conjunto Motor Elétrico + Blower.
22
3 – Desenvolvimento do Trabalho
3.1 – Cavalete do Motor:
3.1.1 – Material:
Quantidade Unidade Descrição
11000 mm Cantoneira de Abas Iguais 2”
6 Unidade Eletrodos para Solda
3.1.2 – Ferramental:
- Máquina de solda elétrica;
- Furadeira manual;
- Martelo de pena;
- Punção de bico;
- Brocas Ø6 mm;
- Broca Ø8 mm;
- Broca Ø13 mm;
- Esmerilhadora manual;
- Disco de corte.
3.1.3 – Etapas de Construção:
Primeiro, foi construída a base com dimensões de 1100 X 820 X 520 mm,
com mão de obra terceirizada.
Depois, foram usinados os furos dos rodízios e entalhamento da travessa
para montagem.
Feito isto, o motor foi montado na travessa do motor e posicionado para
dimensionar os suportes dos coxins do motor.
Os suportes foram soldados e o motor montado sobre o cavalete para as
etapas seguintes.
23
3.2 – Manutenção do Motor:
3.2.1 – Motor FIASA 1300 C:
O motor sugerido pelo orientador para a instalação do E-Charger foi um motor
FIAT(1) FIASA(2) 1300 C, o qual se encontrava encostado na oficina da escola.
Este motor equipava os carros populares da FIAT (linhas 147/Spazio e Uno).
Desenvolve uma potência de 61 CV a 5400 RPM e um torque de 9,9 Kgfm a 3000
RPM, equipado com carburador de corpo simples de fluxo descendente Solex H32-
DIS. É um motor classificado como superquadrado: o diâmetro de cada um dos 4
pistões (76 mm) é maior do que o curso destes (71,5 mm); assim, temos uma
capacidade volumétrica (cilindrada) de 1297 cm3 (1,3 ℓ).
3.2.2 – Condições Iniciais:
O conjunto motor + câmbio se encontrava em estado de abandono, no canto
da oficina da escola, próximo à prateleira de peças.
Figura 16: Motor FIASA 1300 C em seu estado inicial.
Iniciado o desmonte, foram aparecendo as anomalias do motor:
- carburador muito sujo;
- selos da galeria d’água do bloco oxidados e corroídos;
- distribuidor sujo e faltando peças (tampa, rotor, condensador e cabos de velas e
bobina).
Estes itens notados durante o desmonte mostrou o tamanho do nosso desafio
em um curto espaço de tempo, de modo a planejar as etapas de desenvolvimento
do projeto.
24
3.2.3 – Etapas de Manutenção:
- desmonte parcial do motor: cárter, coletores de admissão e escape, correia
dentada, carburador, distribuidor e tampa do comando de válvulas;
- resolução sobre a retirada ou não do câmbio: o câmbio não foi retirado para a
execução do projeto, devido principalmente à falta de tempo para se criar um
suporte para o motor de arranque, o qual é montado no câmbio. Sendo assim, teve
os alojamentos dos semieixos e do cabo de velocímetro tampados, para a circulação
do óleo lubrificante durante o movimento da árvore primária da caixa de mudanças;
- drenagem dos óleos lubrificantes de motor e câmbio;
- substituição dos selos da galeria d’água do bloco;
- montagem dos componentes, com atenção especial à montagem da correia
dentada (verificação do ponto dos 3 eixos – virabrequim, comando de válvulas e
auxiliar (este último aciona a bomba mecânica e o distribuidor);
- testes e ajustes do motor.
3.3 – Manutenção do Carburador:
3.3.1 – Carburador:
O carburador é o dispositivo mecânico injetor de combustível. É ele quem
transforma o combustível líquido em uma névoa (processo conhecido como
atomização), de modo a termos uma mistura ar+combustível ideal para a perfeita
combustão (relação estequiométrica(3)), assim contribuindo para o bom desempenho
e a baixa emissão de poluentes de um veículo.
O Solex H32-DIS é um carburador de corpo simples de fluxo descendente,
original do motor FIASA 1300 C para o modelo FIAT 147. Optamos por utilizar este
mesmo carburador para o experimento com o E-Charger, mas com modificações
nos giclês deste para manter a relação estequiométrica do motor.
