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Área Automotiva

MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Mecânica e Sistema de Controle

Motores de Combustão Interna

Área Tecnológica de Processos de Fabricação

MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA

SALVADOR 2007 Copyright © 2007 por SENAI CIMATEC. CIM ATEC. Todos os direitos reservados.

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Área Automotiva Elaboração: Júlio César Chaves Câmara, Eng. Revisão Técnica: Revisão Pedagógica: Normalização:

Catalogação na fonte (Núcleo de de Informação Informação Tecnológica – NIT) NIT) ________________________________________________________ SENAI CIMATEC – Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia.

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SENAI CIMATEC Av. Orlando Gomes, 1845 - Piatã Salvador – Bahia – Brasil CEP 41650-010 Tel.: (71) 462-9500 Fax. (71) 462-9599 http://www.cimatec.fieb.org.br

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MENSAGEM DO SENAI CIMATEC

O SENAI CIMATEC visa desenvolver um programa avançado de suporte tecnológico para suprir as necessidades de formação de recursos humanos qualificados, prestação de serviços especializados e promoção de pesquisa aplicada nas tecnologias computacionais integradas da manufatura. Com uma moderna estrutura laboratorial e um corpo técnico especializado, o CIMATEC desenvolve programas de intercâmbio tecnológico com instituições de ensino e pesquisa, locais e internacionais. Tudo isso sem desviar a atenção das necessidades da comunidade, atendendo suas expectativas de formação profissional, suporte tecnológico e desenvolvimento, contribuindo para uma constante atualização da indústria baiana de manufatura e para a alavancagem do potencial das empresas existentes ou emergentes no estado.

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Índice

Índice................................................................................................................................... 5 1 – Introdução ao Motor de combustão ...............................................................................8 1.1 - Pequeno histórico do motor térmico.........................................................................8 1.2 - Motores de combustão externa................................................................................9 1.2.1 Funcionamento....................................................................................................9 1.3 - Motores de combustão interna...............................................................................10 1.3.1 - Motores Ciclo Otto 4 tempos ........................................................................... 10 1.3.2 - Motores dois tempos .......................................................................................11 1.3.2.1 – Funcionamento dos motores 2 tempos (Fig. 1.3) ........................................ 11 1.3.3 - Motores de ignição por compressão - ciclo Diesel .......................................... 12 1.4 - Motores rotativos - Wankel .................................................................................... 13 1.5 - Número e disposição dos cilindros.........................................................................15 2 - Conceitos básicos de um motor de combustão interna ................................................ 19 2.1 - Torque.................................................................................................................... 19 2.2 - Potência ................................................................................................................. 19 2.3 - Curvas de potência e torque .................................................................................. 20 2.4 - Cilindrada............................................................................................................... 20 2.5 - Potência específica................................................................................................ 21 2.6 - Taxa de compressão..............................................................................................21 2.7 - Eficiência volumétrica ............................................................................................ 21 2.8 - Rendimento de um motor.......................................................................................22 2.9 - Relação ar combustível..........................................................................................22 2.10 - Processo de combustão em um motor.................................................................24 2.10.1 - Gases não poluentes.....................................................................................24 2.10.2 - Gases poluentes............................................................................................25 2.10.3 - Combustão anormal..........................................................................................25 2.10.3.1 - Detonação ..................................................................................................25 2.10.3.2 - Pré-ignição ................................................................................................. 26 2.11 - Ciclos térmicos..................................................................................................... 26 2.12 - Perdas decorrentes do funcionamento do motor ................................................. 26 2.12.1 - Perda de calor para o líquido de arrefecimento.............................................26 2.12.3 - Perda de energia pela fricção........................................................................27 2.12.3.1 – Fricção nos pistões e anéis de segmento..................................................28 2.12.3.2 – Fricção nos mancais do virabrequim e pinos dos pistões.......................... 28 2.12.3.3 - Fricção do sistema de acionamento de válvulas ........................................ 29 2.12.4 - Perda de calor ............................................................................................... 29 2.12.5 - Demora na queima........................................................................................29 2.12.6 - Combustão incompleta..................................................................................30 2.12.7 - Perdas por bombeamento e por contrapressão no escapamento................. 30 2.12.8 - Perdas por vazamentos.................................................................................30 3 - Combustíveis...............................................................................................................31 3.1 - Octanagem ............................................................................................................ 31 3.1.1 - Motores para avaliação da octanagem............................................................31 3.1.2 - Aditivos antidetonantes ................................................................................... 32 3.1.3 - Índice de Cetano ............................................................................................. 32 3.2 - Gasolina................................................................................................................. 33 3.3 - Álcool ..................................................................................................................... 34 3.4 - Diesel ..................................................................................................................... 36

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3.5 - Gás natural Veicular – GNV................................................................................... 37 4 - Componentes do motor de combustão interna.............................................................40 4.1 - Bloco do motor....................................................................................................... 40 4.2 – Cárter .................................................................................................................... 45 4.3 – Cabeçote............................................................................................................... 45 5 - Lubrificação .................................................................................................................. 46 5.1 - Atrito....................................................................................................................... 46 5.2 - Funções do lubrificante.......................................................................................... 46 5.3 - Principais características do lubrificante ................................................................ 48 5.3.1 - Viscosidade .....................................................................................................48 5.3.2 - Classificação API.............................................................................................49 5.3.3 - Lubrificantes para motores 2 tempos .............................................................. 49 5.4 - Contaminação do lubrificante.................................................................................50 5.5 - Sistema de lubrificação de um motor de combustão interna.................................. 50 5.5.1 - Lubrificação por pressão ................................................................................. 51 5.5.2 - Lubrificação por salpico...................................................................................51 5.5.3 - Lubrificação por projeção ................................................................................ 52 5.5.4 - Lubrificação por mistura - motores dois tempos..............................................52 5.5.5 - Cárter seco...................................................................................................... 52 5.6 – Aspectos da utilização e troca do lubrificante .......................................................53 6 - Sistema de Arrefecimento ............................................................................................ 57 6.1 - Motores refrigerados a ar.......................................................................................57 6.2 - Refrigeração líquida............................................................................................... 59 7 – Sistema de Distribuição ............................................................................................... 63 7.1 - Válvulas ................................................................................................................. 63 7.2 - Tuchos ................................................................................................................... 65 7.3 - Influência dos momentos de abertura e fechamento das válvulas......................... 67 7.4 - Gráfico da distribuição – diagrama de válvulas......................................................68 7.5 - Distribuição variável............................................................................................... 68 7.5.1 - Comandos de válvulas variáveis ..................................................................... 68 8 - Sistema de admissão ...................................................................................................72 8.1 - Filtro de ar..............................................................................................................72 8.2 - Ressonadores........................................................................................................ 73 8.3 - Corpo de Borboleta................................................................................................ 74 8.4 - Coletor de admissão .............................................................................................. 75 8.4.1 - Admissão com geometria variável...................................................................76 9 - Sistema de escapamento ............................................................................................. 78 9.1 - Componentes do sistema de Escapamento...........................................................78 9.2 - Como funcionam os Silenciosos ....................................................................... 80 9.3 - Escapamento variável............................................................................................80 9.4 – Freio motor por obstrução no escapamento..........................................................81 10 - Motores sobrealimentados .........................................................................................82 10.1 - Turbo compressores ............................................................................................ 82 10.2 - Controle da sobrepressão....................................................................................83 10.3 - Controle eletrônico da sobrealimentação.............................................................83 10.3.1 - Controle da pressão de sobrealimentação....................................................84 10.3.2 - Controle da rotação do turbo na desaceleração – válvula de prioridade....... 84 10.4 - Compressores acionados pelo motor - Supercharger..........................................85 10.5 - Resfriamento do ar de sobrealimentação – intercooler ........................................86

