7. sistema elÉtrico e sistema de igniÇÃo · o sistema elétrico do automóvel converte energia...

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Motores a Combustão Interna Prof. Fernando Porto Curso Eng. Mecânica - UNITAU

7. SISTEMA ELÉTRICO E SISTEMA DE IGNIÇÃO O sistema elétrico do automóvel converte energia mecânica em energia elétrica, da qual tem capacidade para armazenar uma parcela e ainda alimentar faróis, luzes internas, luzes de sinalização, painel e outros mais componentes do veículo, incluindo o motor. Já o sistema de ignição é responsável por fornecer energia à vela de ignição e deste modo iniciar e manter o motor em funcionamento. Como o sistema elétrico provê energia ao sistema de ignição, foi julgado adequado apresentar neste capítulo tanto o sistema de ignição como os componentes do sistema elétrico que são compartilhados. 7.1. COMPONENTES DO SISTEMA ELÉTRICO COMPARTILHADOS COM O SISTEMA DE IGNIÇÃO 7.1.1. BATERIAS Se duas placas de chumbo forem dispostas em uma solução fraca de ácido sulfúrico em água (eletrólito), e as placas ligadas a uma fonte de eletricidade adequada, uma corrente elétrica será transmitida através do eletrólito, de uma placa para a outra. Após algum tempo, uma das placas se torna eletricamente positiva e adquire uma cor marrom, enquanto que a outra se torna eletricamente negativa e sua cor permanece inalterada, desenvolvendo assim uma diferença no potencial elétrico, causando uma força elétrica (força eletromotriz) que pode ser medida em volts (ver figura 7-1). Este efeito eletroquímico pode ser invertido. Removendo-se a bateria e substituindo-a por uma lâmpada, a eletricidade fluirá no sentido inverso ao carregamento, acendendo a lâmpada. Figura 7-1: Placas de chumbo em eletrólito, ligadas

a uma fonte de eletricidade. [Adaptado de A Practical Approach to Motor Vehicle Engineering

and Maintenance, Allan Bonnick e Derek Newbold]

Essa célula pode ser carregada e descarregada, podendo este ciclo se repetir diversas vezes, e é denominada de célula secundária (baterias que não podem ser recarregadas são chamadas de primárias). Como as baterias secundárias podem vivenciar diversos ciclos de carga e descarga, as baterias automotivas são deste tipo. Existem dois tipos de baterias de veículos: um é ácido-chumbo e o outro é alcalino-alcalino, sendo que a de chumbo-ácido é a mais usada. A bateria mostrada na figura 7-2 é a usada tipicamente nos veículos modernos. A maioria dos veículos leves usa baterias de 12 volts (nominais). Os 12 volts são obtidos conectando seis células de ácido-chumbo em série, pois cada célula entrega 2 volts (ver figuras 7-2 e 7-3). Alguns veículos maiores, tais como caminhões e ônibus, usam um sistema elétrico de 24 volts, voltagem que é obtida conectando-se duas baterias de 12 volts em série. Baterias automotivas tem caixa ou invólucro em material resistente a ácidos, sendo que o polipropileno é frequentemente empregado para este fim. Na figura 7-2 pode ser visto que a estrutura interna da bateria mantém um espaço entre as células de chumbo e o piso inferior da caixa, de modo que sedimentos podem se acumular nesse espaço inferior sem causar curto-circuito nas placas. As placas são feitas na forma de uma grade, que é moldada em chumbo. Para facilitar o processo de fundição, uma pequena quantidade de antimônio é adicionada ao eletrodo. Em baterias livres de manutenção, o cálcio é adicionado ao chumbo porque isso reduz as perdas causadas pela gaseificação.

