tccii - 2º semestre - evolução dos motores final (1)

ANHANGUERA EDUCACIONAL

RIBEIRÃO PRETO

ENGENHARIA MECÂNICA

Flavio Eduardo Dos Santos

Alexander Paterno

Diego Garcez Martins

Wesley Guimarães F. da Silva

EVOLUÇÃO DOS MOTORES NA INDÚSTRIA

AUTOMOTIVA

RIBEIRÃO PRETO

2014


Alexander Paterno




AUTOMOTIVA

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Faculdade Anhanguera de

Ribeirão Preto requisito parcial à obtenção do

título de Bacharel em Engenharia Mecânica

em 2014.

Orientador(a): Prof. Dr. César Augusto

Agurto Lescano.

RIBEIRÃO PRETO

2014

Santos, Flavio Eduardo dos... [et al.]

S235e Evolução dos motores na indústria automotiva. / Flavio Eduardo

dos Santos ... [et al.]. - Ribeirão Preto (SP) : Faculdade Anhanguera de

Ribeirão Preto, 2014.

81p. ; il.

Orientador : Prof. Dr. César Augusto Agurto Lescano.

Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia

Mecânica).

1. Engenharia 2. Engenharia Automotiva 3. Motores

CDD: 629


Alexander Paterno




AUTOMOTIVA

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Faculdade Anhanguera de

Ribeirão Preto como requisito parcial à

obtenção do título de Bacharel em Engenharia

Mecânica em 2014.

Ribeirão Preto, 2 de dezembro de 2014.

_________________________________

César Augusto Agurto Lescano

Faculdade Anhanguera de Ribeirão Preto

Doutor em Engenharia Química

Dedicamos este trabalho a nossas

famílias, pelo apoio incondicional e

incentivo em mais uma etapa de nossas

vidas.

AGRADECIMENTOS

A Deus, por estar sempre presente em nossas vidas, nos abençoando com

mais essa conquista: Bacharéis em Engenharia Mecânica.

Ao orientador prof. Dr. César Augusto Agurto Lescano, por todo o

conhecimento que nos foi transmitido, através do acompanhamento ímpar e decisivo,

que fez toda a diferença.

A nossas famílias pelo suporte, nos dando forças quando já não havia mais de

onde tirar.

A sorte de termos formado um grupo de estudo coeso, sólido e que perseverou

desde o 1º ano de faculdade.

Finalmente, a todos os amigos, colegas e familiares que nos apoiaram nesta

caminhada.

“O único lugar onde o sucesso vem

antes do trabalho é no dicionário.”

(Albert Einstein)

RESUMO

Ao adotar-se o tema A Evolução dos Motores na Indústria Automotiva, a

principal preocupação foi escolher um tema tão amplo e com tamanha discussão em

qualquer mercado, tanto nacional quanto internacional busca por melhorias em todos

os sentidos, foi apresentar-se um conteúdo elaborado, aprofundado e que se faça ser

compreendido por todos que vierem a ter conhecimento sobre essa análise. A história

dos motores para automóveis tem seu primeiro grande marco com Henry Ford, o

fundador da Ford Motor Company, que o mundo pode ter a primeira grande indústria

de produção de veículos em série. Não se pode falar de motores a combustão sem

citar os ciclos termodinâmicos empregados: O Ciclo de Otto e o Ciclo Diesel, onde

através do estudo de ambos puderam se criar motores que aproveitam de forma mais

dinâmica e eficiente à energia produzida pelo ciclo e utilizá-la na movimentação de

um veículo. Dentre as principais buscas por melhorias que se tem dentro da indústria

automotiva, a eficiência dos motores, tem atenção especial. Citando um exemplo, os

atuais motores disponíveis no mercado com 1000 cm³ de cilindrada que tem 82

cavalos de potência que ao serem comparados com motores 1800 cm³ de cilindrada,

de 15 anos atrás, que tem 89 cavalos de potência, pode-se ver nitidamente a evolução

dos motores ao longo dos anos. Tal busca possibilita carros com consumo de

combustível menor, maior rendimento e eficiência. A sustentabilidade tem sido

amplamente estudada de forma a conseguir combustíveis que interfiram de forma

menos nociva para o meio ambiente, além de ser renovável por poderem ser

cultivados como é o caso do etanol. A busca intensa e incessante por tecnologias,

eficiência, rendimento, consumo, eficiência e tipos de combustível entre as

montadoras, fabricantes e desenvolvedores nos remete a seguinte pergunta: Quais

os fatores estimularam a evolução dos motores?

Palavras-Chave: Motor. Potência. Rendimento. Combustível. Eficiência.

Consumo.

ABSTRACT

By adopting the theme The Evolution of Engines in the Automotive Industry, the

main concern was to choose a very embracing and with such discussion in any market,

both national and international search for improvements in every kind of theme, was to

show himself content prepared , depth and make it be understood by all that they are

aware of this analysis. The history of automobile engines has its first major milestone

with Henry Ford, founder of Ford Motor Company, that the world may have the first

major industry vehicle production in series. One cannot speak of combustion engines

without citing thermodynamic cycles employed: The Otto Cycle and Diesel Cycle,

where through the study of both could create engines that take more dynamic and

efficient energy form produced by the cycle and used drive it in a vehicle. Among the

top searches for improvements that have within the automotive industry, engine

efficiency has special attention. Citing an example, current engines available in the

market with 1000 cc of displacement which has 82 horsepower when compared to

engines with 1800 cc of displacement, 15 years ago, which has 89 horsepower, one

can see clearly the development of engines over the years. This search allows cars

with lower fuel consumption and higher yield and efficiency. Sustainability has been

widely studied in order to achieve fuel that interfere less harmful manner for the

environment, and is renewable since they can be grown as is the case of ethanol. The

intense and relentless pursuit of technology, efficiency, income, consumption and fuel

types among automakers, manufacturers and developers brings us the following

question: What factors stimulated the evolution of engines?

Keywords: Motor. Power. Yield. Fuel. Efficiency. Consumption.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 1 – Motor ...................................................................................... 05

FIGURA 2 – Trabalho do pistão ................................................................. 07

FIGURA 3 – Comparação entre os sistemas IEDC e IEIC ......................... 08

FIGURA 4 – Sistema de injeção eletrônica monoponto ............................. 09

FIGURA 5 – Sistema de injeção eletrônica multiponto ............................... 09

FIGURA 6 – Turbo alimentador .................................................................. 15

FIGURA 7 – Funcionamento do turbo ........................................................ 16

FIGURA 8 – Turbo fluxo simples monofluxo ............................................... 18

FIGURA 9 – Turbo fluxo duplo pulsativo .................................................... 18

FIGURA 10 – Sistema Reflow .................................................................... 19

FIGURA 11 – Turbo sistema convencional ................................................. 20

FIGURA 12 – Turbo sistema com válvula ................................................... 20

FIGURA 13 – Turbo de geometria variável ................................................. 21

FIGURA 14 – Modelo de etiqueta do programa brasileiro de etiquetagem

veicular .................................................................................................................. 30

FIGURA 15 – Marcas dos programas “NOTA VERDE” do IBAMA e “Programa

Brasileiro de Etiquetagem Veicular” do INMETRO ................................................ 32

FIGURA 16 – Freio de Prony ...................................................................... 34

FIGURA 17 – Analisador de gases para motores do ciclo Otto. ................ 51

GRÁFICO 1 – Evolução dos limites de emissão dos poluentes –

Veículos Leves ........................................................................................... 31

GRÁFICO 2 – Evolução dos limites de emissão dos poluentes –

Veículos Pesados ....................................................................................... 31

GRÁFICO 3 – Motores 1000cc....................................................................53

GRÁFICO 4 – Motores de 1600cc...............................................................56

GRÁFICO 5 – Motores de 2000cc...............................................................56

GRÁFICO 6 – Evolução da Eficiência do motor Otto...................................61

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – Motores de 1000cc ................................................................ 52



TABELA 4 – Fiat Uno Turbo 1.4 (1994) ..................................................... 58

TABELA 5 – Volkswagen Gol 1.0 16v Turbo (2000) .................................. 59

TABELA 6 – Fiat Punto T-Jet 1.4 16v Turbo (2014) .................................. 60

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

AESA – Anhanguera Educacional S.A.

CETESB – Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental

CONAMA – Conselho Nacional de Meio Ambiente

DOU – Diário Oficial da União

ENCE – Etiqueta Nacional de Conservação de Energia

EV – Eficiência Volumétrica do Motor

GNV – Gás Natural Veicular

ICE – Ignição a Centelha Elétrica

INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia Qualidade Tecnologia

IAP – Instituto Ambiental do Paraná

IBAMA – Instituto Brasileiro do Meio Ambiente

IBGE – Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

IECD – Injeção eletrônica direta de combustível

IEIC – Injeção eletrônica indireta de combustível

INPI – Instituto Nacional de Propriedade Industrial

IPI – Imposto sobre Produto Industrializado

PBEV – Programa Brasileiro de Etiquetagem Veicular

PI – Partículas Inaláveis

PMS – Ponto Morto Superior

PMI – Ponto Morto Inferior

PROCONVE – Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos

Automores

PROMOT – Programa de Controle da Poluição do Ar por Motocicletas

PRONAR – Programa Nacional de Controle de Qualidade do Ar

PTS – Partículas Totais em Suspensão

RAC – Relação Ar/Combustível

RCA – Relação Combustível/Ar

RMSA – Região Metropolitana de São Paulo

SEMA – Secretaria de Estado do Meio Ambiente

TCC – Trabalho de Conclusão de Curso

TCP - Texaco Combustion Process

TGV - Turbo de Geometria Variável

LISTA DE SÍMBOLOS

- Letra grega Eta: eficiência do motor (%)

- Letra grega Pi: diâmetro dividido pelo comprimento da circunferência,

equivalente a 3,1415926

- Letra grega Rô: massa específica ou densidade

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 01

1.1 Justificativa 02

1.2 Objetivo geral 03

1.3 Objetivos específicos 03

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 04

2.1 Motores a combustão 04

2.1.1 Conceituação histórica dos motores a combustão interna 04

2.1.2 Funcionamento de um motor Otto 05

2.1.3 Sistema de Injeção direta 07

2.1.4 Evolução dos motores 10

2.2 Turbo Alimentadores 12

2.2.1 Origem do turbo alimentador 14

2.2.2 Nomenclaturas do turbo alimentador 14

2.2.3 Funcionamento do turbo 15

2.2.4 Fluxo de óleo no turbo alimentador 16

2.2.5 Tipos de turbo alimentador 17

2.2.6 Quanto ao fluxo de ar no conjunto do compressor 19

2.2.7 Quanto ao controle de rotações do turbo alimentador 19

2.2.7.1Sistema convencional 19

2.2.7.2 Sistema com válvula 20

2.2.7.3 Turbo de geometria variável (TGV) 21

2.3 Emissão de Poluentes e Qualidade do Ar 21

3 MATERIAIS E MÉTODOS 33

3.1 Dinamômetro 33

3.1.1 Definições 36

3.1.1.1 Pressão Média Efetiva (Pm) 37

3.1.1.2 Pressão Média Indicada (Pi) 39

3.1.1.3 Consumo de Combustível e Rendimento Térmico 39

3.1.1.4 Rendimento Térmico 41

3.1.1.5 Consumo de Ar – Relação Ar/Combustível 41

(RAC) e Relação Combustível/Ar (RCA). 41

3.1.1.6 Relação Ar-Combustível 42

3.1.1.7 Relação Combustível-Ar 42

3.1.1.8 Rendimento Volumétrico 43

3.1.1.9 Efeito do Turbo Alimentador 43

3.1.1.10 Efeito da Velocidade 44

3.1.2 Elementos para Análise de Desempenho – Comparação

de Motores 44

3.1.3 Condições Atmosféricas Padrão 44

3.1.4 Fatores de Redução 45

3.1.5 Tipos de Testes 46

3.1.5.1Testes de Velocidade Variável 46

3.1.5.1.1 Descrição do Ensaio 47

3.1.5.2 Testes de Velocidade Constante 47


3.1.5.3 Testes de Torque e Avanço 48


3.1.5.4 Teste de Potencia de Atrito 50

3.2 Analisador de gases para motores do ciclo Otto 50

4 RESULTADOS 52

4.1 Análise dos Motores á combustão Ciclo Otto 52

4.2 Análise de turbinas nos motores a combustão Ciclo Otto 57

4.2.1 Fiat Uno 1.4 Turbo 57

4.2.1.1 Turbina 57

4.2.2 Volkswagen Gol 1.0 16v Turbo 59

4.2.2.1 Turbina 59

4.2.3 Fiat Punto T-Jet 1.4 16v Turbo 59

4.2.3.1 Turbina 59

4.2.4 Resultado da eficiência 61

5 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 62

5.1 Acompanhamento Estatístico 63

5.2 Novas Tecnologias 64

5.3 Desenvolvimento do Sistema de Partida 65

5.4 Desenvolvimento de Comando de Válvulas 65

5.5 Ganho de Pressão na Admissão 67

5.6 Desenvolvimento dos Carburadores 67

5.7 Desenvolvimentos da Injeção de Combustível 68

5.8 Sensores e Controladores 68

6 CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES 71

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 76

1

1 INTRODUÇÃO

O tema utilizado para a análise teórica será A Evolução dos Motores na

Indústria Automotiva.

O intuito deste trabalho foi evidenciar a evolução histórica dos motores de

veículos leves nos quesitos melhor tecnologia, potência, economia de combustível e

utilize não só o combustível fóssil, mas também combustível renovável.

O TCC apresentou a história dos motores a combustão e sua evolução ao longo

dos anos, assim como as tecnologias empregadas e os avanços conquistados através

dos estudos e testes incessantes das empresas automotivas.

Há muitos anos atrás, o homem descobriu que a pressão do gás aumentava

quando este era aquecido dentro de um recipiente fechado. Sabendo disso, um

engenheiro chamado James Watt, tratou logo de usar a energia proporcionada por

essa pressão, para fazer com que a máquina produzisse trabalho mecânico. Assim

surgiu a máquina a vapor que possuía uma caldeira onde a água era fervida para ser

vaporizada

Watt usou sua máquina para substituir os cavalos, até então utilizados para

trabalho pesado. Nessa substituição ele comparou o trabalho desempenhado pela

máquina e o trabalho desempenhado pelos cavalos. Dessa comparação surgiu a

unidade de potência conhecida até hoje como cavalo-vapor (cv).

No século XVIII, construído pelo francês Cugnot, o primeiro carro a vapor que

percorreu as ruas de Paris. Essa invenção revolucionou e mudou a sociedade

transformando-se em beneficio para milhões de pessoas em todo o mundo. Ainda no

século XVIII, surgiu o primeiro motor de combustão interna, que utilizava componentes

menos robustos podendo equipar os automóveis.

Considerando o coração do automóvel, o motor foi constantemente

aperfeiçoado. Modificaram o número de cilindros, sua disposição, seu sistema de

arrefecimento, sua localização no automóvel e muitos outros componentes. O motor

com ignição espontânea surgiu no final do século XVIII, pelas mãos de Rudolf Diesel

e foi considerado um grande avanço para a história do automóvel.

Entretanto, foi nas grandes guerras que a tecnologia deu um grande salto.

Novos componentes foram acrescentados proporcionando força, velocidade e

2

conforto ao condutor. Vários conceitos da Mecânica e da Termodinâmica são

aplicados ao estudo dos motores de combustão interna.

Os avanços tecnológicos, tornaram os processos de manufatura dos motores

cada vez mais eficiente, onde cada vez mais vem sendo utilizados processos

automatizados ou robôs, o que elimina o fator de falha humana, trazendo benefícios

em precisão e acabamento, reduzindo perdas por atrito, ou por excesso de folga.

A tecnologia vem desenvolvendo não apenas na manufatura, mas também no

melhoramento dos combustíveis, melhorando seu rendimento e reduzindo

componentes nocivos ao ambiente e para as pessoas. Além dos combustíveis tem

sido aprimorado cada vez mais o estudo e aplicações dos materiais de construção,

obtendo materiais compostos cada vez mais resistentes, leves e menos corrosivos.

A preocupação com a emissão de poluentes foi outro fator que contribuiu na

evolução dos motores. Visto que além de poluir o meio ambiente, a emissão excessiva

de poluentes é um efeito que evidencia a causa da queima ineficiente ou incompleta

do combustível, resultando na perda de eficiência. Assim as normas e legislações

contribuíram para que houvesse um controle da emissão dos poluentes, o que levou

a um monitoramento e esses dados foram utilizados para auxiliar em novas melhorias

nos motores.

1.1 Justificativa

A escolha do tema se tratar de um símbolo da mecânica, onde um único

assunto engloba as diversas áreas da engenharia. Além de ser um assunto em

constante evolução quer seja na melhoria em economia, ganho de potência, utilização

de novos materiais para a fabricação de peças mais leve e que tenham maior

resistência a esforços e desgaste, utilização de novos processos de fabricação e

controles de medição que garantem tolerâncias mais precisas, maior eficiência dada

pela união entre a potência e economia e por fim a sustentabilidade.

3

1.2 Objetivo geral

Analisar e a constante evolução do motor de veículos leves, através do estudo

sobre à evolução dos motores a combustão, seus componentes, tipos de ciclos,

trabalho realizado, queima de combustível, auxílio de turbo compressores e a emissão

dos poluentes gerados.

1.3 Objetivos específicos

Estudar o funcionamento do motor a combustão e seus componentes, tais

como:

- pistões

- bico injetor

- injeção eletrônica

- admissão de combustível

- cabeçote

- bloco do motor

- conjunto do virabrequim

Estudar o funcionamento do turbo compressor, qual o ganho de potência e

autonomia alcançado com a utilização deste tipo de item nos motores a combustão.

