Relatório de pesquisa Subequipe de Projeto de Powertrain
Tema: Combustível e Sistema de Combustível (Fuel & Fuel System)
Gustavo Soares Silveira
Itajubá 25/05/2011
Índice 1. Resumo
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2. Introdução
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3. Combustível
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4. O Sistema de combustível
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5. Regulamento F- SAE 2011
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6. Referências Bibliográfi cas
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1.
RESUMO
Este relatório tem como objetivo a apresentação do sistema de combustível de um carro dentro das especificações da Fórmula SAE. São apresentadas as características do sistema, seus componentes e informações necessárias para o projeto. Apresentam-se as características de cada peça, por exemplo, seu funcionamento e seu material de construção, a relação do sistema com o funcionamento geral do carro, os fabricantes das peças, e concluindo são apresentadas as regras da competição da Fórmula SAE 2011. 2 . INT RODUÇÃO
A função do sistema de combustível é misturar o combustível com o ar (oxigênio) nas proporções corretas para a combustão e distribuir a mistura ar / combustível à câmara de combustão. A função preliminar do sistema de combustível e armazenar e fornecer o combustível a câmara do cilindro do motor. O sistema de combustível é composto basicamente por um tanque de combustível, que é o componente que armazena o combustível do carro; as linhas de combustível são as conexões que entre o tanque de combustível e a admissão do motor; as bombas de combustível que tem a finalidade de resgatar o combustível do tanque e fazê-lo caminhar pelas mangueiras para alcançar o motor; o filtro de ar tem a função de proteção dos componentes do motor, ou seja, impede que partículas indesejáveis cheguem ao motor junto do combustível e danifique alguma peça; por fim, o bico injetor é aquele com a função de pulverizar o combustível na câmara de combustão. É um sistema que necessita de grande precisão, como todos os outros de um carro, devido à possibilidade de melhoria na combustão e no desempenho do motor de um carro, garantindo-lhe maior torque, por exemplo.
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3.
COMBUSTÍVEL
São permitidos dois tipos de combustível nas competições de FSAE. O combustível é cedido pelos organizadores e a utilização deve ser exclusiva de gasolina (sem aditivos) e E-85. Mais detalhes sobre o regulamento são expostos na seqüência. A seguir são expostas as vantagens de cada um dos combustíveis permitidos. 3.1
Gasolina
A gasolina é um combustível constituído basicamente por hidrocarbonetos (compostos orgânicos que contém átomos de carbono e hidrogênio) e, em menor quantidade, por produtos oxigenados (produtos que possuem átomos de oxigênio em sua formula química). Os hidrocarbonetos que compõem a gasolina (hidrocarbonetos aromáticos, olefínicos e saturados) são em geral, mais "leves" do que aqueles que compõem o óleo diesel, pois são formadas por moléculas de menor cadeia carbônica (normalmente cadeias de 4 a 12 átomos de carbono). Além dos hidrocarbonetos e dos oxigenados a gasolina contém compostos de enxofre, compostos de nitrogênio e compostos metálicos, todos eles em baixas concentrações. 3.2
E-85
O Etanol-85 é um combustível alternativo composto por 85% de etanol e 15% de gasolina. O álcool é produzido por cereais, basicamente. Possui vantagens ecológicas com relação à sua produção, uma vez que o petróleo é um bem de consumo não renovável, quanto menor foi a sua utilização, melhor é. Deste modo, como há apenas 15% de gasolina no etanol-85 o consumo de petróleo e combustíveis fósseis é muito menor com relação à gasolina. A combustão de ambos combustíveis gera basicamente a mesma poluição. Em termos de eficiência energética, a utilização de E-85 é cerca de 15% menos eficiente que a gasolina comum, devido à composição química e à reação de combustão que ocorre no motor. 4.