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Figura 7-2: Bateria de chumbo-ácido automotiva típica. [Adaptado do Livro do Automóvel, de Carlos Frederico Albuquerque, Seleções do Readers Digest]

(a) (b) Figura 7-3: (a) Disposição das placas em uma célula de bateria chumbo ácido; (b) placa de chumbo. [Adaptado de A Practical Approach to Motor Vehicle Engineering and Maintenance, Allan Bonnick

e Derek Newbold]

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A figura 7-3 mostra uma placa de bateria. Durante o processo de fabricação, outros materiais são adicionados ao chumbo. Na placa positiva, é adicionado peróxido de chumbo (uma substância vermelho-acastanhada) e na placa negativa, chumbo esponjoso (cinza). As placas negativas e positivas são montadas intercaladamente e impedidas de se tocarem por separadores feitos de material poroso, o qual permite que o eletrólito faça o máximo contato com a superfície das placas. 7.1.2. ALTERNADOR O alternador do automóvel é um componente que transforma energia mecânica em energia elétrica, Alternador é uma máquina que transforma energia mecânica em energia elétrica. Versátil, é aplicado em geradores de pequeno porte, automóveis, navios e até mesmo em usinas hidrelétricas ou termoelétricas. O alternador transforma a energia mecânica em elétrica por meio da indução eletromagnética. A indução eletromagnética é um fenômeno capaz de produzir uma força eletromotriz ou diferencial de tensão (voltagem) em um corpo submetido a um campo magnético variável, ou do mesmo modo, em um corpo móvel submetido a um campo magnético imóvel. Se o corpo é constituído de material condutor, é produzida uma corrente elétrica por indução. No caso do automóvel, o imã gerador de campo magnético é móvel (rotacional) e o corpo estático imerso no campo é uma bobina na qual a corrente induzida é gerada (ver figura 7.4 item a). Observa-se que a corrente induzida gerada é alternada (figura 7.4 item b).

(a) (b) Figura 7-4: (a) Desenho esquemático do funcionamento de um alternador automotivo. (b) Diagrama

mostrando a voltagem produzida em um ciclo completo relativo ao posicionamento do imã. [Adaptado de A Practical Approach to Motor Vehicle Engineering and Maintenance, Allan Bonnick

e Derek Newbold] Uma vez que a corrente alternada não é adequada para carregar uma bateria, é necessário converte-la esta corrente contínua, o que é feito através de um retificador, normalmente uma ponte de diodos. Um regulador mantém a tensão dentro dos limites estabelecidos no projeto do veículo, sendo composto por um módulo eletrônico regulador de tensão, as escovas (as quais fornecem tensão para o rotor) e um filtro capacitor. O regulador pode ser entendido, de modo simplificado, como uma chave que se abre quando a corrente atinge um valor muito alto, e se fecha quando esta diminui, mantendo

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assim a corrente nos níveis aceitáveis. As figuras 7-5 e 7-6 mostram um alternador típico e seus componentes.

Figura 7-5: Componentes típicos de um alternador automotivo. [Adaptado do Catálogo Valeo 2007 de alternadores, motores de partida e componentes]

Figura 7-6: Alternador automotivo típico. [Adaptado do Catálogo Valeo 2007 de alternadores,

motores de partida e componentes]

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7.1.3. MOTOR DE PARTIDA O motor de partida ou de arranque tipicamente empregado em automóveis modernos é mostrado na figura 7-7, item a. Ao acionar a chave de partida, na maioria dos motores de partida automotivos o pinhão é deslocado pelo solenoide (muitas vezes chamado de “automático”), avançando de modo a engajar a coroa dentada do volante do motor (ver figura 7-7 item b). Somente após ocorrer este engajamento é que o motor de partida é acionado, fazendo girar o volante do motor e consequentemente o eixo virabrequim do motor do automóvel. Após o motor do automóvel ser acionado, o pinhão do motor de partida recua, desacoplando-se do volante do motor. Isto é necessário porque a rotação máxima do motor de partida (por volta de 100 rpm) é muito menor que a rotação mínima de funcionamento de um motor de combustão interna automotivo, de modo que, se o motor de arranque não desacoplar este será destruído.