Analisar as emissões de poluentes durante a queima do combustível realizada

pelo motor para a geração de energia.

4

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O desenvolvimento da análise teórica será feito através da explicação sobre o

funcionamento dos motores e turbo compressores, além das normas e órgãos

responsáveis pela medição e controle da poluição emitida.

2.1 Motores a combustão

2.1.1 Conceituação histórica dos motores a combustão interna

De acordo com PASSARINI (1993) o motor a combustão interna por ignição a

centelha elétrica, ICE, teve seu desenvolvimento inicial em 1862, quando o físico

francês Alphonse Beau de Rochas sugeriu quais seriam as condições indispensáveis

para que um motor a combustão interna (quatro tempos), funcionasse com a melhor

relação de economia. Rochas também indicou, por meio de eventos sequenciais,

como a economia e a eficiência em um motor a combustão interna poderiam ser

alcançadas, no entanto, Rochas não conseguiu desenvolver um protótipo.

Para PASSARINI (1993) o motor a combustão foi experimentalmente

desenvolvido apenas em 1872, mas, só em 1876 este motor foi colocado em prática

por Nikolauss Otto, que também determinou o ciclo teórico sob o qual trabalha o motor

ICE. Assim os motores passaram a ser fabricado pela firma alemã Otto und Langen,

passando a ser chamado popularmente de motor Otto.

De acordo com SENAI-SP (2003) um motor de combustão interna é constituído

de três partes fundamentais:

Cabeçote;

Bloco;

Conjunto móvel.

5

Figura 1 – Motor

Fonte: www.overcar.com.br

O cabeçote é onde as câmaras de combustão, válvulas e outros elementos

ficam alojados.

A estrutura principal do motor é denomina de bloco, onde podemos encontrar

os cilindros e as câmaras de arrefecimento e lubrificação.

O conjunto móvel é composto de êmbolos, bielas, polias, volante e virabrequim.

2.1.2 Funcionamento de um motor Otto

Conforme SENAI-SP (2003) para o funcionamento do motor Otto, é necessário

uma mistura de ar e combustível, que é aspirada para as câmaras de combustão. Em

seguida, a mistura é comprimida e uma centelha é produzida pelos eletrodos da vela,

produzindo assim a combustão da mistura. Os gases que resultam desta queima

empurram o êmbolo, cujo movimento é transmitido, pelas bielas, ao virabrequim, que

transforma o movimento retilíneo alternado do pistão em um movimento rotativo.

6

De acordo com ANDRADE (2007) o motor a combustão interna é denominado

assim, por realizar a queima de uma mistura de vapor de combustível e ar dentro de

um cilindro. Quando ocorre a combustão, formam-se gases, que expandem-se

rapidamente, empurrando o êmbolo do motor para baixo, gerando um movimento

alternado das partes interiores do motor. O movimento alternado dos êmbolos é

transformado em movimento rotativo, que por sua vez movimento rodas, hélices e

máquinas, evidenciando a conversão da energia química do combustível em energia

mecânica.

Para ANDRADE (2007) um motor a combustão interna pode ser classificado

como quatro tempos ou dois tempos. Durante o funcionamento do motor,

continuamente é admitido uma quantidade de ar combustível, que é comprimida e

queimada e posteriormente é expandida, antes de ser expulsa do cilindro. O ciclo

completo de potência é realizado quando o pistão executa quatro movimentos, sendo

dois para cima e dois para baixo, assim, o motor é chamado de quatro tempos.

Quando o motor executa apenas dois movimentos (um para cima e um para baixo)

durante o ciclo, o motor é denominado com dois tempos.

Segundo ANDRADE (2007) os quatro tempos de um ciclo de combustão de um

motor Otto podem ser definidos da seguinte forma, ainda de acordo com:

Admissão: Nesta fase o pistão se encontra no PMS e começa o movimento de

descida até o PMI, o que gera uma depressão no interior do cilindro, fazendo com que

a mistura ar-combustível entre no cilindro através da válvula de admissão, que nessa

fase se encontra aberta;

Compressão: esta fase se inicia após a admissão, quando o êmbolo que se

encontra no PMI começa a subir até o PMS, com as válvulas de admissão e escape

fechadas, comprimindo a mistura ar-combustível no cilindro. À medida que o êmbolo

sobe, o volume do cilindro diminui, aumentado a pressão até que ocorra a centelha

elétrica para iniciar a combustão;

Expansão: ocorre após a fase de compressão, com o êmbolo no PMS e com

as válvulas de admissão e escape fechadas. Através da centelha pela vela de ignição,

a combustão da mistura ar-combustível acontece. Há uma intensa liberação de

energia e um grande aumento de pressão, resultando em uma força que empurra o

êmbolo para baixo até o PMI;

7

Escape: após a expansão, com o êmbolo no PMI, abre-se a válvula de escape.

Com o êmbolo subindo ao PMI, os gases provenientes da combustão são escoados

pela válvula de escape.

A sequência pode ser melhor entendida pela figura 2:

Figura 2 – Trabalho do Pistão

Fonte: www.antonioguilherme.web.br.com

2.1.3 Sistema de Injeção direta

IECD é o sistema de injeção eletrônica direta de combustível na câmara de

combustão de um motor cujo regime é o ciclo Otto. O IECD oferece diversas

vantagens sobre um sistema de injeção indireta (IEIC), como maior potencial

termodinâmico para redução do consumo de combustível, partida rápida e maior

precisão no controle da mistura ar-combustível.

8

Figura 3 – Comparação entre os sistemas IEDC e IEIC

Fonte: ZHAO et al.(1997)

O motor ICE com sistema de injeção direta de combustível.

Segundo HARADA (1997) é o mais eficiente tanto na economia de combustível

quanto no alto desempenho e ainda possuem alta resposta de aceleração e excelente

dirigibilidade em condições de baixa temperatura, além de apresentar alta eficiência

volumétrica e características antidetonantes.

De acordo com KOWALEWICZ (1984) é o motor com menor índice de emissões

de gases, maior economia, em cargas parciais, e possibilita a queima de combustíveis

de baixa octanagem.

Segundo CARNEIRO (2011) define injeção eletrônica como um sistema não

acionado pelo motor, que é comandado eletronicamente, dosando a quantidade de

combustível a ser injetado, controlando a mistura ar-combustível em função das

necessidades imediatas do motor.

Conforme CARNEIRO (2011) ainda cita que podem existir dois tipos de

sistemas: monoponto e multiponto.

9

O sistema monoponto possui apenas um bico injetor de combustível, que fica

localizado junto ao corpo de borboleta e é responsável pela injeção em todos os

cilindros.

Figura 4 – Sistema de injeção eletrônica monoponto

Fonte: CARNEIRO (2011)

Já o sistema multiponto possui um bico injetor para cada cilindro, que ficam

dispostos anteriores à válvula de admissão.

Figura 5 – Sistema de injeção eletrônica multiponto

Fonte: CARNEIRO (2011)

10

2.1.4 Evolução dos motores

De acordo com HILDEBRAND JR. (1998) a utilização de sistemas de injeção

de combustível de forma direta nos motores a combustão foi iniciada antes da

Segunda Guerra Mundial, onde os cientistas utilizavam instalações semelhantes às

utilizadas nos motores a diesel.

Segundo IWAMAMOTO (1997) antes mesmo do desenvolvimento de

sofisticados carburadores, a indústria aeronáutica passou a adaptar sistemas de

injeção direta de combustível, baseando-se em tecnologias até então, empregadas

nos motores de ignição por compressão. Este sistema acabou caindo em desuso com

o desenvolvimento dos carburadores. Durante este período de pesquisas os motores

com injeção direta passaram a adaptar sistemas que antecipavam a injeção, ou seja,

a injeção de combustível era realizada durante o curso de admissão do pistão, para

que a mistura entre o ar e o combustível fosse homogênea. Devido a este uso,

economia de combustível era algo intangível.

GLOËCKLER (1981) em 1930 o Instituto de Pesquisas Aeronáuticas da

Alemanha deu início a um programa de incremento ao sistema de injeção de

combustível na câmara de combustão, fazendo uso de um injetor de um motor a

diesel. Este programa tinha como meta realizar um completo enchimento do cilindro,

o que veio a proporcionar um ganho de 4% de potência no motor.

De acordo com HILDEBRAND JR. (1998) falando ainda da Alemanha, durante

a Segunda Guerra Mundial, o exército alemão passou a utilizar amplamente o sistema

de injeção direta nos motores de seus aviões.

Conforme DOLZA (1957) realizaram, em um motor monocilíndrico, ensaios com

injeção direta, fazendo comparações com o sistema de carburador convencional

variando condições de velocidade, temperatura e carga do motor.

DAVIS (1961) Na Texaco Reserach Center – Beacon, inseriram no interior de

um cilindro um sistema de injeção direta. Este experimento tinha por finalidade

produzir um motor de alta eficiência térmica, que estava associada à combustão de

misturas pobres. Este projeto foi denominado de Texaco Combustion Process (TCP).

O processo do TCP praticava a rotação da mistura ar-combustível na câmara de

combustão, que era proporcionada devido ao ângulo existente entre a parede do

11

cilindro e o bico injetor. Esta pesquisa impetrou seus objetivos, no entanto, a produção

de um motor com essas configurações era de valores elevados, o que fez regredir tal

fabricação.

Segundo IWAMOTO (1997) muitos estudos utilizando o sistema de injeção

direta foram realizados até o ano de 1980, almejando-se configurar um motor com alta

economia de combustível. No entanto, conclui-se que este tipo de motor deveria ser

atuado em pobres condições, onde a carga seria estratificada, preparando assim, uma

mistura suavemente rica na vela de ignição. Devido a este fator, foram propostos neste

período diversos conceitos de combustão aplicando carga estratificada.

SINTOMA CAUSA

Emissão de hidrocarbonetos. Dificuldade de se realizar a

combustão completa.

Incrustação de fuligem na vela

de ignição.

Jato de combustível próximo à

vela, formando fuligem.

Baixo desempenho. Devido ao sistema mecânico de

injeção de combustível, a variação do

tempo de injeção era limitada,

portanto, este motor deveria ser

operado com uma mistura uniforme em

altas cargas. A taxa de excesso de ar

deveria ser mantida alta, para que se

prevenisse a emissão de fuligem, o

que acabou provocando baixo

desempenho.

Diluição do óleo lubrificante. O combustível chocava-se com

a parede do cilindro e com a superfície

do pistão, o que provocava a diluição

do lubrificante.

Acúmulo de sedimentos na

câmara de combustão.

Uma camada de combustível

era formada sobre a superfície do

12

Tais conceitos padronizaram uma configuração física para o motor

posicionando a vela de ignição ao lado do jato de combustível. Apesar da

comprovação de uma combustão estável neste arranjo e de ser um motor avançado

para a época, os sintomas que se seguem foram cruciais para o veto da produção

destes motores:

Ainda de acordo com IWAMOTO (1997) a economia de combustível prosseguiu

a ser o principal objetivo dos fabricantes, pois é o principal fator para redução do

consumo de energia e também para a redução da emissão de CO, que é um dos

gases mais maléficos para a regeneração da camada de ozônio e um dos que mais

influencia para o aumento do efeito estufa.

Pesquisas na área de energética decorreram a constituir as novas tecnologias

para o sistema de injeção direta.

A evolução de tecnologias nas áreas de tratamento de gases provenientes da

queima e o aprimoramento de sistemas de controle do motor e injeção eletrônica de

combustível, assim como, maior rigorosidade com o controle de emissão de poluentes

são fatores contribuintes para o desenvolvimento dos motores ciclo Otto.

Novas tecnologias com o uso de energias mistas ou renováveis têm sido

desenvolvidas com o intuito de auxiliar o desempenho de motores ciclo Otto e até

mesmo vir a substituí-los.

2.2 Turbo Alimentadores

De acordo com PORTAL DO MECÂNICO (2014) a pressão atmosférica é

a pressão exercida pela camada de moléculas de ar sobre a superfície. A pressão é

a força exercida por unidade de área, neste caso a força exercida pelo ar em um

determinado ponto da superfície. As moléculas de ar são atraídas pela força de

gravidade da terra e, portanto, têm peso. Por causa desse fenômeno que não se

dispersam pelo espaço. Devido ao seu peso, a atmosfera exerce uma pressão

pistão, causando o acúmulo de

sedimentos.

13

(pressão atmosférica) sobre todos os objetos nela imersos. Ao nível do mar, a pressão

atmosférica é de aproximadamente 1,033 Kg por cm2 de área ou 1,013 bar ou ainda

760 mm /Hg e diminui à proporção de 1 mm /Hg para cada 30,48 cm de elevação

alterando-se de acordo com a variação da temperatura do ar. Com isso é possível

entender que se o ar sob pressão ocupa todos os espaços da terra, o ar presente no

filtro de ar, nos dutos, coletor de admissão e cilindros do motor a explosão deverá ser

misturado a uma quantidade de combustível para formar a mistura ar/combustível que

faz o motor funcionar. Logo, o rendimento de um motor a explosão está diretamente

ligado ao fluxo do ar atmosférico que consegue entrar em cada cilindro desse motor,

e é influenciado pelo tipo e estado do filtro de ar, assim como o formato e a rugosidade

do coletor de admissão, dos dutos do cabeçote, abertura da(s) válvula(s) de admissão,

velocidade angular do pistão (para quando atinge os pontos de transição [PMs] e

atinge o máximo na metade de seu curso), rotação do motor (quanto maior a rotação,

maior a dificuldade para preencher o cilindro.

PORTAL DO MECÂNICO (2014) uma das dificuldades relevantes é a expulsão

dos gases do cilindro (gases de escapamento). Por estarem muito dilatados devida a

alta temperatura, fatores como formato da câmara de combustão, tipo e quantidade

de válvulas de escapamento, rugosidades, formato e capacidade (diâmetro, curvas e

comprimento) do tubo de escapamento podem bloquear sua saída. Se esses gases

não deixarem o cilindro com a rapidez necessária, ocuparão espaço no cilindro, e por

consequência dificultam a entrada da nova mistura. Essa dificuldade aumenta, à

medida que a rotação do motor sobe. Estes fatores, somados ao ângulo de

cruzamento das válvulas e tipo de perfil do comando de válvulas, influenciam no que

chamamos de Eficiência Volumétrica do Motor (EV). Comparando-se 2 motores, um

de 2 válvulas por cilindro e outro de 4 válvulas por cilindro, enquanto no primeiro caso

a EV é no máximo 65% de enchimento de cada cilindro, já no segundo caso este valor

sobe para 80%. Considerando um motor aspirado de 2.000 cc (2.0) nominais, o

mesmo consegue admitir um fluxo de mistura de aproximadamente 1.300 cc, se for

equipado com 2 válvulas por cilindro, e 1.600 cc se possuir 4 válvulas por cilindro. O

turbo compressor atua aumentando ainda mais esta eficiência volumétrica, na medida

em que os gases de escapamento fazem girar uma turbina, que está montada no

14

mesmo eixo do compressor, fazendo com que este aumente a pressão do ar admitido

e empurre mais ar para dentro do motor.

2.2.1 Origem do turbo alimentador

De acordo com MASTER POWER (2014) os turbo alimentadores estão cada

vez mais equipando motores de concepção avançada, mas sua tecnologia não é tão

recente quanto parece. A turbo alimentação tem sua história ligada à aviação, como

o ar é rarefeito em grandes altitudes, o turbo alimentador compensava isso com uma

pressão de ar maior que a atmosférica nos cilindros. Em paralelo a isso o motor tinha

sua potência aumentada, o que posteriormente se tornou um recurso a mais para os

carros de corrida. Hoje em dia, gradativamente os motores turbo-alimentados se

incorporam à indústria de motores leves, se consagrando como uma versão

aperfeiçoada do motor comum. O turbo alimentador tem como função fornecer um

volume de ar maior ao motor, proporcionando melhor queima de combustível e melhor

desempenho.

2.2.2 Nomenclaturas do turbo alimentador

MASTER POWER (2014) o turbo alimentador se trata de um componente que

utiliza a energia dos gases de escape para convertê-la em energia cinética, é esta

energia que movimenta o rotor da turbina que, ligada a um eixo, transmite o

movimento ao rotor do compressor. O conjunto do compressor é composto pela

carcaça compressora e rotor do compressor e tem a função de aspirar o ar atmosférico

e comprimi-lo pra dentro do cilindro, podendo atingir até três vezes a pressão

atmosférica.

15

Figura 6 – Turbo alimentador

Fonte: www.masterpower.com.br

MASTER POWER (2014) o conjunto rotativo é composto pela carcaça dos

mancais, mancais radiais, mancal axial, prato difusor, defletor de calor, anéis trava,

colar, anéis de pistão e alguns outros itens específicos de cada modelo de turbo. Este

conjunto tem como objetivo receber o óleo lubrificante do motor e fornecer sustentação

ao conjunto do eixo rotor e rotor do compressor. O conjunto da turbina é composto

pela carcaça de ferro fundido e conjunto eixo rotor.

2.2.3 Funcionamento do turbo

MASTER POWER (2014) de toda a energia produzida por um motor de

combustão interna, somente um terço é disponível para o deslocamento do veículo,

os outros dois terços são perdidos das seguintes formas:

Um terço se dissipa no sistema de arrefecimento através do calor e é

consumido pelo próprio mecanismo de funcionamento do motor.

O restante é eliminado como gases de escape. Esta energia térmica, de

velocidade e pressão desses gases serão utilizadas para girar o conjunto eixo rotor

16

da turbina, que estando unida ao rotor do compressor faz com que ambos girem na

mesma rotação.

A carcaça da turbina atua como um tubo em forma e caracol, direcionando o

fluxo de gases para as palhetas do rotor da turbina, fazendo com que o mesmo gire,

e logo após sendo liberado para a atmosfera.