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10.6 - Injeção de Óxido nitroso ...................................................................................... 87 11 - Sistema de Alimentação ............................................................................................. 88 11.1 - Carburação .......................................................................................................... 88 11.1.1 - Carburador convencional...............................................................................88 11.1.2 - Carburador eletrônico....................................................................................94 11.2 – Injeção Diesel...................................................................................................... 95 11.2.1 - Injeção mecânica de combustível..................................................................95 11.2.2 - Sistema de injeção de combustível de pressão modulada (common rail ) .....97 11.2.3 – Precauções com motores a Diesel...................................................................98 11.3 - Controle eletrônico em motor de ignição por centelha.........................................99 11.3.1 - Objetivos do controle eletrônico do motor .....................................................99 11.3.2 - Constituição do sistema ................................................................................ 99 11.3.3 - Quantidade de bicos injetores ....................................................................... 99 11.3.4 - Estratégias de Funcionamento do Sistema ................................................. 100 11.3.5 - Composição do Sistema..............................................................................106 11.3.5.1 - Sistema de alimentação de Combustível.................................................. 106 11.3.5.3 - Outros sensores .......................................................................................116 11.3.6 - Fasagem da Injeção / Ignição......................................................................117 11.3.7 - Circuito Eletroeletrônico ..............................................................................121 11.3.8 - Sistema de Ignição...................................................................................... 124 12 – Controle da detonação.............................................................................................136 13 - Controle de emissões............................................................................................... 137 13.1 - Sensor de Oxigênio dos Gases de Escape ( Sonda Lambda )..........................137 13.2 - Recirculação dos gases do cárter......................................................................139 13.3 - Conversor Catalítico (Catalisador) ..................................................................... 140 13.4 - Controle de emissões evaporativas ................................................................... 141 13.5 - Recirculação de gases do escapamento ........................................................... 144 13.6 - Injeção secundária de ar....................................................................................146

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1 – Introdução ao Motor de combustão

O motor de combustão interna é um conjunto de componentes que se combinam entre si, com a finalidade de transformar a energia calorífica da combustão da mistura de ar e combustível, em energia mecânica capaz de efetuar trabalho. O combustível misturado com o ar inflama dentro da câmara de combustão que fica no cabeçote, movimentando os êmbolos dentro dos cilindros no bloco do motor. O movimento gerado nos êmbolos é o que proporcionará a força para acionar as rodas e movimentar o veículo. A combustão é o processo químico da ignição de uma mistura de ar e combustível. Para aplicações automotivas, existem dois tipos básicos de motor de combustão interna: um opera pelo ciclo Otto e outro pelo ciclo Diesel. Umas das diferenças entre os dois ciclos é que no Otto o combustível é misturado com o ar antes de ser admitido pelo cilindro, já no ciclo Diesel a mistura é feita dentro do cilindro. O trabalho gerado pelo motor é utilizado não só para mover o carro, como também para acionar diversos acessórios, como ar condicionado, sistema elétrico, direção hidráulica, além de sistemas vitais ao próprio funcionamento do motor, como o sistema de arrefecimento, lubrificação e alimentação.

Pequeno histórico do motor térmico • •

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1680 – O físico e astrônomo Holandês Huygens propôs o motor movido à pólvora; 1688 – Papin, físico e inventor francês, desenvolve motor à pólvora na Royal Society de Londres. O motor utilizava o efeito da expansão do ar e o vácuo no resfriamento, conhecido como princípio atmosférico, para movimentar um pistão; 1712 – O ferreiro e mecânico inglês Newcomen desenvolve o primeiro motor atmosférico a vapor, utilizando-se da expansão e vácuo do ar e vapor. Após o invento, passaram-se quase dois séculos de profundos aperfeiçoamentos e aplicações para o motor a vapor, percussor da revolução industrial; 1860 – O engenheiro Belga Lenoir desenvolve um motor que, utilizando gás, realiza duas explosões por rotação, sendo uma em cada lado do pistão; 1866 – Os alemães Otto e Langen desenvolvem o motor de pistão livre com consumo 50% menor que o desenvolvido por Lenoir; 1859 – O coronel Drake no dia 25 de agosto perfura nos Estados Unidos o primeiro poço de petróleo para produção em larga escala, dando início à produção de combustíveis líquidos, bem mais fáceis de armazenar e transportar; 1861 – O francês Beau de Rochas desenvolve o princípio dos 4 tempos de funcionamento de um motor (admissão, compressão, expansão e escapamento), e conclui em estudos que a compressão antes da ignição é necessária para máxima expansão. Prevendo o que iria acontecer no futuro, afirmava que a ignição poderia ser obtida através da compressão da mistura ar combustível; 1876 – Otto desenvolve um novo motor, dessa vez bastante silencioso, três vezes mais eficiente funcionando em 4 tempos; 1877 – é patenteado o motor 2 tempos; 1879 – é desenvolvido o primeiro protótipo de um motor 2 tempos; 1884 – o alemão Daimler patenteia um motor de alta rotação para a época (500 a 1.000 rpm); 1889 – Daimler desenvolve um motor de elevado rendimento e rotação com 2 cilindros dispostos em V; 1890 – O inglês Akroyd Stuart patenteia o motor de ignição por compressão;

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1890 – O alemão Rudolf Diesel idealizou que a mistura queimaria espontaneamente na Câmara de combustão ocupada pelo ar após a fase de compressão; 1892 – é produzido o primeiro motor por ignição a compressão. Possuía uma taxa • de compressão de 3:1 o que era insuficiente para inflamar a mistura. Um pré câmara aquecida era utilizada para queimar o combustível que era vaporizado pouco antes da fase final de compressão. Esse motor introduziu a tecnologia da injeção de combustível na câmara de combustão com o motor aspirando somente ar na admissão. A eficiência desse motor era semelhante ao de Otto – cerca de 15%; 1892 – Diesel patenteia a sua idéia; • 1893 – o primeiro motor Diesel é fabricado com uma eficiência de 26% 1. • Desde então, os motores de combustão interna têm passado por aperfeiçoamentos contínuos de forma a torná-los mais eficientes, duráveis, econômicos, potentes e leves. Uma preocupação também constante é com a redução nas emissões de gases poluentes, atendendo às, cada vez mais rigorosas, normas ambientais. •

1.2 - Motores de combustão externa

Os motores de combustão externa são aqueles onde a queima de combustível ocorre fora do motor. O motor a vapor é um exemplo típico. Nesse caso, a queima do combustível ocorre externamente para o aquecimento da caldeira, que produz o vapor que movimenta os pistões do motor. Uma locomotiva a vapor, por exemplo, consiste das seguintes partes principais: Caldeira – responsável por gerar a energia (vapor); • Máquinas – são os mecanismos que utilizam a energia proveniente do vapor para • transformá-la em movimento mecânico; Tênder – é a parte da locomotiva onde estão armazenados o combustível e a água, • elementos necessários para gerar e transferir energia. 1.2.1 Funcionamento O motor de combustão externa de uma locomotiva a vapor pode ser visualizado na Fig. 1.1. Esse tipo de locomotiva movimentou o sistema de transporte por décadas, sendo que alguns exemplares ainda estão em funcionamento até hoje, inclusive no Brasil. O Combustível e água do tênder são transferidos para a fornalha e a caldeira, respectivamente. O combustível é queimado na fornalha, sendo os gases quentes arrastados através dos tubos da caldeira para dentro da Caixa de Fumaça, de onde serão finalmente expelidos para cima, através da chaminé. Ao passar pelos tubos, o calor dos gases é transferido para a água dentro da Caldeira, convertendo uma parte desta em vapor que, sendo acumulado no Domo de Vapor, gera pressão e é transferido, quando solicitado — através de uma válvula controladora (ou regulador de pressão) e de um tubo — para as válvulas direcionais, e daí para os cilindros.

