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TRADUZIDO POR EDUARDO C. M. LOUREIRO, PARA USO EM SUAS AULAS NA DISCIPLINA DE MÁQUINAS

TÉRMICAS I.

1 ENGINEERING FUNDAMENTALS OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINES, . WILLARD W. PULKRABEK, PEARSON PRENTICE HALL, 2004.

ADMISSÃO DE AR + COMBUSTÍVEL

O sistema de admissão consiste de um coletor de admissão, uma válvula borboleta, válvulas de admissão e bicos injetores (ou carburador), estes últimos para adicionar combustível.

Os bicos injetores podem ser instalados próximos às válvulas de admissão de cada cilindro (multi-point injection), na entrada do coletor de admissão (no corpo da válvula borboleta), ou injetando diretamente na cabeça do cilindro (motores Diesel, motores modernos de dois tempos SI e em alguns motores de quatro tempos SI).

O coletor de admissão é um sistema projetado para fornecer ar a cada cilindro do motor através de tubos chamados runners. O diâmetro interno destes tubos deve ser grande o suficiente para evitar alta resistência ao escoamento e proporcionar boa eficiência volumétrica. Por outro lado, o diâmetro deve ser pequeno o bastante para garantir alta velocidade do ar e turbulência, o que aumenta a capacidade de transportar as gotas de combustível aumentando a evaporação e a mistura ar combustível.

O comprimento e diâmetro de um runner devem ser estimados juntos para equalizar, o máximo possível, a quantidade de ar que é entregue a cada cilindro separadamente. Alguns motores têm coletores de admissão ativos que conseguem variar o comprimento e diâmetro de seus runners para diferentes velocidades do motor. A baixas velocidades, o ar é direcionado para tubos mais longos e estreitos para aumentar a velocidade e permitir melhor mistura do ar + combustível. A altas velocidades, são usados tubos mais curtos e largos que minimizam a resistência ao fluxo, porém, permanecem com boa taxa de mistura. A quantidade de ar + combustível contida no comprimento de um runner é aproximadamente a quantidade que é entregue a um cilindro por ciclo.

Para minimizar a resistência ao escoamento, os runners não devem ter protuberâncias (excesso de junta) acentuadas e as paredes internas devem ser polidas.

Alguns coletores de admissão são aquecidos para acelerar a evaporação de gotas de combustível na mistura. Isto é feito aquecendo as paredes com o fluxo do refrigerante do motor; projetando o coletor para estar em contato térmico com o coletor de escape ou, às vezes, com aquecimento elétrico.

Em motores SI, o fluxo de ar através do coletor de admissão é controlado por uma válvula borboleta normalmente colocada no início do coletor.

Combustível é adicionado ao ar admitido em algum lugar do sistema de admissão: antes do coletor, no coletor, ou diretamente em cada cilindro. Quanto antes o combustível é fornecido, mais tempo há para evaporar as gotas de combustível e para obter a mistura apropriada. Entretanto, isto também diminui a eficiência volumétrica do motor pela substituição do ar pelo vapor de combustível. E também dificulta uma boa consistência cilindro-a-cilindro da razão Combustível/Ar devido à assimetria do coletor e aos diferentes comprimentos dos runners.

O escoamento do combustível através do coletor acontece de três formas diferentes. Vapor do combustível mistura-se com o ar e segue junto a este último. Muito pequenas gotas de combustível são carregadas pelo fluxo de ar (as menores seguindo melhor as linhas de corrente que as maiores). Com uma inércia maior, as partículas líquidas nem sempre escoam à mesma velocidade que o ar, principalmente nas curvas, onde as maiores gotas se desviam mais que as menores. A terceira forma constitui-se no transporte por meio de finas camadas (filmes) de líquido junto às paredes do coletor. Estes filmes ocorrem porque a gravidade separa algumas gotas do escoamento e quando outras gotas batem nas paredes quando o escoamento executa uma curva. As duas últimas formas tornam difícil garantir a mesma razão


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Ar/Combustível para cada um dos cilindros. Muitos destes problemas são reduzidos ou eliminados quando se utiliza o sistema de injeção multi-point, onde cada cilindro recebe sua admissão de combustível individual.

EFICIÊNCIA VOLUMÉTRICA DE MOTORES SI

É desejável o máximo de eficiência volumétrica em qualquer motor. Ela varia com a velocidade do motor, conforme a figura 1. Há uma certa velocidade intermediária em que a eficiência volumétrica é máxima. Há muitas variáveis físicas e operacionais que afetam a forma do gráfico.

Figura 1. Eficiência volumétrica de três motores alternativos como função da velocidade do motor.