O ar, previamente filtrado pelo filtro de ar, é aspirado pelo rotor em conjunto

com a carcaça compressora, onde é comprimido e enviado em alta pressão para o

coletor de admissão.

Figura 7 – Funcionamento do turbo


2.2.4 Fluxo de óleo no turbo alimentador

O sistema de lubrificação é essencial para um bom funcionamento das partes

móveis do turbo, pois o mesmo minimiza qualquer atrito, principalmente do conjunto

eixo rotor com os mancais radiais.

O sistema se utiliza da mesma bomba e do mesmo óleo que fazem a

lubrificação do motor, sendo conduzido através de flexíveis ou tubulações específicas

até os mancais. Após entrar nas galerias o óleo é direcionado para o mancal axial e

17

os mancais radiais, onde forma uma película lubrificante que os envolve, mantendo

flutuantes todos os componentes móveis.

Após realizada a lubrificação forçada, o óleo retorna para o carter por gravidade

através da tubulação de retorno.

O perfeito funcionamento do turbo proporciona uma serie de benéficos, tais

como:

Aumento de potência - O aumento da densidade do ar na câmara de

combustão possibilita injetar maior quantidade de combustível,

resultando em elevação de potência.

Preservação do meio ambiente - A aplicação correta do turbo

possibilita equalizar a mistura ar/combustível, proporcionando um

melhor rendimento dentro do mesmo limite de emissão de gases

poluentes.

Compensação de altitude - Conforme a altitude aumenta, o ar se torna

mais rarefeito e a pressão atmosférica diminui, isto faz com que motores

naturalmente aspirados percam aproximadamente 10% de sua potencia

a cada 1000 metros. O turbo consegue minimizar essa perda através da

entrada forcada de ar na admissão.

Redução do consumo de combustível - Com o melhor aproveitamento

da capacidade volumétrica do motor e melhor queima de combustível, o

veículo se torna mais econômico (consumo específico)

Aumento de torque - Aproveitando melhor a capacidade dos

componentes do motor e também sua maior potencia, o veículo

apresenta melhor desempenho em baixas rotações e melhores

retomadas de velocidade.

2.2.5 Tipos de turbo alimentador

A criação de novos tipos de turbos é contínua, devido á constante evolução da

tecnologia presente nos motores, o qual é o tema de nossa monografia, visando

economia, proteção ambiental, segurança e melhor custo x benefício.

18

Atualmente, pode-se citar como tipos de turbo, quanto ao fluxo de gases de

escape na carcaça da turbina:

Fluxo simples monofluxo - A passagem dos gases de escapamento

ocorre em um único canal, tanto no coletor de escapamento quanto na

carcaça da turbina.

É utilizado principalmente em motores de pequeno porte.

Figura 8 – Turbo simples monofluxo


Fluxo duplo pulsativo - A passagem dos gases de escapamento é

dividida em dois canais, tanto no coletor quanto na carcaça da turbina.

Este sistema proporciona um melhor rendimento em rotações baixas através

do aproveitamento dos pulsos dos gases de acordo com a ordem de explosão dos

cilindros.

Figura 9 – Turbo fluxo duplo pulsativo


19

2.2.6 Quanto ao fluxo de ar no conjunto do compressor

O sistema Reflow possui uma galeria na carcaça compressora que é ligada á

área de aspiração através de um canal, o que contribui para o aumento do fluxo de ar

em baixas rotações.

Figura 10 – Sistema Reflow


2.2.7 Quanto ao controle de rotações do turbo alimentador

2.2.7.1Sistema convencional

Neste sistema toda energia térmica dos gases de escapamento é convertida

em giro do conjunto eixo rotor, e consequentemente, há a aspiração e compressão de

todo o volume de ar disponível.

20

Figura 11 – Turbo sistema convencional


2.2.7.2 Sistema com válvula

Diferente do sistema convencional, este sistema possui um atuador que

controla a pressão e a rotação do turbo alimentador de acordo com os ajustes pré

definidos na fabricação do mesmo.

Figura 12 – Turbo sistema com válvula


21

2.2.7.3 Turbo de geometria variável (TGV)

Este tipo de turbo alimentador existe um sistema no interior da carcaça da

turbina, que, mediante o funcionamento do atuador, direciona o fluxo dos gases de

escapamento com maior ou menor incidência sobre as palhetas do rotor da turbina.

Quando em baixas rotações e menor fluxo de gases de escapamento, o

sistema provoca a aceleração dos gases, simulando uma carcaça de área reduzida.

Quando ocorre o aumento da rotação e maior fluxo de gases de escapamento, as

palhetas se abrem, diminuindo a velocidade dos gases e mantendo a pressão de

sobre alimentação estável, conforme a necessidade do motor.

Figura 13 – Turbo de geometria variável


2.3 Emissão de Poluentes e Qualidade do Ar

O ar é essencial para todos os seres vivos: sem ele sufocaríamos em poucos

minutos. O petróleo é rico em enxofre, um dos principais culpados, pois quando

entram em combustão liberam gases de dióxido de enxofre e dióxido de carbono.

De acordo com o site do IBAMA (2014) além de causar congestionamentos

constantes, com a consequente degradação ambiental, devido à poluição do ar e

22

sonora provocada pelos veículos automotores, o crescimento do número de veículos

eleva os custos socioeconômicos e provoca sérios danos à saúde humana, devendo

ser controlados através da adoção de medidas eficazes de controle da

poluição veicular, direta ou indiretamente.

Com o objetivo de reduzir e controlar a contaminação atmosférica por fontes

móveis (veículos automotores) o Conselho Nacional do Meio Ambiente - CONAMA

criou os Programas de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores:

PROCONVE (automóveis) e PROMOT (motocicletas) fixando prazos, limites máximos

de emissão e estabelecendo exigências tecnológicas para veículos automotores,

nacionais e importados.

De acordo com o site do CETESB (2014) desde que foi implantado, em 1986,

o Programa reduziu a emissão de poluentes de veículos novos em cerca de 97%, por

meio da limitação progressiva da emissão de poluentes, através da introdução de

tecnologias como catalisador, injeção eletrônica de combustível e melhorias nos

combustíveis automotivos. Constatada a gravidade da poluição gerada pelos veículos,

a CETESB, durante a década de 80, desenvolveu as bases técnicas que culminaram

com a Resolução nº 18/86 do CONAMA - Conselho Nacional do Meio Ambiente, que

estabeleceu o PROCONVE - Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos

Automotores, posteriormente complementada por outras Resoluções CONAMA. A Lei

Federal nº 8723 de 28 de outubro de 93 (republicada no Diário Oficial da União por

incorreções em 29 de outubro de 1993) definiu os limites de emissão para veículos

leves e pesados.

O PROCONVE (2014) foi baseado na experiência internacional dos países

desenvolvidos e exige que os veículos e motores novos atendam a limites máximos

de emissão, em ensaios padronizados e com combustíveis de referência. O programa

impõe ainda a certificação de protótipos e de veículos da produção, a autorização

especial do órgão ambiental federal para uso de combustíveis alternativos, o

recolhimento e reparo dos veículos ou motores encontrados em desconformidade com

a produção ou o projeto e proíbe a comercialização dos modelos de veículos não

homologados segundo seus critérios.

A CETESB (2014) é o órgão técnico conveniado do IBAMA para assuntos de

homologação de veículos, tendo a responsabilidade pela implantação e

23

operacionalização do PROCONVE no país. Assim, todos os novos modelos de

veículos e motores nacionais e importados são submetidos obrigatoriamente à

homologação quanto à emissão de poluentes. Para tal, são analisados os parâmetros

de engenharia do motor e do veículo relevantes à emissão de poluentes, sendo

também submetidos a rígidos ensaios de laboratório, onde as emissões reais são

quantificadas e comparadas aos limites máximos em vigor.

Nesse sentido o IBAMA (2014), a CETESB, juntamente com o segmento dos

fabricantes/importadores de veículos automotores rodoviários e os refinadores de

petróleo, começaram a discutir em 2002 a segunda etapa do PROCONVE, visando

instituir limites de emissão mais restritos para os veículos no período 2004-2012. Isso

culminou no estabelecimento da Resolução CONAMA 315/02 que fixou novas etapas

para o controle das emissões de veículos leves, pesados e motores de aplicação

veicular nesse período.

O PROCONVE (2014) considera a qualidade do combustível e a concepção

tecnológica do motor como os principais fatores da emissão dos poluentes. Para obter

a menor emissão possível, é necessário dispor de tecnologias avançadas de

combustão e de dispositivos de controle de emissão, bem como de combustíveis

"limpos" (baixo potencial poluidor). O Brasil, pelo fato de ter adicionado 22% de álcool

à gasolina, passou a produzir um combustível de elevada qualidade sob o ponto de

vista ambiental e nos colocou como pioneiros na utilização em larga escala na adição

de compostos oxigenados à gasolina e no uso de combustíveis renováveis. Além

disso, a compatibilidade entre o motor e o combustível é fundamental para o pleno

aproveitamento dos benefícios que podem ser obtidos, tanto para a redução das

emissões, quanto para a melhoria do desempenho, dirigibilidade, consumo de

combustível e manutenção mecânica. Ainda a disponibilidade do etanol hidratado e

da mistura Gasolina C, no mercado nacional desde o princípio da década de 80, trouxe

benefícios para o meio ambiente e para a saúde pública, destacando-se a redução

drástica das concentrações de chumbo na atmosfera, visto que o etanol é também um

antidetonante substituto do aditivo a base de chumbo, totalmente retirado do

combustível nacional desde 1991. Além disso, a adição de etanol à gasolina trouxe

imediatamente reduções da ordem de 50% na emissão de CO da frota antiga dos

veículos.

24

Há uma tendência mundial para a adição de alguns compostos oxigenados à

gasolina, visando a redução do impacto poluidor. A experiência internacional nesse

sentido tem demonstrado a superioridade da utilização de alcoóis, notadamente do

etanol como no caso brasileiro, em relação aos éteres, sob o ponto de vista ambiental

e de saúde pública.

Quanto aos aspectos de proteção à pública, as ações do PROCONVE (2014)

têm estabelecido ganhos notáveis desde a sua implantação. Estudos recentes

conduzidos pelo Laboratório de Poluição do Ar da Faculdade de Medicina da

Universidade de São Paulo concluíram que no período 1996 a 2005 as mortes

evitadas pelas reduções nas emissões veiculares na Região Metropolitana de São

Paulo, em especial o material particulado (fumaça) dos veículos a diesel, foram de

14.495, nos grupos de crianças e idosos.

De acordo com o Portal do Meio Ambiente – PR (2014), o nível da poluição do

ar é medido pela quantificação das principais substâncias poluentes presentes neste

ar, os chamados Indicadores da Qualidade do Ar. Considera-se poluente qualquer

substância presente no ar e que, pela sua concentração, possa torna-lo impróprio,

nocivo ou ofensivo à saúde, inconveniente ao bem estar público, danoso aos

materiais, à fauna e à flora ou prejudicial à segurança.

Temos no Brasil padrões de qualidade do ar estabelecidos pela Resolução

CONAMA 03/90, para os sete seguintes indicadores:

Partículas Totais em Suspensão (PTS)

Fumaça

Partículas Inaláveis (PI ou PM10)

Dióxido de Enxofre (SO2)

Monóxido de Carbono (CO)

Ozônio (O3)

Dióxido de Nitrogênio (NO2)

O tamanho das partículas é o critério utilizado para a classificação destes

materiais. Partículas mais grossas ficam retidas no nariz e na garganta, provocando

incômodo e irritação, além de facilitar que doenças como gripe se instalem no

organismo. Poeiras mais finas podem causar danos ao aparelho respiratório e

25

carregar outros poluentes "de carona" para os alvéolos pulmonares, provocando

efeitos crônicos como doenças respiratórias, cardíacas e câncer.

Dióxido de Enxofre - SO2:

A emissão de dióxido de enxofre está principalmente relacionada com o uso de

combustíveis de origem fóssil. Pode provocar irritação e aumento na produção de

muco, desconforto na respiração e o agravamento de problemas respiratórios e

cardiovasculares. Outro efeito relacionado ao SO2 refere-se ao fato de ser um dos

poluentes precursores da chuva ácida, efeito global de poluição atmosférica,

responsável pela deterioração de diversos materiais, acidificação de corpos d'água e

destruição de florestas.

Monóxido de Carbono – CO:

A emissão de monóxido de carbono está relacionada diretamente com o

processo de combustão tanto em fontes móveis, motores à gasolina, diesel ou álcool,

quanto de fontes fixas industriais. Esse gás é classificado como um asfixiante

sistêmico, pois é uma substância que prejudica a oxigenação dos tecidos. Os efeitos

da exposição dos seres humanos ao CO estão associados à diminuição da

capacidade de transporte de oxigênio na combinação com hemoglobina do sangue.

Uma vez que a afinidade da hemoglobina com CO é 210 vezes maior que com o

oxigênio, a carboxihemoglobina formada no sangue pode trazer graves

consequências como confusão mental, prejuízo dos reflexos, inconsciência, parada

das funções cerebrais e em casos extremos, morte aos seres humanos.

Ozônio - O3:

O ozônio é um gás composto por três átomos de oxigênio, invisível, com cheiro

marcante e altamente reativo. Quando presente nas altas camadas da atmosfera

(estratosfera) nos protege dos raios ultravioletas do sol. Quando formado próximo ao

solo (troposfera) comporta-se como poluente tóxico. É o principal representante do

grupo de poluentes designados genericamente por oxidantes fotoquímicos, sendo

formado pela reação dos hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio presentes no ar, sob

ação da radiação solar. Pode causar irritação dos olhos e redução da capacidade

pulmonar. Agravar doenças respiratórias, diminuir a resistência contra infecções e ser

responsável por disfunções pulmonares, como a asma. O ozônio interfere na

fotossíntese e causa danos às obras de arte e estruturas metálicas.

26

Dióxido de Nitrogênio - NO2:

É formado pela reação do óxido de nitrogênio e do oxigênio reativo presentes

na atmosfera. Pode provocar irritação da mucosa do nariz, manifestada através de

coriza, e danos severos aos pulmões, semelhantes aos provocados pelo enfisema

pulmonar. Além dos efeitos diretos à saúde, o NO2 também está relacionado à

formação do ozônio e da chuva ácida.

De acordo com o site do CETESB (2014) a relação entre efeitos à saúde e

poluição atmosférica foi estabelecida a partir de episódios agudos de contaminação

do ar e estudos sobre a ocorrência do excesso de milhares de mortes registradas em

Londres, em 1948 e 1952. No caso da Região Metropolitana de São Paulo - RMSP, o

crescimento desordenado verificado na Capital e nos municípios vizinhos,

especialmente da região do ABC, a partir da 2ª Guerra Mundial, levou à instalação de

indústrias de grande porte, sem a preocupação com o controle das emissões de

poluentes atmosféricos, sendo possível a visualização de chaminés emitindo enormes

quantidades de fumaça, além do grande volume de automóveis que vem crescendo a

cada dia.

Há registros em jornais da década de 60 e especialmente de 70, de episódios

agudos de poluição do ar que levaram a população ao pânico devido aos fortes

odores, decorrentes do excesso de poluentes lançados na atmosfera, causando mal-

estar e lotando os serviços médicos de emergência.

O monitoramento da qualidade do ar, com a avaliação das concentrações de

poluentes no Estado de São Paulo, foi iniciado na Região Metropolitana de São Paulo,

em 1972, com a instalação de 14 estações para medição diária dos níveis de dióxido

de enxofre (SO2) e fumaça preta. Nessa época, a qualidade do ar passou a ser

divulgada diariamente à população por meio de boletins encaminhados à imprensa.

Parte das estações, denominadas manuais, continuam sendo utilizadas pela CETESB

no monitoramento da qualidade do ar.

Em 1981, foi dado um salto qualitativo, com o início do monitoramento

automático e a instalação de novas estações, para a avaliação de SO2, material

particulado inalável (MP10), ozônio (O3), óxidos de nitrogênio – (NO, NO2 e Nox),

monóxido de carbono – (CO) e hidrocarbonetos não-metânicos – (NMHC), além dos

27

parâmetros meteorológicos como direção e velocidade do vento, temperatura e

umidade relativa do ar.

O IBAMA (2014) definiu o processo de fabricação de veículos, dividindo em três

passos:

Passo 1 - Homologação de protótipo

É a comprovação de que os fabricantes/importadores aplicam conceitos de

projeto que asseguram um baixo potencial poluidor aos veículos novos e uma baixa taxa

de deterioração das emissões ao longo da sua vida útil. Tal comprovação se dá através

da análise técnica das especificações de engenharia e resultados de ensaio.

Passo 2 - Controle de produção/importação

É o acompanhamento estatístico das linhas de produção/importação, para

assegurar a conformidade com o projeto homologado bem como uma baixa dispersão

dos índices de emissão dos veículos.

Passo 3 - Controle pós-venda

É o mecanismo que busca induzir os proprietários e reparadores a seguirem

rigorosamente os procedimentos de manutenção preventiva, indicados pelos

fabricantes. São os chamados, Programas de Inspeção e Manutenção de Veículos em

Uso - I/M.

O controle de emissão de poluentes é executado a partir da seguinte classificação

de veículos automotores:

1 - Veículo Leve de Passageiros: automóvel projetado para o transporte de até

12 passageiros, ou seus derivados para o transporte de carga.

2 - Veículo Leve Comercial: veículo utilitário projetado para o transporte de carga

ou misto e seus derivados ou projetados para o transporte de mais que 12 passageiros

ou ainda, com características especiais para uso fora de estrada.

3 - Veículo Pesado: ônibus e caminhão projetados para o transporte de

passageiros e/ou carga.

