Motor de combustão interna UNIFACS

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Motor de combustão interna

Júlio César Chaves Câ[email protected]

Principais tipos de motores para mobilidade

• Motor de combustão interna;• Motor de combustão externa:

– Motor a Vapor

• Motor de reação.

Motores de combustão externa

• Motor a vapor – a combustão ocorre externamente ao motor para aquecer água da caldeira

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Locomotiva a vapor

• Pistão, biela e válvula

Locomotiva a vapor

Turbina a vapor

• Utilização naval, em termelétricas e indústrias;• Utiliza vapor superaquecido de caldeiras.

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Motor a reação

• Utilizado principalmente na aviação, navios e termelétricas.

Motor a reação

Motores ciclo Otto – 4 tempos

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Funcionamento motor Otto

Motores ciclo Diesel

Motores ciclo Diesel

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Motores 2 tempos

Funcionamento do motor 2 tempos

• Ao mesmo tempo em que aspira a mistura arcombustível para o cárter, o pistãoinicia compressão


• A combustãoprovoca ligeiracompressão namistura admitida.

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• Ao final da descida do pistão, uma janela de exaustão aberta aomesmo tempo emque a mistura étransferida para a parte superior do cilindro.


Motores rotativos - Wankel

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Wankel – vista explodida

Wankel - componentes

Wankel - componentes

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Motores rotativos - Wankel

Motores em linha

Motores em linha

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Cilindros em V

Cilindros em V

Cilindros opostos (Boxer)

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Cilindros radiais

• Cilindros dispostos radialmente.

Funcionamento motor cilindros radiais

Funcionamento motor cilindros radiais

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Motores em “L”

Cilindros em “W”

Conceitos básicos de motores

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Torque

• Resultado do produto da força atuante sobre o pistão pelo raio projetado do virabrequim;

• É expresso em m.kgf juntamente com a rotação em que foi medido;

• Para verificar o torque em cada situação de rotação, é necessário consultar a curva de torque do motor.

Potência

• É o trabalho desenvolvido pelo motor, em uma determinada unidade de tempo;

• Usualmente expressa em Watts ou em CV (cavalo Vapor), onde 1 CV = 736 Watts;

• A potência máxima ocorre a determinada rotação pouco inferior a rotação máxima admitida pelo motor. Esses valores são fornecidos pelo fabricante ou aferidos em dinamômetro.

Curva de torque e potência

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Dinamômetro

Cilindrada do motor

Potência específica

• É um valor de referência para comparação entre a eficiência de motores. É encontrado dividindo-se a potência máxima do motor (em CV) pela cilindrada em litros.

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Taxa de compressão

• Especifica quantas vezes a mistura écomprimida durante a fase de compressão.

Taxa de compressão

• É calculada em função da relação entre o volume total (câmara de combustão + volume deslocado pelo pistão) e volume da câmara.

Taxa de compressão

• O rendimento de um motor é proporcional à sua taxa de compressão, porém esta é limitada àcapacidade do combustível resistir àcompressão, medida pela octanagem.

– Motores à gasolina - entre 9:1 e 11:1;– Motores à álcool e gás natural veicular (GNV) - cerca

de 12:1;– Motores a Diesel em torno de 20:1.

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Eficiência volumétrica

• Quanto maior a quantidade de ar admitido, maior é a potência que pode ser fornecida por um mesmo motor na mesma rotação;

• A relação entre o ar admitido e o volume deslocado pelos pistões é indicado como a eficiência volumétrica de um motor (ην %).

Eficiência volumétrica

Onde,

Q – Quantidade de ar admitido em litros por minuto;

N – Rotação do motor em rpm;

Vh – Volume deslocado em cm3;

Z – número de cilindros.

Rendimento de um motor

• Relação entre a potência mecânica fornecida pelo motor no eixo virabrequim e a que lhe édisponibilizada pelo combustível. Para um motor a gasolina:– 35% - calor retirado através dos gases de escapamento;– 32% - Calor dissipado pelo sistema de arrefecimento;– 8% - Atritos internos decorrentes do funcionamento do

motor;– 25% - Energia mecânica efetivamente disponível no

volante do motor.