Combustível

Em motores naturalmente aspirados, a eficiência volumétrica será sempre menor que 100% porque combustível também é adicionado e o volume do vapor de combustível substitui algum ar admitido. O tipo de combustível, bem como quando e como ele é adicionado irá determinar como a eficiência volumétrica será afetada. Sistemas com carburadores ou com injetores no corpo de borboleta adicionam combustível cedo no coletor de admissão e geralmente têm uma eficiência volumétrica menor. Isto porque o combustível imediatamente começa a evaporar e o vapor de combustível irá substituir o ar. O motor com sistema de injeção multi-point que adiciona combustível nas válvulas de admissão terá melhor eficiência volumétrica porque nenhum ar é substituído no coletor de admissão. A evaporação do combustível só ocorre quando o escoamento está entrando no cilindro na válvula de admissão. Já os motores que injetam combustível diretamente dentro dos cilindros após o fechamento da válvula de admissão não experimentam nenhuma perda de eficiência volumétrica devido à evaporação. Coletores com adição de combustível tardia podem ser projetados para aumentar a eficiência volumétrica usando runners com diâmetros maiores. Alta velocidade e turbulência para


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promover evaporação não são necessárias. Eles também podem ser operados frios, o que resulta na admissão de ar mais denso.

Aqueles combustíveis com uma menor razão Ar/Combustível, como álcool, experimentam uma perda maior de eficiência volumétrica. Combustíveis com alto calor latente de vaporização irão recuperar alguma parte desta perda devido ao maior resfriamento proveniente da evaporação que irá ocorrer com estes combustíveis. Este resfriamento irá permitir a admissão de um ar mais denso, fazendo com que mais ar entre no sistema. Álcool tem um alto calor de vaporização e recupera parte da eficiência perdida devido à relação A/C.

Combustíveis gasosos substituem mais ar que combustíveis líquidos, que são apenas parcialmente evaporados no sistema de admissão. Por outro lado, os coletores de admissão podem ser operados muito mais frios quando combustíveis gasosos são usados, pois nenhuma vaporização é requerida.

Quanto mais tarde ocorre a vaporização do combustível no sistema de admissão melhor é a eficiência volumétrica. Por outro lado, quanto antes o combustível vaporizar, melhor será o processo de mistura e a homogeneização da distribuição cilindro a cilindro.

Transferência de Calor – Alta temperatura

Todos os sistemas de admissão operam em temperatura maior que a do ar ambiente, o que consequentemente aquece o ar admitido. Isto diminui a densidade do ar reduzindo a eficiência volumétrica. Coletores de admissão de motores com carburador ou injetor no corpo de borboleta são propositalmente aquecidos para aumentar a evaporação do combustível. A baixas velocidades o escoamento do ar é mais lento e ele permanece mais tempo no coletor. Então o ar é levado a maiores temperaturas o que diminui sua densidade repercutindo na menor eficiência volumétrica mostrada na figura 1 a baixas velocidades.

Overlaping das Válvulas

No PMS, ao final do curso de exaustão e no começo do curso de admissão, ambas as válvulas, de exaustão e de admissão, ficam abertas simultaneamente por um breve momento. Quando isto acontece, algum gás de escape pode ser sugado através da válvula de admissão para dentro do coletor de admissão. Este mesmo gás vai ser trazido de volta para o interior do cilindro com a nova carga de ar e combustível admitidos, substituindo uma parcela do ar admitido e diminuindo a eficiência volumétrica. Este problema é mais grave a baixas velocidades quando o tempo real das válvulas abertas simultaneamente (overlap) é maior e quando há uma pressão menor no coletor de admissão. Este efeito diminui a eficiência volumétrica a baixas velocidades (Figura 1). Outros fatores que afetam este problema são a localização das válvulas de admissão e exaustão e a taxa de compressão do motor.

Perdas por atrito

Ar movendo-se através de qualquer tubulação ou através de restrições experimenta queda de pressão. O escoamento viscoso que o ar experimenta ao atravessar o filtro de ar, carburador, válvula borboleta, coletor e válvula de admissão reduz a eficiência volumétrica no sistema de admissão. O arrasto viscoso, que causa a perda de pressão, aumenta com o quadrado da velocidade. Isto proporciona a diminuição da eficiência na faixa de altas velocidades na figura 1. Muitos esforços vêm sendo feitos para diminuir perdas de pressão nos sistemas de admissão: Polimento das paredes do coletor; evitar curvas acentuadas; eliminação do carburador, melhor alinhamento das partes evitando protuberâncias de juntas, são ações neste sentido. Uma das maiores restrições ao escoamento ocorre nas válvulas de admissão.