4 - Veículo de Duas Rodas: ciclomotores, motocicletas e similares.

Os resultados positivos alcançados até agora, mostram que a estratégia para

implantação do controle de emissão de poluentes por veículos automotores foi vitoriosa.

O êxito do programa deve-se ao seu cronograma com etapas cada vez mais restritivas,

28

e, sempre em sintonia com a realidade brasileira. Os resultados mais expressivos

alcançados pelo PROCONVE são:

1. A modernização do parque industrial automotivo brasileiro;

2. A adoção, atualização e desenvolvimento de novas tecnologias;

3. A melhoria da qualidade dos combustíveis automotivos;

4. A formação de mão-de-obra técnica altamente especializada;

5. O aporte no Brasil de novos investimentos, de novas indústrias e de

laboratórios de emissão;

6. geração de empregos;

7. diversificação do parque industrial; e,

8. a redução na fonte (veículo) em até 98% da emissão de poluentes.

Antes dos programas, a emissão média, por exemplo, de monóxido de carbono

(CO) de um veículo leve era de 54g/km. Na atualidade essa emissão está por volta de

0,4 g/km. Note-se que mesmo com o significativo aumento da frota brasileira de veículos

automotores, estes resultados fizeram e fazem com que tenhamos condições de exercer

um melhor controle sobre a poluição atmosférica, garantindo a qualidade do ar nas

grandes cidades brasileiras.

Dicas para reduzir emissão de poluentes e economizar combustível:

Prefira trafegar com a marcha mais elevada possível, evitando a perda de

potência causada pela fricção interna do motor. Mude as marchas antes dos

2.500 RPM nos automóveis a gasolina e antes dos 2.000 RPM nos a diesel;

Evite mudanças bruscas de velocidade, com acelerações e frenagens,

preferindo manter uma velocidade constante e antecipando as paradas nos

semáforos;

Reduza a velocidade de passeio para o máximo de 100 km/h. Isso diminui o

consumo de combustível em 15%;

Desligue o motor nas pequenas paradas a partir dos 20 segundos. Nos veículos

antigos, onde a ligação do motor necessita de pressão sobre o acelerador,

apenas desligue o motor quando o tempo de parada for superior a 1 minuto;

Não exagere na utilização do ar-condicionado e dos sistemas de som de

potência elevada, que acarretam um aumento de 13% no consumo. Não utilize

29

o ar-condicionado para reduzir a temperatura abaixo dos 23ºC e na estrada, a

mais de 80Km/h prefira fechar as janelas e ligar o ar-condicionado;

Evite pesos desnecessários no automóvel;

Verifique sempre a pressão dos pneus e trafegue com a pressão adequada. O

aumento do atrito aumenta o consumo do veículo em até 2%;

De acordo com o site do IBAMA (2014) os carros fabricados a partir de 2011

saíram da fábrica com uma etiqueta conjunta do Ibama e do Inmetro contendo

informações sobre a eficiência energética e as emissões de poluentes. O presidente

do Ibama, Abelardo Bayma, e do Inmetro, João Jornada, assinaram portaria a

unificando o Nota Verde, do órgão ambiental, que classifica os veículos leves de

acordo com as emissões de poluentes e a etiqueta do Programa Brasileiro de

Etiquetagem Veicular (PBEV), do instituto de metrologia, relativa à eficiência

energética (consumo de combustível).

A portaria visa também a definir novos critérios de fixação do percentual do IPI

para veículos automotores com base em indicador ambiental/eficiência energética, em

estudo no Ministério da Fazenda, substituindo ao que vigora atualmente baseado no

combustível e na cilindrada do motor.

Ao instituir uma classificação única proveniente da união dos indicadores

ambientais do INMETRO e do IBAMA, o governo se preocupa com a necessidade de

aperfeiçoar e harmonizar os instrumentos de informação ao consumidor, visando a

orientar uma decisão de compra ambientalmente correta, e quem ganha com isso é o

consumidor.

Para presidente do INMETRO (2014), João Jornada a iniciativa, de certa forma,

provocará uma concorrência positiva entre as montadoras, que vão se preocupar em

produzir veículos mais eficientes, com baixa emissão de poluentes e com baixo

consumo de combustível. “As indústrias terão a oportunidade de colocarem a sua

expertise no campo ambiental e da sustentabilidade”, observou Jornada.

Já o presidente do IBAMA (2014), Abelardo Bayma, comentou que a portaria é

uma medida estruturante e fortalece a importância da sinergia e convergência de

ações entre os Institutos. Também enfatizou que a unificação dos instrumentos é um

importante fator de contribuição para a boa qualidade do ar nas cidades brasileiras,

30

com reflexos na saúde, no clima e na decisão de compra ambientalmente correta do

consumidor.

“A nova classificação dos veículos em relação aos níveis de emissão de

poluentes e a eficiência energética são uma importante ferramenta de estímulo ao

consumo consciente e ao processo de melhoria contínua da indústria”, afirmou Bayma

(2014).

A metodologia utilizada pelo Programa de Controle da Poluição do Ar por

Veículos Automotores (Proconve), com os indicadores de eficiência energética do

Programa Brasileiro de Etiquetagem Veicular (PBEV), leva em consideração as

seguintes condicionantes:

• a união dos indicadores ambientais e de eficiência energética não implica

qualquer alteração nos critérios de classificação dos dois instrumentos;

• os valores de emissão de poluentes passam a ser divulgados, também, na

Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE), do PBEV, sob o título Energia

e Ambiente;• o valor de CO2 (Dióxido de Carbono) divulgado na etiqueta será o

declarado ao PBEV pelo fabricante ou importador do veículo.

Figura 14 – Modelo de etiqueta do programa brasileiro de etiquetagem

veicular

Fonte: INMETRO

31

Gráfico 1 – Evolução dos limites de emissão dos poluentes do PROCONVE e do

PROMOT – Veículos Leves

Fonte: INMETRO

Gráfico 2 – Evolução dos limites de emissão dos poluentes do PROCONVE e do

PROMOT – Veículos Pesados

Fonte: INMETRO

32

Figura 15 – Marcas dos programas “NOTA VERDE” do IBAMA e “Programa

Brasileiro de Etiquetagem Veicular” do INMETRO

Fonte: IBAMA e INMETRO

33

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Para realizar a análise teórica do TCC em questão, foi consultado primeiramente

normas e legislações para obter-se uma base do que mais seria necessário pesquisar

em bibliografias como livros, revistas, sites de órgãos entre outras fontes.

Tornou-se necessário adquirir o conhecimento de alguns critérios estabelecidos

por algumas normas como:

DIN, NBR, ISO: A potência do motor é medida com o ventilador, bomba de água,

bomba injetora, alternador, silencioso e filtro de ar.

CUNA (Itália): A potência do motor é medida sem o filtro de ar e sem silencioso.

É de 5 a 10% superior aos valores em DIN, NBR e ISO

SAE: A potência do motor é medida sem os agregados e consumidores de

energia. É de 10 a 25% superior aos valores em DIN, NBR e ISO.

E também conhecer como trabalham os tipos de equipamentos utilizados para

a medição dos respectivos processos apresentados:

3.1 Dinamômetro

Dinamômetro é o equipamento capaz de medir a potência, trabalho executado

na unidade de tempo, de um motor em suas diversas condições de funcionamento.

O dispositivo mais antigo, utilizado até os dias de hoje para medir a potência do motor,

é constituído por um volante circundado por uma cinta conectada a um braço cuja

extremidade se apóia sobre a plataforma de uma balança. O volante, acionado pelo

motor, tem o seu movimento restringido pela pressão aplicada à cinta, que transmite o

esforço ao braço apoiado sobre a balança. A partir das leituras da balança, calcula-se

o esforço despendido pelo motor. Esse dispositivo é conhecido como FREIO DE

PRONY. O cálculo da potência do motor se faz considerando:

34

Figura 16 – Freio de Prony

Fonte: www.ifi.unicamp.br

Rotação do motor = 𝑵 (em rpm)

Comprimento do braço = 𝑹 (em m ou ft)

Leitura da balança = 𝑷 (em lb. ou Kg)

Com os elementos citados, sabendo-se que a periferia do volante percorre, no

intervalo de uma rotação, a distância 𝟐𝝅𝒓 contra a força de atrito 𝒇, aplicada pela cinta,

então, em cada rotação, tem-se:

𝑻𝒓𝒂𝒃𝒂𝒍𝒉𝒐 = 𝟐 𝝅 𝒓 𝒇 (1)

Conjugado resistente ao atrito é formado pelo produto da leitura 𝑷 da balança

pelo valor do comprimento do braço de alavanca 𝑹 e será exatamente igual ao

produto 𝒓 vezes 𝒇, conjugado que tende a mover o braço. Logo:

𝒓 𝒇 = 𝑷 𝑹 (2)

e, em uma rotação, 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 = 2 𝜋 𝑃 𝑅

Se o motor funcionar a 𝑵 rpm, o Trabalho por minuto será dado por:

𝝉 = 𝟐 𝝅 𝑷 𝑹 𝑵 (3)

35

Expressão acima define a potência desenvolvida pelo motor, que pode ser

expressa em HP (Horsepower) ou em CV (Cavalo-vapor), dependendo das unidades

empregadas.

Assim:

𝑯𝑷 =𝟐𝝅 𝑷 𝑹 𝑵

𝟑𝟑𝟎𝟎𝟎 == 𝑯𝑷 =

𝑷 𝑹 𝑵

𝟓𝟐𝟓𝟐 (4)

Para 𝑷 em libras, 𝑹 em pés e 𝑵 em rpm, ou:

𝑪𝑽 =(𝟐𝝅 𝑷 𝑹 𝑵)

𝟒𝟓𝟎𝟎 == 𝑪𝑽 =

(𝑷 𝑹 𝑵)

𝟕𝟏𝟔,𝟐 (5)

Para 𝑷 em Kg, 𝑹 em metros e 𝑵 em rpm.

Constantes 4.500 e 33.000 são resultantes das definições de CV e HP, que são,

respectivamente, a potência necessária para elevar a altura de um metro, em um

segundo, uma carga de 75 quilogramas, o que corresponde a 75 x 60 = 4500 para

transformação em minuto e a potência necessária para elevar a altura de um pé, em

um segundo, uma carga de 550 libras, donde 550 x 60 = 33000 para transformar em

minuto.

O Freio de Prony apresenta vários inconvenientes operacionais, destacando-se

o fato de manter a carga constante independente da rotação empregada. Então, se a

rotação cai, em virtude do motor não suportá-la, a rotação irá diminuir até a parada total

do mesmo. Consequentemente, essa máquina vem sendo substituídas por

dinamômetros mais versáteis, com predominância dos DINAMÔMETROS

HIDRÁULICOS, onde a carga aplicada varia em razão diretamente proporcional ao

cubo da rpm. Se a rotação cair a carga imposta pelo dinamômetro diminuirá, dando

tempo ao operador de reajustar a carga e corrigir a velocidade para o valor desejado.

Nos dinamômetros hidráulicos o freio é exercido pela ação de um rotor que,

pressionando água contra aletas fixas na carcaça, produz o mesmo efeito físico que no

Freio de Prony. O braço e a balança, embora possam ser empregados neste tipo de

equipamento, foram substituídos por uma Célula de Carga. As Células de Carga, por

36

vezes, são constituídas de um cristal de quartzo, cujo efeito piezelétrico, resultante da

compressão exercida pela extremidade do braço, é transformado em leitura para um

instrumento. Em alguns casos, em vez de cristal de quartzo, utiliza-se uma câmara de

pressão acoplada a um transdutor que executa a mesma função.

3.1.1 Definições

POTÊNCIA É o trabalho realizado pelo motor, num intervalo de

tempo.

POTÊNCIA OBSERVADA É a potência medida nas condições do ensaio.

POTÊNCIA REDUZIDA É a potência observada reduzida (corrigida) para as

condições atmosféricas padrão.

POTÊNCIA BRUTA

É a potência obtida com o motor básico (apenas com

os componentes essenciais ao seu funcionamento, sem

ventilador, silencioso, filtro de ar, alternador ou dínamo sem

carga).

POTÊNCIA LÍQUIDA É a potência obtida com o motor completo.

POTÊNCIA EFETIVA

É a potência disponível no eixo para produção de

trabalho, abreviadamente designada por BHP (Brake Horse-

power).

POTÊNCIA INDICADA

É a potência dentro dos cilindros. Abreviadamente

denominada de IHP (Indicated Horse-power), consiste na

soma das potências efetiva e de atrito nas mesmas

condições de ensaio. IHP = BHP + FHP

RENDIMENTO

MECÂNICO

É a razão entre a potência medida no eixo e a

potência total desenvolvida pelo motor, ou seja: = (BHP

/ IHP). Como BHP = IHP - FHP, resulta que = 1 - (FHP /

IHP).

37

PRESSÃO MÉDIA

EFETIVA (Pm)

É definida como sendo a pressão hipotética

constante que seria necessária no interior do cilindro,

durante o curso de expansão, para desenvolver uma

potência igual à potência no eixo.

PRESSÃO MÉDIA

INDICADA (Pi)

É definida como a pressão hipotética que seria

necessária no interior do cilindro, durante o curso de

expansão, para desenvolver uma potência igual à potência

indicada. Como o rendimento mecânico () é igual a

relação BHP / IHP, também = (Pm / Pi)= relação entre as

pressões média e efetiva.

CILINDRADA

É o volume do cilindro, igual ao produto da área

da cabeça do pistão pelo curso, mais o volume da

câmara de combustão, se houver. A soma dos volumes

de todos os cilindros é denominada de CILINDRADA

TOTAL ou DESLOCAMENTO.

TAXA DE COMPRESSÃO

Também denominada de razão ou relação de

compressão, é a relação entre o volume total do cilindro,

ao iniciar-se a compressão, (V1)e o volume no fim da

compressão (V2), constitui uma relação significativa

para os diversos ciclos dos motores de combustão

interna. Pode ser expressa por

r = (V1/ V2).

3.1.1.1 Pressão Média Efetiva (Pm)

A pressão média efetiva é uma variável muito expressiva no julgamento da

eficácia com que um motor tira proveito do seu tamanho (Cilindrada), sendo, por isso,

muito usada para fins de comparação entre motores. O torque, por exemplo, não se

presta muito para comparar motores porque depende das dimensões do motor. Os

motores maiores produzirão maiores torques. A potência, também, não é um bom

elemento para permitir a comparação de motores, pois depende, não somente das

38

dimensões, mas também da velocidade de rotação. Assim, num projeto tem-se sempre

em mente construir motor de pressão média efetiva elevada, como podemos concluir

das considerações a seguir.

Sabe-se que:

Potência = Trabalho / Tempo

𝑷 =𝝉

𝒕 (6)

Pode-se escrever então:

𝑷 = 𝑷𝒎. 𝑨. 𝑳. 𝒏.𝑵

𝒙 (7)

Sendo:

𝑷𝒎 = Pressão média efetiva em psi (libra/in²) ou em kg/cm²;

𝑨 = Área da cabeça do pistão em in² ou cm²;

𝑳 = Curso do pistão em pol. ou cm;

𝒏 = Número de cilindros do motor;

𝒙 = Número de rotações por cilindro, entre dois cursos de expansão. (Para

motores de quatro tempos, x = 2);

𝑵 = Número de revoluções por minuto (rpm) e

𝑫 = Cilindrada total do motor em in³ ou cm³.

Como:

𝑫 = 𝑨 . 𝑳 . 𝒏 (8)

a expressão para cálculo da pressão média efetiva resulta, então:

𝑷𝒎 =𝑷.𝒙

𝑫.𝑵 (9)

Ajustando as unidades para converter Potência para HP, temos:

𝑃𝑚 =𝐵𝐻𝑃.2.12.33000

𝐷.𝑁 == 𝑃𝑚 =

𝐵𝐻𝑃.792000

𝐷.𝑁 (10)

Para 𝑩𝑯𝑷 em HP, 𝑫 em in³ e 𝑵 em rpm, ou então:

39

𝑷𝒎 =𝑩𝑯𝑷.𝟗𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎

𝑫.𝑵 (em Kg / cm2) (11)

Para 𝑩𝑯𝑷 em CV, 𝑫 em cm³ e 𝑵 em rpm.

3.1.1.2 Pressão Média Indicada (Pi)

É definida como a pressão hipotética constante que seria necessária no interior

do cilindro, durante o curso de expansão, para desenvolver uma potência igual à

potência indicada.

𝑷𝒊 =(𝑰𝑯𝑷.𝟏𝟐.𝒙.𝟑𝟑𝟎𝟎𝟎)

𝑫.𝑵 (em lb / in2) (12)

Como rendimento mecânico é a relação entre as potências efetiva e indicada,

pode-se escrever então:

𝒏𝒎 =𝑩𝑯𝑷

𝑰𝑯𝑷== 𝒏𝒎 =

𝑷𝒎

𝑷𝒊 (13)

3.1.1.3 Consumo de Combustível e Rendimento Térmico

Um método simples de efetuar avaliações do consumo de combustível consiste

em manter sobre uma balança o reservatório de combustível (pode ser um balde

comum) e, fixando-se a carga no dinamômetro em determinado valor, efetuar leituras

da balança em intervalos de tempo cronometrados, obtendo-se assim o peso (ou

massa) de combustível consumido com o motor operando a determinada potência. De

posse dos valores de massa de combustível consumido, potência medida e tempo,

pode se calcular o consumo especifico de combustível em g/CV.h ou lb./HP.h.

Tomando-se medições em diferentes condições de carga e rpm, é possível plotar em

gráfico os diversos resultados e traçar uma curva de consumo para o motor em prova.

