PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

Engenharia Mecânica Ênfase Em Mecatrônica

Laboratório de Máquinas TérmicasMotores Ciclo Otto e Ciclo Diesel

André Câmara Miranda Oliveira

Belo Horizonte, 10 de setembro de 2010

SumárioLaboratório de Máquinas Térmicas.......................................................................................1

Motores Ciclo Otto e Ciclo Diesel......................................................................................1

Sumário.................................................................................................................................2

Lista de Figuras......................................................................................................................3

1. Introdução....................................................................................................................4

2. Carburador...................................................................................................................5

2.1. Funções do carburador.........................................................................................6

3. Desenvolvimento..........................................................................................................6

3.1. Sistemas auxiliares do carburador elementar.......................................................8

3.1.1. Sistema auxiliar de marcha lenta e progressão.............................................9

3.1.2. Sistema auxiliar de faixa econômica.............................................................9

3.1.3. Sistema auxiliar de máxima potência (com válvula de máxima).................10

3.1.4. Sistema auxiliar de máxima potência (suplementar aerodinâmico)...........11

3.1.5. Sistema auxiliar de acelerações rápidas......................................................12

3.1.6. Sistema auxiliar de partida a frio (afogador)...............................................12

3.1.7. Carburador completo..................................................................................13

4. Comparação com a injeção eletrônica........................................................................14

4.1. Vantagens...........................................................................................................14

4.2. Desvantagens......................................................................................................14

5. Referencias Bibliográficas...........................................................................................16

Lista de FigurasFigura 1 - Carburador e suas partes.......................................................................................5

Figura 2 - Esquema do difusor...............................................................................................7

Figura 3 - Curva característica de necessidades do motor ( Motor de ignição por faísca).....7

Figura 4 - Sistema auxiliar de marcha lenta e progressão......................................................9

Figura 5 - Sistema auxiliar de faixa econômica....................................................................10

Figura 6 - Sistema auxiliar de máxima potência com diafragma..........................................11

Figura 7 - Sistema auxiliar de máxima potência (suplementar aerodinâmico)....................11

Figura 8 - Sistema auxiliar de acelerações rápidas..............................................................12

Figura 9 - Sistema auxiliar de partida a frio (afogador)........................................................13

Figura 10 - Carburador completo........................................................................................13

Figura 11 - Desenho técnico do carburador........................................................................14

1. Introdução

Requisitos de mistura. Em geral, a ótima razão ar/combustível com determinada velocidade do motor consiste naquela em que se consegue o conjugado desejado, ou pressão média efetiva no freio, com o menor consumo de combustível consistente com a operação normal e confiável. Essa ótima razão A/C não é constante, mas depende de muitos fatores.

Os requisitos de mistura para a partida e aquecimento o motor necessitará geralmente de mistura anormalmente ricas no dispositivo de alimentação, seja o carburador ou um sistema de injeção, afim de assegurar a mistura de queima nos cilindros. Assim, o sistema de alimentação deve estar apto a fornecer misturas muito ricas na partida e a razão A/C deve ser progressivamente reduzida a partir desse ponto, durante o período de aquecimento, até o motor funcionar satisfatoriamente com razões A/C normais de operação permanente.

O termo “aceleração”, com relação aos motores, é geralmente usado para caracterizar um aumento na velocidade do motor, resultante da abertura da válvula. O propósito imediato da abertura da válvula de aceleração, entretanto, é assegurar um aumento do conjugado, e dependerá da natureza da carga o aumento subseqüente na velocidade. Nos motores com carburador que usam combustível líquido, o processo de aceleração é complicado pela presença do combustível não evaporado no coletor de admissão. A investigação mostra que, durante a operação permanente normal com gasolina (ou álcool), o coletor de admissão contém uma grande quantidade de combustível líquido que adere à parede do coletor e escorre ao longo das mesmas até o cilindro, com uma velocidade bastante baixa comparada a do resto da mistura, que consiste em ar, vapor de combustível e gotículas entranhadas de combustível. Nas condições permanentes de operação com determinada velocidade, a quantidade de líquido contida no coletor, em qualquer momento, torna-se maior com o aumento da pressão no coletor. A principal razão para que altas pressões no coletor resultem em grandes quantidades de líquido deve-se ao fluxo de combustível aumentar com o aumento da densidade do ar, e a evaporação é mais lenta quando aumenta a pressão total.

