Motores II

O sistema de alimentação de combustível é responsável pela garantia do abastecimento de combustível nos motores, através de seus componentes. Para motores de ciclo Diesel, injetando nos cilindros no momento exato, na quantidade certa, com pressão recomendada e isento de impurezas o combustível. Nos motores de ciclo Otto, a mistura (ar + combustível) é introduzida na câmara de combustão.

O sistema de alimentação de combustível para motores do ciclo Diesel, mostrados na Figura 21, é constituído pelo reservatório de combustível, tubulação de baixa e alta pressão, tubulação de retorno, bomba alimentadora de combustível, filtros, bomba injetora, bicos injetores, dispositivo de avanço, regulador de rotações, etc.

Figura 21 - Circuito do sistema de alimentação de combustível – Diesel (bomba injetora em linha – 6 cilindros e rotativa – 4 cilindros)

O combustível é sugado pelo reservatório ou tanque através da bomba alimentadora e pressionado nos filtros até a bomba injetora. Para isso, deve ser isento de impurezas e umidade. Ao passar pela bomba injetora, esta o envia sob alta pressão, para cada um dos cilindros, no momento exato de injeção. Para garantir o perfeito funcionamento do cilindro, o sistema sempre envia uma quantidade maior de combustível, o que garante a pressão do circuito primário, retornando o excesso ao reservatório (Figura 22) pela tubulação de retorno.

Figura 22 - Tanque ou reservatório de combustível

A manutenção da limpeza periódica e o abastecimento total, mantendo o reservatório sempre cheio, evita a sucção de impurezas menos densas presentes na superfície do líquido e a entrada de vapor de água ou umidade presente no ar ambiente, que é condensado durante a noite quando ocorrem menores temperaturas.

Filtros de combustível são dotados por elementos filtrantes descartáveis e devem reter o máximo possível das impurezas, sem obstruir nem oferecer resistência ao fluxo. Dependendo do tipo de motor, para melhorar a eficiência na filtragem, utilizam-se dois filtros em série, mostrados na Figura 23.

Figura 23 - Esquema de funcionamento dos filtros de combustíveis

Normalmente, são utilizadas as bombas de êmbolo na função de bomba de alimentação de combustível. A bomba de alimentação está diretamente acoplada à bomba injetora, a qual também é acionada pelo excêntrico do eixo de cames. Sua função consiste em aspirar o combustível do reservatório e transportá-lo através de um filtro até a bomba injetora.

Figura 24 - Esquema de funcionamento da bomba de alimentação de combustível

A bomba injetora é um conjunto mecânico complexo cuja função é injetar o combustível no momento e na quantidade exatos para o funcionamento do motor em qualquer rotação ou carga de trabalho.Os tipos mais usuais de bombas injetoras, em função das especificações operacionais dos motores, podem ser bomba injetora em linha, apresentada na Figura 25, as quais possuem um elemento de bombeamento formado por um cilindro e um pistão para cada cilindro do motor.O curso do pistão não é varável.Sendo assim, para que seja possível a modificação do volume de injeção do combustível, são usinadas bordas de controle nos pistões da bomba.O curso desejado é obtido pela regulagem realizada por uma haste móvel.

Figura 25 - Bomba injetora em linha

A quantidade que é requerida de combustível em altas rotações não é compatível com o tempo de injeção. Para a quantidade exata ser entregue, a injeção se inicia adiantada a fim de dar tempo suficiente para formar a mistura ar-combustível. Por esse motivo é que são adotados avanços automáticos.

O dispositivo de avanço automático é um conjunto que permite avançar o ponto de inspeção quando o motor atinge alto giro, compensando o atraso da queima. Para fazer essa variação, ele aproveita a força centrífuga criada por dois pesos montados na engrenagem de acionamento da bomba injetora ou acoplamento de avanço.

Montado na parte da frente da bomba injetora no eixo excêntrico ou na árvore de comando do motor, movido pela engrenagem da árvore de manivelas (virabrequim), o avanço automático é dotado de contrapesos que atuam por intermédio da força centrífuga de modo gradual, dependendo da rotação em que se encontra o motor, sendo que o maior ângulo de avanço é alçando geralmente na máxima rotação do motor.