Outros recursos mais elaborados, como medidores de vazão (fluxímetros),

40

especialmente no caso dos motores Cummins, apresentam algumas dificuldades, em

função da quantidade de combustível retornada. O consumo horário é determinado por:

𝒒 =𝒎𝒂𝒔𝒔𝒂

𝒕𝒆𝒎𝒑𝒐 (em Kg/h ou lb./h) (14)

Outro processo consiste em utilizar um vasilhame graduado e cronometrar o

tempo gasto para o motor consumir, em determinado regime constante de carga e rpm,

um volume conhecido de combustível. De posse desses valores, a Massa será igual

ao produto do Volume pela sua Densidade:

𝑴 = 𝝆. 𝑽 (15)

𝑪𝒆𝒄 =𝒎𝒂𝒔𝒔𝒂

𝒑𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 . 𝒕𝒆𝒎𝒑𝒐 == 𝑪𝒆𝒄 =

𝝆.𝑽

𝑩𝑯𝑷.𝒕 (16)

Onde:

= Densidade do combustível;

𝑽 = Volume de combustível consumido;

𝑩𝑯𝑷 = Potência do motor no dinamômetro e

𝒕 = Tempo

Para facilidade de aplicação das unidades usuais, podemos adotar:

𝑪𝒆𝒄 =𝝆.𝑽.𝟑𝟔𝟎𝟎

𝑩𝑯𝑷.𝒕 em g/HP.h, (com t em segundos) (17)

O consumo específico de combustível é um parâmetro de comparação muito usado

para mostrar quão eficientemente um motor está transformando combustível em

trabalho. O emprego deste parâmetro tem maior aceitação que o rendimento térmico

porque todas as variáveis envolvidas são medidas em unidade padrão: Tempo,

Potência e Peso.

41

3.1.1.4 Rendimento Térmico

É a relação entre a potência produzida e a potência calorífica entregue, ou seja,

é a eficiência de transformação de calor em trabalho, para um ciclo.

Por definição: 𝟏 𝑯𝑷. 𝒉 = 𝟐𝟓𝟒𝟓 𝑩𝑻𝑼,

Chamando-se o poder calorífico de 𝑸 (em BTU/g) e o consumo específico de

combustível de 𝑪𝒆𝒄, tem-se:

𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒓𝒆𝒄𝒆𝒃𝒊𝒅𝒐 = 𝑪𝒆𝒄 . 𝑸 e o rendimento térmico resulta:

𝒏𝒕 =𝟐𝟓𝟒𝟓

𝑪𝒆𝒄.𝑸 (18)

3.1.1.5 Consumo de Ar – Relação Ar/Combustível (RAC) e Relação

Combustível/Ar (RCA).

Para determinar a relação ar/combustível é necessário conhecer as quantidades

de combustível e de ar consumidas pelo motor. Entretanto, medir a vazão de ar não é

muito fácil. Existem processos que permitem medir, quando necessário, a quantidade

de ar consumida pelo motor. Um processo normalmente utilizado é o emprego de um

reservatório sob pressão controlada, que fornece ar ao motor através de orifícios

calibrados. Sabendo-se a vazão permitida por cada orifício, sob a pressão medida, é

possível calcular a massa de ar que o motor aspira. O método tem o inconveniente de

permitir quedas de pressão no coletor de admissão, na medida em que os orifícios

somente são abertos após constatada a necessidade de suprir mais ar ao motor, uma

vez que é necessário manter a pressão de coletor constante. Se um único elemento

medidor for usado, a queda de pressão no sistema e a pressão no coletor de admissão,

estarão sujeitas a variações, dependendo da velocidade de escoamento, função direta

da rpm do motor. A utilização de vários orifícios em paralelo seria um atenuante eficaz

para as dificuldades citadas. Para pequenas quantidades de ar, um elemento, apenas,

seria aberto, sendo os demais progressivamente colocados na linha, à proporção que

a quantidade de ar aumentasse, tendo-se atenção à queda total de pressão no sistema,

que deve ser mantida aproximadamente constante. O tanque ou reservatório de

42

equilíbrio é indispensável, pois se o ar for aspirado diretamente, o escoamento será

pulsante, levando a grandes erros nas medidas de pressão através dos orifícios

calibrados. Em geral, como o conhecimento da quantidade de ar consumida pelo motor

só tem importância para o dimensionamento de filtros de ar, turboalimentadores e

elementos conexos, prefere-se avaliar a quantidade de ar por meio de cálculos. O

resultado obtido por cálculos, (Ar teórico) é a quantidade mínima de ar que contém as

moléculas de oxigênio suficientes para a combustão. A relação entre as quantidades

de ar real e teórica, para os motores Diesel de quatro tempos, deve ser mantida acima

de 1,3, a fim de permitir a combustão com máximo aproveitamento do combustível.

Para motores a gasolina, é necessário que essa relação seja, sempre, mantida entre

0,9 e 1,3, pois caso contrário não haverá combustão, verificando-se os fenômenos

conhecidos como mistura pobre ou mistura rica e os desequilíbrios da mistura, em

qualquer proporção, resultarão em desperdício de combustível.

3.1.1.6 Relação Ar-Combustível

𝑹𝑨𝑪 =𝑴𝒂𝒓

𝑴𝒄𝒐𝒎𝒃 (19)

É definida como a relação entre a massa de ar e a massa de combustível em

um intervalo de tempo 𝒕.

3.1.1.7 Relação Combustível-Ar

É o inverso da relação ar/combustível.

𝑹𝑪𝑨 =𝟏

𝑹𝑨𝑪 == 𝑹𝑪𝑨 =

𝑴𝒄𝒐𝒎𝒃

𝑴𝒂𝒓 (20)

43

3.1.1.8 Rendimento Volumétrico

É a relação entre a massa de ar aspirado por um cilindro e a massa de ar que

ocuparia o mesmo volume nas condições ambientes de pressão e temperatura.

Sendo:

𝑴𝒂 = Massa de ar aspirado por hora (lb./h), dividida pelo número de aspirações

por hora e

𝑴𝒕 = Massa de ar, nas condições atmosféricas presentes, necessária para

preencher o volume da cilindrada de um cilindro, o rendimento volumétrico será:

𝒏𝒗 =𝑴𝒂

𝑴𝒕 (21)

A expressão rendimento volumétrico, na realidade, define uma relação entre

massas e não entre volumes, como seria de se esperar.

3.1.1.9 Efeito do Turbo Alimentador

Normalmente denominado por turbina, supercharger, turbocompressor, sobre-

alimentador, supercarregador, ou simplesmente turbo, o que mais importa são os seus

efeitos sobre o desempenho do motor. No caso dos motores Diesel, tem a finalidade

de elevar a pressão do ar no coletor de admissão acima da pressão atmosférica,

fazendo com que, no mesmo volume, seja possível depositar mais massa de ar, e,

conseqüentemente, possibilitar que maior quantidade de combustível seja injetada,

resultando em mais potência para o motor, além de proporcionar maior pressão de

compressão no interior do cilindro, o que produz temperaturas de ignição mais altas e,

por conseqüência, melhor aproveitamento do combustível com redução das emissões

de poluentes. Para melhorar os efeitos do turbo-alimentador, adiciona-se ao sistema

de admissão de ar, um processo de arrefecimento do ar admitido, normalmente

denominado de aftercooler ou intercooler, dependendo da posição onde se encontra

instalado, com a finalidade de reduzir a temperatura do ar, contribuindo para aumentar,

ainda mais, a massa de ar no interior dos cilindros. A tendência, para o futuro, é que

44

todos os motores Diesel sejam turbo-alimentados. Nos motores turbo-alimentados, o

rendimento volumétrico, em geral, é maior que 1.

3.1.1.10 Efeito da Velocidade

Nas altas velocidades, começa haver dificuldade no enchimento dos cilindros,

devido ao aumento das perdas de carga e a inércia da massa de ar, fazendo cair o

rendimento volumétrico.

3.1.2 Elementos para Análise de Desempenho – Comparação de Motores

Para se comparar os desempenhos dos motores, os seguintes elementos são

geralmente considerados:

1 - Consumo específico de combustível (lb./HP.h ou g/CV.h)

2 - Pressão média efetiva (lb./in² ou Kg/cm²)

3 - Relação peso/potência (peso do motor/BHP)

4 - Potência por unidade de cilindrada (BHP/in³ ou BHP/cm³)

A comparação depende do fim a que se destina o motor. Para motores de

aviação, por exemplo, os elementos 1 e 3 podem ser os mais significativos enquanto

para um motor estacionário, o consumo específico de combustível é de importância

fundamental.

3.1.3 Condições Atmosféricas Padrão

Segundo a norma NBR 5484 da ABNT:

Pressão barométrica

Bp = 746 mmHg (150m de altitude,

aproximadamente)

Temperatura ambiente Tp = 30ºC

Pressão de vapor Hp = 10mmHg

Pressão barométrica de ar seco Bs = 736mmHg

Densidade absoluta do ar seco Ds = 1,129 Kg/m³

45

3.1.4 Fatores de Redução

O método de redução recomendado se baseia na premissa de que a relação

ar/combustível, o rendimento térmico indicado, a potência de atrito e a eficiência

volumétrica não se alteram com as variações das condições atmosféricas de pressão,

temperatura e umidade ou que esse efeito é desprezível. Porém essa suposição só é

válida se a faixa das condições ambientais for pequena, de modo a não serem afetadas

as características da combustão do motor. A faixa recomendada é:

Pressão barométrica = 690 a 770mmHg

Temperatura de admissão do ar = 15ºC a 45ºC

Em motores do Ciclo Otto, o fator de redução é calculado pela expressão:

𝑹𝒐 =(𝟐𝟗,𝟗𝟐)

𝑷𝒂 . (

(𝑻𝒂+𝟒𝟔𝟎)

𝟓𝟐𝟎)𝟏/𝟐 (22)

Para 𝑷𝒂 em inHg e 𝑻𝒂 em ºF, ou

𝑹𝒐 =𝟕𝟑𝟔

𝑷𝒂 . (

𝑻𝒂+𝟐𝟕𝟑

𝟑𝟎𝟑)𝟏/𝟐 (23)

Para 𝑷𝒂 em mmHg e 𝑻𝒂 em ºC.

𝑷𝒂 = Pressão barométrica do ar seco (pressão barométrica observada = pressão

parcial de vapor levantada com auxílio da carta psicrométrica).

𝑻𝒂 = Temperatura absoluta do ar aspirado (medida a 15 cm da entrada da

admissão).

Este fator permite a correção do torque, da potência e da pressão média efetiva

observados durante o ensaio. Não deve ser aplicado ao consumo específico de

combustível, pois supõe-se que o motor receba a quantidade correta de combustível a

ser queimado com o ar aspirado.

Em motores Diesel funcionando com relação ar/combustível constante, o fator

de redução é dado pela expressão:

46

𝑹𝒅 =𝟐𝟗,𝟗𝟐

𝑷𝒂 .

𝑻𝒂+𝟒𝟔𝟎

𝟓𝟐𝟎 (24)

Para 𝑷𝒂 em inHg e 𝑻𝒂 em ºF.

Ou:

𝑹𝒅 =𝟕𝟑𝟔

𝑷𝒂 .

𝑻𝒂+𝟐𝟕𝟑

𝟑𝟎𝟑 (25)

Para 𝑷𝒂 em mmHg e 𝑻𝒂 em ºC.

NOTA:

Para motores Diesel, em ensaios com fornecimento constante de combustível

(limitação fixa da bomba injetora) o método empregado para redução dos resultados é

gráfico. A descrição deste método pode ser encontrada na norma NBR 5484 da ABNT.

3.1.5 Tipos de Testes

Pode-se destacar entre os tipos de testes realizados em motores:

1. Teste de velocidade variável;

2. Teste de velocidade constante;

3. Teste de torque e avanço (para motores do ciclo Otto) e

4. Teste de potência de atrito.

3.1.5.1 Testes de Velocidade Variável

É o teste freqüentemente apresentado para motores automotivos e marítimos.

Normalmente são realizados a plena carga, ou seja, com o acelerador na posição de

máxima rotação do motor e os testes de cargas parciais (75%, 50% ou 25% de carga)

onde o acelerador é mantido em posições intermediárias.

47

3.1.5.1.1 Descrição do Ensaio

O teste de plena carga determina a potência máxima do motor em cada rotação

de funcionamento. Para tal, após o aquecimento do motor e estabilização das

temperaturas, leva-se o acelerador para a posição de máxima rotação e, gradualmente,

ajusta-se a carga do dinamômetro e observa-se a queda de rotação, anotando-se os

valores de potências lidos e a rpm correspondente. Em geral, nos motores Diesel, os

valores mais importantes são os nominais de placa neste teste. Por exemplo, se o

motor é de 400 HP a 2100 rpm, dados constantes na plaqueta de identificação, ao

posicionar o acelerador em máxima rpm, sem carga, o tacômetro deverá assinalar algo

como 2500 rpm. Aumentando-se gradualmente a carga aplicada, ao atingir 2100 rpm

a carga deverá ser de 400 HP, como informado pelo fabricante. É importante que sejam

estabelecidos os pontos de medição desejados, para cada motor, onde serão

efetuadas as leituras e os valores anotados, para que a prova possa ser repetida.

Parâmetros como temperatura dos gases de escape, pressão no coletor de admissão

e temperaturas da água e do óleo lubrificante, assim como a coloração dos gases de

escape, são indicadores importantes de problemas que necessitam ser corrigidos.

Deve-se ter em mente que a coloração dos gases de escape é um indicativo da carga

do motor porém não é absoluto, posto que outros fatores, tais como injeção atrasada,

compressão inadequada e injeção desigual nos diversos cilindros produzem fumaça.

Para um motor em boas condições, o aspecto dos gases de escape dá uma idéia

satisfatória da situação de carga do motor.

3.1.5.2 Testes de Velocidade Constante

O teste de velocidade constante é normalmente utilizado na análise de

desempenho de motores estacionários, que acionam geradores por exemplo, onde a

velocidade de rotação é constante e deseja-se medir a potência máxima e o consumo

de combustível para várias condições de carga, na mesma rpm.

48


Inicia-se o teste com o motor funcionando sem carga (ou somente com a carga

de aquecimento), atuando-se no acelerador até atingir a velocidade desejada. O

acelerador é mantido fixo nessa posição e, segundo um roteiro de testes pré

estabelecido, aplica-se a carga até o valor desejado, sendo mantida a rotação

constante. A maioria dos motores para essas aplicações estão dotados de um

governador automático de rpm, na bomba injetora, que se encarrega de manter

constante a velocidade ajustada. Quando o ensaio estiver sendo efetuado sem o

governador, é necessário corrigir a velocidade manualmente. Atingidos os valores

pretendidos, efetua-se as leituras e anotações dos parâmetros que se pretende avaliar.

O teste pode ser conduzido em várias etapas de valores de carga, sendo a última o

teste de plena carga. Adotando-se incrementos de carga adequados, é possível traçar,

por exemplo, uma curva de consumo específico de combustível.

3.1.5.3 Testes de Torque e Avanço

Tem como finalidade determinar a curva de avanço ideal para o distribuidor, em

motores do ciclo Otto, com o motor funcionando tanto em plena carga quanto em

cargas parciais.


Inicia-se o teste com o motor funcionando em plena carga, na rotação de

funcionamento mais baixa. A seguir aciona-se manualmente o distribuidor até descobrir

a posição de torque máximo. Registra-se o avanço correspondente a esta posição e

em seguida movimenta-se o distribuidor para um dos lados observando em que

momento ocorre uma variação de torque. Neste instante, registra-se o avanço

correspondente. Faz-se o mesmo procedimento girando o distribuidor para o outro lado.

Feito isso, fica determinada uma faixa de avanço para a condição de torque máximo,

para uma rotação do motor. Todo este procedimento será repetido até que todas as

rotações de funcionamento sejam abrangidas. Analogamente é feita a pesquisa de

49

avanço nas cargas parciais. Para uma velocidade de rotação e uma carga estabelecida

(25%, 50%, 75% da plena carga) determina-se o avanço que corresponde a

manutenção da rpm e da carga com a menor abertura do acelerador. Neste instante,

registra-se o vácuo presente no coletor de admissão. Repete-se este procedimento,

até que toda a faixa de velocidade e carga seja abrangida. Ao final do teste, os

resultados encontrados são organizados em forma de tabela.

Para os motores do ciclo Otto o avanço total é

𝑨𝒕 = 𝑨𝒊 + 𝑨𝒄 + 𝑨𝒗 (26)

onde:

𝑨𝒕 = Avanço total;

𝑨𝒊 = Avanço inicial ou fixo colocado na rotação de marcha lenta do motor;

𝑨𝒄 = Avanço centrífugo;

𝑨𝒗 = Avanço à vácuo.

Nas condições de trabalho sem carga apenas estão atuando os avanços inicial

e centrífugo, uma vez que não há presença de vácuo no coletor de admissão para

acionar o avanço à vácuo.

Desta forma, se estabelece um avanço inicial (por exemplo, 10º APMS) e com

os resultados obtidos no teste de plena carga, determina-se a curva de avanço

centrífugo que deve ser preparada no analisador de distribuidor, que é o equipamento

destinado para este fim.

Em motores de 4 tempos, para completar-se um ciclo, a árvore de manivelas

gira 720º enquanto o eixo do distribuidor gira 360º. Desta forma, as rotações e os

avanços observados no motor correspondem no distribuidor à metade dos valores

observados.

De forma análoga, a curva de avanço à vácuo do motor é determinada em

função de um avanço inicial pré-fixado, do avanço centrífugo determinado e do avanço

total registrado em cada condição de carga parcial.

Finalmente, de posse de todos os dados levantados, o distribuidor é preparado

com o auxílio de um analisador de distribuidores, onde procura-se colocar o distribuidor

dentro das faixas ideais determinadas por ocasião do teste em dinamômetro.