Quando a válvula está aberta para aceleração, aumentando a pressão no coletor, deve ser fornecido combustível para aumentar o conteúdo de líquido do coletor. Se o carburador fornece uma razão A/C constante, a razão que atinge o coletor está diminuirá durante o período em que o conteúdo de líquido está aumentando. Com a instantânea abertura da válvula de aceleração, a resultante redução na razão Ar/Combustível recebida pelos cilindros pode ser tal que venha a ocorrer má queima retrocesso de chama, ou mesmo completa parada do motor.

Para evitar uma mistura anormalmente pobre nos cilindros, resultante de rápidas aberturas da válvula de aceleração, é usualmente necessário aumentar a relação de suprimento pela injeção no coletor de uma quantidade de combustível conhecida como carga de aceleração. A injeção dessa carga deve ocorrer simultaneamente com a abertura da válvula. A ótima quantidade de carga de aceleração é aquela que resultará na razão A/C para melhor potência nos cilindros. Em geral, essa quantidade varia com a velocidade do motor e com a posição da válvula no início da aceleração, com a volatilidade do combustível, temperatura da

mistura, e velocidade de abertura da válvula. Dessa forma, os carburadores são projetados para fornecer a quantidade necessária nas condições mais difíceis e, quando esta quantidade é muito grande, o erro será do lado rico da mistura de melhor potência, onde o sacrifício em potência é pequeno. Como a abertura parcial ou lenta da válvula de aceleração necessita de quantidade de mistura inferior à de completa aceleração, essa quantidade é usualmente tomada como proporcional à razão de abertura da válvula e do ângulo correspondente ao movimento da válvula.

2. Carburador

O carburador é um componente mecânico responsável pela alimentação de um motor a combustão interna. Ele é responsável pela mistura do ar com o combustível e sua dosagem em motores de combustão interna, seu funcionamento é totalmente mecânico. O ar aspirado pelo pistão passa em alta velocidade pelo difusor (um estreitamento de passagem) arrastando uma porção de gasolina da cuba. A borboleta (instalada na base do carburador) que é ligada directamente ao pedal do acelerador dosa a quantidade de mistura que o motor precisa aspirar. Por esta dosagem, ele determina o número de rotações por minuto.

Componente extinto nos projetos dos carros mais modernos, substituído por uma nova tecnologia que cumpre sua função: a injecção electrónica. O seu uso agora restringe-se a competições, instalado em carros de alto desempenho ou ainda na fabricação de motos, sendo aos poucos substituído pela injecção eletrônica.

Figura 1 - Carburador e suas partes

2.1.Funções do carburador

A função principal de um carburador é a de fornecer ao motor a mistura ar/combustível finamente pulverizada em proporção exata, de modo que se possa obter a mais perfeita combustão possível.

Essa função principal pode ser divida em quatro sub-funções distintas:

o Dosar a quantidade de combustível;

o Dosar a quantidade de ar aspirado;

o Misturar o combustível com o ar em proporção exata;

o Pulverizar a mistura ar/combustível

Essa função é de suma importância para o sistema, pois sem ela, a combustão seria imperfeita, gerando baixo rendimento, alto consumo e níveis descontrolados de poluentes, como o HC (hidrocarbonetos), CO (monóxido de carbono) e NOx (óxidos de nitrogênio).