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Relação ar combustível

• Um motor pode, na prática, queimar uma mistura ar combustível com relação entre 8:1 e 20:1 (Rica e pobre, respectivamente).

Sistema de ignição

Sistema de ignição convencional

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Sistema de ignição eletrônica

Funcionamento do sistema DIS

Sistema Twin Spark (2 velas / cilindro)

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Motor Honda i - Dsi

Honda i – DsiIntelligent Dual & Sequential Ignition

• Duas velas opostas diagonalmente para reduzir tempo para combustão completa.

Ordem das centelhas no I-Dsi

• Centelhas são lançadas defasadas;• Tempo de defasagem depende da carga e

rpm do motor.

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Processo de combustão em um motor

Combustão normal

Processo de combustão em um motor

• A queima em motor real não é completa:– Tempo reduzido para a reação entre o combustível e o

oxigênio do ar;– Mistura ar combustível não é formada perfeitamente no

interior da câmara de combustão;– Ar admitido contém outros elementos além do oxigênio;– Variações de carga, rotação, temperatura do ar e do

próprio motor provocam alterações na combustão, com alimentação com misturas fora da razão estequiométrica.

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Problemas na queima

• Detonação

Detonação

• Ocorre quando o aumento da pressão no interior da câmara provoca a geração de combustão em pontos diferentes;

• Gera esforços desordenados no interior do cilindro;

• Provoca ruídos metálicos – batida de pino;

• Em longos períodos gera danos severos ao motor.

Causas da detonação

• Combustível adulterado ou inadequado;• Temperatura do motor ou do ar muito

elevada – superaquecimento;• Sistema de ignição desregulado;• Carbonização no motor;• Taxa de compressão excessiva.

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Causas da detonação

• Uso de dispositivos de detecção de detonação;

• Controle do ponto de ignição.

Pré-ignição

Pré-Ignição

• Também denominada ignição de superfície;• Trata-se de combustão que ocorre antes da

centelha da vela de ignição.• Causada pela presença de ponto quente no

interior da câmara, geralmente carbonização ou velas inadequadas.

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Perdas decorrentes do funcionamento do motor

• Perda de calor para o fluido de arrefecimento;

• Perda de energia pela fricção;• Demora na queima;• Combustão incompleta;• Bombeamento e contrapressão no

escapamento;• Vazamentos.

Perda de calor para o fluido de arrefecimento

• Corresponde a maior parte da perda do calor;

• Perda por radiação pelas paredes do motor corresponde a apenas 10% do total.

Perda de calor para o escapamento

• Parte do calor gerado na queima é perdido através dos gases de escape.

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Demora na queima

• Em um motor real, a propagação da frente de chama oriunda da vela de ignição demora de 40 a 60 graus do virabrequim para se propagar.

Perdas por fricção

Fricção nos pistões e anéis

• Representam quase 50% do total do atrito. Alguns fabricantes utilizam um único anel de compressão.

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Combustíveis

• Os motores de combustão interna podem funcionar com variados tipos de combustíveis – líquidos, gasosos e até mesmo sólidos;

• Tipo de combustível influi não só em vários parâmetros do motor – como eficiência, durabilidade e consumo – como influi em outras especificações do projeto do veículo, em especial no que tange ao armazenamento e sistema de alimentação.

Derivados do petróleo

Octanagem

• Para um máximo aproveitamento da energia do combustível, um motor deve comprimir ao máximo a mistura;

• Essa compressão, no entanto, é limitada à resistência do combustível àauto-ignição.

• Como forma de mensurar essa resistência do combustível é medido o número de octanas do mesmo;

• A octanagem de um combustível é um índice comparativo em relação a uma mistura padrão de dois hidrocarbonetos puros:– Iso-octano - bastante resistente à compressão e que tem o número de

octanas arbitrariamente igual a 100;– Heptano – com reduzida resistência à detonação, tem o número de octanas

designado como 0.