50

3.1.5.4 Teste de Potencia de Atrito

Tem por objetivo determinar a potência necessária para acionar o motor em

condições de funcionamento, vencendo todas as resistências mecânicas resultantes

do atrito das partes móveis mais os esforços para vencer os tempos de compressão,

admissão e expulsão dos gases. O motor deve ser acionado pelo dinamômetro, sem

queimar combustível e a potência de atrito será considerada como igual a consumida

pelo dinamômetro para as considerações de ensaio (rotação, temperatura de óleo,

etc.).

3.2 Analisador de gases para motores do ciclo Otto

Inspeção Veicular Ciclo Otto. Para os veículos movidos à gasolina, álcool, GNV

ou flex o equipamento utilizado é um analisador de gases do tipo infravermelho. Ele é

capaz de medir quatro ou cinco gases com o uso de uma sonda coletora instalada no

escapamento. São eles:

HC – Hidrocarbonetos: Combustível que não foi queimado. O HC para veículos

a gasolina e GNV deve estar abaixo de 700 ppm; já para os veículos a álcool e flex

deve ficar abaixo de 1100 ppm.

O2 – Oxigênio: Indicador de mistura pobre. O oxigênio servirá apenas para o

diagnóstico do motor, afinal não é um gás tóxico. Sua presença no escapamento é

resultado de uma combustão parcial. Vale lembrar que em uma combustão perfeita, só

teríamos H2O (água) e N2 (nitrogênio) e CO2 (dióxido de carbono) no escapamento

dos veículos.

CO – Monóxido de Carbono: Indicador de mistura rica, também é resultado de

uma combustão parcial. A nossa legislação adota o valor de CO corrigido e fixa limites

por faixa de ano de fabricação. Para termos uma referência, a partir de 1997 todos os

veículos devem emitir abaixo de 1%, já para os veículos fabricados até 1979 o limite é

6%.

CO2 – Dióxido de Carbono: Indicador de eficiência da combustão. Sua leitura

deve ser superior a 12%. Poderíamos dizer que quanto maior o CO2 lido, melhor; mas

esse gás é um grande vilão para o efeito estufa, porém na análise das emissões, quanto

51

mais CO2, maior é a eficiência da combustão, automaticamente, menor será o

consumo de combustível, melhor será o rendimento geral e menor será a emissão dos

altamente tóxicos: HC e CO.

Um valor alto de HC pode indicar mistura rica ou mistura pobre. Para ficar mais

fácil, sempre avalie o valor de HC em paralelo aos valores de CO e O2. Tenha sempre

em mente:

HC alto e CO baixo = mistura pobre.

HC alto e CO alto = mistura rica.

Para auxiliar na avaliação das emissões e nos fatores que podem interferir em

uma medição, como um furo no escapamento, o programa do analisador de gases

também exibe mais duas medições: CO corrigido e Diluição.

O valor de Diluição, pela legislação, sempre deve estar acima de 6%. Essa

leitura, nada mais é que a soma do valor de CO + CO2.

O valor de CO corrigido está diretamente relacionado ao valor de CO lido, porém

com uma correção em função do valor da Diluição. Para facilitar, quanto mais próximo

de 15% for o valor de CO2 (queima eficiente e sem entrada de ar no escapamento), o

valor de CO corrigido ficará mais próximo ao valor de CO lido.

Figura 17 – Analisador de gases para motores do ciclo Otto.

Fonte: www.lojaeasydiagnosticos.com.br

52

4 RESULTADOS

4.1 Análise dos Motores a combustão Ciclo Otto

Os estudos incessantes dos motores a combustão interna Ciclo Otto, bem como

novas tecnologias empregadas com a injeção eletrônica e novas formas de montagem

dos motores resultam em inúmeras melhoras no aumento de potência e rendimento,

podendo ser notadas desde os motores de 1.0. Os resultados podem ser observados

de ordem cronológica, conforme a tabela 1 a seguir que contém as quatro principais

montadoras de veículos brasileiras.

Características Ford Fiat Chevrolet Volkswagen

1990

Modelo Fiesta Palio ED Corsa Super Gol 1000

Potência (cv) 51,5 61 60 62,5

Torque (Kgf.m) 7,55 8,1 8,3 9,1

Nº de Cilindros 4 4 4 4

Combustível Gasolina Gasolina Gasolina Gasolina

Válvulas 8V 8V 8V 8V

Peso 968 890 904 932

2000

Modelo Fiesta Street Palio ELX Celta Life Gol Special

Potência (cv) 65 70 70 54

Torque (Kgf.m) 8,9 9,6 8,8 8,5




Peso (Kg) 980 905 864 910

2010

Modelo Fiesta Rocam Palio Fire Economy Celta LS VHCE Gol City

Potência (cv) 69 (G) / 73 (E) 75 77 (G) / 78 (E) 68 (G) / 71 (A)

Torque (Kgf.m) 8,9 (G) / 9,3 (E) 9,9 9,5 (G) / 9,7 (E) 9,4 (G) / 9,7 (A)


Combustível Gasolina / Etanol Gasolina Gasolina / Etanol Gasolina / Etanol

Válvulas 8V 8V 8V 8

Peso 1084 920 890 877

2014

Modelo New Ford KA Palio Attractive Onix Gol Track

Potência (cv) 80 (G) / 85 (E) 73(G) / 75(A) 78 (G) / 80 (E) 72 (G) / 76 (A)

Torque (Kgf.m) 10,2 (G) / 10,7 (E) 9,5 (G) / 9,9 (A) 9,5 (G) / 9,8 (E) 9,7 (G) / 10,6 (A)


Combustível Gasolina / Etanol Gasolina/Etanol Gasolina / Etanol Gasolina / Etanol


Peso 1007 999 1019 974

Tabela 1 – Motores de 1000cc

53

A partir da tabela 1, segue abaixo o gráfico 3 dos motores de 1000cc das

principais marcas brasileiras, onde podemos observar o quanto estas vem buscando

evoluir sua tecnologia, aumentando gradativamente a potência dos seus motores a

cada novo lançamento de carros.

Gráfico 3 – Motores 1000cc

O mesmo estudo aplica-se em motores de 1600cc, conforme tabela 2 e gráfico

4 e motores de 2000cc, conforme tabela 3 e gráfico 5. Lembrando que para realizar

esta comparação foram selecionados motores de veículos similares entre cada marca.

40

44

48

52

56

60

64

68

72

76

80

84

88

1990 2000 2010 2014

Po

TÊN

CIA

(H

OR

SE P

OW

ER)

ANO DE FABRICAÇÃO

MOTORES DE 1000cc

Ford Fiat Chevrolet Volkswagen

54

Características Ford Fiat Chevrolet Volkswagen 1990

Modelo Fiesta GLX Palio Corsa GL MPFi Gol CL

Potência (cv) 95 106 92 88,5

Torque (Kgf.m) 14,1 15,1 13 13,2




Peso 1025 1020 982 970

2000

Modelo Fiesta Trend Palio Stile Corsa GLS Gol Plus

Potência (cv) 105 (G) / 110 (A) 106 102 97 (G) / 99 (A)

Torque (Kgf.m) 14,8 (G) / 15,8 (A) 15,4 14,8 14 (G) / 14,3 (A)


Combustível Gasolina / Etanol Gasolina Gasolina Gasolina / Etanol


Peso (Kg) 1102 1005 1025 990

2010

Modelo New Fiesta SE Palio Essence Sonic LTZ Gol Highline

Potência (cv) 110 (G) / 115 (A) 115 (G) / 117 (A) 116 (G) / 120 (A) 101 (G) / 104 (A)

Torque (Kgf.m) 15,8 (G) / 16,2 (A) 16,2 (G) / 16,8 (A) 15,8 (G) / 16,3 (A) 15,4 (G) / 15,6 (A)




Peso 1145 1062 1150 1085

2014

Modelo New Fiesta Palio Dualogic Sonic Effect Fox Highline

Potência (cv) 125 (G) / 130 (A) 115 (G) / 117 (A) 116 (G) / 120 (A) 110 (G) / 120 (A)

Torque (Kgf.m) 15,4 (G) / 16 (A) 16,2 (G) / 16,8 (A) 15,8 (G) / 16,3 (A) 15,8 (G) / 16,8 (A)




Peso 1126 1062 1150 1105


55

Características Ford Fiat Chevrolet Volkswagen 1

99

0

Modelo Verona Ghia Marea HLX Astra GLS Passat GL

Potência (cv) 116 142 116 115

Torque (Kgf.m) 17,7 18,1 17,3 16,9




Peso 1128 1351 1136 1298

20

00

Modelo Focus Ghia Marea Turbo Astra CD Passat Fsi

Potência (cv) 147 182 116 150

Torque (Kgf.m) 19,1 27 17,3 20,4




Peso (Kg) 1231 1310 1130 1418

20

10

Modelo Focus GLX Linea 1.9 Astra Advantage Passat Turbo Fsi

Potência (cv) 143 (G) / 148 (A) 130 (G) / 132 (A) 133 (G) / 140 (A) 200

Torque (Kgf.m) 18,8 (G) / 19,5 (A) 18,1 (G) / 18,6 (A) 18,9 (G) / 19,7 (A) 28,4


Combustível Gasolina / Etanol Gasolina / Etanol Gasolina / Etanol Gasolina


Peso 1356 1315 1180 1463

20

14

Modelo Focus Titanium n/a Vectra Expression Passat Tsi DSG

Potência (cv) 175 (G) / 178 (A) n/a 133 (G) / 140 (A) 211

Torque (Kgf.m) 21,5 (G) / 22,5 (A) n/a 18,9 (G) / 19,7 (A) 28,5

Nº de Cilindros 4 n/a 4 4

Combustível Gasolina / Etanol n/a Gasolina / Etanol Gasolina

Válvulas 16V n/a 8V 16V

Peso 1399 n/a 1268 1474

n/a não aplicável


56

Gráfico 4 – Motores de 1600cc

Gráfico 5 – Motores de 2000cc

84

88

92

96

100

104

108

112

116

120

124

128

132

136

1990 2000 2010 2014

PO

TÊN

CIA

(H

OR

SE P

OW

ER)

ANO DE FABRICAÇÃO

MOTORES DE 1600cc

Ford

Fiat

Chevrolet

Volkswagen

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

1990 2000 2010 2014PO

TÊN

CIA

(H

OR

SE P

OW

ER)

ANO DE FABRICAÇÃO

MOTORES DE 2000cc

Ford

Fiat

Chevrolet

Volkswagen

Motor com turbo

57

4.2 Análise de turbinas nos motores a combustão Ciclo Otto

Os resultados sobre turbinas serão apresentados baseando-se em três

veículos de fabricação nacional utilizando a tecnologia de turbocompressores

instalados originalmente no veículo, ou seja, direto da fábrica, e ordenados de forma

cronológica para que possa ser observada a evolução desta tecnologia através dos

anos.

4.2.1 Fiat Uno 1.4 Turbo

O Fiat Uno Turbo foi o primeiro carro turbinado de série do Brasil, o modelo foi

fabricado entre maio de 1994 e abril de 1996, totalizando 1801 unidades fabricadas.

Além de ser o primeiro turbo de série nacional, o modelo também veio lançando a

tendência de downsizing (motores de pequena cilindrada, alta potência e baixo

consumo) no Brasil, que, como veremos mais á frente está em alta atualmente.

Este veículo desenvolve 118 cv de potência e acelerava de 0 a 100 km/h em

apenas 9,2 segundos, números invejáveis até hoje. Extremamente bem projetado e

dimensionado, o motor, juntamente com o turbocompressor entregam a potência

muito bem ao condutor.

4.2.1.1 Turbina

A turbina aplicada nesse veículo é da marca Garret modelo T2. Uma turbina

empregada em motores de 1000 a 1400cc é muito versátil.

No caso específico do Uno Turbo, foi feito um ajuste especial entre a Garret e

a Fiat para que a turbina atendesse perfeitamente o motor.

Em termos de desempenho a turbina mostra sua força aos 3000rpm do motor,

atingindo seu ápice aos 3500rpm, onde mostrava todo o seu potencial.

A seguir, tabela com dados técnicos do veículo para posterior comparação.

58

Fiat Uno Turbo 1.4 (1994)

Motor Dianteiro, transversal, 4 cilindros, 1372 cm3, injeção multiponto, gasolina

Diâmetro x Curso 80,5 x 67,4 mm

Turbina Garret Modelo T2, 0,8 bar de pressão

Taxa de Compressão 7,8:1

Potência 118 cv a 6000 rpm

Torque 17 m.kgf a 3500 rpm

Peso 1065 quilos

Aceleração 0 a 100 km/h 9,2 s

Velocidade máxima 192 km/h

Consumo 11,4 km/l (média)

Tabela 4 – Fiat Uno Turbo 1.4 (1994)

4.2.2 Volkswagen Gol 1.0 16v Turbo

A exemplo do Uno Turbo, o Gol Turbo também foi pioneiro no Brasil, ao

apresentar o primeiro motor turbo brasileiro de 1 litro, no ano 2000.

Este veículo veio para revolucionar a indústria na época, pois contava com

quatro válvulas por cilindro, turbocompressor, intercooler e variador de fase no

comando de válvulas, o que fazia com que tivesse potencia equivalente á motores de

2 litros aspirados, rendendo 112cv.

4.2.2.1 Turbina

A turbina utilizada é da marca Allied Signal, modelo GT12. Uma turbina leve,

compacta e 90% nacional de compressor centrífugo.

Por se tratar de uma turbina compacta, oferece respostas rápidas quando o

motorista aciona o pedal do acelerador, tudo isso graças á baixa inércia das peças

móveis do conjunto, favorecendo o torque em todas as faixas de utilização, o que faz

com que a dirigibilidade seja primorosa para um veículo com turbocompressor.


59

Volkswagen Gol 1.0 16v Turbo (2000)

Motor Dianteiro, longitudinal, 4 cilindros, 999 cm³, injeção multiponto, gasolina

Diâmetro x Curso 67,1 x 70,6 mm

Turbina Allied Signal Modelo GT12, 0,98 bar de pressão


Potência 112 cv a 5.500 rpm

Torque 15,8 m.kgf a 2.000 rpm

Peso 1061 quilos

Aceleração 0 a 100 km/h 9,8 s


Consumo 11,3 km/l (média)

Tabela 5 – Volkswagen Gol 1.0 16v Turbo (2000)

4.2.3 Fiat Punto T-Jet 1.4 16v Turbo

Mais uma vez a Fiat sai na frente no conceito de carros turbinados no Brasil,

atingindo em 2014 a marca de montadora com mais veículos turboalimentados

lançados no Brasil.

O Punto T-Jet conta com o motor 1.4 16V Turbo T-Jet com 152cv de potência

máxima e 21,1kgfm de torque, encontrados já a partir dos 2.250 rpm, mantendo-se

até 4.500 rpm. Ele atende á uma tendência que se iniciou em 1994 com o Uno turbo:

o downsizing, no qual motores mais compactos, com menos capacidade cúbica,

atingem altos desempenhos, com mais economia de combustível. O Punto T-Jet é a

última palavra em dirigibilidade, robustez e desempenho. Duas décadas atrás um

motor 1.4 sobrealimentado rendia 118cv e já era considerado extremamente potente

para sua cilindrada, com a chegada deste novo motor 1.4 16V Turbo esta potência

teve um enorme salto, ressaltando como a tecnologia maximiza a potência de motores

de mesma cilindrada.

4.2.3.1 Turbina

O turbocompressor que equipa o Punto T-Jet é da marca japonesa IHI modelo

RFH3. É refrigerado a água, tem carcaça de ferro fundido á base de níquel e oferece

60

até 1 bar de pressão. Por conta da presença desse turbo, o motor foi equipado com

virabrequim em aço, pistões revestidos, bielas de aço fraturadas, pino flutuante e

cargas de anéis de pistão otimizadas, para garantir menor ruído e melhorar o

consumo.

Por ser uma turbina compacta e leve, entra em ação cedo, logo que o motor

alcança os 2000 rpm, também conta com um intercooler para resfriar o ar comprimido.

Tudo isso se traduz em acelerações estimulantes e rápidas.


Fiat Punto T-Jet 1.4 16v Turbo (2014)

Motor Dianteiro, transversal, 4 cilindros, 1368 cm³, injeção multiponto, gasolina

Diâmetro x Curso 72 x 84 mm

Turbina IHI Modelo RHF3, 1 bar de pressão


Potência 152 cv a 5500 rpm

Torque 21,1 kgfm a 2250 rpm

Peso 1263 quilos

Aceleração 0 a 100

km/h 8,3 s


Consumo 9,1 km/l

Tabela 6 – Fiat Punto T-Jet 1.4 16v Turbo (2014)

61

4.2.4 Resultado da eficiência

De acordo com os trabalhos do Prof. José Israel Vargas ("An Brazilian Energy

Scenario and the Environment: an Overview ´CBPF- CS-003/92) e como fonte de

dados ("Energy and Power", Chauncey Starr, Scientific American, vol. 225,3, 1971),

foi elaborado um gráfico descrevendo a evolução da eficiência de conversão para

energia motriz, conforme pode ser observado no gráfico 6.

Gráfico 6 – Evolução da Eficiência do motor Otto

Fonte: www.ecen.com

http://www.ecen.com/

62

5 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Ao analisar-se os resultados obtidos, pode-se observar que o desenvolvimento

de tecnologias aplicadas em motores de combustão interna propiciou resultados como

aumento de potência específica, durabilidade do motor, redução de consumo

específico de combustível, aplicação de novos materiais, diminuição das emissões de

poluentes, melhoria de dirigibilidade e aumento da eficiência de conversão de

combustível.