O SISTEMA DE COMBUSTÍVEL
4.1 - Componentes 4. 1 . 1
- Tanque de combustível
Os tanques de combustível estão montados o mais longe possível do motor, ou seja, na parte de trás do veículo quando este tem o motor à frente, na parte da frente quando o motor está na parte de trás, exceto um ou outro caso. Esta disposição reduz o perigo de incêndio e permite a localização do tanque a um nível mais baixo que o do compartimento do motor. Quanto mais baixo estiver o tanque ± bastante pesado, quando cheio -, menos afetará a estabilidade do automóvel. O interior de alguns tanques encontra-se dividido para evitar o deslocamento do combustível, quando o automóvel freia ou descreve uma curva, e é normalmente tratado para não enferrujar devido à condensação da umidade. Os tanques de combustível eram normalmente metálicos e atualmente tem se usado muito o plástico. 4
Os tanques apresentam tubos de respiro no tampão para permitir a entrada de ar no seu interior, conforme o combustível vai sendo consumido, a fim de evitar a formação do vácuo. 4. 1 . 2
Linhas de combustível
São linhas de aço e mangueiras flexíveis com a finalidade de transportar o combustível do tanque ao motor. Borrachas comuns como as utilizadas em mangueira de vácuo ou água, amolecem e se deterioram. 4.1.3
Bombas de combustível
Dois tipos de bombas de combustível são utilizados em automóveis, mecânica e elétrica. Todo o combustível injetado carros de hoje usam bombas elétricas, enquanto a maioria dos carros carburados usam bombas de combustível mecânica. Bombas de combustível mecânicas são bombas de diafragma, montada no motor e operado por um ressalto excêntrico geralmente na árvore de cames. Um braço basculante anexado ao excêntrico se move para cima e para baixo, flexionando o diafragma e o bombeando o combustível ao motor. Porque as bombas elétricas não dependem de um excêntrico para a operação, que pode ser localizada em qualquer parte do veículo. Na verdade, eles funcionam melhor quando estão próximas do tanque de combustível. Muitos carros hoje possuem a bomba de combustível dentro do tanque de combustível. Enquanto as bombas mecânicas operam em pressões de 4-6 psi (libras por polegada quadrada), as bombas elétricas podem operar em pressões de 30-40 psi. A corrente é fornecida à bomba imediatamente quando a chave é girada. Isto permite uma pressão constante sobre o sistema de partida imediato. Bombas de combustível elétricas podem ser pressão baixa ou alta pressão. Bombas de combustível são classificados por pressão e volume. Ao verificar o funcionamento da bomba de combustível, ambas as especificações devem ser verificados e cumpridos. 4. 1 . 4
- Filtros de combustível
Os filtros de combustível são designados para isentar o combustível das partículas de sujeira com pó, ferrugem, água e resíduos do tanque. Eles são utilizados em todos os motores de combustão, sejam eles movidos a Diesel, gasolina ou álcool, com sistema de injeção eletrônica ou carburado. Atendendo à segurança da operação, eles protegem carburadores, bicos de injeção e agregados extremamente sensíveis do sistema de alimentação do combustível. Os filtros evitam que os contaminantes, invisíveis a olho nu, obstruam e prejudiquem seriamente os bicos injetores, causando falhas na alimentação e desgaste prematuro da bomba injetora, dos bicos injetores e outros componentes importantes do motor. O filtro possui um elemento de papel especial. Por este motivo, a direção de fluxo indicada no filtro deve ser obrigatoriamente mantida. O filtro é fixado na carcaça, de metal, através de uma placa de apoio. 5
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A utili de um f ilt bli dado de peça úni a tem as seguintes vantagens: Elimina possíveis vazamentos ent e a carcaça e a caneca pl stica. Elimina a possi bilidade de degradação da caneca p l sticapor ataque de agente químico. T em manutenção rápida, por se tratar de peça única.
O papel f iltrante trás maior vida útil para os componentes. A resina fenólica no papel providencia a ele maior resist ncia, o que l e garante maior vida útil. Al m do papel f iltrante, o que prolonga a vida útil dos componentes é o reservatór io de água, que armazena a água f iltrada do combustível. Se o f iltro de combustível não funcionar devidamente ou se for de má construção, pode haver graves implicações: O pape l f iltrante de bai a qualidade não limpa o combustível suf icientemente bem. Em consequência, o carburador ou a bomba de in jeção podem entupir, provocando problemas no motor. O pape l f iltrante que entope rapidamente restr inge o f luxo de combustível. E m consequência, o motor soluça e o automóvel avar ia. Os f iltros de combustível inadequados podem or iginar uma perda de potência do motor, aceleração mais lenta e menor economia de combustível. Os f iltros de combustível de má qualidade podem ter fugas à volta das soldaduras, sendo uma possível consequência o incêndio do motor. As rebarbas da p laca de cober tura podem passar para o lado limpo do f iltro e, consequentemente, para o motor. Os e lastómeros de má qualidade (p.ex., as juntas inadequadas à gama de temperaturas correspondente ou aos meios) podem ressequir mais facilmente e ter como resultado uma pior performance do f iltro. ± As juntas internas de má qualidade podem levar a uma mistura de combustível com água e, assim, provocar uma má combustão. ± A má vedação externa pode resultar numa fuga de combustível.