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Métodos de medição da octanagem

• Usa-se um motor específico (CFR -Cooperative Fuel Research);• Método pesquisa (RON) –motor em regime de plena carga e baixas

rotações;• Método motor (MON) – nesse caso, além de trabalhar a plena carga,

são utilizadas rotações elevadas, sendo impostas condições mais severas;

• Método Supercarregado – analisa o combustível de aviação na situação de taxiamento até atingir a velocidade de cruzeiro;

• Método aviação – analisa o combustível de aviação considerando uma situação de velocidade de cruzeiro;

• Método Cetano – utilizado para avaliação do combustível Diesel.• A média aritmética dos métodos pesquisa e Motor (RON e MON) dá

origem a um novo índice, o índice antidetonante, que é o utilizado no Brasil.

Índice de cetana

• Utilizado basicamente para Diesel;

• Da mesma forma que na octanagem, a determinação do índice de cetano é feita por comparação com uma mistura padrão formada por dois hidrocarbonetos:– Cetano – Bastante inflamável, pouco resistente à

compressão;– Alfa-metilo-naftalina – pouco inflamável.

Gasolina

• A gasolina é obtida basicamente através do refino do petróleo. Para melhorar o rendimento térmico do motor, diminuir as emissões de poluentes, aumentar a durabilidade dos componentes mecânicos e corrigir eventuais deficiências do combustível, são adicionados aditivos químicos:– Antidetonantes;– Inibidores de corrosão;– Anticongelantes;– Dispersantes;– Anti-oxidantes;– Corantes

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Gasolina Brasileira

• É única no mundo;• Também conhecida como gasohol, é composta de 76% de gasolina e

24% de etanol (álcool etílico);• A mistura é efetuada pelas companhias distribuidores, que são as

responsáveis pela comercialização final do produto junto aos postos de serviço;

• Desde 1992 a gasolina comercializada no Brasil é isenta de chumbo tetra-etila. O Brasil foi um dos pioneiros a eliminar esse aditivo da gasolina.

• Atualmente são disponíveis três tipos básicos de gasolina:– Gasolina comum - octanagem de 86 (média dos métodos RON/MON);– Gasolina aditivada – possui a mesma octanagem da gasolina comum;– Gasolina Premium – possui octanagem maior (91);

Vantagens do motor a gasolina

• Bom poder calorífico da gasolina, determinando melhor desempenho;

• Baixo nível de ruído e vibrações do motor a gasolina moderno.

Desvantagens do motor a gasolina

• Elevada emissão de poluentes;• Presença de enxofre.

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Programa Pró álcool

• A crise do petróleo da década de 70 e seus elevados preços levaram o Brasil a desenvolver o projeto Proálcool, diminuindo a nossa dependência do petróleo;

• Na década de 70 estudos indicavam que em 1984 a demanda de petróleo mundial iria superar a oferta, com elevação dos preços a níveis catastróficos.

• Em 1973 ocorreu o primeiro estouro no preço internacional do petróleo, sendo que em 1979 o barril superou os 50 dólares;

• Em 1975, o governo brasileiro lançou o Proálcool - Programa Nacional do Álcool.

• O País tinha toda infra-estrutura em terra, clima e tecnologias para implantar um programa de energia renovável.

Vantagens do Álcool Hidratado

• Melhor rendimento – o álcool é um combustível que resiste bem a compressão (octanagem alta em relação à gasolina), permitindo a utilização de motores com taxas de compressão mais elevadas;

• Menor poluição se comparado à gasolina e Diesel.

Desvantagens do Álcool Hidratado

• Alta temperatura de vaporização – isso dificulta sua queima especialmente com o motor frio;

• Baixo poder calorífico – determina um maior consumo de combustível em relação à gasolina;

• Efeitos corrosivos;• Presença de água – a água determina uma queda no

rendimento térmico do combustível, uma vez que ela não participa como fonte de energia durante a queima;

• Viabilidade econômica vulnerável – o proprietário de um veículo a álcool deve ficar atento ao custo-benefício do uso do combustível.

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Diesel

• Combustível originado do Petróleo, proporciona aos motores um elevado rendimento térmico, com conseqüente baixo consumo de combustível;

• Os motores que operam no chamado ciclo Diesel, queimam o combustível por compressão sem o uso de centelha elétrica;

• A compressão fica limitada ao quanto o combustível a suporta, sendo quantificada pelo índice de cetanas do mesmo.