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Para reduzir esta restrição, a área de escoamento através da válvula tem sido aumentada com a construção de motores com duas ou até três válvulas de admissão por cilindro.

Fechamento da válvula de admissão após o PMI

O tempo em que a válvula de admissão fecha influencia quanto ar entra no cilindro. Próximo ao final do curso de exaustão, a válvula de admissão abre. No caminho do pistão do PMS para o PMI ar é aspirado para dentro do cilindro através da válvula de admissão devido ao vácuo causado pelo volume adicional proporcionado pelo movimento do pistão. Há uma queda de pressão quando o ar passa pela válvula de admissão e a pressão dentro do cilindro é menor que a pressão fora do cilindro no coletor de admissão. Esta diferença de pressão continua ocorrendo até que o pistão chega ao PMI e ar continua entrando no cilindro. É por isto que o fechamento da válvula é programado para ocorrer depois do PMI. Quando o pistão chega no PMI, ele começa a voltar para o PMS e então começa a comprimir o ar no cilindro. Até que o ar esteja sendo comprimido a uma pressão igual à do coletor de admissão, ar continuará a entrar no cilindro. O tempo ideal para o fechamento da válvula de admissão é quando esta pressão de equalização ocorre entre o ar dentro do cilindro e o ar no coletor. Se ela fecha antes deste ponto, ar que estava entrando no cilindro é parado e há perda de eficiência volumétrica. Se a válvula é fechada depois deste ponto, o ar comprimido pelo pistão irá forçar uma parcela do ar de volta para o coletor e novamente, haverá perda de eficiência volumétrica.

Este tempo ideal de fechamento que deve acontecer quando a pressão no interior do cilindro for igual a pressão no coletor de admissão é altamente dependente da velocidade do motor. A altas velocidades, a perda de pressão na válvula de admissão é bem maior devido a alta velocidade de escoamento do ar. Além disto, o tempo real (no ciclo) é reduzido a altas velocidades. Estes dois fatos indicam que a válvula de admissão deve fechar em uma posição mais tardia. Por outro lado, a baixas velocidades do motor a diferença de pressão através da válvula de admissão é menor e a pressão de equalização vai ocorrer mais cedo depois do PMI, e desta forma, a válvula deveria fechar mais cedo a baixas velocidades.

A posição onde a válvula fecha é controlada por um eixo de cames, na maioria dos motores, e não pode variar com a velocidade. O resultado é a redução da eficiência volumétrica do motor tanta a baixas quanto em altas rotações. Alguns automóveis têm um ajustamento limitado nos seus eixos de cames que permitem a variação do tempo de fechamento da válvula de admissão.

VÁLVULAS DE ADMISSÃO

As válvulas de admissão da maioria dos motores de combustão interna são válvulas ‘poppet’ fechadas por meio de uma mola e abertas no tempo certo no ciclo por um eixo de cames (Figura 2).

A maioria das válvulas e assentos são feitos de aços de alta liga ou, em casos mais raros, de material cerâmico. Idealmente, elas deveriam abrir e fechar quase instantaneamente no tempo certo. Isto é impossível em um sistema mecânico e aberturas e fechamentos mais lentos são necessários para evitar desgaste e ruído. O excêntrico do came é projetado para proporcionar aberturas e fechamentos rápidos, mas suaves, sem choques nas interfaces mecânicas. Isto requer algum comprometimento na velocidade de operação da válvula. Quando os eixos de cames forem substituídos por atuadores eletrônicos, as válvulas estarão aptas a abrir e fechar muito mais rápido, resultando numa melhor performance do motor.


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Figura 2. Válvula Poppet. (A) assento da válvula (B) cabeça (C) haste (D) guia (E) mola (F) came (G) coletor de admissão

Os motores mais antigos tinham o eixo de cames montados próximos ao virabrequim e as válvulas montadas no bloco do motor. Com o progresso na tecnologia das câmaras de combustão as válvulas foram trazidas para o cabeçote (overhead valves) e um sistema de conexão mecânica era necessário (varetas, balancins, tuchos). Uma melhoria posterior foi a montagem do eixo de cames também no cabeçote (overhead cam engines). Os motores mais modernos possuem um ou dois eixos de cames montados no cabeçote de cada banco de cilindros. Quanto mais perto das hastes das válvulas o eixo de cames é montado, maior será a eficiência mecânica do sistema.

A distância que a válvula abre é chamada de valve lift, geralmente da ordem de poucos milímetros a mais de um centímetro, dependendo do tamanho do motor. Para motores de automóveis é de cerca de 5 a 10 mm.

Geralmente,

Lmax = dv/4

onde

Imax = valve lift, com a válvula completamente aberta

dv = diâmetro da válvula.