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4.1.5 Bic
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ormalmente instalados nos cabeçotes, tem a f inalidade de prover o supr imento de combustível pulver izado em forma de névoa. A agu lha do in jetor se levanta no começo da in jeção devido ao impacto da pressão na linha de combustível, supr ida pela bomba in jetora. Durante os intervalos de tempo entre as in jeções, se mantém fechado automaticamente pela ação de uma mola. Uma pequena quantidade de combustível, utilizada para lubr if icar e remover calor das par tes móveis dos in jetores, é retornada ao sistema de alimentação de combustível. Os bicos in jetores, assim como as bombas, são fabr icados para aplicações específ icas e não são intercambiáveis entre modelos diferentes de motores. Em muitos casos, um mesmo modelo de motor, em decorrência de alguma evolução introduzida na sua produção, utiliza um ti po de bico in jetor até um determinado número de sér ie e outro a par tir de então, sem que se jam intercambiáveis entre si. É necessár io ter atenção especial quando for o caso de subs tituir bicos ou bombas in jetoras, para que se jam utilizados os componentes corretos. Os bicos in jetores são componentes de extrema precisão, responsáveis por pulver izar f inamente o combustível na câmara de combustão do motor. Quanto melhor for a pulver ização, maior será o rendimento do motor. E m conseqüência, se obtém mais economia de combustível com menor emissão de gases poluentes. A superf ície do bico in jetor é revestida com cromo, o que garante maior durabilidade da peça, evitando maiores gastos com a manutenção. A região interna dos bicos in jetores deve ser totalmente vedada, uma vez que a vedação completa evita gote jamento de combustível, aumentando os gastos com os mesmos. A precisão nos or if ícios de in jeção deve ser grande, uma vez que com uma pulver ização quase perfeita a combustão pode ser realizada de maneira mais completa. O mercado oferece bicos in jetores recondicionados ou reaproveitados a um custo infer ior ao dos or iginais. Os bicos in jetores recondicionados sofrem mecanização para "tentar " voltar às medidas or iginais, mas ao retif icar a superf ície da agulha, retira-se o recobr imento de cromo, o que reduz a durab liidade e pre judica a pulver ização do combustível. Qualquer mater ial sofre fadiga, ou se ja, possui sua vida útil, e quando se trata de prolongar a utilização de um bico in jetor usado, arr isca-se a vida do motor. N
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Pode acontecer que um bico in jetor recondicionado ou de má qualidade tenha a ponta rompida por fadiga natural do mater ial. Em conseqüência, a ponta pode cair no pistão e danif icar o motor.
A agulha do bico b que fecha com o aux ílio de uma for te mola a, é levantada pela elevada pressão do combustível bombeado em c. d = linha de pressão; e = parafuso de a juste para a regulação da pressão de in jeção;f = linha de retorno do combustível utilizado para lubr if icação e refr igeração do bico in jetor.