A proporção exata da mistura ar/combustível é chamada de relação ideal ou estequiométrica e depende do tipo de combustível empregado. Para os motores a gasolina, essa proporção é de aproximadamente 15: 1 (quinze quilogramas de ar para um quilograma de gasolina) e de aproximadamente 9: 1 (nove quilogramas de ar para um quilograma de álcool). A relação estequiométrica é indicado por: = 1

3. Desenvolvimento

A depressão originada nos cilindros, quando os pistões descem no tempo de admissão, aspira o ar para os cilindros. Este atravessa o carburador, sendo a sua quantidade regulada por uma válvula rotativa, designada por borboleta, que se abre ou fecha-se, conforme a posição do acelerador.

A quantidade de ar aspirado depende da rotação do motor e da posição da borboleta. A função do carburador consiste em assegurar que à corrente de ar se junte a um determinado volume de gasolina para que chegue aos cilindros uma mistura correta.

A gasolina, proveniente da cuba de nível constante, se junta à corrente de ar em uma passagem estreita denominada difusor, ou cone de Venturi, cujo funcionamento se baseia no princípio de que a pressão de uma corrente de ar diminui quando a sua velocidade aumenta. Quando o ar passa através do estrangulamento do difusor, a sua velocidade aumenta, sendo precisamente nessa zona de baixas pressões que a gasolina é aspirada pela corrente de ar. O fluxo do ar será o máximo quando o motor trabalhar à velocidade máxima, com a borboleta completamente aberta. Quanto maior a velocidade do ar que passa pelo difusor, maior será a aspiração de gasolina.

Figura 2 - Esquema do difusor

Na prática, um carburador, tão simples como o acima descrito, não seria satisfatório, pois a gasolina e o ar não têm as mesmas características de fluxo. Enquanto a densidade do ar diminui à medida que a velocidade do seu fluxo aumenta, a densidade da gasolina mantém-se constante qualquer que seja a velocidade do seu fluxo. Como a mistura gasosa, para ter uma combustão eficiente, deve forma-se em relação ao seu peso, numa proporção aproximada de 15:1 e, dado que aumentando a velocidade do ar, diminuiria a sua densidade, a mistura iriaenriquecendo progressivamente, podendo tornar-se tão rica que não chegaria a inflamar-se.

Figura 3 - Curva característica de necessidades do motor ( Motor de ignição por faísca)

Existem dois processos para solucionar este problema; num carburador de difusor ejatos fixos, um certo volume de ar mistura-se com a gasolina antes de esta passar para o difusor através de um conjunto de tubos emulsionadores (ou de compensadores).

Já num carburador de difusor e jatos variáveis, podem variar-se a quantidade de gasolina debitada pelo pulverizador, bem como as dimensões do difusor para manter as corretas proporções de ar e gasolina.

A gasolina na cuba de nível constante do carburador mantém-se sempre ao mesmonível, graças a uma válvula acionada pela bóia. A extremidade do condutor de gasolina que desemboca no difusor deve ficar mais alta que o nível da gasolina na cuba de nível constante para evitar á saída de combustível quando o automóvel se inclina como acontece, por exemplo, numa subida ou descida. Isto quer dizer que a gasolina tem de subir ligeiramente – cerca de 6mm – antes de se misturar com o fluxo do ar no difusor. A sucção criada pela depressão é suficiente para elevar a gasolina acima do pulverizador e para introduzi-la no difusor sob forma de pequenas gotas.

Além de aspirar gasolina e o ar, o sistema de carburação deve também pulverizar a gasolina, misturá-la perfeitamente com o ar e distribuir a mistura de maneira uniforme pelos cilindros. A gasolina apresenta-se já sob a forma de pequenas gotas quando entra no difusor.

Um carburador de difusor e jatos fixos é prévia e parcialmente emulsionada com o ar;

Já num carburador de difusor e jatos variáveis a divisão em pequenas gotas ocorre no difusor e é provocada pela velocidade da corrente de ar.

Quando a mistura gasosa passa pela borboleta, penetra no coletor por influência da depressão resultante da sucção do pistão, tendo início a vaporização das gotículas de gasolina.