Ao analisar as tabelas e gráficos do capítulo anterior, é possível verificar uma

evolução gradual dos motores entre as marcas, destacando que temos alguns picos

neste crescimento nos pontos em que se é agregado turbos ou assopradores no

sistema, disparando uma grande diferença no ganho de potência.

Na década de 80 foi iniciado uma nova direção nos estudos e desenvolvimento

de novos motores, voltados a busca de uma queima ideal da mistura ar e combustível,

por este motivo, após um período para que fosse possível coletar amostras de dados,

os resultados avaliados no capítulo anterior tiveram como seu ponto de partida na

década de 90.

De acordo com a metodologia FMEA (Analise de Efeito e Modulo de Falha), o

critério de severidade do efeito no produto mais importante, e que tem a nota mais

alta no NPR (resultado da multiplicação da severidade, ocorrência e detecção), está

relacionado com o modo de falha potencial que afeta a operação segura do veículo

e/ou envolve não conformidade com regulamentação governamental. Como esta é

uma metodologia fundamental na elaboração dos projetos da automobilística, como

na década de 80 começou a surgir leis, normas e regulamentos cada vez mais

rigorosos, obrigatoriamente estes passaram a fazer parte dos novos projetos.

Nesse mesmo contexto as tecnologias aplicadas tornaram os motores capazes

de trabalhar com mais de um tipo de combustível, propiciando aos usuários as

possibilidades de utilizar um combustível de acordo com uma finalidade específica,

seja por menor custo, maior autonomia, melhor desempenho ou por ser um

combustível menos agressivo ao meio ambiente.

Entre todos esses benefícios trazidos de inovações tecnológicas, os que mais

merecem destaque são aqueles que contribuíram de alguma forma para a

63

sustentabilidade do meio ambiente. Com relação às emissões provenientes dos gases

de escapamento de motor, as tecnologias de controle do motor e de pós-tratamento

de gases conseguiram minimizar severamente as emissões de gases como CO, HC

e NOx.

Porém todas essas medidas ainda não são suficientes. O gás carbônico, por

exemplo, é apontado como um dos causadores do efeito estufa e aquecimento global,

sendo lançado ao meio ambiente proporcionalmente ao consumo de combustíveis em

motores de combustão interna.

Essa demanda pelo melhor aproveitamento do combustível tem levado à

tendência de veículos com motores de combustão interna cada vez menores, que

consumam menos combustíveis e, logo, emitam menos poluentes.

Os tópicos mais importantes a respeito das mudanças nos motores a

combustão, serão tratados a seguir.

5.1 Acompanhamento Estatístico

Segundo informações do INEE dos 31 milhões de carros circulando no Brasil,

57% são FLEX, 40% a gasolina e 3% a etanol hidratado. Dos 17 milhões de

motocicletas, 18% são FLEX. As projeções indicam que, em 2020, 81% dos carros e

61% das motos serão FLEX. Estima-se que, hoje, cerca de ¼ dos carros FLEX

estejam usando etanol hidratado.

O consumo de combustíveis para o ciclo Otto foi de 50 bilhões de litros

equivalentes de gasolina. Desses, 60% sob a forma de GNV e gasolina produzidos no

Brasil, 32% de etanol e o restante importado. Em 2021, a demanda global deve atingir

75 bilhões de litros, não estando ainda definido como será atendida a nova demanda.

Em 2013 o INMETRO avaliou a eficiência energética de veículos leves, sendo

226 modelos FLEX, 126 a gasolina e nenhum a etanol hidratado. A eficiência

energética (km/MJ) de todos os FLEX comercializados em 2013 foi inferior à

observada quando usam gasolina.

A densidade energética do etanol hidratado (20,1 MJ/litro) é cerca de 30% menor

do que o da gasolina brasileira (E22; 28,9 MJ/litro). Propriedades físico-químicas do

64

etanol hidratado permitem que este tenha bem mais eficiência do que a obtida em

motor a gasolina equivalente.

5.2 Novas Tecnologias

Várias tecnologias estão sendo introduzidas para aumento da eficiência dos

motores de combustão interna, entre as quais pode-se citar a HCCI, do inglês

Homogeneous Charge Compression Ignition, na qual o aumento de eficiência do

motor do ciclo Otto é obtida pela compressão e aquecimento da mistura ar-

combustível até o seu ponto de auto-ignição, fazendo com que um motor movido à

gasolina ou álcool tenha uma eficiência similar à de um motor diesel; ou a estratégia

de downsizing, conhecida pelo aumento da potência específica do motor em kW/litro,

ou seja, é o desenvolvimento de um motor 1.0 litros com potência de 1.6 ou mais;

além da Injeção Direta de Combustível, na qual o bico injetor é posicionado de forma

que o combustível seja injetado e misturado ao ar dentro do próprio cilindro, gerando

uma combustão mais limpa e eficiente do que aquela obtida no coletor de admissão.

Uma característica dos motores de combustão interna é a necessidade de

assistência para a partida até atingirem o seu funcionamento autônomo. Os sistemas

de partida inicialmente eram acionados manualmente, e depois o uso do motor elétrico

com algumas funções adicionais (como o impulsor de partida) se tornou largamente

utilizado tanto para motores do ciclo Otto (motores à gasolina/álcool) quanto para os

motores do ciclo diesel.

O novo bloco tricilíndrico 1.0 a gasolina, que cumpre as normas Euro 6,

apresenta melhores performances, ao mesmo tempo que foram minimizados os níveis

de emissões, ruído e de vibrações. E também vem surgindo os motores híbridos com

ciclo Atkinson, que permite um aumento da expansão e reduz as perdas de calor

através de uma elevada taxa de compressão (13,5:1), resultando numa superior

eficiência térmica. E com a Lei 15.997/14 aprovada em São Paulo, dando incentivos

para este conceito de motores, vai acelerar ainda mais essa nova tendência, que por

enquanto há em poucos carros, distribuídos nas marcas Toyota, Mercedes Benz, Ford

e Honda.

65

5.3 Desenvolvimento do Sistema de Partida

Os sistemas de partida utilizados atualmente também começam a evoluir, após

mais de um século de poucas alterações desde a invenção do motor de partida

convencional. Alguns conceitos inovadores começam a surgir, como o motor-gerador

integrado, que é acoplado ao motor de forma contínua por meio de correia, no qual

um único sistema tem a dupla função de motor de partida e de alternador.

Esses novos conceitos de sistemas de partida não-convencionais podem

também contribuir para o aumento da eficiência dos motores de combustão interna,

através da economia de combustível, e também na redução das emissões de gases

poluentes. A tecnologia conhecida como start-stop, por exemplo, permite que em

situações de congestionamento usuais em grandes cidades, a economia de

combustível possa atingir cerca de 8%, medida que pode variar dependendo do ciclo

urbano considerado na avaliação, mas que se torna um fator decisivo para a adoção

desse tipo de sistema de partida.

5.4 Desenvolvimento de Comando de Válvulas

Um dos fatores importantes para a eficiência dos motores com o ciclo Otto é o

comando de válvula variável.

Este tipo de comando de válvulas permite a variação no tempo de abertura do

curso das válvulas. Com o comando convencional as válvulas abrem e fecham de

maneira mecânica, ou seja, com tempo fixo, por esse motivo cada montadora optava

por ter um motor mais potente ou mais econômico. Com a tecnologia dos comandos

de válvula variável, é permitido que as válvulas sejam abertas e fechadas de acordo

com a necessidade de cada regime.

Diversas melhorias foram desenvolvidas para se controlar adequadamente a

variação da abertura e do fechamento das válvulas de admissão e escape em um

motor de ciclo Otto. Com o ajuste adequado do comando de válvulas, o motor

poderá obter, por exemplo, maior torque, maior desempenho, maior economia de

combustível e menor emissão de poluentes.

66

Os benefícios da utilização do comando de válvulas variável pode trazer para

um motor de ciclo Otto são:

Eliminação das perdas na eficiência volumétrica na admissão e o aumento do

aproveitamento do combustível - ocorrem com o controle da massa de ar pela

própria válvula de admissão, ou seja, não seria feito pela válvula borboleta, o

que causa perdas térmicas e consequentemente diminui a eficiência térmica

do motor, a válvula borboleta permaneceria aberta e o controle da massa de ar

para o cilindro seria feito controlando a válvula de admissão.

Aumento do torque - é realizado melhorando-se os tempos de abertura e

fechamento das válvulas, o que faz com que a curva de torque seja mais

achatada em relação a variadas rotações, em outras palavras, ela não terá um

valor de pico somente na faixa de rotações médias do motor, como é usado

atualmente nos comandos de válvulas convencionais.

Maior eficiência na operação sem ou com pequena carga - Uma maior

eficiência operando sem ou com pequena carga é obtida quando a maior

parte da combustão é completada no início da fase de expansão, então,

precisa-se de uma maior turbulência dos gases de admissão para que tenha

uma maior taxa de queima.

Diminuição da quantidade de monóxidos de nitrogênio e dióxidos de

nitrogênio durante a combustão - A descarga dos resíduos é promovida por

dois fatores. O primeiro fator é a diferença de pressão existente no conduto

de escape, e a pressão no interior do cilindro, próxima da pressão residual da

combustão. Fechando-se a válvula de escape um pouco antes do PMS, faz

com que uma última porção de gases residuais fique presa no cilindro,

favorecendo para que haja uma redução dos picos de temperatura na

combustão e diminuição da quantidade de óxidos de nitrogênio.

Melhoria no efeito RAM - Devido ao deslocamento do embolo no interior do

cilindro com certa aceleração e desaceleração, uma diferença de pressão é

67

gerada entre cilindro e coletor de admissão, esta diferença de pressão produz

um fluxo de ar para a região de menor pressão, no caso, o cilindro.

5.5 Ganho de Pressão na Admissão

A potência desenvolvida por motores a combustão interna pode ser aumentada

com a elevação da pressão de admissão. Este fenômeno é obtido com aplicação da

superalimentação. Este processo consiste em forçar o ar para o interior do cilindro,

de modo que o peso da carga aumente. Os superalimentadores são de dois tipos:

Sopradores - dispositivo que tem por finalidade manter um fluxo de ar

contínuo e forçado para o interior do cilindro. É acionado pelo próprio motor.

Turbinas - dispositivo composto de dois rotores, ligados entre si por um eixo.

É acionado pela energia cinética dos gases queimados.

5.6 Desenvolvimento dos Carburadores

Carburador é um aparelho ou dispositivo, que a partir de um combustível líquido

e do ar da atmosfera, prepara e fornece para todos os regimes de trabalho do motor,

uma mistura de fácil queima.

Carburação é um processo de mistura ar/combustível, que começa no

carburador e termina no interior da câmara de combustão do motor. Este processo

poderá sofrer influências de diversos fatores: pressão atmosférica, filtro de ar,

carburador, coletor de admissão, comando de válvulas, válvulas, ignição, o estado

geral de conservação do motor, sistema de arrefecimento, combustível, etc.

Os carburadores eletrônicos fazem parte de uma geração de carburadores para

veículos de alta performance e baixo nível de emissões de poluentes.

Na configuração básica nos carburadores de corpo duplo foi incorporado um

sistema de controle de marcha lenta incluindo um afogador automático. Estes

carburadores podem ser aplicados em motores longitudinais ou transversais.

68

5.7 Desenvolvimentos da Injeção de Combustível

A injeção de combustível é feita por válvulas injetoras instaladas no coletor de

admissão, as quais são acionadas através de impulsos elétricos enviados pelo módulo

de controle eletrônico. Este por sua vez, recebe sinais de sensores e interruptores que

indicam as condições de funcionamento do motor.

As válvulas injetoras são alimentadas por uma bomba elétrica que mantém a

pressão de combustível, cuja pressão máxima é controlada pela válvula reguladora

de pressão.

5.8 Sensores e Controladores

Sensor de rotação do motor - conjunto do sensor é constituído de um disco

dentado montado sobre a árvore de manivelas, e de uma bobina de tipo indutiva, que

é fixada no bloco do motor de forma radial em relação ao disco dentado. O disco

dentado possui 58 dentes e uma lacuna na qual faltam 2 dentes, que estão separados

a uma distância de 15º um do outro.

Quando o disco passa pelo sensor, é gerada uma corrente alternada. A

frequência da corrente alternada é transformada em rotações do motor. O espaço dos

dois dentes, gera no sensor uma tensão mais elevada que informa ao módulo de

controle a posição da árvore de manivelas para a determinação do ponto de ignição.

Este condutor entre o sensor e o módulo de controle é blindado.

Sensor de fluxo de ar e temperatura do ar - O fluxo de ar aspirado pelo motor

desloca uma palheta que está sob tensão de mola. Seu eixo está ligado a um

potenciômetro que através de sinais elétricos informa ao módulo de controle eletrônico

(ECM) a quantidade de ar admitida pelo motor. Essa informação é utilizada pelo

módulo para calcular a quantidade exata de combustível a ser injetada. Na carcaça

do sensor de temperatura do ar. Este sinal é utilizado pelo módulo de controle para

calcular a densidade do ar.

A ligação entre a carcaça do sensor de fluxo de ar e o alojamento da borboleta

de aceleração é feita por tubulação flexível a fim de absorver as vibrações do motor.

69

Sensor de massa de ar - A forma ideal para controlar a carga dos motores a

combustão é através da medição da massa de ar aspirada pelo motor. Esta medição

é independente da pressão e da altitude.

O medidor de massa de ar a fio aquecido e o medidor de massa de ar a filme

aquecido são sensores “térmicos” de carga. Eles são instalados entre o filtro de ar e

borboleta de aceleração e registram a massa de ar aspirado pelo motor. Ambos os

sensores funcionam pelo mesmo princípio. No fluxo do ar aspirado, encontra-se um

corpo eletricamente aquecido que é resfriado pelo fluxo de ar.

Sensor de temperatura do ar de admissão - O sensor de temperatura informa

a temperatura do ar de admissão ao módulo de controle eletrônico (ECM). Este sensor

está situado na carcaça do medidor de fluxo, ora na mangueira ora integrado ao

sensor de pressão absoluta e é um sensor do tipo NTC (Coeficiente de Temperatura

Negativo), ou seja, sua resistência decresce com o aumento da temperatura.

Potenciômetro da borboleta aceleradora - A borboleta é comandada pelo pedal

do acelerador e é responsável pelo volume de ar admitido nos cilindros. No eixo,

encontra-se instalado um potenciômetro que informa a carga de trabalho de motor

para o módulo de controle e este, por sua vez, calcula o ângulo de ignição ideal e o

ponto de injeção e, ainda, serve de referência para a regulagem da marcha lenta. A

unidade de controle baseia-se nas curvas características gravadas no mapeamento.

O sensor de pressão absoluta é ligado pneumaticamente ao coletor de

admissão em tubo flexível e como sensor agregado, fixado nas proximidades ou

diretamente no coletor de admissão.

Sensor de pressão absoluta - O sensor é subdividido em uma célula de pressão

com dois elementos sensores e uma câmara para o circuito de avaliação reunido em

um mesmo substrato de cerâmica. O elemento sensor consiste de um diafragma de

camada espessa em forma de campânula, que inclui um volume de referência com

pressão interna definida. Dependendo da intensidade da pressão do coletor de

admissão, o diafragma é defletido com intensidade diversa.

Sensor de temperatura do motor - Este sensor de temperatura informa a

temperatura do líquido de arrefecimento do motor ao módulo de controle eletrônico.

Está situado na carcaça da válvula termostática e é um sensor do tipo NTC, ou seja,

sua resistência decresce com o aumento da temperatura.

70

O módulo utiliza esta informação para alterar o avanço da ignição e o tempo de

injeção de combustível de acordo com a temperatura do motor. Este sinal também é

utilizado para fechar o circuito de controle da lambda.

Sensor Lambda - Este sensor está localizado no sistema de escapamento e

mede o fluxo de gases de escapamento proveniente dos cilindros.

O sensor possui um material cerâmico que torna-se condutor na presença de

oxigênio, a partir de aproximadamente 300o C. A diferença na concentração de

oxigênio nos dois lados do sensor resultará na geração de tensão elétrica entre as

duas superfícies.

Regulagem Closed Loop - O sensor de oxigênio (lambda) envia um sinal de

tensão ao módulo de controle eletrônico (ECM). Baseado neste sinal, o módulo de

controle comanda o sistema de injeção de combustível para que a mistura torne-se

mais rica ou mais pobre. O módulo de controle (ECM) possui um programa que

controla um limite, a fim de definir se a mistura é pobre ou rica. Portanto, o módulo de

controle varia o volume de combustível injetado no motor.

Os componentes e processos citados anteriormente influenciaram na evolução

gradativa da eficiência, potência, economia de combustível, geometria do motor e

redução da emissão de poluentes dos motores de combustão interna do ciclo Otto.

Os resultados obtidos pela evolução dos motores a combustão interna no ciclo

Otto estão evidenciados nas tabelas contidas no capítulo 4 – Resultados, onde se

pode comparar as mudanças ocorridas nas últimas três décadas conforme as

especificações de cada motor, tais como:

- Motores de 1000 cm³ de cilindrada





71

6 CONCLUSÔES E RECOMENDAÇÕES

Nossa sociedade vive em constante mudança, “obrigando” as empresas a

efetuarem constantes inovações e adaptações. Novas tecnologias surgem a cada dia,

a economia está globalizada, a concorrência é extremamente feroz, diversas

exigências são geradas por normas e legislações e há ainda a acrescentar a cada vez

mais importante preocupação com o meio ambiente e com a responsabilidade social.

Perante este cenário de rápidas e constantes mutações, as empresas encaram-no

como ameaça ou oportunidade.

Em um mercado competitivo, buscar a evolução e melhoria continua dos seus

produtos é essencial, assim, ganhar vantagem competitiva e passar a ser cada vez

mais atrativo para o mercado. Cada empresa possui a sua estratégia de acordo com

suas necessidades e possibilidades. Conhecendo a concorrência e suas estratégias,

uma empresa pode traçar sua própria estratégia competitiva e prever como seus

oponentes reagirão à sua estratégia.