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REGUL A
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ENTO
F-SAE 2011
Abaixo são exi bidos trechos do Regulamento F-SAE 2011 relacionados ao combustível e ao sistema de combustível. B .8 ± Tubulação de combustível, ligações e proteção B8.8.1 ± Tubulações de combustível plásticas entre o tanque e o motor (fornecimento e retorno) são proi bidas. B8.8.2 ± Se mangueiras de borracha forem usadas, os componen tes sobre os quais a mangueira for presa deve conter um bico de conexão para segurar a mangueira. Abraçadeiras especialmente fabr icadas para mangueiras de combustível devem ser usadas. Essas abraçadeiras tem três caracter ísticas impor tantes, contém 360° de fechamento, um sistema de parafuso e porca para compressão, e bordas abau ladas para 8
prevenir corte a mangueira. Abraçadeiras comuns de engrenagem sem-fim não podem ser usadas nas mangueiras de combustível. B8.8.3 ± As mangueiras de combustível devem ser bem fixadas ao veículo e/ou ao motor. B8.8.4 ± Todas as linhas de combustível devem estar protegidas de falhas em equipamentos rotativos e colisão do veículo. B8.11 ± Vedação B8.11.1 ± O motor e a transmissão devem ser vedados para prevenir vazamentos. B8.11.2 ± R eservatórios individuais deverão ser aplicados para reter fluidos em excesso das linhas de arrefecimento, da transmissão e do sistema de lubrificação do motor. Cada reservatório deverá ter um volume mínimo de dez por cento(10%) do volume total do fluido que está sendo reservado ou 0.9 litro, sendo utilizado o de maior valor. B8.11.3 ± Os reservatórios devem ser capazes de comportar água fervente sem apresentar deformação. Devem ser posicionados atrás da parede porta-fogo, abaixo da linha do ombro do piloto e fixados positivamente 1, i.e. não utilizar ³tie-wrap´ nem fita. B8.11.4 ± Qualquer reservatório do sistema de arrefecimento deve ter um duto de respiro com diâmetro interno de 3mm (1/8´) voltado para parte inferior da estrutura. B8.11.5 ± Qualquer linha de respiro do bloco do motor ou lubrificação do motor direcionadas para o sistema de admissão devem ser conectadas acima do limitador de admissão B8.11.6 ± R espiros do bloco do motor que passem através do reservatório de óleo para o sistema de exaustão ou dispositivos a vácuo que conecte diretamente ao sistema de exaustão são proibidos. B9 ± Sistema de Combustível B9.1 ± O combustível oferecido nas competições da Formula SAE é gasolina sem chumbo com taxa de octanagem de 93( R+M)/2 (aproximadamente 98 R ON). No entanto o combustível pode ser alterado conforme determinado pela comissão organizadora. Outros combustíveis podem ser disponibilizados conforme determinado pela comissão organizadora. B9.1.1 ± A menos que informado pela comissão organizadora, o combustível nas competições da Formula SAE serão disponibilizados pela organização. B9.1.2 ± Nada poderá ser adicionado aos combustíveis disponibilizados. Essa proibição inclui oxido nitroso ou outro agente oxidante qualquer. Nota 1: Fica advertido às equipes que o combustível fornecido nos Estados Unidos esta sujeito a variações de regulamentos federais e estaduais e pode conter até dez por cento (10%) de etanol. A exata composição química e características físicas do combustível oferecido podem não ser conhecidas antes da competição. Nota 2: Espera-se que os combustíveis fornecidos na competição da Formula SAE Michigan sejam gasolina 93 e 100 octanas [( R+M)/2] e E-85. Pode sofrer
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Devem possuir fixação que, em caso de ru ptura, o reservatório ainda terá fixação parcial. 9
alterações. Consulte os website das respectivas competições para tipo de combustível e outras informações. B9.2.1 ± Aditivos de combustível (PR OIBIDOS) - Nenhum agente fora combustível (gasolina ou Etanol) e ar podem ser introduzidos na câmara de combustão. O desrespeito a essa regra implicará. em desqualificação. B9.2.2 ± A comissão tem o direito de verificar o óleo B9.3 ± A mudança da temperatura do combustível introduzido no sistema de combustível não pode ser alterado com o propósito de melhorar a economia do combustível a ser calculado. B9.4 ± Tanque de Combustível - O tanque de combustível é definido como a parte que está em contato e armazena combustível. Ele pode