(a) (b)

Figura 7-7: (a) Motor de partida automotivo típico e (b) desenho esquemático do dispositivo de avanço do pinhão. [Adaptado do Catálogo Valeo 2007 de alternadores, motores de partida e

componentes e de A Practical Approach to Motor Vehicle Engineering and Maintenance, Allan Bonnick e Derek Newbold]

7.2. SISTEMA DE IGNIÇÃO O sistema de ignição é responsável por fornecer uma centelha forte o suficiente para provocar, no momento correto, a queima da mistura comprimida de ar e combustível disposta na câmara de combustão. Isto significa que o sistema de ignição é típico de motores a combustão interna que operam segundo o ciclo Otto. A grande maioria dos sistemas de ignição automotivos atualmente em operação pode ser classificada como sendo do tipo convencional ou dinâmico, com platinado ou do tipo eletrônico. Entretanto, o sistema convencional não é mais aplicado em automóveis em produção no Brasil desde a década de 1990.

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7.2.1. SISTEMA CONVENCIONAL OU DINÂMICO DE IGNIÇÃO O sistema convencional de ignição (figura 7-8) se tornou obsoleto devido a sua incompatibilidade com o controle de emissão através de conversores catalíticos, obrigatório para todos dos veículos produzidos no Brasil a partir de 1997. Entretanto, o entendimento do funcionamento deste sistema é importante, pois este é a base do sistema eletrônico de ignição.

Figura 7-8: Sistema de ignição convencional ou dinâmico, com platinado. [Adaptado do Catálogo

Bosch de aplicações de tampas do distribuidor, rotores, bobinas e sistemas de ignição, 2012] Enquanto a chave de ignição do automóvel não foi ainda acionada, o circuito elétrico de ignição está aberto, ou seja, não há passagem de corrente no circuito. Ao ser girada a chave de ignição, o circuito se fecha e a bobina é alimentada de eletricidade. A bobina amplifica a voltagem da corrente elétrica, e o distribuidor direciona a corrente amplificada para as velas que devem ser acionadas, ou seja, velas dos cilindros que estejam com mistura ar/combustível comprimida e pistões no ponto morto superior (PMS) ou suficientemente próximos. BOBINA DE IGNIÇÃO A função deste componente é converter a tensão da bateria, que normalmente varia de 12 a 24 volts, para uma alta tensão entre 8.000 a 15.000 volts. Esta alta tensão é conduzida pelos cabos de ignição até as velas, onde é transformada em uma centelha, a qual dará início à queima da mistura ar / combustível. As bobinas de ignição têm seu princípio de funcionamento baseado no princípio da indução eletromagnética. O circuito primário da bobina recebe uma corrente proveniente do sistema de alimentação. A variação da corrente no primário, o qual possui algumas centenas de espiras, gera uma variação no fluxo magnético da bobina, induzindo uma tensão no secundário, o qual, por sua vez, possui milhares de espiras. A relação entre o número de espiras do secundário para o número de

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espiras do primário é o fator de multiplicação da tensão de entrada para a tensão de saída. Esta tensão de saída é a responsável pela geração da centelha elétrica nas velas de ignição.

(a) (b)

Figura 7-8: (a) Exemplo de bobina comercial aplicável ao sistema de ignição convencional. (b) Desenho explicativo do interior de uma bobina. [Adaptado do Catálogo Bosch de aplicações de

tampas do distribuidor, rotores, bobinas e sistemas de ignição, 2012] Alguns sistemas de ignição exigem um resistor entre a chave de ignição e a bobina, de modo a limitar a corrente e evitar o sobreaquecimento da bobina ou o descarregamento da bateria.

Figura 7-9: Resistor da bobina. [Adaptado do Catálogo Bosch de aplicações de

tampas do distribuidor, rotores, bobinas e sistemas de ignição, 2012]

DISTRIBUIDOR CONVENCIONAL O distribuidor convencional tem como principais funções: a) Distribuir os pulsos de alta tensão para as velas de ignição na sequência correta de operação do

motor. b) Ajustar continuamente o momento de aplicação do pulso elétrico nas velas de ignição (atrasar ou

adiantar a ignição) de acordo com as variações na rotação do motor. Neste caso, o eixo central do distribuidor é acionado normalmente pelo eixo comando (ou, mais raramente, pelo eixo virabrequim). Ao girar, o eixo movimenta tanto um rotor como um conjunto de excêntricos (ressaltos) conectados a um par de platinados. Ver figura 7-10.