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Figura 3. Escoamento através da válvula.

O ângulo da superfície da válvula na interface com o assento é geralmente projetado para um mínimo de resistência ao escoamento. Quando o ar escoa pela passagem as linhas de corrente se separam da superfície e a área de seção real do escoamento é menor que a área da passagem, conforme mostrado na Figura 3. A razão entre a área de seção do escoamento real e a área da passagem entre a válvula e o assento é chamado de Coeficiente de descarga da válvula:

CDV = AREAL/APASS

a área da passagem é dada por:

APASS = dV l

As válvulas de admissão oferecem a maior restrição à admissão do ar na maioria dos motores. Isto é especialmente verdadeiro a altas velocidades. Várias fórmulas empíricas podem ser encontradas na literatura para o dimensionamento de válvulas de admissão. A equação abaixo fornece a área mínima necessária para a válvula de admissão de um motor moderno:

AADM = C B2 [(UP)MAX/ci] = (/4)dV2

onde

C = constante com valor aproximado de 1,3;

B = diâmetro do pistão;

(UP)MAX = Velocidade média do pistão na máxima rotação do motor;

ci = velocidade do som nas condições de admissão;

dV = diâmetro da válvula.

AADM é a área total de admissão necessária para um cilindro, seja com uma, duas ou três válvulas de admissão.

Em muitos motores mais recentes, com válvulas no cabeçote e pequenas câmaras de combustão, não há espaço suficiente nas paredes da câmara de combustão para a colocação da vela de ignição, válvula de escape e de uma válvula de admissão grande o suficiente para satisfazer a equação acima. Por este motivo, a maioria dos motores são agora construídos com


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mais de uma válvula de admissão por cilindro. Duas ou três válvulas de admissão menores fornecem mais área de escoamento e menos resistência ao escoamento que uma válvula maior, como as usadas nos motores mais antigos. Ao mesmo tempo, estas duas ou três válvulas de admissão junto com, usualmente, duas válvulas de escape, podem ser mais facilmente alocadas em um dado cabeçote com espaço de folga suficiente para manter a requerida rigidez estrutural. (Figura 4).

Figura 4. Arranjos possíveis para motores com válvulas no cabeçote. Para cada cilindro a área de escoamento das válvulas de admissão é cerca de 10% maior que a das válvulas de escape. (a) motores mais antigos (1950-1980) e alguns motores modernos (b) maioria dos

motores automotivos atuais (c) alguns motores modernos de alta performance.

Múltiplas válvulas necessitam de maior complexidade de projeto com mais eixos de cames e dispositivos de acionamento. Frequentemente é necessário ter câmaras de combustão com formatos específicos e coroa de pistão redesenhadas para evitar contato válvula-válvula e válvula-pistão. Estes projetos são de difícil execução (se não impossíveis) sem o uso de projeto auxiliado por computador (CAD). Quando duas ou mais válvulas são usadas em lugar de uma, elas são menores e mais leves. Isto permite o uso de molas mais leves e reduz as forças de acionamento. Válvulas mais leves podem também ser abertas e fechadas mais rapidamente. A maior eficiência volumétrica obtida com válvulas múltiplas compensa o custo adicional de manufatura e a complexidade e ineficiência mecânica adicionadas.

Alguns motores com múltiplas válvulas de admissão são projetados para que apenas uma válvula de admissão opere a baixas velocidades. Com o aumento da velocidade, menos tempo por ciclo é disponível para a admissão, e a segunda (às vezes também uma terceira) começa a atuar fornecendo área adicional de escoamento. Isto permite controle adicional do escoamento de ar no interior do cilindro a várias velocidades, o que proporciona uma combustão mais eficiente. Em alguns destes sistemas as válvulas têm diferentes timings. A válvula de baixa velocidade irá fechar relativamente cedo depois do PMI. Quando em funcionamento, a(s) válvula(s) de alta velocidade irá(ão) fechar em uma posição mais tardia (até 20o de atraso) para evitar perda de eficiência volumétrica, como já visto anteriormente.

O escoamento de massa através da válvula de admissão para dentro do cilindro é mostrado na Figura 5. Fluxo reverso pode acontecer quando acontece o overlap das válvulas próximo do PMS, e a baixas velocidades quando a válvula de admissão fecha depois do PMI.


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Figura 5. Escoamento de mistura na válvula de admissão.