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Informação extraída do Deutsches Museum

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Fig. 1.1 - Esquema de funcionamento da locomotiva a vapor O motor a vapor chegou a ser testado e utilizado em diversos veículos: locomotivas, automóveis, navios e até motocicletas. O peso e volume do conjunto inviabilizaram a sua utilização em veículos de pequeno porte, tendo ficado restrito a utilizações industriais, navais e ferroviárias. O porte dos automóveis exigia um motor mais compacto, com combustível de fácil armazenamento e com maior autonomia. O advento da exploração do petróleo propiciou o surgimento de motores mais modernos, potentes, compactos e econômicos.

1.3 - Motores de combustão interna

Quando a queima do combustível ocorre no interior do motor, denomina-se motor de combustão interna. Em termos simples, o motor de combustão interna é composto por um cilindro fechado na sua parte superior pelo cabeçote e na parte inferior pelo cárter. Dentro desse cilindro movimenta-se o pistão, ligado pela biela ao virabrequim, também denominado árvore de manivelas. O formato peculiar desse componente transforma em movimento rotativo o movimento linear do pistão no cilindro. 1.3.1 - Motores Ciclo Otto 4 tempos O motor ciclo Otto é o exemplo mais comum, equipando os automóveis movidos a gasolina, álcool e gás natural. Uma mistura formada por ar e combustível é aspirada ao interior do cilindro onde, com a sua queima, é realizado o trabalho que movimenta o motor. Um motor ciclo Otto pode operar em dois ou quatro tempos, que são denominadas as etapas de funcionamento. O motor de quatro tempos é o mais comum em automóveis, garantindo uma menor emissão de gases poluentes com maior economia de combustível. Nesse tipo de motor, o virabrequim executa duas voltas para que um cilindro realize os 4 tempos, portanto ocorre uma explosão por cilindros a cada duas voltas. O seu funcionamento é o seguinte: Admissão - A válvula de admissão se abre enquanto o pistão desce rumo ao ponto mais baixo do seu percurso, denominado PMI - ponto morto inferior. A descida do pistão gera uma depressão que aspira a mistura formada pelo ar e combustível, que foi previamente preparada pelo sistema de alimentação.

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Compressão – Com as válvulas fechadas, o pistão sobe em direção à sua altura máxima, denominada PMS – ponto morto superior. Durante esse percurso, a mistura ar + combustível é comprimida.

Combustão – Pouco antes do PMS, uma centelha elétrica proveniente da vela de ignição inflama a mistura. A expansão dos gases aumenta abruptamente a pressão no interior do cilindro, impulsionando o pistão para o PMI. Escapamento – Após a combustão e pouco antes do pistão atingir o PMI, a válvula de escapamento começa a abrir favorecendo o início da exaustão dos gases queimados. Quando o pistão inicia a nova subida, em direção ao PMS, expulsa os gases da câmara de combustão, forçando a sua saída através do coletor de escapamento. Após o tempo de escapamento, uma nova admissão se inicia, em um ciclo que permanece enquanto o motor estiver funcionando. 1.3.2 - Motores dois tempos São motores onde ocorre uma explosão a cada rotação do virabrequim. A simplicidade na construção torna-o especialmente interessante para motocicletas, motobombas, pequenas embarcações etc. Apesar de possuir uma potência mais elevada que um similar quatro tempos, o motor dois tempos admite ar com dificuldade devido ao tempo reduzido, além de emitir uma quantidade de poluentes significativamente maior, o que, aliado às restrições da legislação ambiental, tem feito com que os fabricantes gradualmente substituam esses motores por unidades quatro tempos. 1.3.2.1 – Funcionamento dos motores 2 tempos (Fig. 1.3) 1º Tempo - Aspiração e compressão • O pistão ao deslocar-se do PMI ao PMS, após cobrir a janela de descarga, começa a comprimir a mistura ar-combustível na parte superior do cilindro. Simultaneamente cria-se no cárter uma depressão, que aspira a mistura através da janela de admissão. Um pouco antes do pistão chegar ao PMS, uma centelha elétrica é gerada na vela de ignição, dando início a combustão da mistura comprimida. 2º Tempo - Combustão e descarga • Quando a mistura comprimida entra em combustão, o pistão é empurrado para o PMI. Durante este deslocamento, o pistão descobre inicialmente a janela de descarga expulsando parcialmente os gases da combustão. Quando descobre a janela auxiliar de admissão, a mistura que se encontra dentro do cárter flui para a parte superior do cilindro, expulsando o resto dos gases queimados, enchendo-o com uma mistura nova.

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Fig. 1.3 – Funcionamento de um Motor 2 tempos 1 1.3.3 - Motores de ignição por compressão - ciclo Diesel Os motores a Diesel comprimem apenas ar. O combustível – óleo diesel – é injetado próximo ao final da fase de compressão e queima em virtude das altas temperaturas atingidas pelo ar comprimido. Mesmo considerando que o poder calórico do Diesel é ligeiramente menor que o da gasolina (cerca de 4% menor), a eficiência do motor de ignição por compressão é superior, devido aos seguintes fatores: A taxa de compressão é mais alta – nos motores Diesel a mistura formada é • comprimida significativamente mais que em um motor de ignição por centelha. Conforme se pode verificar, através dos ciclos termodinâmicos, a eficiência de um motor aumenta com o incremento na taxa de compressão; Durante a fase inicial da compressão, somente o ar está presente; • A mistura ar combustível permanece pobre durante o funcionamento do motor (fora • da razão estequiométrica). Para o funcionamento do motor Diesel, é necessário um sistema de alimentação sob pressão. Não raro a pressão de injeção supera 200 Kgf/cm 2, necessária para a correta formação da mistura com a enorme pressão interna da compressão. O sistema geralmente é composto por uma bomba injetora e bicos injetores, podendo ser controlado eletronicamente ou puramente mecânico. 1.3.3.1 - Funcionamento do motor de ignição por compressão (Fig. 1.4) Admissão - A válvula de admissão se abre enquanto o pistão desce rumo ao PMI • ponto morto inferior. A descida do pistão gera uma depressão que aspira ar. Compressão – Com as válvulas fechadas, o pistão sobe em direção ao PMS – • ponto morto superior. Durante esse percurso, o ar é comprimido. 1

Ilustração extraída do livro O Motor e seus Acessórios – H. M. Chollet

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Motores de Combustão Interna •

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Combustão – Ainda durante a compressão, pouco antes do PMS, combustível sob alta pressão é injetado no interior do cilindro. Ao encontrar o ar em alta temperatura devido à elevação rápida da pressão, o combustível se inflama. A expansão dos gases aumenta abruptamente a pressão no interior do cilindro, impulsionando o pistão para o PMI. Escapamento – Após a combustão e pouco antes do pistão atingir o PMI, a válvula de escapamento começa a abrir favorecendo o início da exaustão dos gases queimados. Quando o pistão inicia a nova subida, em direção ao PMS, expulsa os gases da câmara de combustão, forçando a sua saída através do coletor de escapamento.