• A elevada compressão de trabalho dos motores Diesel aliada à lentidão do óleo combustível para queimar por completo, gera os problemas característicos dos motores Diesel

Vantagens do Diesel

• Confiabilidade e durabilidade – A robustez dos componentes aliada à ausência de sistema elétrico de ignição, torna o motor Diesel insuperável nesse item;

• Baixo consumo de combustível – argumento maior dos defensores desse tipo de motor, essa característica édecorrente do elevado rendimento térmico;

• Menor vulnerabilidade à água – por praticamente não possuir sistema elétrico, o motor a Diesel pode operar em ambientes bastante úmidos.

Desvantagens do Diesel

• Ruído e vibrações elevados – o Diesel é queimado pela compressão, o que faz com que a queima seja ruidosa;

• Componentes e estrutura pesada;• Faixa de rotações limitada – como a queima é lenta, não é possível

atingir elevadas rotações;• Sistema de injeção de combustível complexo – atualmente a eletrônica

está substituindo gradativamente o sistema mecânico composto por bomba injetora nos motores a Diesel;

• Maior emissão de alguns poluentes – a queima do Diesel resulta em emissões elevadas de hidrocarbonetos através da chamada Fuligem Diesel (a fumaça preta que sai pela descarga);

• Partida a frio difícil em ambientes frios.

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GNV – Gás Natural Veicular

• Encontrado na natureza em reservatórios no subsolo, o uso do gás natural está sendo difundido fortemente no Brasil;

• É composto por uma mistura de hidrocarbonetos gasosos (metano em sua maioria);

• A distância entre os pontos de extração e os pontos de consumo, aliado à dificuldade de transporte, obriga a construção de gasodutos.

Vantagens do GNV

• Reduzido índice de emissões;• Redução na carbonização dos componentes

do motor;• Menor custo do combustível;• Adaptável a veículos a gasolina ou álcool;• Veículo bi-combustível.

Desvantagens do GNV

• Reduzido poder calorífico do gás natural;• Uso do gás necessita de kit de adaptação;• Autonomia limitada – o cilindro de gás não garante uma

autonomia muito grande (geralmente cerca de 200 Km em uso normal);

• Porta-malas – o cilindro ocupa um volume considerável do porta-malas;

• Durabilidade do motor – existem indícios não conclusivos, que o GNV não permite uma adequada refrigeração das válvulas e sedes, provocando redução na vida útil do cabeçote.

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Queima ideal – razão estequiométrica

• Para a gasolina pura são necessários cerca de 15 gramas de ar para cada grama de gasolina a fim de garantir uma queima sem resíduos de ar e hidrocarbonetos não queimados;

• A Gasolina brasileira (gasohol), por conter cerca de 22% de álcool, possui poder calorífero ligeiramente menor, exigindo cerca de 13,8 gramas de ar;

• O álcool hidratado tem uma razão estequiométrica de 9:1, devido à presença de oxigênio na composição desse combustível.

• Os Subprodutos resultantes de uma queima ideal da gasolina são o dióxido de carbono, água e Nitrogênio.

Combustão real

• Gasolina não é pura;• Existem resíduos poluentes e não poluentes;• O PROCONVE – Programa Nacional

Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores – estabelece e controla limites máximos de emissões de gases.

Gases resultantes da combustão em um motor

• Gases não poluentes – representam cerca de 99% dos gases emitidos– Nitrogênio – parte integrante do ar que respiramos, não participa

como fonte de energia na queima – 71%– Vapor d’água – compõe cerca de 9% dos gases de escape;– Dióxido de carbono (CO2) – compõe cerca de 18% dos gases

eliminados. Contribuindo de forma significativa com a elevação da temperatura global;

– Oxigênio e gases inertes – cerca de 1% dos gases do escapamento. Corresponde ao oxigênio não utilizado durante a queima e os demais gases que compõe o ar atmosférico em reduzida quantidade.