As válvulas de admissão normalmente abrem entre 10o e 25o antes do PMS e devem estar totalmente abertas ao passar pelo PMS para permitir o máximo escoamento durante o curso de admissão. Quanto maior velocidade para a qual o motor foi projetado mais cedo no ciclo a válvula de admissão irá abrir. Na maioria dos motores o timing das válvulas é colocado para uma dada velocidade, com perdas ocorrendo seja em velocidades mais altas ou mais baixas que a de projeto. A velocidades mais baixas que a de projeto a válvula de admissão vai abrir muito cedo criando um overlap mais longo que o necessário. Este problema se agrava porque a baixas velocidades geralmente a pressão no coletor é baixa. A velocidades mais altas que a de projeto, a válvula vai abrir muito tarde e o escoamento não estará completamente estabelecido no PMS, com perdas na eficiência volumétrica.

CONTROLE VARIÁVEL DE VÁLVULAS - CVV

Mais recentemente, várias formas do controle variável do timing das válvulas têm aparecido em motores de automóveis. Estes sistemas permitem uma operação mais eficiente dos motores variando o tempo de abertura da válvula, o tempo em que permanece aberta e o período de overlap. Além do timing variável, os sistemas mais modernos também permitem variar a altura de abertura das válvulas (lift).

A altas rotações, o tempo real de um ciclo é menor e mais mistura é requerida. Para otimizar esta situação, a válvula de admissão deve abrir mais cedo no ciclo, durar maior tempo aberta e, se possível ter um lift maior. A válvula de exaustão também deve ter um lift maior e abrir mais cedo para permitir mais tempo real para expulsar os gases queimados, e também deve fechar um pouco mais tarde. Um overlap maior das válvulas seria tolerado porque a altas velocidades a pressão no coletor é maior e o tempo real é menor. A baixas velocidades e em marcha lenta o tempo real de um ciclo é maior e menos mistura é requerida. Ambas as válvulas, admissão e exaustão, podem abrir mais tarde e fechar mais cedo. A baixa velocidade a pressão no coletor é muito baixa e então um overlap menor é desejável. Se o overlap é muito grande, acontece um grande refluxo de gases residuais para o coletor de admissão que substitui uma parcela da mistura ar-combustível admitida. Este é o motivo para que a baixas velocidades seja necessária uma mistura mais rica para uma boa combustão. O lift da válvula de admissão pode ser reduzido a baixa rotação para que a velocidade do escoamento permaneça alta o suficiente para proporcionar um bom padrão de mistura.


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Desde os anos 1990 motores com CVV têm usado vários métodos. A maioria destes sistemas pioneiros atuavam apenas nas válvulas de admissão e não variavam o lift. Os sistemas mais modernos podem hoje controlar tanto as válvulas de admissão como as de exaustão, timing e lift.

Um método usa um eixo de cames com excêntricos duplos para cada válvula, um para alta velocidade e outro para baixa. O eixo de cames é montado de forma que ele se movimenta ao longo do seu eixo de rotação. A baixa rotação, o eixo se posiciona de forma que o excêntrico de baixa esteja em contato com o mecanismo da válvula. A uma determinada velocidade mais alta o eixo se move permitindo agora o contato com o excêntrico de alta velocidade. Vários sistemas usam meios mecânicos, hidráulicos ou elétricos para mover o eixo de cames. Estes sistemas caracterizaram um progresso, mas apenas trazem melhoramento para duas velocidades do motor. Um sistema mais avançado, usando este método básico incorpora um came com perfil tridimensional. O perfil do excêntrico em contato com o mecanismo da válvula varia ao longo do eixo de rotação do eixo de cames. Quando a velocidade varia, o came é movido ao longo do eixo de rotação até que o melhor perfil para aquela velocidade seja utilizado. Este sistema tem uma faixa limitada de variação no timing e duração, e necessita de sistema de controle mais sofisticado.

Um outro sistema adiciona uma polia que tem movimento relativo à polia do eixo de cames acionada pela correia dentada. Quando a velocidade varia, a central eletrônica altera este movimento relativo da polia mudando a fase do eixo de cames em relação ao giro do virabrequim. Uma válvula pode ser aberta mais cedo ou mais tarde, mas a duração da abertura e o lift permanecem os mesmos.

Os sistemas CVV mais modernos não têm eixo de cames e usam solenóides elétricos para abrir e fechar as válvulas diretamente, ou por meio de conexões eletromecânicas ou eletrohidráulicas. Operando sem molas de válvulas, os atuadores abrem e fecham estas muito mais rapidamente, e apresentam fechamento mais suave. Isto permite o uso de válvulas cerâmicas que podem tolerar temperaturas muito mais altas. Um sistema típico usa um atuador hidráulico de dupla ação controlado eletronicamente para abrir e fechar as válvulas. Quando isto é feito, a temperatura, viscosidade e compressibilidade do fluido hidráulico devem ser consideradas. Usando computadores mais poderosos na central eletrônica, estes sistemas têm um potencial quase infinito para a variabilidade do controle do timing, duração e lift, incluindo variações ciclo-a-ciclo e cilindro-a-cilindro. O obstáculo a estes sistemas, usando o sistema elétrico padrão de 12 volts dos automóveis, é o grande tamanho dos componentes necessários, o que torna impraticável para a maioria dos veículos. Este obstáculo desaparece quando se utiliza um sistema elétrico de 42 volts permitindo o uso de componentes muito menores. A eliminação do eixo de cames reduz o atrito no motor e aumenta sua eficiência mecânica.