ser feito de material rígido ou flexível. B9.4.2 ± Tanques de combustível feitos de material rígido não podem ser utilizados para suportar carregamentos estruturais, e.g. dos ³roll hoops´, suspensão, motor ou caixa de transmissão e devem estar firmemente fixados a estrutura do veiculo com suportes que permitam alguma flexibilidade afim de que a torção do chassis não venha a aplicar um carregamento não intencional no tanque. B9.4.3 ± Qualquer tanque de combustível que seja feito de material flexível, por exemplo uma célula de combustível do tipo ³bexiga´ ou bolsa, deve ser encapsulado em uma célula de combustível rígida que deve ser firmemente fixado a estrutura do veiculo. A célula de combustível rígida (contendo uma célula do tipo bolsa ou ³bexiga´) está permitida para sofrer carregamentos. B9.4.4 ± Qualquer tamanho de tanque de combustível poderá ser utilizado. B9.4.5 ± O sistema de combustível deve prover uma abertura para o esvaziamento do tanque caso necessário. B9.5 ± Posicionamento do Sistema de Combustível ± Todas as partes do sistema de armazenamento e fornecimento/circulação devem situar-se dentro da superfície definida pelo topo do ³roll bar´ e extremidade de fora dos quatro pneus (veja figura 13). B9.5.2 ± Todos os tanques de combustível devem ser protegidos contra impactos laterais e traseiro. Qualquer tanque que estiver localizado fora da Estrutura de Impacto Lateral requerida em B.3.24 ou B.3.31 devem ser protegidos por estrutura conforme B.3.2 ou B.3.31. B9.5.3 ± Uma parede porta-fogo deve ser incorporada para separar o tanque de combustível e o piloto conforme regra B.4.5. B9.6 Boca de abastecimento e Tubo de verificação B9.6.1 ± Todos os tanques de combustível devem ter um tubo de abastecimento : com diâmetro mínimo de 38mm (1.5´); com comprimento vertical mínimo de 125mm (4.9´); com ângulo de no máximo quarenta e cinco graus (45 °) com a vertical. B9.6.2 ± Os 125mm de comprimento vertical devem ser acima do ponto superior do tanque e deve acompanhar um tubo transparente resistente ao combustível para verificar o nível de combustível.
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B9.6.3 ± O tubo de verificação deve ter no mínimo 75mm (3´) de comprimento vertical e diâmetro interno de no mínimo 6mm (0.25´). B9.6.4 ± O tubo de verificação não deve estar abaixo da superfície superior do tanque de combustível. B9.6.5 ± Um tubo de abastecimento transparente pode ser utilizado como tubo de verificação, sujeito a aprovação do comitê e dos inspetores técnicos no evento. B9.6.6 ± Uma linha de nível permanente e não móvel deve estar localizada entre 12.7mm e 25.4mm (0.5´ e 1´) abaixo do ponto superior do tubo de verificação. Esta linha será usada como limite de abastecimento para o ³Tilt Test´ ( R egra B.9.9) e antes e depois do Enduro para medir o consumo de combustível da prova. B9.6.7 ± O tubo de verificação e linha de nível de combustível devem ser claramente identificados por quem estiver abastecendo o tanque. B9.7 ± Enchimento do tanque B9.7.1 ± O tanque de combustível deve ser capaz de ser enchido ao máximo sem que o tanque ou o veiculo tenha que ser manipulado da maneira que for. Durante o abastecimento ou reabastecimento o veiculo só pode ser tocado pela ³equipe de combustível´ e comissários. O tanque será abastecido até a linha do nível máximo ou, se estiver sendo utilizado um sistema automatizado, até o estabelecido por este. Se por algum motivo o nível de combustível mudar após a equipe mover o veiculo, não será adicionado combustível novamente. B9.7.2 ± O sistema de combustível deve ser projetado de forma que derramamentos durante o abastecimento não podem tocar o piloto, o sistema de exaustão, partes quentes do motor e o sistema de ignição. B9.7.3 ± O assoalho do veiculo deve possui saídas para prevenir o acumulo de combustível. 6
REFE RÊNCIAS BIBLIOGRÁ FICAS
http://www.bosch.com.br/br/autopecas/produtos/diesel/bicos_injetores.htm http://www.joseclaudio.eng.br/grupos_geradores_3.html http://www.familycar.com/classroom/fuel.htm http://www.fram.com.br/pdf/pesada/modulo10.pdf http://www.meiofiltrante.com.br/noticia_Coopera%C3%A7%C3%A3o_Noruega/notici a_Coopera%C3%A7%C3%A3o%20Noruega/noticia_CENA/noticia_Filtro%20de%20c ombust%C3%ADvel-7916.htm
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