(1) FIAT è a sigla de Fabbrica Italiana de Automobili Torino (Fábrica Italiana de Automóveis Torino). (2) FIASA é o acrônimo
de FIAT Automóveis S.A., identificando a fábrica da FIAT no Brasil. (3) Relação Estequiométrica ou Fator Lambda é a relação
ideal da mistura ar + combustível para uma queima completa na câmara de combustão, visando principalmente a baixa
emissão de monóxido de carbono, nocivo à saúde humana. Este valor deve ser sempre igual a 1. Se esta relação for menor
que 1, a mistura é rica (menos ar, mais combustível); se maior que 1, a mistura é pobre (mais ar, menos combustível).
25
Figura 17: Componentes e Carburador (Solex H32 DIS). Fonte: produto.mercadolivre.com.br e todaoferta.uol.com.br.
Com o surgimento da injeção eletrônica, o carburador foi abolido dos veículos
fabricados atualmente.
3.3.2 – Etapas de Manutenção:
- desmontagem;
- verificação do estado geral dos componentes;
- limpeza da base, tampa e corpo;
- providência do kit de reparo;
- montagem;
- troca dos giclês (para receber o E-Charger e não mexer na relação
estequiométrica);
- montagem no motor;
- ajuste de marcha lenta.
3.4 – Manutenção do Distribuidor:
3.4.1 – Distribuidor:
O distribuidor, como o próprio nome já diz, distribui a corrente elétrica de alta
tensão liberada pela bobina para as velas de ignição, para que esta queime a
mistura ar-combustível no cilindro e produza o tempo motor (explosão).
26
Figura 18: Sistema de Ignição Convencional (Antigo), com Bobina e Distribuidor. Fonte: www.dellara.com.br.
Com a chegada da injeção eletrônica, o sistema de ignição também foi
evoluindo, de modo que o distribuidor foi eliminado aos poucos dos veículos, dando
lugar a modernos sistemas de ignição estática. Os distribuidores resistiram um
pouco mais à evolução tecnológica dos automóveis: em modelos recentes (até 10
anos, aproximadamente), encontramos sistemas de injeção eletrônica que ainda
utilizavam distribuidor.
3.4.2 – Etapas de Manutenção:
- retirada do distribuidor;
- desmontagem para limpeza e manutenção;
- troca dos componentes (rotor, platinado, condensador);
- aquisição da tampa do distribuidor, bobina e cabos.
Figura 19: Distribuidor do Motor FIASA 1300 C Renovado
27
3.5 – Testes do Motor FIASA 1300 C:
3.5.1 – O Motor Após a Revisão dos Componentes:
O motor FIASA 1300 C ficou renovado, com todos os seus componentes
instalados, com sistema de arrefecimento diferente do original (radiador e ventilador
de GM Monza e tanque de expansão de VW Gol), escapamento construído
especialmente para o projeto, tampa do cabeçote e cárter pintados, filtros de
combustível e óleo novos, entre outras peças e fluidos substituídos.
3.5.2 – Aquisição e Instalação de Outros Componentes:
Foram adquiridas peças novas e adaptadas para o projeto. Entre eles, a
bomba elétrica e o redutor de pressão.
Esta adaptação foi necessária devido a dois fatores determinantes:
- calejamento do came de acionamento da bomba mecânica no eixo auxiliar, assim
inviabilizando a sua utilização. Além disto, a bomba mecânica não seria útil ao
projeto: uma vez que o motor seria superalimentado, a bomba mecânica não
produziria pressão suficiente para manter a cuba do carburador sempre cheia;
- utilização de bomba elétrica para manter o carburador com sua cuba sempre em
nível constante com a instalação do E-Charger.
A bomba elétrica produz uma pressão na linha de combustível de 7 Kg/cm2,
muito para a agulha da boia do carburador: isto poderia facilmente danificá-la,
transbordando a cuba e inutilizando o carburador, o qual “afogaria” o motor em
combustível. Portanto, também foi adquirido um redutor de pressão (ou dosador de
combustível, como é comercialmente conhecido), para reduzir a sua pressão pela
metade.
3.5.3 - Considerações sobre o Funcionamento do Motor:
O motor funcionou conforme esperado, sem maiores problemas.
O trabalho de verificação das posições dos eixos para a instalação da correia
dentada, o perfeito ajuste do carburador e verificação da posição correta do rotor do
distribuidor (apontado para o 4º cilindro, no caso do motor FIASA) contribuíram para
o sucesso desse funcionamento.