Velocidade da vaporização depende do valor da depressão no coletor de admissão que, por si, depende da rotação do motor e da posição da borboleta. A grande velocidade, quando a borboleta se encontra totalmente aberta, a depressão poderá ser de valor tão baixo que grande parte da gasolina permanecerá em estado líquido e será transportada pelo ar ou escorrerá ao longo das paredes do coletor. À velocidade de cruzeiro, com a borboleta arcialmente fechada, a depressão aumenta pelo que a maior parte da gasolina ficará vaporizada. Nos motores em que existe um carburador para cada cilindro, o fato da mistura se encontrarparcialmente no estado líquido é irrelevante, pois esta irá vaporizar-se na câmara de explosão pela ação do calor. Porém, quando só um carburador alimenta vários cilindros, a distribuição uniforme é fundamental, mas difícil se a mistura estiver úmida. Elevando a temperatura do coletor de admissão por meio de um “ponto quente”, aquecido pelos gases de escapamento ou por água, consegue-se uma melhor vaporização da gasolina e, portanto, uma distribuição mais uniforme da mistura.

3.1.Sistemas auxiliares do carburador elementar

Para que o carburador elementar atenda as necessidades do motor, ele deverá ser equipado, no mínimo, com os seguintes sistemas auxiliares.

Marcha - lenta e progressão;

Acelerações rápidas;

Faixa econômica;

Partida a frio;

Máxima potência;

3.1.1. Sistema auxiliar de marcha lenta e progressão

Quando a borboleta aceleradora encontra-se praticamente fechada, abaixo dela, Existe um vácuo muito grande, que vai aspirar mistura pelo orifício (1). O Combustível é dosado pelo gicleur (2) e o ar é dosado Pelo gicleur (3), Proporcionando uma mistura muito rica. A vazão dessa mistura é dosada pela válvula de agulha (4), que permite a regulagem da emissão de CO pelo escapamento na condição de “marcha - lenta”. Quando a borboleta aceleradora for aberta, haverá um aumento na vazão de ar pelo sistema principal do carburador, provocando um empobrecimento excessivo. Para evitar que isso aconteça, existem os chamados furos de progressão (5), que permitem entrada de mistura rica junto com o ar, provocando um empobrecimento progressivo na passagem das baixas para as médias cargas.

Figura 4 - Sistema auxiliar de marcha lenta e progressão

3.1.2. Sistema auxiliar de faixa econômica

Também chamado de sistema de correção em cargas médias. Com o aumento da abertura da borboleta, a tendência é que a mistura fique cada vez mais rica. Este sistema tem como função evitar este enriquecimento. Quando o combustível é aspirado pelo Venturi, um tubo misturador (1) com uma série de orifícios permite a entrada de ar, dosado pelo gicleur (2), junto com o combustível, fazendo com que a mistura final fique pobre.

Figura 5 - Sistema auxiliar de faixa econômica

3.1.3. Sistema auxiliar de máxima potência (com válvula de máxima)

Para que o motor possa atingir máxima potência, a mistura deve ser rica. No sistema da figura com a borboleta aceleradora fechada, a câmara (1) fica sujeita a um elevado vácuo, fazendo com que a válvula de diafragma (2) se feche. Com a borboleta próxima da abertura total o vácuo na câmara diminui, fazendo com que a mola abra a válvula, permitindo que uma quantidade extra de combustível seja enviada para o sistema principal, enriquecendo a mistura.

Figura 6 - Sistema auxiliar de máxima potência com diafragma

3.1.4. Sistema auxiliar de máxima potência (suplementar aerodinâmico)

No sistema da figura, coma borboleta próximo da abertura total, a sucção causada no tubo (1) faz com que por ele seja arrastada uma quantidade extra de combustível, enriquecendo a mistura.