Com a possibilidade da variabilidade total no controle do timing, duração e lift das válvulas, várias facetas adicionais do funcionamento dos motores podem ser melhoradas: eliminação da válvula borboleta, melhor torque a baixa velocidade, maior potência, menores emissões e maior economia de combustível. Com o controle do timing e lift das válvulas de admissão, a válvula borboleta pode ser eliminada, e a admissão do ar passaria a ser regulada pelo controle das válvulas. Isto elimina, ou reduz fortemente, o trabalho de bombeamento e permite o controle da velocidade de entrada no cilindro em todas as rotações variando o lift. Com duas ou três válvulas, cada uma controlada separadamente, se obtém um controle geral melhor do ciclo do motor. A alta rotação, todas as válvulas são abertas com o máximo lift, proporcionando o máximo de eficiência volumétrica e de potência. A baixa rotação, algumas válvulas podem não serem abertas e o lift pode ser controlado para proporcionar melhor velocidade de entrada e padrão de mistura. Diferentes timings em múltiplas válvulas podem


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proporcionar a alimentação de carga estratificada de ar + combustível na câmara de combustão, muito desejada na nova filosofia de combustão. Quando menos potência de saída for requerida para um motor robusto, a central eletrônica pode mudar o funcionamento normal do ciclo de 4 tempos para um ciclo mais eficiente de 6 tempos. Com o controle apropriado das válvulas e da injeção de combustível, dois tempos (de mentira) seriam adicionados após o curso normal de exaustão. Sem combustível adicionado e com as válvulas todas completamente abertas estes dois cursos extras não adicionariam nada ao ciclo do motor, exceto que haveria agora um tempo útil para cada cilindro após a terceira revolução.

O controle de cada válvula separadamente em motores equipados com múltiplas válvulas de admissão pode proporcionar maiores melhorias no consumo de combustível e controle de emissões. Com a programação apropriada para o tempo de ignição, timing e lift das válvulas, uma ótima combustão pode ser obtida em todas as rotações.

INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL

Bicos injetores

Os injetores de combustível são bicos que injetam um spray de combustível no ar de admissão. Normalmente são controlados eletronicamente, mas, injetores controlados mecanicamente, por meio de cames, também existem (figura 6.). Certa quantidade de combustível é mantida no corpo do injetor, então uma alta pressão é aplicada, normalmente por compressão mecânica de algum tipo. No tempo apropriado, o bico é aberto e o combustível é pulverizado no ar da vizinhança. A quantidade de combustível é controlada pela pressão e pelo tempo de duração da injeção. Um bico de injeção eletrônica consiste dos seguintes componentes básicos: Corpo da válvula, êmbolo magnético, bobina solenóide, mola helicoidal, coletor de combustível e válvula de agulha (figura 7.). Quando não ativado a mola mantém o êmbolo contra seu assento. Quando ativado, o solenóide é excitado, o que movimenta o êmbolo e a agulha que estão conectados. Isto abre a válvula de agulha permitindo a passagem de combustível injetado pelo orifício da válvula. Cada válvula pode ter um ou vários orifícios de abertura. O combustível deixa o bico injetor a velocidades de 100 m/s. Nos injetores controlados mecanicamente não há solenóide, e o êmbolo é movido pela ação de um eixo de cames.

Figura 6. Bicos injetores, eletrônico e mecânico.


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Figura 7. Esquema de um bico injetor eletrônico.

Alguns sistemas têm uma bomba simples de combustível (common rail) suprindo os injetores de todos os cilindros ou de um banco de cilindros. O combustível pode ser fornecido a alta pressão e o bico injetor trabalharia apenas como um dispositivo medidor. Outros sistemas suprem o combustível a baixa pressão e o bico injetor deve aumentar a pressão e dosar a quantidade injetada. Há uma linha de retorno para cada injetor para retorno do combustível em excesso. Alguns sistemas têm uma bomba para cada injetor, com a bomba e injetor, às vezes, construídos como uma unidade simples. As condições de operação do motor e informações vindas de diversos sensores no motor e sistema de exaustão são usadas para ajustar continuamente a razão A/C, pressão, timing e duração da injeção.