28
Figura 20: Ajustes do Motor.
3.6 – Controle da Rotação do Motor Elétrico:
3.6.1 – Controlador Eletrônico de Rotação do Motor Elétrico
(ERMC – Electronic Rotation Motor Controller)
Para controlar a rotação do motor elétrico de forma gradativa e conforme a
abertura da borboleta do carburador, foi necessária a criação de um dispositivo
eletrônico: O ERMC (sigla em inglês que significa “Controlador Eletrônico de
Rotação do Motor Elétrico”). Até o término desta monografia, com a ajuda de
colegas do curso de eletroeletrônica, o grupo estava terminando o dispositivo;
portanto, não temos ainda como relatar os resultados obtidos.
3.6.2 – Etapas da Adaptação do ERMC:
Primeiro, foi criado um dispositivo para girar o potenciômetro do ERMC:
aproveitando a alavanca do cabo de aceleração, foi incluído um fio (reutilizado de
um sistema de ventilação interna de VW Voyage):
Figura 21: Dispositivo de Acionamento do ERMC (Parcial).
29
4 – Cálculos
4.1 – Cálculos do Ganho de Potência:
4.1.1 – Grandezas para Cálculos:
Abaixo, as grandezas envolvidas, sua descrição e suas unidades:
SÍMBOLO DESCRIÇÃO UNIDADE SÍMBOLO
UNIDADE
HPc Potência Final do Motor com
o Compressor
Cavalo - Vapor CV
HP Potência Original do Motor Cavalo - Vapor CV
Pc Pressão do Compressor Quilograma - Força por
Centímetro Quadrado
Kgf/cm2
Patm Pressão Atmosférica (ou de
Admissão)
Quilograma - Força por
Centímetro Quadrado
Kgf/cm2
Pdes Pressão de Descarga Quilograma - Força por
Centímetro Quadrado
Kgf/cm2
T1 Temperatura de Admissão
(ou Ambiente ou
Atmosférica)
Graus Celsius
ou
Kelvin
°C
K
T2 Temperatura do Ar
Comprimido
Graus Celsius
ou
Kelvin
°C
K
Ta Temperatura Atual do Ar
Comprimido com o
Compressor
Graus Celsius °C
Ti Temperatura Ideal do Ar
Comprimido
Graus Celsius °C
SÍMBOLO DESCRIÇÃO UNIDADE SÍMBOLO
UNIDADE
Tr Temperatura Real do Ar
Comprimido
Graus Celsius °C
D Relação de Densidade Adimensional -
30
FC Fator de Compressão Adimensional -
ηvol Eficiência Volumétrica Porcentual %
V Cilindrada do Motor Centímetros Cúbicos
ou
Polegadas Cúbicas
cm3
ou
CID
n Rotação do Motor Rotações Por Minuto RPM
PME Pressão Média Efetiva Quilograma - Força por
Centímetro Quadrado
Kgf/cm2
Nota: para alguns cálculos, as temperaturas de admissão e do ar comprimido devem ser convertidas.
4.1.2 – Potência Final do Motor com o Compressor (HPc):
Dados: HP= 61 CV, Pc= 0,4 Kgf/cm2 (a 4000 RPM), Patm= 0,97 Kgf/cm2.
Assim, para calcular a HPc, será utilizada a fórmula:
Temos, então:
HPc = 61 x [(0,4 + 0,97) / 0,97] = 86 CV
Portanto, HPc = 86 CV, um ganho de 40,98% na potência do motor. Este é o
ganho médio para um blower do tipo Roots.
4.1.3 – Temperatura Real do Ar Comprimido (Tr):
O aumento da pressão gera a elavação da temperatura do ar comprimido,
devido ao choque entre as moléculas (lei de Guy – Lussac). Para se saber este
aumento de temperatura, utiliza-se a fórmula:
HPc = HP x [(Pc + Patm) / Patm]
31
A pressão de descarga (Pdes) é a somatória da pressão do blower (Pc) com a
pressão atmosférica (Patm). Temos, então:
Pdes = Pc + Patm = 0,4 + 0,97 = 1,37 Kgf/cm2
A temperatura ambiente (T1) será considerada igual a 20°C. Para realizar o
cálculo de T2, este valor deve ser covertido para Kelvin (K), ou seja, o valor em graus
Celsius (°C) será somado com 273, assim obtendo-se a temperatura em K. Então:
T1 = 273 + 20 = 293 K
Agora, calcula-se a temperatura do ar comprimido:
T2 = 293 x (1,37 / 0,97)0,283 = 323 K
Para converter este valor para °C, somente se subtrai o valor (processo
inverso de °C para K):
T2 = 323 – 273 = 50°C
Portanto, a temperatura do ar comprimido será de 50°C.