Figura 7 - Sistema auxiliar de máxima potência (suplementar aerodinâmico)

3.1.5. Sistema auxiliar de acelerações rápidas

Para evitar que a mistura se empobreça bruscamente c om uma abertura muito rápida da borboleta aceleradora, o sistema da figura mostra que ao se mover à borboleta no sentido da abertura, o diafragma (2) é comprimido pelo mecanismo, fazendo com que a pressão na câmara (2) aumente, fechando a válvula (5) e abrindo a válvula (4), permitindo que uma grande quantidade de combustível seja jogada no sistema principal através do injetor (3). Ao se mover à borboleta no sentido do fechamento, a mola nove o diafragma, fazendo com que a pressão na câmara (2) diminua, fechando a válvula (4) e abrindo a válvula (5), permitindo a entrada do combustível na câmara.

Figura 8 - Sistema auxiliar de acelerações rápidas

3.1.6. Sistema auxiliar de partida a frio (afogador)

Através de um mecanismo se fecha a borboleta (1), não permitindo a entrada de ar e ao mesmo tempo abre-se, um pouco, a borboleta aceleradora (2), permitindo que a sucção provocada pelo funcionamento do motor, acionado pelo motor de partida, arraste uma certa quantidade de combustível pelo sistema principal enriquecendo bastante a mistura, fazendo com que o motor entre logo em funcionamento.

Figura 9 - Sistema auxiliar de partida a frio (afogador)

3.1.7. Carburador completo

Figura 10 - Carburador completo

Figura 11 - Desenho técnico do carburador

4. Comparação com a injeção eletrônica

4.1.Vantagens

serve para parte elétrica e é um sistema de alimentação mais simples já que o combustível é "arrastado" pelo ar para dentro do motor.

Sua manutenção em raros casos é mais simples, porém para se fazer um serviço correto deve-se usar muito mais ferramentas, calibradores, manuais e tabelas.

Por ser um dispositivo simples, sua construção é barata comparando-se a sistemas de injeção eletrônica de combustível.

Pelo fato de serem sistemas simples, os carburadores também são mais leves e compactos em geral que sistemas de injeção eletrônica de combustível. Isto viabiliza seu uso em ferramentas como por exemplo em cortadores de grama, moto-serras e pequenos barcos onde o mais importante é o menor peso e preço.

4.2.Desvantagens

Como não utiliza nenhum sensor o carburador não tem capacidade de se adaptar com perfeição a todas as condições de uso a que é submetido. Devido a isto o carburador nunca conseguirá ter uma eficiência tão boa ou melhor que um sistema moderno de injeção eletrônica.

Devido ao princípio de funcionamento do carburador ser o de acelerar o ar para que este arraste o combustível para dentro do motor isto cria um gargalo para o motor. Isto

somado ao fato do carburador nunca conseguir a melhor relação ar/combustível faz com que a potência desenvolvida nunca seja a máxima para aquele motor comparando-se a sistemas modernos de injeção de combustível.

O carburador não utilizando sensores não é auto-adaptativo. Sendo assim não pode usar diversos tipos de combustíveis como as injeções eletrônicas "flex".

Com as regulamentações atuais no que concerne a emissões este dispositivo de formação de mistura não atende mais nenhum valor permitido pelos órgãos regulamentadores.

Por se tratarem de sistemas mecânicos os carburadores estão muito mais sujeitos a defeitos que injeções eletrônicas modernas. Qualquer imperfeição no combustível, como sujeira na forma de partículas sólidas, ou sólidos no ar admitido, podem facilmente obstruir um carburador e torná-lo inútil até sua limpeza.

5. Referencias Bibliográficas

Rahde, Sérgio Barbosa, “Motores De Combustão Interna”, puc - dept. Engenharia mecânica.

De volta ao carburador, disponível em: http://www.omecanico.com.br/modules/revista.php?recid=186&edid=18. Acessado em 10 de setembro de 2010.

Junior, Durval Piza De Oliveira, “Motores De Combustão Interna“, Piracicaba, fevereiro de 1997.

Carburador, disponivel em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Carburador. Acessado em 9 de Setembro de 2010.