Os contrapesos (1) vencem a força das molas que transmitem o movimento angular para o eixo torcional (2) apresentados na Figura 26 que, por conseguinte, o move no sentido contrário de giro da árvore de comando, proporcionando o avanço necessário.

Figura 26 - Dispositivo de avanço automático

Figura 27 - Bomba injetora acoplada ao motor – motor 6 cilindros

As bombas injetoras rotativas,se caracterizam por possuir apenas um elemento de bombeamento para todos os cilindros. A elevação de ressaltos na parte inferior do disco de comando da bomba rola sobre os roletes do anel, provocando o movimento do curso.Uma série de componentes de adequação e regulagem automática permite o processamento mecânico de outras informações para o controle do débito, avanço, regulagem de rotação e partida.

As bombas rotativas ou distribuidoras são bombas que têm requerimentos de tolerância e especificação estritas demais para que seja possível se obterem as características de injeção desejadas.

O desenho, o conceito e a aparência são totalmente diferentes das conhecidas bombas em linha. Isso ocorre, principalmente, porque utiliza somente um pistão para os diversos cilindros do motor e, através de um só orifício, faz o controle da injeção em cada cilindro. São aplicadas aos motores menores, até 4 cilindros.

Figura 28 - Bomba distribuidora rotativa

O conjunto de pistões é movido por um eixo excêntrico que é acionado pelo motor. O retorno dos pistões se dá por meio de molas. Os ressaltos do eixo excêntrico se movem contra a força das molas, forçando o movimento ascendente dos pistões-bomba.Dessa maneira, ocorre a elevação de pressão dentro da tubulação de combustível,fazendo com que vença a pressão do combustível e vença a força da mola de ajuste da pressão de abertura dos bicos injetores,pulverizando ou atomizando o combustível dentro da câmara de combustão.

Os tubos de alta pressão são calibrados para conduzir o combustível da bomba injetora aos bicos injetores. Esses tubos apresentam paredes espessas para suportar as altas pressões promovidas pelo sistema de injeção.

Figura 29 - Detalhe da posição da tubulação de alta pressão – motor Diesel 6 cilindros

De forma geral,se define combustão como uma reação química entre duas substâncias chamadas combustível e comburente, que ocorrem em alta velocidade e alta temperatura, onde se dá uma intensa liberação de calor com a emissão simultânea de luz, na maior parte das vezes, dependendo,entre outros fatores, do tipo de combustível.Geralmente, o comburente utilizado é o oxigênio do ar atmosférico.

Na prática, se costuma fazer distinção entre duas formas básicas de reação de combustão.Se diz que a combustão é completa quando o combustível se queima em sua totalidade,ou seja , os reagentes são levados ao seu grau de oxidação máxima durante a formação de um produto final.

Nos motores de combustão interna, a diferença fundamental entre a Ignição por Centelha (ICE) e a Ignição por Compressão (ICO) não faz referência sobre o tipo de combustão que ocorre e sobre como esse processo é idealizado nos ciclos Otto e Diesel respectivamente.

O processo de combustão não acontece em um volume constante (Otto) e nem à pressão constante (Diesel). A diferença entre os dois processos de combustão é que os motores com ignição por centelha normalmente possuem seus reagentes pré-misturados, enquanto nas máquinas de ignição por compressão, os reagentes são misturados já na combustão.

Com a combustão de reagentes pré-misturados, a mistura ar/combustível deve ser sempre estequiométrica (quimicamente correta) para uma ignição e combustão correta. Para o controle da potência de saída dos motores ICE é regulada reduzindo-se a massa de combustível e/ou ar na câmara, reduzindo a eficiência do ciclo.Ao contrário, para motores ICO, onde ocorre a injeção do combustível, a mistura somente é estequiométrica na frente de chama. A saída de potência pode, então, ser controlada por variação do controle da quantidade de combustível injetado. Isso colabora para economia de combustível superior.