No entanto, o compressor não tem 100% de rendimento térmico. Assim, será
necessário o cálculo da temperatura real (Tr).
Para se chegar à Tr, deve-se saber a temperatura ideal (Ti), a temperatura
atual com o compressor (Ta) e o rendimento térmico do compressor. O blower Eaton
M24 utilizado no projeto, é um compressor Roots; portanto, o seu rendimento
térmico (ηt) será de 65%.
T2 = T1 x(Pdes / Patm)0,283
32
A Ti é a diferença entre a temperatura do ar comprimido (T2) e a temperatura
ambiente (T1). Temos, assim:
Ti = T2 – T1 = 50 – 20 = 30°C
Com Ti = 30°C, calcula-se a Ta:
Ta = Ti / ηt = 30 / 0,65 = 46°C
A temperatura real (Tr) será obtida através da fórmula:
Tr = T1 + Ta
A temperatura real é a somatória da temperatura ambiente com a temperatura
atual. Assim:
Tr = 20 + 46 = 66°C
Logo, a temperatura real do ar comprimido (Tr) será 66°C.
4.1.4 – Relação de Densidade (D):
A densidade do ar admitido é um fator importante para quem vai preparar um
motor superalimentado. A pressão produzida por um compressor não significa o
aumento da potência de um motor: o fator determinante para o ganho de potência é
a sua capacidade de aspirar o ar para dentro dos cilindros.
O ar comprimido sofre aquecimento e, consequentemente, perde densidade.
A densidade é a quantidade de moléculas que compõem o ar ocupando um mesmo
volume. Para obtermos um ar mais denso, este deve ser resfriado, e isto se
consegue com a inclusão de um resfriador (intercooler) no sistema de
superalimentação.
Para se obter a relação de densidade, utiliza-se a fórmula:
33
D = (T1 / Tr) x (Pdes / Patm)
Dados:
T1 = 273 + 20 = 293 K
Tr = 273 + 66 = 339 K
Pdes = 1,37 Kgf/cm2
Patm = 0,97 Kgf/cm2
Temos, assim:
D = (293 / 339) x (1,37 / 0,97) = 1,22
Portanto, o motor FIASA 1300 C aspira 1,22 vezes mais ar com o E-Charger
comparando com o mesmo motor aspirado.
4.1.5 – Fator de Compressão (FC):
O fator de compressão (FC) é a taxa de compressão dinâmica do motor com
o compressor. É calculado pela fórmula:
FC = Pdes / Patm
Assim:
FC = 1,37 / 0,97 = 1,41
Este valor significa o acréscimo na taxa de compressão de um motor.
O motor FIASA 1300 C tem uma taxa de compressão de 7,5 : 1 (movido à
gasolina). Então, sua taxa de compressão aumentará para 8,91 : 1.
34
Se for utilizada uma pressão para uma taxa de 12 : 1 (média de um motor a
etanol), ocorre a seguinte diferença entre estas taxas:
12,0 – 7,5 = 4,5
Incluindo este fator de compressão na fórmula, obtém-se o valor da pressão
necessária para atingir a taxa de compressão de 12 : 1 neste motor. Lembrando
que:
Pdes = Pc + Patm
Assim, calcula-se:
FC = Pdes / Patm → 4,5 = (Pc + 0,97) / 0,97 → Pc = 3,4 Kgf/cm2
Esta pressão obtida de 3,4 Kgf/cm2 somente é aplicável se as temperaturas
de admissão e descarga tiverem valores próximos à igualdade, pois quanto maior a
pressão aplicada em um sistema de superalimentação, maior deve ser o controle da
temperatura do ar injetado. Isto é possível com a inclusão de um intercooler neste. O
combustível também funciona como arrefecedor do ar comprimido nos cilindros.