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Figura 7-10: Distribuidor convencional e principais componentes internos. [Adaptado do Livro do

Automóvel, de Carlos Frederico Albuquerque, Seleções do Readers Digest] Os platinados são interruptores ligados ao primário da bobina (baixa tensão). Ao girar, o eixo do distribuidor faz com que estes interruptores abram e fechem continuamente (até 150 vezes por segundo). Toda vez que o circuito é fechado, uma corrente flui pelo primário da bobina e alimenta o secundário, induzindo uma alta tensão no mesmo (figura 7-11).

Figura 7-11: Eixo excêntrico e platinados [Adaptado do Manual Globo de Automóveis].

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A corrente de alta tensão induzida no secundário da bobina segue por um condutor até o terminal de alta tensão da tampa do distribuidor (ver figura 7-12 e o topo da figura 7-10), na qual uma escova de carvão, sempre em contato com o rotor através de uma mola, conduz a corrente para o braço do rotor.

Figura 7-12: Tampa do distribuidor [Adaptado do Livro do Automóvel, de Carlos Frederico Albuquerque, Seleções do Readers Digest].

O braço do rotor (figura 7-13) é movimentado, passando em sequência por vários terminais que ficam na tampa do distribuidor (figura 7-12). Ao passar por cada um destes terminais, o braço do rotor alimenta com alta tensão uma das velas do motor. Esta alta tensão produz na vela a centelha que inflama a mistura de ar e combustível.

Figura 7-13: rotor do distribuidor [Adaptado do Catálogo Bosch de aplicações de tampas do

distribuidor, rotores, bobinas e sistemas de ignição, 2012, e do Livro do Automóvel, de Carlos Frederico Albuquerque, Seleções do Readers Digest].

A figura 7-14 reapresenta o sistema de ignição convencional, mostrando agora também o capacitor do distribuidor e o reator da bobina. Figura 7-14: Desenho esquemático do sistema de ignição convencional, mostrando: (1) bateria, (2) chave de ignição, (3) bobina, (4) distribuidor, (5) capacitor do distribuidor, (6) platinado, (7) velas de ignição. RV: reator da bobina [Adaptado do Bosch Automotive Handbook]

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De um modo simplificado, pode ser dito que o capacitor do distribuidor (também conhecido como condensador do distribuidor) tem a função de uniformizar a descarga da corrente no secundário da bobina, evitando picos de sobrecarga do circuito, o que diminuiria a vida útil dos componentes, particularmente os platinados. Em alguns modelos de automóveis, um reator é instalado na linha que abastece o primário da bobina (ver figura 7-14). A função deste componente é aumentar a tensão da bobina quando na partida a frio. Distribuidores automotivos são equipados com mecanismos de avanço e de atraso do ponto de ignição (momento em que a vela recebe sua carga elétrica), normalmente sendo um mecanismo centrífugo sensível à rotação do motor e um mecanismo controlado por vácuo, sensível às variações de pressão no carburador. O avanço ou atraso do ponto de ignição é um ajuste que otimiza o desempenho do motor em função da utilização pretendida para o momento. O ponto de ignição ocorre um pouco antes do pistão atingir o PMS, ponto morto superior (figura 7-15, item a). Quando ocorre muito antes, é dito que o ponto está adiantado (figura 7-15, item b), e quando ocorre mais próximo, é dito que o mesmo se encontra atrasado (figura 7-15, item c). Este avanço ou retardo do ponto de ignição tem grande influência sobre a potência entregue pelo motor, assim como sobre o consumo e a emissão de poluentes.