Fig. 1.4 - Ciclo Diesel

1.4 - Motores rotativos - Wankel

O motor Wankel é um motor que possui pistões triangulares, de lados curvilíneos, que giram em cavidades trocoidais – Fig. 1.5. Ele funciona segundo os quatro tempos tradicionais do ciclo Otto. A compressão é determinada devido à geometria das superfícies curvas e do pistão rotativo. Utilizado no esportivo japonês RX-7 da Mazda, as vantagens do motor Wankel são: Simplicidade, devido a ausência de válvulas e mecanismos; • Reduzido tamanho e peso; • Baixa vibração; •

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Elevada potência específica a altos regimes (Cv / litro) – uma nova unidade de apenas 1,3 litro entrega 250 CV. As principais desvantagens ficam por conta da complexa vedação entre o cilindro e as paredes da cavidade e complexidade na lubrificação e refrigeração. Para complementar a lubrificação, uma pequena quantidade de óleo é queimada, o que, eleva as emissões de poluentes, necessitando controle mais rigoroso na alimentação e no trato dos gases de escape. O Mazda RX-8 equipado com a última geração do motor Wankel, denominada de Renesis, possui melhoramentos que reduziram o consumo de óleo e combustível, além de prover 250 CV. •

Fig. 1.5 - Rotor do motor Wankel 1.4.1 – Funcionamento (Fig. 1.6) Durante o funcionamento do Wankel, cada uma das três faces do pistão estará efetuando uma fase distinta Admissão – o rotor abre a janela de admissão. O seu movimento provoca a • aspiração da mistura ar-combustível. Para que ocorra um maior enchimento da cavidade (melhor eficiência volumétrica), alguns motores Wankel são super carregados, ou seja, possuem compressor ou turbo para forçar a entrada da mistura durante a admissão; Compressão – na região em que a compressão é máxima ocorre o tempo de • compressão, devido a alterações geométricas provocadas pela parede toroidal; Combustão – pouco depois, a mistura comprimida passa pela vela de ignição, onde • uma centelha é gerada, inflamando a mistura. Em alguns motores são utilizadas duas velas para assegurar uma perfeita queima da mistura; Escapamento – um dos vértices do pistão descobre a janela de escapamento, • fazendo com que os gases queimados sejam expulsos.

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Fig. 1.6 - Esquema de funcionamento do Wankel

1.5 - Número e disposição dos cilindros

Um motor de automóvel para que consiga atingir potências mais altas, seja silencioso e vibre pouco, necessita de mais de um cilindro. Um motor de vários cilindros assegura um torque mais regular, retomadas mais eficientes e uma marcha mais silenciosa. Essas características são importantes para o projeto de um automóvel. Normalmente, os motores possuem quatro ou mais cilindros, que podem ser agrupados de diversas formas, a depender do espaço disponível para instalação e tipo do veículo. Dependendo da marca e do tipo de veículo, o motor é instalado longitudinal ou transversalmente, na parte dianteira, traseira ou central da carroçaria do veículo. O número de cilindros, sua disposição e tipo de ciclo permitem identificar o tipo de motor. De acordo com esses critérios pode-se assim classificar os motores: Quanto ao ciclo e número de tempos: Motores ciclo Otto – que podem possuir dois ou quatro tempos; • Motores ciclo Diesel – que também podem possuir dois ou quatro tempos. • Quanto ao número e configuração de cilindros Cilindros em linha: nessa configuração os cilindros são dispostos lado a lado em • linha. De manutenção e construção simples, os motores com quatro cilindros em linha são os mais comuns, ocorrendo duas explosões a cada volta do virabrequim, nos modelos quatro tempos. Existem também configurações em linha de 3,5, 6 e mais cilindros;

Fig. 1.7 – Exemplo de motor 4 cilindros (Honda VTEC)

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Cilindros em V: são mais compactos, exigindo menor espaço para instalação. Possuem os cilindros dispostos em dois grupos que formam um ângulo de geralmente 60º. Os mais comuns são os V6 e V8, com seis e oito cilindros, respectivamente – Fig. 1.8;

Fig. 1.8 – Exemplo de Motor em V (Ferrari V12) •

Cilindros opostos: Existem dois grupos de cilindros dispostos em ambos os lados do virabrequim. São largos, propiciando uma boa refrigeração dos cilindros, primordial para motores com refrigeração a ar, mas ao mesmo tempo achatados, o que possibilita a sua instalação na parte inferior do veículo. Os motores com cilindros opostos também são denominados motores Boxer ou Flat – Fig. 1.9;

Fig. 1.9 – Exemplo de Motor boxer (Subaru Flat 4 Turbo)

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Cilindros dispostos radialmente – nesse caso os cilindros estão situados ao redor, formando um círculo – Fig. 1.10. É uma configuração comum em aviões de pequeno porte e antigos que utilizam motores de combustão interna. Para aviões de maior porte e velocidade, são utilizados motores a reação, por garantirem maiores rendimento, durabilidade e confiabilidade;

Fig. 1.10 – Exemplo de motor radial em aplicação aeronáutica de 14 cilindros Configurações especiais – existem outras configurações menos usuais, como motores em W e em L, sendo utilizadas por alguns fabricantes – Figs. 1.11 e 1.12.

Fig. 1.11 – Exemplo de motor em L (Motocicleta Ducati) 17


Fig. 1.12 – Exemplo de motor em W (Volkswagen W12)

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2 - Conceitos básicos de um motor de combustão interna 2.1 - Torque

O torque de um motor de combustão interna, que varia conforme sua curva de torque, é o resultado do produto da força atuante sobre o pistão pelo raio projetado do virabrequim. O torque geralmente é expresso em m.kgf e é indicado juntamente com a rotação em que foi medido. O torque máximo de um motor, que ocorre a determinada rotação, é inferior ao torque que ocorre em sua rotação máxima. Para um automóvel, a rotação de torque máximo é importante de ser conhecida para identificação dos momentos ideais de mudança de marcha, aproveitando o torque máximo do motor, com melhor rendimento e economia de combustível. Para verificar o torque em cada situação de rotação, é necessário consultar a curva de torque do motor.

2.2 - Potência

Um motor converte a energia química do combustível em trabalho. A potência é o trabalho desenvolvido pelo motor, em uma determinada unidade de tempo. A potência de um motor é usualmente expressa em Watts ou em CV (cavalo Vapor), onde 1 CV ≈ 736 Watts. De posse do torque e em que rotação ocorre, é possível determinar a potência desprendida pelo motor naquele instante, bastando multiplicar o torque pelo RPM. A potência de um motor em algumas literaturas estrangeiras é expresso em PS - vem do alemão Pferdestärke , e significa Cavalo Vapor, tendo a mesma grandeza do CV. A potência máxima de um motor ocorre a determinada rotação pouco inferior a rotação máxima admitida pelo mesmo. Esses valores são fornecidos pelo fabricante ou aferidos em dinamômetro. Para determinar a potência em outros regimes de giro, basta consultar a curva de potência do motor, ou submetê-lo ao dinamômetro.

Fig. 2.1 – Exemplo de curva de Potência e torque de um motor (VW EA 113 1.6 litro) 1 1

Ilustração de Motores de Combustão Interna – Motores 1.6l e 1.8T – Treinamento Assist. Técnica Volkswagen

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2.3 - Curvas de potência e torque

O gráfico (Fig. 2.1) identifica os diversos regimes de funcionamento de um motor, identificando o torque e potência máximos. As curvas de potência e torque são geradas com o uso de dinamômetros, que submetem o motor aos diversos regimes. No dinamômetro o motor é submetido a cargas e rotações controladas, podendo simular diversas condições de funcionamento. No aparelho são monitorados diversos parâmetros de funcionamento, como temperatura do motor, pressão de óleo lubrificante, consumo de combustível, dentre outros – veja Fig. 2.2.

Fig. 2.2 – Dinamômetro de motor

2.4 - Cilindrada

Representa o somatório dos volumes internos dos cilindros do motor, conforme se vê na Fig. 2.3. Assim, um motor que possui 4 cilindros, onde cada um tem o volume de 250 cm 3, possui a cilindrada de 1.000 cm3, ou 1.0 litro. A cilindrada representa a quantidade de mistura ar combustível que o motor consegue conter em seus cilindros. A cilindrada é expressa em centímetros cúbicos ou, comercialmente, em litros. Geralmente a cilindrada de um motor é aproximada para o número inteiro superior mais próximo para simplificação.

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Fig. 2.3 – Cálculo da cilindrada de um motor 1

2.5 - Potência específica

É um valor de referência para comparação entre a eficiência de motores. É encontrado dividindo-se a potência máxima do motor (em CV) pela cilindrada em litros.