Para saber o valor da temperatura do ar com a pressão de 3,4 Kgf/cm2,
calcula-se utilizando a fórmula de temperatura do ar comprimido (T2). Assim:
T2 = 293 x [(3,4 + 0,97)/ 0,97]0,283 = 449 K = 176°C
Se este compressor tem uma eficiência térmica de 100%, o aumento da
temperatura do ar será 8,8 vezes maior que a temperatura atmosférica.
É importante ressaltar que a principal causa de quebras de motores
superalimentados é o descontrole da temperatura do ar injetado no motor. Por isso
da grande importância de se dimensionar a superalimentação de um dado motor de
forma adequada ao seu tipo, ao seu combustível e à sua cilindrada.
35
4.1.6 – Eficiência Volumétrica (ηvol):
Eficiência volumétrica é a capacidade de enchimento do motor, fazendo com
que este gere mais potência.
Em motores aspirados, um índice de eficiência considerado bom parte de
90% e vai até 120%, mas, isto depende de fatores como formato e acabamento
interno de coletores de admissão e escape, desenho do comando de válvulas, etc..
Para calculá-la, se utiliza a seguinte fórmula:
ηvol = 5600 x [HP / (V x n)] x 100
Primeiro, se converte a cilindrada (V) de cm3 para CID, dividindo por 16,38
(fator de conversão):
1300 cm3 = 1300 / 16,38 = 79,37 CID
A rotação do motor em 61 CV é 5400 RPM. Assim:
ηvol = 5600 x [61 / (79,37 x 5400)] x 100 = 79,70%
Portanto, a eficiência volumétrica do motor FIASA 1300 C é de 79,70%
(relativamente deficiente).
Com o aumento da potência para 86 CV, temos:
ηvol = 5600 x [86 / (79,37 x 5400)] x 100 = 112,37%
Ou seja, a eficiência volumétrica deste motor melhorou muito com a inclusão
do E-Charger.
36
4.1.7 – Pressão Média Efetiva (PME):
PME é a pressão recebida pelos pistões, determinante para a potência efetiva
de um motor.
Para calculá-la, utiliza-se a fórmula:
PME = 900 x [HP / (V x n)]
Primeiro, calcula-se a PME do motor sem o E-Charger:
PME = 900 x [61 / (1.3 x 5400)] = 7,82 Kgf / cm2
Agora, o mesmo cálculo com E-Charger:
PME = 900 x [86 / (1.3 x 5400)] = 11,03 Kgf / cm2
Portanto, a PME do motor aumentou 3,21 Kgf / cm2 com o E-Charger.
4.2 – Cálculo de Usinagem do Eixo de Acoplamento:
O eixo do blower Eaton M24, aonde originalmente vai montada a polia, é
cônica, com diâmetros de 9,40 mm (menor) e 10,60 mm (maior). Assim, foi
necessário calcular o ângulo de conicidade para realizar a usinagem deste furo.
Partindo dos diâmetros citados acima e do comprimento do eixo em sua parte
cônica (20 mm), conforme ilustração abaixo:
Figura 22: Ilustração do Eixo do Blower.
37
Para determinar o ângulo α, foi aplicada a regra trigonométrica da tangente,
partindo do princípio que o cateto oposto (CO) do ângulo α é formado pela diferença
dos diâmetros dividido por 2, ou seja:
CO = (D – d) / 2 = (10,6 – 9,40) / 2 = 0,60 mm
O cateto adjacente (CA) é o comprimento do eixo (L) em sua parte cônica.
Aplicando a fórmula da tangente do ângulo α:
Tg α = CO / CA = 0,60 / 20 = 0,03
Portanto, o ângulo α obtido é igual a 1°43’ (lê-se: um grau e quarenta e três
minutos): este é o ângulo de conicidade, o qual será usinado o furo do eixo de
acoplamento.
38
CONCLUSÃO
Desde a ideia inicial do E-Charger, o grupo não tinha a noção exata de tudo o
que envolve a superalimentação de um motor de combustão interna.
Durante o desenvolvimento do projeto, foram notados os muitos detalhes a
serem observados para um casamento perfeito entre o compressor (turbo ou blower)
e o motor, de modo a produzir o alto desempenho esperado para este.
O conceito do E-Charger de se utilizar um meio inovador para superalimentar
um motor de combustão interna buscou minimizar os inconvenientes existentes em
sistemas de superalimentação convencionais: baixa potência em baixas rotações
(turbo) e a perda de rendimento mecânico na transmissão por correias, correntes ou
engrenagens (blower).
