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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
Funcionamento do motor 2 tempos
• A combustãoprovoca ligeiracompressão namistura admitida.
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Funcionamento do motor 2 tempos
• Ao final da descida do pistão, uma janela de exaustão aberta aomesmo tempo emque a mistura étransferida para a parte superior do cilindro.
Funcionamento do motor 2 tempos
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
Ford ROCAM Supercharger
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Ford ROCAM Supercharger
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