Motores com injeção multi-ponto ou com injetor no corpo da válvula borboleta requerem pressões moderadas (200 – 300 kPa absoluta), pois o combustível é injetado no sistema de admissão que trabalha a baixas pressões. Injetores usados para injetar diretamente na câmara de combustão operam a pressões muito mais elevadas, acima de 10 MPa. Alta pressão é utilizada porque a injeção atua contra a alta pressão no cilindro e porque pequeníssimo tamanho de gotas é necessário devido ao pouco tempo permitido para evaporação. Muitos motores de combustão por centelha injetam uma combinação de combustível + ar (figuras 8. 9. E 10.). Com estes injetores, ar é injetado através de um orifício separado durante e imediatamente depois da injeção do combustível. Este tipo de injeção aumenta consideravelmente a atomização, vaporização e mistura das gotas de combustível, o que é necessário devido ao extremamente curto espaço de tempo disponível (menos que 0,008 segundos a 3000 rpm).

Figura 8. Esquema de uma injeção multi-ponto usando injeção de ar + combustível para acelerar evaporação e mistura.


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Figura 9. Esquema de bico injetor para injetar ar + combustível num sistema multi-ponto.

Figura 10. Vazão em massa de combustível e de ar injetado dentro do cilindro em um sistema usando injeção de ar + combustível. Unidades de vazão em massa dadas por (gramas por

ângulo de rotação – g/CrankAngle)

A quantidade de combustível injetado em cada ciclo pode ser ajustada pelo tempo de duração da injeção, que é da ordem de 1,5 a 10 milissegundos. Isto corresponde a uma rotação do virabrequim entre 10o a 300o, dependendo das condições imediatas de operação. A duração da injeção é determinada pelas informações dos sensores. Medir a quantidade de oxigênio no sistema de exaustão é uma das principais formas de fornecer um feedback ao sistema de injeção para que este seja capaz de controlar a duração da injeção e, consequentemente, buscar uma relação A/C apropriada. A partida do motor, quando uma mistura mais rica é necessária, é determinada pela temperatura do líquido refrigerante e pela chave de ignição. Várias formas de detectar a taxa de escoamento de ar admitido incluem a medição de queda de pressão e o uso de sensores do tipo hot-wire. Estes sensores determinam a taxa de escoamento pelo efeito de resfriamento em resistores elétricos.

Sistemas de injeção multi-ponto


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A maioria dos motores modernos possui este sistema de injeção. Nestes casos, um ou mais injetores são montados próximos à válvula de admissão de cada cilindro. Eles pulverizam combustível em uma posição imediatamente antes das válvulas, ás vezes, diretamente nas costas da face da válvula. Contato com a superfície quente da válvula aumenta a evaporação do combustível e ajuda na refrigeração da válvula. Os injetores são programados para pulverizar o combustível dentro do ar quase estacionário imediatamente antes da válvula de admissão abrir. Alta velocidade do spray é necessária para garantir evaporação e mistura com o ar. Os sistemas multi-ponto são melhores que os carburadores ou do que só um injetor no corpo da válvula borboleta para fornecer uma razão A/C consistente cilindro-a-cilindro. Alguns sistemas multi-ponto apresentam um injetor adicional localizados no coletor de admissão, a montante, para adicionar combustível quando é necessária uma mistura mais rica, na partida, em marcha lenta ou em altas rotações.

Os sistemas de injeção multi-ponto são construídos para fornecer melhor eficiência volumétrica. Não há estreitamento tipo Venturi para criar uma queda de pressão como nos carburadores. Como quase nenhuma mistura ar + combustível ocorre ao longo do coletor de admissão, altas velocidades de escoamento não são necessárias e runners com diâmetros maiores e menor perda de pressão podem ser usados. Também não há substituição de parcela do ar admitido por vapor de combustível.

Sistemas de injeção direta para motores de Ignição por centelha

Grande esforço vem sendo despendido no desenvolvimento de motores SI com injeção direta de combustível e alguns modelos já são equipados com este sistema (Figura 11.). Estes sistemas injetam o combustível diretamente na câmara de combustão, seja durante o tempo de admissão ou no tempo de compressão. Há dois tipos básicos de Injeção direta de Gasolina (GDI). Um com a injeção apenas de gasolina e o outro com injeção simultânea de gasolina + ar. A injeção apenas de combustível é normalmente feita durante o curso de compressão e é similar à injeção nos motores de ignição por compressão. Devido ao curtíssimo tempo disponível para vaporização e mistura com o ar, gotas de líquido muito pequenas são necessárias, assim como grande turbulência e movimento bruto da massa de mistura dentro da câmara de combustão. A pressão de injeção é bem mais alta que a usada nos sistemas multi-ponto. Isto é devido a alta pressão do ambiente em que o combustível é injetado e também à necessidadede obtenção de gotas de pequeno tamanho. A injeção, às vezes, acontece em dois estágios: uma injeção piloto para a ignição, seguida pela injeção principal.