Mas, por que utilizar um motor elétrico para mover o blower? Ora, porque o
rendimento mecânico de um motor elétrico é próximo de 100%, ou seja, não existe
praticamente perda com este acoplado direto ao blower: partindo disto, o eixo de
acoplamento foi concebido para não interferir no desempenho do motor elétrico mais
o blower (o mais curto possível).
Uma das principais preocupações era se o alternador produziria a corrente
necessária para alimentar o motor elétrico: isto seria pertinente se fossem ligados
outros equipamentos. O grupo sempre prezou pela simplicidade do projeto para
manter o baixo custo.
Quanto ao ganho de potência com o E-Charger calculado (de 61 para 86 CV),
muitos podem dizer: “mas só aumentou isto?”. Isto se explica: o ganho médio de
potência com blower tipo Roots é de 40%. Como visto, o ganho foi de
aproximadamente 41%. A mesma proporção se observou calculando o ganho com o
mesmo motor alimentado com um carburador de corpo duplo: com uma potência
original de 72 CV para este carburador, a potência saltaria para 102 CV, ou seja,
aumento de quase 42%. Esta proporção pode ser melhorada adotando-se medidas
como alisamento da superfície interna do coletor de admissão (melhora o
direcionamento do fluxo de ar), redimensionamento do coletor de escape
(proporciona a melhor exaustão dos gases), adoção de injeção eletrônica multiponto
devidamente remapeada (melhora a alimentação de combustível), inclusão de
39
intercooler (aumenta a densidade do ar comprimido para os cilindros), e
rebaixamento de cabeçote (aumenta a taxa de compressão do motor).
O projeto mostra também a possibilidade de aplicação deste conceito de
movimentar equipamentos em motores: bombas hidráulicas, compressores de ar
condicionado, bombas d’água (este último já existente em carros híbridos) e bombas
de óleo. Para tanto, é claro que será necessário um sistema elétrico para suprir esta
parafernália de equipamentos mais outras tantas coisas (som, trio elétrico, etc.).Isto
tudo são hipóteses, mas também possibilidades.
O grupo também encontrou dificuldades para realizar o controle da rotação do
motor elétrico. A princípio, se julgou fácil esta parte, mas este processo se revelou
muito complexo, com a necessidade da construção de um dispositivo eletrônico para
se chegar ao resultado esperado.
A pouca experiência da maioria dos membros do grupo com atividades
inerentes à mecânica (tanto a de produção quanto a automotiva), também se tornou
um obstáculo para a execução dos trabalhos para se chegar ao resultado final do
projeto: a ajuda dos colegas de outros grupos de trabalho (da manutenção
automotiva e também da eletroeletrônica) foi fundamental.
Apesar de tudo, concluiu-se o projeto e assim nasceu um novo conceito em
superalimentação de motores: o E-Chager.
40
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
- SILVA, Fernando e HARUO, Roberto. Gol GT 1.8 Blower. Oficina Mecânica. Rio
de Janeiro, junho de 1995. Número 105ª, seção Veneno, páginas 42 a 45;
- YAHOO Respostas. Disponível em <br.answers.yahoo.com>. Acessado em 16
nov. 2012;
- ASPIRADO. Disponível em <pt.wikipedia.com>. Acessado em 16 nov. 2012;
- AUTO HOJE Fórum. Disponível em <forum.autohoje.com>. Acessado em 16 nov.
2012;
- O QUE É UM Turbo Alimentador? Disponível em <www.caboturbo.com>. Acessado
em 16 nov. 2012;
- SOBREALIMENTAÇÃO DE MOTORES. Manual Técnico da Blower Company.
- MERCEDES 6/25/40 Kompressor. Disponível em <www.ultimatecarpage.com>.
Acessado em 24 mar. 2013;
- A ÁGIL PANORAMA, um FIAT com Mais Espaço (edição abr .1980). Disponível em
<quatrorodas.abril.com.br/acervodigital>. Acessado em 29 mai. 2013.
- CORREIO Técnico (edição abr. 1979). Disponível em
<quatrorodas.abril.com.br/acervodigital>. Acessado em 20 mai. 2013.
- APOSTILA de Desenho Técnico Básico. Disponível em <
http://pessoal.utfpr.edu.br>. Acessado em 01 jun. 2013.