Figura 30 - Ação do bico injetor

A combustão nos motores de ciclo Diesel, ocorre pelo processo de injeção, onde o gás de combustão aspirado ou induzido sob pressão é comprimido a elevadas temperaturas (500 a 600ºC) que promove a autoignição.A combustão não acontece de maneira uniforme.A injeção acontece durante o deslocamento do pistão ao PMS, no tempo de compressão.A uniformidade ou melhor condição de combustão somente irá acontecer quando a a mistura entre o combustível e o ar se apresenta em quantidades e temperaturas ideais.

O ponto crítico que é mais importante é a formação da mistura mediante a injeção do combustível diretamente antes e durante a autoignição e combustão na carga de ar fortemente comprimida.

Nas relações de injeção, o elemento injetor é a peça pela qual o combustível chega até a câmara de combustão. Com pequenos orifícios calibrados, pulveriza ou atomiza o combustível para facilitar o processo de combustão. A direção e o ângulo formado pelos jatos são determinados pela posição dos orifícios do injetor.

Nas Figuras 31 e 32, apresentam-se os tipos de bico injetor com suas peculiaridades.

Figura  31 - Bicos injetores de duplo estágio

Figura 32 - Bico injetor convencional

As grandes exigências de redução de consumo de combustível, tendo em vista menores índices de poluição e funcionamento mais silencioso dos motores Diesel, não são garantidos nos processos de injeção mecânica. No sistema de injeção eletrônica, a geração de pressão e a injeção de combustível são separadas, o que signifi ca que a bomba gera a alta pressão que está disponível para todos os injetores através de um tubo distribuidor comum.

Essa pressão pode ser controlada independentemente da rotação do motor. A pressão do combustível, início e fi m da injeção, são precisamente calculados pela unidade de comando a partir de informações obtidas dos diversos sensores instalados no motor, o que proporciona excelente desempenho, baixo ruído e mínima emissão de gases poluentes.

A injeção direta Common Rail (CRS) comparada à injeção direta mecânica convencional é um método mais moderno. O combustível é armazenado num acumulador, chamado Rail, sob alta pressão de combustível. Assim, a pressão de injeção já está pronta, à disposição, ao iniciar a injeção.A injeção direta Common Rail (CRS) comparada à injeção direta mecânica convencional é um método mais moderno. O combustível é armazenado num acumulador, chamado Rail, sob alta pressão de combustível. Assim, a pressão de injeção já está pronta, à disposição, ao iniciar a injeção.

Figura 33 - Sistema Common Rail de injeção

As vantagens mais importantes da injeção eletrônica Common Rail são relativas ao ruído de funcionamento do motor. Devido à pré-injeção, é menos dura do que na injeção tradicional, e o rendimento é nitidamente mais alto que na injeção em antecâmara (injeção indireta). Com isso, produz-se também uma maior rentabilidade, assim como uma carga menor de material poluente no meio ambiente.

Motores Diesel com sistemas Common Rail satisfazem as normas de emissão dos gases de escape atualmente em vigor e têm, também, o potencial para satisfazer normas futuras.

Esse sistema possui, comparativamente, poucas peças móveis, porque todos os processos de comando e regulação ocorrem de forma eletrônica. Isso prolonga a vida útil do sistema.

Figura 34 - Sistema de injeção Bosch

Figura 35 - Circuito de combustível CRS

Os motores com gerenciamento eletrônico visam, sobretudo, alcançar níveis menores de emissão de poluentes, atendendo às leis nacionais e internacionais de preservação ambiental; mecânica mais simples, aliando os benefícios da nova tecnologia de controle de injeção, com redução de custos.

Os motores com gerenciamento eletrônico funcionam com um sistema de alimentação de combustível controlado eletronicamente.

O mecanismo básico de injeção é conhecido como sistema bomba-tubo-bico e consiste numa unidade injetora por cilindro, interligada ao bico injetor, através de uma pequena tubulação de alta pressão (Figura 36). Os elementos alojados na unidade injetora-injetor, câmaras de pressão, descarga de combustível, válvula de controle de vazão e eletroímã de acionamento – são responsáveis pelo aumento da pressão e controle do volume de injeção de combustível que é conduzido ao bico e distribuído, de forma atomizada, na câmara de combustão.