2.6 - Taxa de compressão

Especifica quantas vezes a mistura é comprimida durante a fase de compressão. A taxa de compressão é calculada em função da relação entre o volume total (câmara de combustão + volume deslocado pelo pistão) e volume da câmara. O rendimento de um motor é proporcional à sua taxa de compressão, porém esta é limitada à capacidade do combustível resistir à compressão, medida pela octanagem. As taxas variam conforme o combustível utilizado. Motores à gasolina - entre 9:1 e 11:1; • Motores à álcool e gás natural veicular (GNV) - cerca de 12:1; • Motores a Diesel em torno de 20:1. • Os motores equipados com compressor ou turbo possuem a taxa de compressão menor devido ao maior enchimento dos cilindros provocada por esses dispositivos. Nesse caso a taxa é reduzida para evitar problemas de detonação causados por excesso de compressão da mistura. Para determinar a taxa de compressão de um motor, faz-se a seguinte divisão:

2.7 - Eficiência volumétrica

Quanto maior a quantidade de ar admitido, maior é a potência que pode ser fornecida por um mesmo motor na mesma rotação. A relação entre o ar admitido e o volume deslocado pelos pistões é indicado como a eficiência volumétrica de um motor (ην %) – Fig. 2.4.

1

Ilustração extraída de Motores MWM Brasil – Aperfeiçoamento Profissional Motores Diesel

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Fig. 2.4 – Parâmetros envolvidos no cálculo do eficiência volumétrica

Onde, Q – Quantidade de ar admitido em litros por minuto; N – Rotação do motor em rpm; Vh – Volume deslocado em cm3; Z – número de cilindros. O fator 0,5 deve-se ao fato de que, em um motor 4 tempos, o ar é admitido apenas uma vez em cada rotação do virabrequim.

2.8 - Rendimento de um motor

É a relação entre a potência mecânica fornecida pelo motor no eixo virabrequim e a que lhe é disponibilizada pelo combustível durante o seu funcionamento. O motor de combustão interna aproveita apenas uma pequena parcela da energia resultante da queima do combustível. Uma unidade a gasolina, por exemplo, tem a seguinte distribuição 1: 35% - calor retirado através dos gases de escapamento; • 32% - Calor dissipado pelo sistema de arrefecimento; • 8% - Atritos internos decorrentes do funcionamento do motor; • 25% - Energia mecânica efetivamente disponível no volante do motor. • O motor Diesel possui um rendimento superior, podendo passar dos 35%. Isso se deve à maior taxa de compressão do mesmo.

2.9 - Relação ar combustível

A mistura admitida por um motor de combustão interna só queimará em uma determinada faixa de relação. Essa relação, denominada relação ar combustível, define a relação de peso entre o ar e o combustível admitido.

Onde, 1

Informação extraída do livro Curso Prático para Mecânico de Automóveis – O Motor, de H. M. Chollet

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Q – quantidade de ar admitida em litros por minuto; - peso específico do ar; b – quantidade de combustível consumido em cm3; t - tempo de consumo de combustível em segundos; r – peso específico do combustível. A relação ar combustível possível de ser queimada em um motor na prática varia de 8:1 a 21:1 (rica e pobre, respectivamente). Peso específico do ar – é uma unidade que expressa o peso do ar por unidade de volume em Kg/m3. O valor varia em função da pressão e temperatura do ar:

Onde, Po – Pressão atmosférica em mmHg; Td – Temperatura da atmosfera em bulbo seco (°C). 2.9.1 - Relação ar combustível teórica Quando o combustível queima na presença de ar, a quantidade deste pode ser calculada. A relação de peso ar combustível calculada é denominada relação teórica. Supondo que a gasolina é composta unicamente por hexano (C 6H14), a quantidade de ar necessária para queimar 1 Kg de combustível é calculada. O ar é composto por aproximadamente 79% de Nitrogênio (N2) e 21% de oxigênio • (O2); A relação de massa do N2 e O2 no ar é 77% : 23%. • Uma vez que, • •

Massa molecular do N2 é 14 x 2 = 28 Massa molecular do O2 é 16 x 2 = 32

28 = 0,369 28 + 32 32 A massa de O2, por sua vez será 0,21 x = 0,112 28 + 32 Conseqüentemente, 0,369 A relação de massa do N2 no ar é = 0,767 0,369 + 0,112 0,112 A relação de massa do O2 no ar é = 0,233 0,369 + 0,112

A massa de N2 será 0,79 x

Quando ocorre a queima completa do combustível, a reação é a seguinte: C6H14

6x12 + 14x1 = 86

+ 9,5O2

9,5x2x16 = 304

= 6 CO2 + 7 H2O

A quantidade de ar necessária para queimar completamente 1 Kg de combustível é X Kg: 86:304 = 1:X

X = 3,53Kgs

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A relação de masa de Nitrogênio e Oxigênio é 7:23, e a quantidade de nitrogênio necessária é Y Kg. 77:23 = Y:3,53

Y = 11,8 Kgs

Finalmente, a quantidade de ar necessária será igual a : X + Y Kgs = 3,53 + 11,8 = 15,33 (relação teórica) Essa relação também é conhecida como razão estequiométrica, considerando uma queima completa com gasolina pura. No Brasil, o uso de uma mistura de cerca de 22% à gasolina, faz com que a razão estequiométrica fique em 13,8:1.

2.10 - Processo de combustão em um motor

Infelizmente, em um motor de combustão interna não ocorre a queima completa do combustível. Diversos fatores ocasionam a queima incompleta do combustível, dentre eles: Tempo reduzido para a reação entre o combustível e o oxigênio do ar; • A mistura ar combustível não é formada perfeitamente, deixando locais com • excesso de oxigênio e outros com falta, tornando a queima no interior da câmara de combustão heterogênea; O ar admitido contém outros elementos além do oxigênio (Nitrogênio e outros • gases em menor proporção); Variações de carga, rotação, temperatura do ar e do próprio motor provocam • alterações na combustão, com alimentação com misturas fora da razão estequiométrica. Em um funcionamento hipotético de um motor ideal, seria consumida uma mistura ar combustível estequiométrica - que é aquela que mantém a proporção ideal entre os reagentes para a ocorrência de uma queima completa. Se considerada a gasolina pura, ou seja, sem a adição de álcool, são necessários cerca de 15 gramas de ar para cada grama de gasolina a fim de garantir uma queima sem resíduos de ar e hidrocarbonetos não queimados. A gasolina brasileira, por conter cerca de 22% de álcool, possui poder calorífero ligeiramente menor, exigindo 13,28 gramas de ar para queimar completamente 1 grama de gasohol. O álcool hidratado por sua vez tem uma razão estequiométrica de 9:1, devido à presença de oxigênio na composição desse combustível. Em uma combustão completa, os únicos subprodutos resultantes da queima da gasolina são o dióxido de carbono, Água e Nitrogênio. A mistura real proporciona uma queima não ideal, produzindo outros subprodutos, muitos dos quais tóxicos e com emissão restrita pelo PROCONVE – Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores. Enfim, o funcionamento de um motor de combustão interna provoca a emissão de diversos gases. 2.10.1 - Gases não poluentes Pelos gases do escapamento de um veículo sai uma mistura de gases composta por 99% de gases não poluentes, que em sua maioria não trazem problemas à saúde. São eles :

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Motores de Combustão Interna • • •

•

Nitrogênio – parte integrante do ar que respiramos, não participa como fonte de energia na queima – 71% Vapor d’água – compõe cerca de 9% dos gases de escape; Dióxido de carbono (CO2) – compõe cerca de 18% dos gases eliminados. Apesar de não ser considerado poluente, o gás carbônico, como também é chamado, é um dos responsáveis pelo Efeito estufa, contribuindo de forma significativa com a elevação da temperatura global; Oxigênio e gases inertes – cerca de 1% dos gases do escapamento. Corresponde ao oxigênio não utilizado durante a queima e os demais gases que compõe o ar atmosférico em reduzida quantidade.