Os motores mais modernos que usam sistemas GDI injetam uma combinação de ar + combustível. Injetando o ar mais o combustível, os tempos de vaporização e mistura são bastante reduzidos. Este método também torna possível a estratificação da mistura ar-combustível. Os motores que trabalham desta forma são chamados de motores de carga estratificada. Na combustão de carga estratificada, uma mistura rica é estabelecida em volta dos eletrodos da vela de ignição enquanto uma mistura bem mais pobre preenche o restante

Curiosidade Histórica – Injeção de combustível:

O primeiro automóvel de linha de produção nos USA a ser equipado com injeção de combustível foi o Chevrolet Corvette de 1957. De um total de 6339 Corvettes montados naquele ano, 240 foram equipados com um sistema de injeção, com injetor no corpo da válvula borboleta, do tipo Rochester Ramjet.


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da câmara de combustão. A razão média Ar/Combustível chega a ser tão alta como de 50:1, uma mistura que não queimaria se fose toda homogênea. Operando com uma mistura muito pobre a temperatura de combustão é reduzida, e isto reduz as perdas térmicas (proporcionando um maior rendimento térmico), evita problemas de detonação e diminui a geração de emissões poluentes.

Figura 11. Vista em corte de um motor Toyota e layout do sistema de injeção direta de gasolina.


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A mistura rica, próxima dos eletrodos da vela, rapidamente entra em ignição e queima com uma boa velocidade de chama. Então, a mistura pobre presente no restante da câmara de combustão também entra em ignição. Para estabelecer esta distribuição estratificada de ar + combustível, uma sequência de injeções é requerida:

1) Algum combustível é injetado muito cedo, durante o tempo de admissão (por exemplo, a 120o antes do PMS). Isto formará a mistura pobre e homogênea que preencherá toda a câmara de combustão. Apenas baixa pressão é requerida para esta injeção;

2) Durante o curso de compressão, combustível adicional é injetado a uma pressão muito alta para criar a parcela de mistura rica próxima aos eletrodos da vela. As pressões podem ser tão altas quanto 10 MPa, ou maiores. Pressões muito mais altas estão sendo testadas em modelos experimentais;

3) Durante e imediatamente depois da segunda injeção de combustível, ar é injetado, usualmente pelo mesmo injetor. Isto aumenta a evaporação do combustível recém injetado;

4) A centelha é lançada entre os eletrodos da vela para ignição.

Motores que usam GDI geralmente operam em três diferentes modos. Em cargas leves e aberturas parciais da borboleta, o motor opera no regime de carga estratificada a uma razão média Ar/Combustível de cerca de 50:1. Em carga média, opera ainda em carga estratificada, mas, com razão A/C de cerca de 20:1. A carga plena, o combustível é injetado apenas durante o tempo de admissão e uma máxima eficiência térmica é obtida pela operação com uma mistura estequiométrica homogênea de ar + combustível. Altos níveis de gases de escape podem ser reciclados neste regime.

Para ser capaz de operar nestes diferentes regimes há a necessidade de um preciso controle do timing, lift e duração de abertura das válvulas e do controle do movimento bruto da mistura ar-combustível.

Injetores no corpo da válvula borboleta

Alguns sistemas de injeção de combustível, incluindo os pioneiros, apresentam um, ou mais injetores localizado no corpo da válvula borboleta (Figuras 12 e 13). Os injetores são montados imediatamente antes da válvula borboleta. Esta é montada em um corpo localizado na entrada do coletor de admissão de forma semelhante ao antigo carburador. A válvula é controlada por um sistema de pedal + cabo.

Os injetores normalmente trabalham a pressão constante e o controle da entrega de combustível é feito controlando o tempo em que o injetor permanece atuando. O combustível é fornecido ao injetor numa pressão entre 250 e 300 kPa absoluta. A injeção é controlada pela excitação de um solenóide, que levanta o êmbolo abrindo a válvula de agulha, permitindo a injeção do combustível.

Para definir o regime de operação a central eletrônica recebe informações sobre rotação, posição da válvula borboleta, temperatura do refrigerante, etc.


TÉRMICAS I.


Figura 12. Fornecimento de combustível para injetor montado no corpo da válvula borboleta.

Figura 13. Montagem de injetores em corpo de válvula borboleta usado em modelo

Ford 1980.

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