Figura 36 - Unidade injetora de combustível

A tecnologia flex fuel, que permite um motor operar com dois tipos de combustível (álcool e gasolina), equipa grande parte dos veículos brasileiros lançados recentemente. Entretanto, nova tecnologia está surgindo: o sistema tricombustível que associa o conceito flex fuel ao gás natural veicular (GNV).

A principal vantagem do sistema tricombustível é sua versatilidade: pode-se escolher pelo uso de três combustíveis diferentes. Outro ponto importante está na economia proporcionada pelo sistema a gás. Motores movidos a gás gasta, por quilômetro rodado, 60% a menos do que um a gasolina e 45% a menos do que um a álcool.

Diferentemente do flex fuel, que possibilita a mistura de dois combustíveis, o sistema tricombustível pode funcionar de quatro formas: alimentado só por gás natural, só por álcool, só por gasolina ou por uma mistura de álcool/gasolina. É o condutor quem escolhe o tipo de combustível: a partir de uma tecla no painel, ele faz a opção por um dois sistemas (gás ou gasolina/álcool)

Outra vantagem do sistema tricombustível está em sua maior autonomia em relação aos sistemas atuais. Por estar equipado com dois tanques de combustível, um para gás e outro para álcool/gasolina, ele permite que o automóvel rode uma distância maior, sem que haja necessidade de abastecimento.

Além disso, em caso de o gás acabar, o sistema faz automaticamente a mudança para a alimentação álcool/combustível – passando a funcionar como um veículo flex fuel normal. O contrário também acontece: se o combustível líquido acabar, o gás natural é acionado.

A perda de rendimento da gasolina para o gás natural veicular se explica, principalmente, pela incompatibilidade entre taxa de compressão e octanagem dos dois combustíveis. Se aplicar turbocompressor no motor a turbina, consegue-se quase anular esse problema de perda de potência, porém encarece o produto.

Além disso, o sistema tricombustível avaliado tem como um dos seus principais benefícios potencializar a diminuição de emissão de poluentes na atmosfera – pois quando comparado à gasolina, o GNV apresenta menor emissão de hidrocarbonetos (HC), monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio (NO), além de reduzir a emissão de dióxido de carbono (CO2) responsável pelo efeito estufa em aproximadamente 25%.

O Sistema de arrefecimento tem por objetivo impedir que os elementos mecânicos do motor atinjam uma temperatura muito elevada ao contato com os gases da combustão, ou seja, controlar a temperatura ideal dentro da faixa de operação do motor.

Os processos de transmissão de calor ocorrem em função das leis da termodinâmica, ciência a qual define as transformações do calor e do trabalho mecânico e o estudo das leis às quais obedecem os gases durante suas evoluções desde sua entrada no cilindro até sua saída para a atmosfera. Especificamente no caso dos motores de combustão interna, os gases são comprimidos, queimados, dilatados e expandidos sob o efeito da temperatura ou de um trabalho mecânico.

Para os motores ditos térmicos que transformam a energia calorífica dos combustíveis ou carburantes em energia mecânica absorvida pela árvore de manivelas, esta transformação é obtida pela mudança de estado, vaporização; de volume, compressão; de temperatura, combustão. Para tanto, os processos de transmissão de calor podem ser:

a) Condução:É o processo de transferência de calor por meio de movimento molecular através dos sólidos e dos fluidos em repouso. Esse é o mecanismo pelo qual o calor flui através da estrutura do motor.

Figura 37 - Transmissão de calor por condução

Onde: T1 e T2 – gradiente de temperatura
q”– taxa de transferência de calor

b) Radiação: É o processo de transmissão de calor através do espaço. Ele tem lugar não apenas no vácuo, mas, também, através de sólidos e fluidos transparentes aos comprimentos de onda na faixa espectral visível e infravermelha. Uma pequena parte do calor transmitido para as paredes dos cilindros pelos gases quentes flui por esse processo.