2.10.2 - Gases poluentes Apesar de comporem apenas 1% dos gases expelidos, são extremamente danosos à saúde e ao meio ambiente, o que os torna indesejados e alvo de restrito controle pelas legislações ambientais ao redor do mundo, são eles : Monóxido de carbono – inodoro e incolor, o CO é extremamente tóxico. Respirá-lo • em uma concentração de 0,3% em volume mata em apenas 30 minutos. O gás se combina aos glóbulos vermelhos do sangue, impedindo o transporte de oxigênio. O CO corresponde à maior parte dos gases nocivos emitidos pelos motores (cerca de 18%); Óxidos de Nitrogênio – o ar, quando submetido a elevadas temperaturas e • pressões, propicia a formação dos óxidos de nitrogênio que, combinados com o vapor d’água na atmosfera, pode formar o ácido nítrico. Esses elementos, além de nocivos à saúde, são fatores responsáveis pela formação de chuva ácida; Hidrocarbonetos – correspondem ao combustível não queimado, ou queimado • parcialmente. Além de formarem fuligem – aquela substância que escurece os tubos de descarga dos carros – são cancerígenos. Partículas sólidas – especialmente vistos em motores Diesel, são uns dos • responsáveis pela fumaça preta desse tipo de veículo. Também causam problemas à saúde; Compostos de enxofre – o enxofre, não totalmente eliminado na produção da • gasolina, pode provocar a formação de compostos que, combinados ao vapor d’água, se transformam em ácidos sendo nocivos à saúde e danificando o escapamento e o catalisador; Aldeídos (CHO) – são voláteis cancerígenos e provocam irritações nas vias • respiratórias. São especialmente gerados através da queima do álcool puro (etanol) ou do álcool anidro presente à gasolina. 2.10.3 - Combustão anormal 2.10.3.1 - Detonação Quando ocorre a centelha da vela, uma frente de chama é formada, elevando rapidamente a pressão no interior da câmara de combustão. A auto-ignição, ou detonação, ocorre quando essa elevação provoca uma nova onda de pressão em algum local, devido ao surgimento de queima da mistura sem a faísca da vela. Esse fenômeno de combustão anormal traz prejuízos à queima devido aos esforços desordenados gerados no interior do cilindro, que podem inclusive gerar ruídos metálicos, denominados batidas de pino.

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Se permanecer durante longos períodos, além da queda no rendimento e ruído, o fenômeno da detonação traz sérios danos ao motor danificando os pistões. A detonação pode ser causada por combustível inadequado, temperatura muito elevada ou sistema de ignição regulado inadequadamente. È possível eliminar ou atenuar a detonação atrasando a ignição. Nesse caso a pressão no interior dos cilindros é ligeiramente menor, o que acaba por impedir a formação de novas frentes de chama. 2.10.3.2 - Pré-ignição Também denominada ignição de superfície, é causada pela presença de um ponto quente no interior da câmara, dando origem a uma frente de chama independente da centelha da vela de ignição. A pré-ignição tem geralmente as origens em impurezas de carvão e válvulas ou velas incorretas. Um motor carbonizado costuma apresentar problemas de pré-ignição na medida em que o carvão depositado na cabeça do pistão, válvulas e sedes de válvulas agem como pontos quentes, dando origem a frentes de chama anteriores à combustão provocada pela vela de ignição.

2.11 - Ciclos térmicos

O ciclo padrão de ar de Otto é um ciclo ideal que se aproxima do motor de combustão interna que funciona segundo esse ciclo. Um motor ideal tem o seu rendimento significativamente diferente de um ciclo ideal, mas de toda sorte, a comparação do ciclo real com um ciclo ideal é interessante na medida em que se pode avaliar a influência de certas variáveis no rendimento. Observa-se que o rendimento do ciclo-padrão Otto é aumentado com o aumento da compressão. Em um motor real de ignição por centelha, o rendimento também é proporcional à relação de compressão. O aumento da taxa de compressão, visando melhora no rendimento, é perseguido pelos fabricantes. Isso é possível através da melhora da qualidade do combustível e o uso de dispositivos de monitoramento eletrônico do fenômeno da detonação, de forma que durante o funcionamento do motor esse fenômeno seja evitado. O rendimento de um motor real, como já dito, se afasta significativamente do rendimento dos ciclos ideais devido aos seguintes fatores: Existe um processo de entrada e saída de gases durante o ciclo real, sendo que • nesses casos existem perdas de carga oriundas das válvulas, além do trabalho necessário para admissão e expulsão dos gases queimados; Existe uma troca de calor considerável entre os gases envolvidos e as paredes do • cilindro e o pistão; A combustão é incompleta e o processo de combustão substitui o processo de • troca de calor à alta temperatura; Existe variação nos calores específicos dos gases com o aumento da temperatura, • bem como existem irreversibilidades associadas ao processo.

2.12 - Perdas decorrentes do funcionamento do motor 2.12.1 - Perda de calor para o líquido de arrefecimento A maior parte da perda do calor gerado pelo combustível provocada pelo sistema de arrefecimento é direcionada à água. Apesar de existir uma pequena perda por radiação pelas paredes do motor, considera-se para efeitos práticos que a perda de calor pelo

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sistema de arrefecimento = perda de calor para a água. A perda por radiação corresponde a menos de 10% do total. Essa perda Qw é medida em Kcal/h: Qw = Gw x cpw (Tw2 – Tw1) Kcal/h Onde, Gw – Vazão da água em Kg/h; Cpw – calor específic es pecíficoo a pressão constante cons tante do líquido líqu ido de arrececimen ar rececimento to em Kcal/Kg Kcal/ Kg · °C; Tw1, Tw2 – temperatura tempera tura da água na entrada e ntrada e na saída sa ída em °C. 2.12.2 - Perda de calor para os gases de escapamento Parte do calor gerada durante a queima do combustível no interior dos cilindros é perdida através dos gases de escape. Essa perda de caloria Qg é medida em Kcal/h: Qg = Gg x cpg (Tg2 - Tg1) Kcal/h Onde, Gg – vazão dos gases de escape em Kg/h; Cpg – calor cal or específico específ ico a pressão pres são constante constan te dos gases gase s de escape em Kcal/Kg Kcal/ Kg · °C; Tg1, Tg2 – temperatura do ar de admissão e dos gases de escapamento. A vazão dos gases de escape pode ser aproximadamente determinada como sendo o somatório da vazão de ar admitido com o volume de combustível consumido. Assim: Gg =

Q

1000

×

60 × γ +

f

1000

Kg/h

Onde, Q – Vazão de ar admitido em litros por minuto; m inuto; F – consumo de combustível em gramas por hora; - peso específico do ar em Kg/m3 A determinação do calor específico dos gases de escapamento é bastante complexa, uma vez que trata-se de uma mistura de diversos gases. Diferentemente do ar o cpg sofre influência não apenas da temperatura, como da pressão. Como referência pode-se o utilizar utiliza r o valor e 0,26 Kcal/Kg Kcal/ Kg · °C como um valor médio. 2.12.3 - Perda de energia pela fricção As perdas por fricção são aquelas devido aos atritos internos do motor e ao acionamento de acessórios, como comando de válvulas, bomba de água do sistema de arrefecimento e bomba de óleo. óleo. Devido à grande dificuldade em se determiná-las de forma individualizada, convencionou-se agrupá-las como perdas por atrito em geral. A determinação dessa perda pode ser através de três métodos distintos: Fazendo com com que o motor seja acionado acionado por um motor externo externo de velocidade velocidade • variável e torque mensurável. Dessa maneira consegue-se determinar diretamente os valores em função de cada regime de rotação; Através de de um método indireto, sendo obtido pelo relação com as outras perdas: perdas: •

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Perda por atrito = Energia fornecida pelo combustível – potência fornecida e demais perdas. Assim: Qf = Qt – (Qb + Qw + Qg) Kcal/h •

Com a utilização de um dinamômetro

A distribuição das perdas por fricção em um motor são mostrados no gráfico da Fig. 3.1.