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Gases resultantes da combustão em um motor

• Gases poluentes – representam cerca de 1% dos gases emitidos– Monóxido de carbono – inodoro e incolor, o CO é extremamente tóxico,

corresponde à maior parte dos gases nocivos (cerca de 18%);– Óxidos de Nitrogênio – combinados ao vapor d’água, pode formar o ácido

nítrico. Nocivos, são fatores responsáveis pela formação de chuva ácida;– Hidrocarbonetos – correspondem ao combustível não queimado, ou

queimado parcialmente. Além de formarem fuligem, são cancerígenos.– Partículas sólidas – especialmente vistos em motores Diesel, são uns dos

responsáveis pela fumaça preta. Também causam problemas à saúde;– Compostos de enxofre – o enxofre, não totalmente eliminado na produção

da gasolina, pode, combinado ao vapor d’água, se transformam em ácidos;– Aldeídos (CHO) – são voláteis cancerígenos. São gerados através da

queima do álcool puro (etanol) ou do álcool anidro presente à gasolina

Conversor catalítico

Conversor catalítico

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Eficiência do conversor catalítico

Principais reações químicas no conversor catalítico

Componentes do motor de combustão interna

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Bloco do motor

Bloco de cilindros

• Os cilindros são usinados diretamente em um bloco de alumínio ou ferro fundido.

Camisas removíveis

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Bloco de Motor naval

Cárter

• Responsável pelo armazenamento do óleo.

Conjunto móvel e volante do motor

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Pistão e Biela

Biela e virabrequim de motocicleta

Mancais do virabrequim

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Lubrificação dos mancais

Colocação dos casquilhos em motor naval

Folga axial – mancal de encosto

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Lubrificação

Lubrificação

Sistema de arrefecimento a ar

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Motor VW refrigerado a ar

Sistema de arrefecimento líquido

Sistema de arrefecimento líquido

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Cabeçote

Sistema de distribuição

Disposição e posição do comando de válvulas

• OHV – Over head Valve (válvulas no cabeçote)– O comando de válvulasfica instalado no bloco

do motor. Um conjunto de varetas e balancinsaciona as válvulas.

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OHC Over Head Camshaft (Comando de válvulas no cabeçote)

• O comando de válvulas fica no cabeçote e aciona as válvulas– Diretamente

por intermédio

de tuchos

mecânicos

ou hidráulicos.

OHC Over Head Camshaft (Comando de válvulas no cabeçote)

• O comando de válvulas fica no cabeçote e aciona as válvulas– Indiretamente com o uso de balancins convencionais ou

roletados.

DOHC Double Over Head Camshaft (Duplo Comando de válvulas no cabeçote)

• Existem dois comandos de válvulas no cabeçote, sendo que um aciona as válvulas de admissão e outro as de escapamento.

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Mecanismos de acionamento de válvulas

Balancins roletados

• Aumento durabilidade e diminui perdas por atrito e ruído

Balancins roletados

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Polia do comando de um motor naval

Cabeçote com 2 Válvulas por cilindro

Cabeçote 16 Válvulas

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Cabeçote 16 Válvulas

Diagrama de válvulas

GM Corsa 1.8 Flex

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Sistema de admissão de ar

Válvula borboleta

Tamanho do coletor x eficiência volumétrica

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Coletor variável

Coletor variável

Sistema de escapamento

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Silencioso

Motores sobrealimentados

Turbo compressores

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Controle da sobrepressão

Funcionamento do turbocompressor

Controle eletrônico da sobrepressão

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Controle eletrônico da sobrepressão

Turbo de geometria variável - VGT

• Variação da geometria da turbina é realizada por um conjunto de palhetas;

• Promovem uma modificação da incidência dos gases nas pás da turbina modificando rotação da mesma;– Maior pressão em baixos regimes;– Melhor enchimento dos cilindros;– Redução das emissões.

VGT

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VGT em ação

Supercharger

• Uma polia ligada ao motor aciona o compressor;

• Sistema garante sobrepressão desde rotações baixas;

• Compressor utiliza energia do motor para ser acionado;

• Em altas rotações sistema tem rendimento reduzido.

Supercharger

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Supercharger

Supercharger

Supercharger

Corpo de Borboletas com By-pass Integrado

Filtro de Ar

Coletor de Admissão

Supercharger

Ressonador

Intercooler

Motor

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Supercharger

• FORD Fiesta e Ecosport supercharger

Ford ROCAM Supercharger


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Volkswagem Twincharger

• Sistema utilizado no GOLF 1.4 Europeu;

• Combina um turbo compressor e um compressor acionado por correia;– Baixas rotações – supercharger garante sobrepressão;– Rotações intermediárias – turbo + supercharger

fornecem sobressão;– Altas rotações – supercharger é desconectado através

de embreagem eletromagnética.