(a) normal

(b) avanço

(c) atraso

Figura 7-15: Avanço e atraso do ponto de ignição. [Adaptado de A Practical Approach to Motor Vehicle Engineering and Maintenance, Allan Bonnick e Derek Newbold]

O avanço do ponto de ignição permite obter maior torque do motor com menor consumo, mas resulta também no aumento na emissão de poluentes e na possibilidade de ocorrência de detonações espúrias, muito prejudiciais ao motor. Reduz o desgaste do platinado em baixas rotações, baixa performance em altas rotações. O atraso no ponto de ignição, por sua vez, permite uma redução na emissão de poluentes ao custo de um aumento no consumo em função do torque, além de aumentar a temperatura dos gases de exaustão (o que pode danificar o motor). Melhora performance em altas rotações, aumenta desgaste dos platinados em baixas rotações. O ponto “normal” ou “ótimo” é identificado como sendo onde se equilibram as vantagens e as desvantagens do avanço e do atraso da ignição. VELAS DE IGNIÇÃO As velas de ignição introduzem na câmara de combustão a energia de ignição gerada na bobina. A alta tensão cria uma centelha elétrica (arco voltaico) entre os eletrodos da vela, a qual principia a queima da mistura comprimida de ar e combustível na câmara de combustão.

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Como esta função deve também ser garantida sob condições extremas (partida a frio, carga plena), a vela desempenha um papel decisivo na performance e na confiabilidade do motor que atenda o ciclo Otto. Exigências de uma vela de ignição [Catálogo de Velas e Cabos de Ignição Bosch 2015-2016]: Requisitos elétricos: funcionar mesmo a altas tensões de até 40.000 volts e ter alta capacidade

de isolação elétrica mesmo a temperaturas de quase 1.000 C. Requisitos mecânicos: resistir a oscilações de pressão de até 100 atm na câmara de combustão e

ter alta resistência mecânica para uma operação segura. Requisitos químicos: resistir a processos químicos na câmara de combustão e a resíduos

agressivos resultantes deles. Requisitos térmicos: resistir a choque térmico (exaustão quente – admissão de mistura fria) e ter

boa condução de calor no isolador e eletrodos para operação confiável.

Figura 7-16: Anatomia de uma vela de ignição. [Catálogo de Velas e Cabos de Ignição Bosch 2015-2016]

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O grau térmico de uma vela de ignição é a sua capacidade de conduzir e dissipar calor de uma vela de ignição. A transmissão de calor para a vela de ignição, na câmara de combustão, depende do tipo específico de motor. Uma vela que dissipa bastante calor é denominada de vela fria, uma vela que dissipa pouco calor é denominada de vela quente (figura 7-17). Figura 7-17: Velas do tipo quente e frio. [Adaptado da

Tabela de Aplicação NGK 2018/19]

O grau térmico é importante, pois uma temperatura mínima (temperatura de autolimpeza) precisa ser alcançada para prevenir carbonização e falhas de ignição associadas. Por outro lado, uma temperatura máxima (faixa de pré-ignição) não deve ser excedida para prevenir a ocorrência de pré-ignições. [Catálogo de Velas e Cabos de Ignição Bosch 2015-2016] A instalação de uma vela fria em um motor que exija uma vela quente resulta em falhas de ignição. Por outro lado, a instalação de uma vela quente em motor que exija uma vela fria acaba por levar à ocorrência de ignição por incandescência, ou seja, ignição fora do ponto (ver figura 7-18).

Figura 7-18: Aplicação incorreta de uma vela de ignição. [Adaptado da Tabela de Aplicação NGK 2018/19]

7.2.2. SISTEMA ELETRÔNICO DE IGNIÇÃO De um modo simplificado, pode ser afirmado que o sistema eletrônico de ignição (figura 7-16) tem operação similar ao sistema convencional, diferindo principalmente pelo fato dos platinados serem substituídos pela ação da ECM (Electronic Control Module) ou Unidade de Comando Eletrônico do motor. A substituição dos platinados e condensadores no sistema eletrônico aumentou a confiabilidade do sistema de ignição, pois estes componentes são os principais responsáveis pelas falhas e perdas na regulagem do sistema convencional.