Fig. 3.1 – Distribuição das perdas por fricção em um motor 2.12.3.1 – Fricção nos pistões e anéis de segmento Representam quase 50% do total das perdas por atrito. Alguns fabricantes utilizam apenas um anel de compressão para reduzir o atrito, conseguindo uma redução de até 20%, especialmente em cilindros de maiores volumes – veja Fig. 3.2.

Fig. 3.2 – Efeito da eliminação do segundo anel de compressão 2.12.3.2 – Fricção nos mancais do virabrequim e pinos dos pistões O atrito aqui é proporcional ao quadrado da rotação do motor. A ação das cargas nos mancais não é tão efetiva à fricção, mas as forças de inércia afetam mais que as forças devido às pressões dos gases em altas rotações. Diminuir a área dos mancais é efetivo na redução da fricção, mas traz problemas de performance com relação à tensão e NVH (ruído, vibração e aspereza).

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2.12.3.3 - Fricção do sistema de acionamento de válvulas Corresponde a cerca de 15% das perdas por fricção quando em baixas rotações – veja Fig. 3.3. Nessas situações, uma vez que o comando gira à metade da velocidade que o eixo virabrequim, é muito difícil formar um filme f ilme de óleo adequado a um atrito reduzido.

Fig. 3.3 – Comparação do torque de fricção em acionamento de válvulas A maior parte da fricção provém dos cames se arrastando nos balancins ao acioná-los. A utilização de balancins roletados contribui para uma redução na fricção, reduzindo as perdas nesse conjunto mecânico, conforme se vê no gráfico da Fig. 3.4.

Fig. 3.4 – Comparação do torque de acionamento de válvulas À medida que a rotação se eleva, a lubrificação passa a ser fluida, o que acarreta uma diminuição nas perdas, sendo o único dispositivo que possui esse comportamento. 2.12.4 - Perda de calor Uma das considerações do ciclo padrão é que a expansão é adiabática. Mas em um motor real, a grande diferença entre a temperatura dos gases de combustão e as partes em contato com a câmara de combustão provoca grande perda de calor. 2.12.5 - Demora na queima Em um ciclo ideal, o calor e a combustão são gerados instantaneamente no ponto morto superior. Em um motor real, no entanto, a propagação da frente de chama oriunda da vela de ignição demora de 40 a 60 graus do virabrequim para se propagar.

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Essa demora faz com que ocorra uma redução substancial na compressão, provocando perda na eficiência, conforme se vê na Fig. 3.5.

Fig. 3.5 – Influência da duração da queima na eficiência 2.12.6 - Combustão incompleta Devido às perdas de carga na admissão, formação imperfeita da mistura e velocidade elevada da queima, não é possível realizar a queima completa do combustível admitido pelo motor. 2.12.7 - Perdas por bombeamento e por contrapressão no escapamento Em um ciclo teórico de volume constante, o calor é retirado instantaneamente no ponto morto inferior. Em um motor real, a válvula de escapamento abre cerca de 60 graus antes do PMI para reduzir a pressão dos gases. A intenção é reduzir a resistência especialmente em altas rotações. A resistência à saída dos gases e a perda de carga provocada no sistema de admissão também não é considerado em um ciclo ideal. A baixa eficiência térmica em condições de baixas cargas dos motores a gasolina deve-se em grande parte à perda por bombeamento provocada pela borboleta do acelerador. 2.12.8 - Perdas por vazamentos À medida que a pressão nos cilindros aumenta, parte dos gases vaza por imperfeições nos cilindros, juntas e anéis de segmento. Essa perda de compressão em motor em bom estado é menor que 1% do ar admitido, daí que as perdas devido a vazamento serem relativamente pequenas.

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3 - Combustíveis

Os motores de combustão interna podem funcionar com variados tipos de combustíveis – líquidos, gasosos e até mesmo sólidos. O tipo de combustível influi não só em vários parâmetros do motor – como eficiência, durabilidade e consumo – como influi em outras especificações do projeto do veículo, em especial no que tange ao armazenamento e sistema de alimentação. A maioria dos motores funciona com combustíveis derivados do petróleo, muito embora o uso de combustíveis alternativos tem crescido. O álcool e os óleos vegetais são alguns exemplos de soluções para substituição do petróleo.

3.1 - Octanagem

Para um máximo aproveitamento da energia do combustível, um motor deve comprimir ao máximo a mistura, obtendo-se o máximo rendimento possível. Essa compressão, no entanto, é limitada à resistência do combustível à auto-ignição. Como forma de mensurar essa resistência do combustível é medido o número de octanas do mesmo. A chamada octanagem do combustível é um índice comparativo em relação a uma mistura padrão de dois hidrocarbonetos puros que foram escolhidos como referência, por possuírem grande diferença na capacidade de resistir à detonação: Iso-octano - bastante resistente à compressão e que tem o número de octanas • arbitrariamente igual a 100; Heptano – com reduzida resistência à detonação, tem o número de octanas • designado como 0. Dessa forma, um combustível é comparado com uma mistura desses dois hidrocarbonetos, onde a proporção de Iso-octano na mistura de comparação corresponde ao índice de octana do combustível avaliado. Um combustível com uma octanagem de 90 corresponde a um combustível com as mesmas características de resistência à detonação que uma mistura formada por 90% de Iso-octano e 10% de Heptano. Quando o número de octanas supera 100, ou seja, quando o combustível resiste mais à detonação que a referência, é avaliado a quantidade de aditivo anti-detonante adicionado ao Iso-octano para obter o mesmo desempenho do combustível avaliado. 3.1.1 - Motores para avaliação da octanagem Para a avaliação da octanagem, são utilizados motores especiais monocilíndricos com taxa de compressão variável. Esses motores são denominados CFR ( Cooperative Fuel Research ). O nome teve origem em um comitê composto por pesquisadores e fabricantes de motores que desenvolveu um tipo de motor para o teste, bem como os métodos empregados. Método pesquisa (RON) – com o motor em regime de plena carga e baixas • rotações, é avaliado o quanto o combustível resiste à detonação; Método motor (MON) – nesse caso, além de trabalhar a plena carga, são utilizadas • rotações elevadas, sendo impostas condições mais severas. Para a maioria dos combustível o número de octanas medida por esse método é inferior ao método RON. Método Supercarregado – analisa o combustível de aviação na situação de • taxiamento até atingir a velocidade de cruzeiro; Método aviação – analisa o combustível de aviação considerando uma situação de • velocidade de cruzeiro;

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Método Cetano – utilizado para avaliação do combustível Diesel. A média aritmética dos métodos pesquisa e Motor (RON e MON) dá origem a um novo índice, o índice antidetonante. O motor CFR possui várias cubas disponíveis no carburador que possibilitam a alimentação com o combustível padrão e com o combustível a ser avaliado para se aferir o número de octanas. As condições de carga e rotação devem seguir o método utilizado. •

3.1.2 - Aditivos antidetonantes Para melhorar o índice de octanas da gasolina, são adicionados aditivos antidetonantes. Muito utilizado antigamente, o chumbo tetraetila é um antidetonante poderoso, mas devido ao prejuízo ambiental causado e danos ao catalisador do escapamento, foi abolido. Modernamente tem-se utilizado o álcool como antidetonante. 3.1.3 - Índice de Cetano Os combustíveis para motores de ignição por compressão (Diesel) devem ser inflamáveis em contato com o ar superaquecido, uma vez que não existe vela de ignição para provocar a queima. A facilidade com que esse combustível se inflama é indicada pelo índice de cetano, que de certa forma pode ser dito como o oposto da octanagem, ou seja, um combustível com alto índice de octanagem tem baixo índice de cetano e vice-versa. Da mesma forma que na octanagem, a determinação do índice de cetano é feita por comparação com uma mistura padrão formada por dois hidrocarbonetos: Cetano – Bastante inflamável, pouco resistente à compressão; • Alfa-metilo-naftalina – pouco inflamável. • Quanto maior o índice cetano, maior o seu poder de queima espontânea em condições de alta pressão e temperatura.