Volkswagem Twincharger

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Sistema de alimentação

Injeção Diesel

Sistema Common rail

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Sistema Common rail

GNV – Gás natural veicular

Controle eletrônico de motores

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Tempo de Injeção

• Tempo em que o injetor permanece energizado.

Autoadaptação

• Sistema tem a capacidade de memorizar pequenos desvios:– Envelhecimento dos componentes do motor;

– Pequena carbonização;

– Alterações na composição do combustível.

Temperatura do motor

• Com o motor frio, o tempo de injeção é maior

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Aceleração

• Central de comando estabelece enriquecimento da mistura transitório, avaliando:– Abertura da borboleta de aceleração;

– Velocidade de acionamento do acelerador;

– Alterações na vazão de ar admitida e na rotação do motor.

Desaceleração

• Manutenção da mistura próximo da razão estequiométrica;

• Estratégia de dash pot, para conter emissões;

• Manutenção de uma boa dirigibilidade –evitar trancos.

Freio Motor

• Ocorre o corte praticamente total da injeção (cut off). A condição éestabelecida sob as seguintes condições:– Rotação acima de um mínimo

setado (aprox. 1500 rpm);– Velocidade do veículo acima de

um valor mínimo;– Borboleta do acelerador

fechada;– Motor em temperatura

operacional.

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Plena carga

• Mistura é enriquecida para permitir potência máxima;

• Mistura fora da razão estequiométrica;

• Sistema não considera informações do sensor de oxigênio;

• Mistura deve ser controlada para não superaquecer o catalisador.

Controle da marcha lenta

• O sistema controla a rotação mínima do motor.– Temperatura do motor;

– Velocidade do veículo;

– Funcionamento do câmbio automático;

– Cargas de acessórios;

– Tensão da bateria.

Proteção contra rotações excessivas

• Corte dos injetores;• Injeção restabelecida

quando motor atingir rotação não crítica;

• Alguns modelos possuem rotação de corte diferenciada quando câmbio está em neutro;

• Estratégia não impede rotações excesivas durante reduções inadequadas.

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Correção barométrica

• Sensor de pressão absoluta do coletor me de valor da pressão atmosférica:– Motor parado;– Borboleta totalmente aberta.

• Tempo base de injeção écorrigido para adaptar-se a densidades de ar diferentes.

Controle de emissões

• Uso do sensor de oxigênio para avaliar a condição da mistura ar combustível;

• Recirculação dos gases de escapamento – redução do índice de NOx;

• Purga dos vapores de combustível.

Interface com sistema de climatização

• Controle da rotação de marcha lenta;

• Acionamento do compressor do sistema:– Solicitação de potência;– Superaquecimento;– Queda na tensão da

bateria.

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Imobilizador do motor

• Comunicação com chave codificada;

• Corte da injeção e ignição;

• Comunicação com sistema de alarme.

Integração com o câmbio automático

Auto diagnose

• Sistema avalia e desconsidera dados inconsistentes;

• Estratégia de recomposição de sinais;

• Luz de alerta de falha;• Comunicação com

equipamentos de diagnóstico.

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Composição do sistema

• Sistema de combustível;• Sistema de alimentação do ar;• Sensores;• Atuadores;• Sistema de ignição.

Sistema de Injeção de combustível

Sistema multiponto

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Sistema de combustível

Eletroinjetor de combustível

Borboleta com acionamento elétrico – drive by wire

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Medição da quantidade de ar admitida – película aquecida

Sensor de rotação e referência

Controle de emissões

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Sensor de oxigênio - Sonda lambda

Funcionamento do sensor de oxigênio

Circuito fechado de controle da mistura

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Recirculação de gases do cárter

Circuito de recuperação dos vapores de combustível

Circuito do canister

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Recirculação dos gases do cárter - EGR

1 – Válvula EGR2 – Gás expelido3 – Ar admitido4 – Passagem TBI ouCarburador calibrado

Recuperação dos gases com controle eletrônico

Obrigado!

Júlio César Chaves Câmara

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