A preocupação constante do mercado é oferecer sempre produtos e serviços

com altos índices de qualidade. Ser competitivo é ter qualidade nos produtos e/ou

serviços, estar sempre inovando possuir bons preços.

Questões como essas estimularam no desenvolvimento de tecnologias para

projetos e produção de motores cada vez mais potentes e econômicos. Porem tudo

surge de acordo com as oportunidades e necessidade do mercado.

A partir dessa ideia, podemos concluir que, James Watt, aproveitou da

oportunidade de usar a energia proporcionada por uma pressão, para fazer com que

uma máquina produzisse trabalho mecânico. E assim mais tarde, pela necessidade

das pessoas e desejo em possuir uma máquina dessa em proporção menor e mais

leve, que surgiu, no século XVIII, construído pelo francês Cugnot, o primeiro carro a

vapor que percorreu as ruas de Paris.

E daí em diante, não apenas o motor mas como o carro em geral passou por

inúmeras modificações e melhorias. Mas o que destacou e deu o ponta pé inicial no

incentivo de pesquisas e de desenvolvimento de novas tecnologias para melhorar a

eficiência do motor de forma significativa, foram as normas e legislações ambientais.

No início da década de 80, em especifico no Brasil com a resolução 18/86 e a lei

72

Federal 8723, na Europa com a regulamentação EG N° 761 e em geral no mundo com

a DIN EN ISO 14001.

Onde partimos do princípio que, para uma melhor eficiência do motor, é preciso

chegar o mais próximo possível da queima ideal, para assim em contra partida reduzir

a emissão de poluentes, ou seja, esses dois fatores estão direta mente relacionados.

Isso porque em uma queima completa seria produzido apenas agua e dióxido de

carbono, já em uma queima incompleta pode ser produzido fuligem, etileno, acetileno,

monóxido de carbono, ácidos carboxílicos, acetonas, aldeídos e até mesmo parafinas.

Para isso era preciso novos avanços tecnológicos em combustíveis, melhora

na mistura de ar com combustível, formas de medições e controles dos seus

componentes. Pois até então não haviam dados de medições e controles dos

componentes.

No Brasil, em 1976, o governo do estado de São Paulo promulgou a Lei 997/76,

que dispõe sobre o controle da poluição do meio ambiente. Em 2 de setembro de

1981, o governo Federal criou a Lei N° 6.938, que institui a Política Nacional do Meio

Ambiente, e de lá pra cá outras dezenas de leis e resoluções apertam cada vez mais

o cerco contra más práticas ambientais, acelerando significativamente as pesquisas e

desenvolvimentos tecnológicos. E ainda continuamos em constante evolução, e

podemos esperar que o Brasil logo alavancará ainda mais, visto que o IQA (Instituto

da Qualidade Automotiva) inaugurou o primeiro laboratório do instituto para o

desenvolvimento de tecnologia automotiva.

Assim na década de 80 iniciou a fase de desenvolvimento de novos projetos,

menos poluentes, com tecnologias com maiores controles e padrões melhores

definidos. E nesse período, com os controles e medições foi possível levantar diversos

dados estatísticos, conhecendo melhor o motor e seu sistema e assim surgindo novas

oportunidades.

São vários os fatores que influenciam a eficiência volumétrica, dentre eles a

velocidade do pistão, as pressões de admissão e exaustão, a taxa de compressão do

motor, a transferência de calor, a geometria do sistema de admissão e a exaustão, e

outras variáveis de operação do motor, a disposição do coletor de admissão também

pode influenciar fortemente o desempenho da eficiência volumétrica e, por

consequência, o motor. E por isso passou a ser medido e controlado a rotação do

73

motor, tensão primaria e segundaria da ignição, ângulo de permanência e de ignição,

corrente, tensão e resistência, tempo de injeção, relação de ciclo, inicio de

alimentação/avanço de injeção, temperatura do óleo, temperatura do ar e pressão de

vácuo na tubulação de aspiração.

Os centros de pesquisa automobilísticos têm investido fortemente em

pesquisas que visam ao desenvolvimento de carros que atendam a essas

características e que sejam competitivos no mercado globalizado. No início das

pesquisas já foi possível evidenciar que o formato, rugosidade e dutos dos filtros de

ar, já são suficientes para interferir na eficiência do motor. Por este motivo na norma

CUNA da Itália, a potência do motor é medida sem o filtro de ar, e isso resulta num

valor de 5 a 10% maior do que nos valores medidos nas normas DIN e NBR.

Como parte integrante do automóvel, o motor é um dos principais objetos de

estudo, sendo este o responsável pela transformação da energia química presente

nos combustíveis em energia mecânica, que permite o deslocamento do veículo.

Podemos acompanhar características marcantes em sua evolução, como quando foi

adicionado um carburador de fluxo descendente, depois o carburador de fluxo

horizontal, carburadores com uma câmara, com duas câmaras, então surgiu o sistema

de carburador controlado eletronicamente, aderindo junto diversos sensores, como o

potenciômetro da borboleta de aceleração, sensor de temperatura, interruptor de

marcha lenta, e enfim chegou a injeção eletrônica central e a individual com mais

diversos componentes como regulador de mistura, medidor de fluxo de ar, distribuidor

de combustível, válvulas, regulador de aquecimento entre outros. Agora estamos na

fase dos motores híbridos quem vem melhorando ainda mais os veículos, e temos

também os turbos, que não é muito comum em veículos leves mas foi um grande salto

evolutivo no ganho de eficiência dos motores.

Motores originais de duas válvulas por cilindro geralmente atingem eficiência

volumétrica máxima em torno de 55%; motores com 4 válvulas por cilindro têm

eficiência em torno de 75%; e motores superalimentados (turbo, compressor) muitas

vezes ultrapassam os 150%, pois a mistura é forçada a entrar nos cilindros.

Os novos motores, a serem apresentados até 2015, beneficiam das tecnologias

que permitem melhorar a qualidade de combustão e reduzir perdas energéticas, nos

motores associados a sistemas híbridos. Com estas melhorias, espera-se obter

74

reduções de consumo de, pelo menos, 10%, mesmo associado a uma transmissão

convencional.

A Toyota foi uma das empresas que conseguiu cumprir com as normas Euro 6,

alcançando um nível de eficiência térmica – a parte de energia contida no combustível

que é convertida em energia mecânica – de mais de 37%, valor extremamente alto

entre os motores a gasolina de produção em série (em média, conseguem uma

eficiência térmica entre 30 e 35%). As emissões de CO2 do motor 1.0 foram, assim,

diminuídas: 110 para 99 g/km.

Para obter este resultado, os engenheiros procuraram, acima de tudo, otimizar

a relação peso/potência. Por exemplo, a integração na cabeça do cilindro da conduta

de admissão permitiu reduzir o peso e tornar o motor ainda mais compacto. E para

reduzir o consumo sem beliscar a performance, a taxa de compressão foi aumentada

de 10,5:1 para 11,5:1.

As condutas de admissão e pistões foram redesenhadas para aumentar o efeito

de enchimento do cilindro (através da turbulência provocada na entrada da mistura)

promovendo uma maior velocidade na combustão. O efeito de empurrar os gases do

interior do cilindro por uma mistura fresca e o arrefecimento da câmara de combustão

foram aumentados através de um novo coletor de escape, permitindo atrasar a

detonação e introduzir uma grande quantidade de gases de escape em recirculação,

diminuindo as perdas por bombagem.

Por último, os níveis de fricção foram reduzidos através da adoção de uma

cobertura em carbono tipo diamante (DLC) para as touches das válvulas, na alteração

no tratamento da superfície dos êmbolos, do desenho diferente do mecanismo da

corrente de distribuição e de uma melhor gestão de arrefecimento do motor,

principalmente devido à nova forma do cárter, que garante que o motor alcance a

temperatura ideal de funcionamento mais depressa.

Como consequência, o novo motor terá uma eficiência térmica máxima de 38%,

o mais elevado entre motores produzidos em série. As novas tecnologias, em parceria

com o sistema que desliga o motor quando o veículo se imobiliza e outras funções,

vão permitir ganhos de eficiência de, aproximadamente, 15% em comparação com os

atuais veículos.

75

Hoje significativas melhoras no desempenho do motor, redução da emissão de

poluentes e sistemas de controle mais eficientes podem ser conseguidos por meios

computacionais, utilizando ferramentas de simulação. Não é possível o

desenvolvimento de novos motores sem o uso dessas ferramentas de modelagem.

Configurações ineficientes de motor podem ser eliminadas com uma previsão por

meio da simulação.

76

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ANDRADE, G. S. Avaliação Experimental da Duração da Combustão para

Diferentes Combustíveis em um Motor Padrão Ciclo Otto ASTM-CFR, Dissertação

de Mestrado, UFRGS, 2007.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM, Manual for

Rating Motor Fuels by Motor and Research Methods, Standard Test Method, 5ª

Edição, 1964.

ANHANGUERA EDUCACIONAL. Manual para Elaboração de Trabalhos

Acadêmicos. Disponível em:

<http://www.unianhanguera.edu.br/anhanguera/bibliotecas/normas_bibliograficas/ind

ex.html>. Acessado em: 09 de março 2013.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6023. Informação

e documentação: referências: elaboração. Rio de Janeiro, 2002.

BORGHETTI, Master Power. Manual Técnico. Disponível em

<http://www.masterpower.com.br/userfiles/downloads/b0445aac98e69b7e85bca4fdf8

111133.pdf>. Acessado em: 09 de julho 2014.

CARNEIRO, F. S. P. Projeto de Desenvolvimento de um Sistema de

Controle Eletrônico de Injeção Direta de GNV em Veículos Movidos a

Gasolina/Álcool, Dissertação de Mestrado, Universidade de Brasília, 2011

DA SILVA, Waldir. Por que usar um turbocompressor? Disponível em

<http://www.portaldomecanico.com.br/v1/especialistas/especVerTexto.php?idz=13>.

Acessado em: 10 de julho 2014.

77

DA SILVA, L.L.C., 1992, Simulação dos processos termodinâmicos em

motores de combustão interna. Tese de M.Sc., Politécnica USP, Engenharia

Mecânica, São Paulo, SP, Brasil.

DOLZA, J. et. al., 1957, The General Motors fuel injection system, SAE

Transactions, vol.65.

DAVIS, C. W. et. al., 1961, Fuel injection and positive ignition - a basis for

improved efficiency and economy, SAE Transactions, vol.69.

ECO, Umberto. Como se faz uma tese em ciências humanas. 5. ed. Lisboa,

Editorial Presença, 1991. 174 p.

FRANÇA, J. L. Manual para normalização de publicações técnico-

científicas. Belo Horizonte: UFMG, 1990. 256 p.

Geração de energia elétrica – Motores - Disponível em

<http://antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/motores.php>. Acessado em: 03 de

abril 2014.

GLOCKLER, O. et. al., 1981, Gasoline fuel injection: an overview, Automotive

Engineers, vol.89, n.1.

HARADA, et. al., 1997, Development of direct injection gasoline engine,

SAE Technical Paper Series, n.970540.

HILDEBRAND JR., L., Celere, S. W. Analise do desempenho de um motor

de ciclo Otto com injecao direta de alcool etilico hidratado pre-aquecido. Tese

Doutorado, USP São Carlos, 1998.

IWAMOTO, et. al., 1997, Development of gasoline direct injection engine,

SAE Technical Paper Series, n.970541

78

KOWALEWICZ, A., 1984, Combustion systems - of high-speed piston I. C.

engines, Warszawa, Elsevier.

MELO, T.C.C., KRONENBERGER, S.‚ 2005, “Evaluation of the Amazon

forest low methane Natural Gas for vehicular applications”, SAE 2005 Fuels &

Lubricants Meeting & Exhibition, 2005-01-2161, Rio de Janeiro, Brasil, May.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10520.

Informação e documentação: citações em documentos: apresentação. Rio de Janeiro,

2002.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14724.

Informação e documentação: trabalhos acadêmicos: apresentação. Rio de Janeiro,

2005.

PASSARINI, L. C. (1993). Projeto e Análise de Válvulas Eletromagnéticas

Injetoras de Combustível: Uma Nova Proposta. Tese doutorado, USP, São Carlos.

Portal Automotivo Over Car. Ciclo Otto. Disponível em:

<http://www.overcar.com.br/o-motor-ciclo-otto/>. Acessado em: 10 de abril

2014

SENAI-SP. DRD. Motor. Por Benjamin Prizendt et alli. São Paulo, 1992. 123p.

(Mecânico de Automóvel: IV, 11)

SENAI-DN. SMO de Mecânico de automóveis. Rio de Janeiro, 1984.

SENAI. SP. Motor Automotivo - Básico. São Paulo, 2001

SENAI. SP. Mecânica de veículos leves – Motor de combustão interna Ciclo

Otto. São Paulo, 2003

79

ZHAO, F. et. al., 1997, A review of mixture preparation and combustion

control strategies for spark-ignited direct-injection gasoline engines, SAE

Technical Paper Series, n.970627.

WYLEN, G. J. VAN.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da

termodinâmica. 6. ed. São Paulo: Editora Edgard Blücher, 2003. 577p.

QUATRO RODAS. Janeiro de 2014. Disponível em:

<http://quatrorodas.abril.com.br/reportagens/geral//inovar-alcool-770673.shtml>

Acessado em: 05 de maio 2014.

QUATRO RODAS. Março de 2014. Disponível em:

<http://quatrorodas.abril.com.br/noticias/sustentabilidade/peugeot-lanca-308-

supereconomico-europa-776975.shtml>. Acessado em: 05 de maio 2014.

QUATRO RODAS. Fevereiro de 2014. Disponível em:

<http://quatrorodas.abril.com.br/noticias/sustentabilidade/proxima-geracao-peugeot-

2008-sera-hybrid-air-773745.shtml>. Acessado em: 05 de maio 2014.

IBAMA. Notícias. Disponível em:

<http://www.ibama.gov.br/publicadas/ibama-e-inmetro-lancam-etiqueta-unica-para-

carros>. Acessado em: 12 de abril 2014.

IBAMA. Controle de Emissões. Disponível em:

<http://www.ibama.gov.br/areas-tematicas-qa/programa-proconve>. Acessado

em: 12 de abril 2014.

CETESB. Qualidade do ar. Disponível em:

<http://www.cetesb.sp.gov.br/ar/informacoes-basicas/20-historico>. Acessado

em: 12 de abril 2014.

80

Lei Estadual 13.806, de 30 de setembro de 2002 - Dispõe sobre atividades

pertinentes ao controle da poluição atmosférica, padrões e gestão da qualidade do ar,

conforme especifica e adota outras providências.

Lei 8.723, de 28 de outubro de 1993 – Dispõe sobre a redução de emissão de

poluentes por veículos automotores e dá outras providências.

Resolução SEMA 54, de 22 de dezembro de 2006 - Define critérios para o

Controle da Qualidade do Ar como um dos instrumentos básicos da gestão ambiental

para proteção da saúde e bem estar da população e melhoria da qualidade de vida,

com o objetivo de permitir o desenvolvimento econômico e social do Estado de forma

ambientalmente segura.

Resolução SEMA 058, de 20 de Dezembro de 2007 - Estabelece critérios para

controle das emissões atmosféricas, para as atividades de recebimento, secagem,

limpeza e expedição de produtos agrícolas não industrializados e revoga os artigos

43 e 44 da Resolução SEMA nº 054, de 22/12/06.

Lei nº 6.938/81 - Política Nacional do Meio Ambiente, Ministério do Meio

Ambiente. Dispõe sobre a Política Nacional do Meio Ambiente, seus fins e

mecanismos de formulação e aplicação, e dá outras providências. Diário Oficial da

União, 02/09/1981.

Resolução CONAMA nº 3, de 28/06/1990. Ministério do Meio Ambiente dispõe

sobre padrões de qualidade do ar, previstos no PRONAR. Publicação DOU, de

22/08/1990, p. 15937-15939.

QUATRO RODAS. Julho 2006. Disponível em:

<http://quatrorodas.abril.com.br/classicos/brasileiros/conteudo_150529.shtml>.

Acessado em: 12 de julho 2014.

81

AUTO ESPORTE. Ano 36, número 421. Disponível em:

<http://autoesporte.globo.com/edic/ed421/avgolparati2.htm>. Acessado em: 12 de

julho 2014.

CARROS NA WEB. Ficha Técnica. Disponível em:

<http://www.carrosnaweb.com.br/fichadetalhe.asp?codigo=98>. Acessado em: 12 de

julho 2014.

BEST CARS WEB. Ficha Técnica. Disponível em:

<http://bestcars.uol.com.br/testes/parati-1.htm>. Acessado em: 12 de julho 2014.


<http://www.carrosnaweb.com.br/fichadetalhe.asp?codigo=851>. Acessado em: 12

de julho 2014.

OFICINA BRASIL. Abril de 2009, N°218. Disponível em:

http://www.oficinabrasil.com.br/lancamentos/272-mais-um-modelo-turbo-na-familia-

fiat>. Acessado em: 12 de julho 2014.


<http://www.carrosnaweb.com.br/fichadetalhe.asp?codigo=1483>. Acessado em: 19

de julho 2014.

CARRO ONLINE. Ficha Técnica. Disponível em:

<http://carroonline.terra.com.br/modelo/punto/t-jet-1-4-turbo/2015>. Acessado em: 19

de julho 2014.

REPARADOR FIAT. Noticias. Disponível em:

<https://www.reparadorfiat.com.br/cmi/pagina.aspx?223>. Acessado em: 19 de julho

2014.

tccii - 2º semestre - evolução dos motores final (1)

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