Figura 38 - Transmissão de calor por radiação

Onde: T1 e T2 – gradiente de temperatura

c) Convecção: é o processo de transmissão de calor através dos fluidos em movimento, e entre um fluido e uma superfície sólida com movimento relativo. Esse tipo de transmissão de calor envolve a condução e o movimento do fluido.

Convecção natural: é a expressão usada quando o movimento do fluido se dá devido às diferenças de densidade em um campo gravitacional.

Convecção forçada: é a expressão usada para indicar o processo de transmissão de calor entre o fluido e uma superfície sólida com movimento relativo, quando ele é provocado por forças que não decorrem da gravidade. A maior quantidade de calor que flui entre o fluido de trabalho e as peças do motor, e entre estas e o fluido de refrigeração é transmitida por este processo.

FIgura 39: Transmissão de calor por convecção

Onde: TS e T∞ – gradiente de temperatura
q” – taxa de transferência de calor

A manutenção da temperatura ideal de trabalho evita o desgaste, detonação da mistura. As folgas adequadas e a viscosidade do lubrificante são responsabilidade do sistema de refrigeração.A perda de calor do sistema durante os cursos de compressão e expansão contribui para redução em potência e eficiência, até cerca de 10% da potência e da eficiência do ciclo equivalente de ar/combustível.

Um motor moderno, em geral, aproveita aproximadamente 30% da energia do combustível para seu movimento. Os demais 70% são eliminados pelo calor. Esses valores podem variar em função de o motor apresentar uma versão equipada ou não com turboalimentador e ar pós-arrefecido.Na figura 40 apresentamos o circuito do sistema de arrefecimento de um motor.

Figura 40 - Circuito do sistema de arrefecimento do motor

Além do calor transmitido do fluido de trabalho durante os cursos de compressão e expansão, uma parcela ponderável é transmitida para a estrutura do cilindro e, consequentemente, para o meio refrigerante, durante o processo de descarga, além do atrito provocado pelo pistão que também constitui uma fonte de fluxo de calor. Assim, o fluxo total de calor no sistema de refrigeração é muito maior do que o fluxo de calor dos gases durante o ciclo de trabalho.

O sistema de arrefecimento é o responsável pela troca de calor do motor com o meio ambiente, regulando sua temperatura de trabalho, conforme a Figura 41.O calor é transmitido ao fluido de arrefecimento que circula no bloco e cabeçote do motor e, posteriormente, dissipado para o ambiente ao passar pelo radiador.

Um bom sistema de arrefecimento garante trabalho motor na faixa ideal de funcionamento, permitindo maior vida aos componentes internos e reduzindo consumo de combustível.

O processo de refrigeração envolve o fluxo de calor dos gases, sempre que a temperatura destes excede à da parede do cilindro. O atrito gerado pelas partes móveis do motor também é uma fonte geradora do fluxo de calor para as diversas partes do motor. O atrito mecânico eleva a temperatura do lubrificante e das partes envolvidas, resultando em fluxo de calor para as partes vizinhas ao resfriador e de lá para o fluido refrigerante.

As perdas de calor, direta e por atrito, reduzem a potência disponível e a eficiência do motor. O estudo das perdas de calor no motor é importante não apenas do ponto de vista da eficiência, mas também para o projeto do sistema de refrigeração e, talvez, por uma razão ainda mais forte como o entendimento do efeito do fluxo de calor sobre as temperaturas de operação dos componentes do motor.

Os motores de combustão transformam em trabalho útil, somente uma pequena parte (35%) da energia total liberada pela queima do combustível (Figura 41).

Os gases quentes da combustão aquecem, principalmente, o bloco do motor e saem em parte sem ser aproveitados pelo coletor de escapamento. O excesso de calor gerado pela queima do combustível no interior do motor é levado para o radiador pelo líquido do sistema de arrefecimento.

O sistema de arrefecimento tem como função garantir que a temperatura de serviço no interior do motor nunca ultrapasse um valor predeterminado, a fim de evitar o superaquecimento das peças e dos lubrificantes.

Figura 41 - Esquema do balanço térmico de um motor Diesel