41
ANEXO 1 :
Cronograma de Atividades
42
CRONOGRAMA DE ATIVIDADES
ATIVIDADES FEVEREIRO MARÇO ABRIL MAIO JUNHO TOTAL DE HORAS
Construção do
Cavalete do
Motor
14 21 28 7 14 21 28 4 11 18 25 2 9 45,5
Manutenção do
Motor e Câmbio
14 21 28 7 14 21 28 4 11 18 25 38,5
Manutenção do
Carburador
14 21 28 7 14 21 28 4 11 31,5
Manutenção do
Distribuidor
14 21 28 7 14 21 28 4 11 31,5
Teste do Motor
sem o E-
Charger
18 25 2 9 14
Montagem e
Adaptação do E-
Charger
25 2 9 16 23 17,5
Teste do Motor
com E-
Charger e
Comparativo
9 16 23 30 3 4 17,5
Cinza = Dias de Execução do Trabalho.
Amarelo = Feriado (Corpus Christi).
Total de Dias Disponíveis = 17.
Total de Horas Disponíveis = 59,5 (3,5 por dia).
43
ANEXO 2:
Custos do Projeto
44
CUSTOS DO PROJETO
Descrição Item Quantidade Preço Unitário
(R$) SubTotal (R$)
Abraçadeira 12 1,00 12,00
Agulha 1 8,00 16,00
Aluguel Armário 1 20,00 20,00
Arruela 6 0,15 0,90
Bomba D'agua 1 40,00 40,00
Botão Partida 1 7,00 7,00
Cabo Vela 1 10,00 10,00
Cano D'agua 1 9,00 9,00
Capa Terminal 7 0,10 0,70
Chave TicTac 2 7,00 14,00
Chicote Bomba Combustível 1 15,00 15,00
Cinta Plástica 20 0,40 8,00
Cola Junta 1 5,00 5,00
Cola Silicone 1 8,00 8,00
Condensador 1 10,00 10,00
Conexão D'agua 1 5,00 5,00
Correia Alternador 1 10,00 10,00
Coxim Motor L.D 1 26,89 26,89
Coxim Motor L.E 1 26,89 26,89
Diafragma 1 3,50 3,50
Filtro Combustível 1 11,00 11,00
Filtro Óleo 1 13,00 13,00
Gasolina 4 litros 2,79 11,16
Injetor 1 5,00 5,00
Junta Bomba D'agua 2 4,00 8,00
Junta Cano D'agua 1 2,00 2,00
Junta Carter 1 6,00 6,00
Junta Coletor 1 6,00 6,00
Junta Tampa Válvula 1 6,00 6,00
Kit Junta Carburador 1 4,00 4,00
Lampada 1 1,50 1,50
Lanterna Lateral 1 5,00 5,00
Mangueira 12mm Lonada 2 Metros 7,50 15,00
Mangueira 3 mm Lonada 1 Metro 3,00 3,00
Mangueira 7mm Lonada 2 Metros 5,50 11,00
Mangueira 9mm Lonada 2 Metros 7,50 15,00
Mangueira Cano D'agua 1 6,00 6,00
Mangueira Filtro Ar 1 20,00 20,00
Mangueira Radiador 1 22,00 22,00
Mangueira Reservatório 1 18,00 18,00
Mangueira Respiro Óleo 1 8,00 8,00
Material Suporte 11 Metros 15,30 168,30
Metros Fio 16mm 2 5,95 11,90
Mola Acelerador 1 2,00 2,00
Niple 2 5,00 10,00
Óleo Câmbio SAE 80 2 20,00 40,00
Óleo Motor SAE 20W50 3 24,00 72,00
Platinado 1 8,00 8,00
Regulador Pressão (Dosador) 1 50,00 50,00
Relé 1 6,50 6,50
Retentor 1 15,00 15,00
Rotor 1 9,00 9,00
45
Selo Bloco 3 4,50 13,50
Spray Preto Brilhante 3 20,00 60,00
Tampa Distribuidor 1 10,00 10,00
Terminal Bateria 2 10,00 20,00
Terminal Fio 19 5,35 5.35
Transporte Suporte 1 70,00 70,00
Vela 1 20,00 20,00
Total 1030,74
46
ANEXO 3:
Desenhos de Componentes Construídos
47
48
49
50
51
52