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Além disso, a precisão do trabalho da ECM permite uma tensão de ignição mais constante, garantindo que o ponto de ignição esteja sempre ajustado assim como mais potência na centelha em altas rotações.

Figura 7-16: Sistema eletrônico de ignição. [Catálogo Bosch de aplicações de tampas do

distribuidor, rotores, bobinas e sistemas de ignição, 2012] 7.3. LEITURA COMPLEMENTAR VELAS AQUECEDORAS PARA MOTOR DIESEL Extraído do site da Wega Motors Brasil em 20/01/2019 https://wegamotors.com/produtos/velas-aquecedoras/ As Velas Aquecedoras são utilizadas em motores a diesel para aquecer a câmara de combustão, facilitando a partida e permanecendo em funcionamento até que o motor atinja sua temperatura ideal de funcionamento. São muito comuns em ônibus, caminhões, furgões, tratores ou outros tipos de motores de todas as marcas. O motor a diesel necessita comprimir o ar na câmara de combustão e aquecê-lo a uma altíssima temperatura, para que inicie seu funcionamento. A Vela Aquecedora facilita esse processo e permite uma rápida partida do motor.

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Diferentemente dos motores a gasolina ou a álcool que usam velas de ignição, as velas de aquecimento são usadas nos motores a diesel, para elevar a temperatura do ar ao ponto de combustão espontânea do combustível, em sua taxa de compressão. As Velas Aquecedoras são usadas em dois momentos: no pré-aquecimento do motor, quando esse ainda não está em funcionamento e no pós-aquecimento, quando o motor já está em funcionamento, mas se a temperatura exterior estiver for muito baixa. Este processo reduz o nível de poluentes e fumaça no meio ambiente, além de diminuir o consumo de combustível, no caso o diesel, gerando economia e permitindo um desempenho mais suave do motor. VELAS AQUECEDORAS Extraído da publicação Bosch 6008CT1226_Folder_Velas_Aquecedoras.pdf http://br.bosch-automotive.com/media/parts/download_2/diesel/6008CT1226_Folder_Velas_Aquecedoras.pdf

Nos motores Diesel, a ignição espontânea acontece quando o combustível é pulverizado dentro da câmara de combustão e se autoinflama ao entrar em contato com o ar que foi superaquecido pela compressão dos pistões. É nesse momento que a vela aquecedora Bosch é essencial: garante que a temperatura dentro da câmara de combustão atinja cerca de 850 °C com total segurança, mesmo em circunstâncias críticas, como motor em marcha lenta, temperatura externa baixa e motor frio. Após a partida, as velas aquecedoras Bosch continuam regulando a temperatura, permitindo o funcionamento ideal do motor e diminuindo os ruídos e a emissão de gases poluentes.

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Performance de temperatura das velas aquecedoras Duraterm® Bosch Atingem a temperatura ideal para o

arranque em até 4 segundos. Mantêm o pós-aquecimento, por até 3

minutos, conforme o tipo de aplicação.

Benefícios da função de pré-aquecimento: Prolonga a vida útil da bateria e do motor de partida; Partida em menos de 4 segundos. Benefícios da função de pós-aquecimento: Incandescência permanece por até 3 minutos (dependendo da versão); Economiza combustível devido à redução de carbonização (soot); Maior vida útil do motor graças à melhor queima do combustível; Menos ruído do motor na fase fria; Menor emissão de gases poluentes; Funcionamento mais suave do motor; Menor formação de fumaça branca.

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Exemplos de velas aquecedoras

Mitsubishi L200 L300 Pajero 2.5 8v 94/08

Dodge Dakota 2.5 8v Turbo Diesel 1998-2001

Frontier 2.5 08/12 Pathfinder 05/09 GLP235

Conjunto de velas aquecedoras NGK 2019

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