GLP – 7% NAFTA – 8% GASOLINA – 20% QUEROSENE – 4% DIESEL – 34% ÓLEO COMBUSTÍVEL – 18% ASFALTO, LUBRIFICANTES ETC.

Fig. 3.1 – Produtos extraídos do Petróleo 1 1

Informação extraída da palestra Gasolinas Brasileiras - Petrobrás

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3.2 - Gasolina

Queimada pela imensa maioria dos automóveis no mundo, a gasolina é obtida basicamente através do refino do petróleo. Os produtos finais do refino do petróleo estão descritos na Fig. 3.1. Com o intuito de melhorar o rendimento térmico do motor, diminuir as emissões de poluentes, aumentar a durabilidade dos componentes mecânicos e corrigir eventuais deficiências do combustível, são adicionados à gasolina diversos aditivos químicos. Antidetonantes – melhoram a resistência da gasolina à compressão, aumentando a • sua octanagem; Inibidores de corrosão – inibem a corrosão das peças em contato com o • combustível; Anticongelantes – possibilitam que a gasolina continue líquida, mesmo em climas • severos; Dispersantes – impedem a formação de depósitos em peças e componentes, como • válvulas e guias de válvulas; Anti-oxidantes – Retardam a oxidação da gasolina; • Corantes – algumas distribuidoras adicionam corantes para modificar a coloração • da gasolina, visando dificultar adulteração ou simplesmente por questões mercadológicas; A gasolina brasileira é única no mundo. Também conhecida como gasohol , é composta de 76% de gasolina e 24% de etanol (álcool etílico). O teor de álcool na gasolina costuma variar de acordo com as especificações vigentes na Agência Nacional do Petróleo – ANP. A proporção descrita corresponde à vigente na época de elaboração desse texto. A mistura é efetuada pelas companhias distribuidores, que são as responsáveis pela comercialização final do produto junto aos postos de serviço. A gasolina que compõe a mistura é produzida, quase que em sua totalidade, pela Petrobrás, já o álcool é produzido a partir da cana-de-açúcar em diversas destilarias espalhadas pelo país. Desde 1992 a gasolina comercializada no Brasil é isenta de chumbo tetra-etila. O chumbo era utilizado para aumentar a octanagem do combustível, mas apresentava graves prejuízos ao meio ambiente, além de danificar os catalisadores. O Brasil foi um dos pioneiros a eliminar esse aditivo da gasolina. Atualmente são disponíveis quatro tipos de gasolina: Gasolina comum – indicada para todos os veículos nacionais e a maioria dos • importados. Possui uma octanagem de 86 (média dos métodos RON/MON); Gasolina aditivada – possui a mesma octanagem da gasolina comum. As • distribuidoras acrescentam aditivos detergentes, que garante a limpeza do motor e dos componentes do sistema de alimentação por um tempo maior. Algumas distribuidoras acrescentam corantes à gasolina aditivada, com o intuito de diferenciá-las; Gasolina Premium – possui octanagem maior (91). São indicadas para motores • com elevada taxa de compressão, encontrados em alguns esportivos importados; Gasolina Podium - Com maior octanagem, a gasolina podium permite que os • veículos de alto desempenho obtenham uma melhor performance, principalmente nas retomadas de velocidade. Possui baixo teor de enxofre, fazendo com que se torne uma gasolina de menor impacto ambiental. A gasolina Podium é comercializada exclusivamente em postos de bandeira BR em algumas localidades brasileiras. 33


3.2.1 - Vantagens dos motores a gasolina: Bom poder calorífero – a gasolina possui um elevado poder poder calorífero, o que que • determina um bom desempenho da unidade movida a gasolina. Devido a esse motivo, são preferidos quando o desempenho é importante, como em motocicletas, automóveis e navios rápidos de ataque; Baixo nível de ruído e vibrações vibrações – o uso uso de componentes componentes compactos e uma • estrutura leve possibilita aos motores a gasolina atenderem a esse objetivo com louvor, bastando observar o nível de silêncio e reduzidas vibrações de um motor a gasolina moderno; 3.2.2 - Desvantagens dos motores a gasolina: Emissão de poluentes elevada elevada – apesar apesar da contínua redução redução nas emissões, os • motores a gasolina ainda estão longe de atingir os níveis desejados pelas organizações de controle ambiental, representando problemas, em especial nos grandes centros urbanos. O nível de emissão atual é significativamente menor que em alguns anos atrás, por exemplo, mas fica a dever quando comparado com uma unidade movida a gás natural; Presença de enxofre – a presença de enxofre na gasolina provoca a corrosão das • peças em contato com o combustível, no interior do motor e até no sistema de escape. O enxofre pode ser retirado da gasolina, mas esse processo encareceria a já custosa gasolina.

3.3 - Álcool

A crise do petróleo da década de 70 e seus elevados preços levaram o Brasil a desenvolver o projeto Proálcool, diminuindo a nossa dependência do petróleo, que naquele momento momento determinava determinava uma influência significativa significativa na balança comercial. comercial. Na década de 70 estudos indicavam que em 1984 a demanda de petróleo mundial iria superar a oferta, com elevação dos preços a níveis catastróficos. Em 1973 ocorreu o primeiro estouro no preço internacional do petróleo, sendo que em 1979 o barril superou os 50 dólares. Em 1975, portanto entre os dois dois choques, o governo governo brasileiro lançou o Proálcool - Programa Nacional do Álcool. A balança de pagamento, já mal dava para pagar o petróleo importado. Os preços do açúcar eram cadentes. O País tinha toda infra-estrutura em terra, clima e tecnologias para implantar um programa de energia renovável. O próalcool iniciou em 1977 com a adição de 20% de álcool à gasolina. A partir daí, com a produção de modelos a álcool o Brasil passou a aumentar a produção de forma que, no final da década de 80, mais de 95% dos automóveis produzidos no Brasil eram movidos a álcool. Nessa mesma época ocorreu uma estagnação na produção do álcool, e com a crescente demanda, houve escassez com uma grave crise de desabastecimento. O governo teve de importar álcool para abastecer a frota circulante. A queda nos preços internacionais do petróleo, com o aumento da oferta, aliada a desconfiança do consumidor e a reduzida vantagem financeira do álcool, fez a procura por veículos à álcool gradativamente diminuir, até os patamares bem reduzidos atuais. 3.3.1 - Produção do álcool O álcool combustível é um dos meios de utilizar a biomassa como recurso energético. A cana-de-açúcar, fonte do álcool, é uma modalidade de biomassa, contendo um pequeno percentual da energia oriunda do sol. Fabricação do álcool:

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A cana é lavada, picada e desfibrada para para posteriormente ser ser moída para a extração do caldo; O caldo é peneirado. Nesse ponto é definido o destino do mesmo: fabricação de • açúcar ou álcool; O caldo é submetido submetido a uma pasteurização. pasteurização. As As impurezas impurezas são retiradas a seguir por • decantação em separadores; O caldo caldo é resfriado e são acrescentados fermentos (leveduras) (leveduras) que que irão irão transformá• lo em álcool; Após a fermentação, o caldo é encaminhado encaminhado para as centrífugas, centrífugas, onde o fermento • que sobrou do processo é separado para reutilização; Livre de impurezas, impurezas, o caldo caldo é destilado obtendo-se o produto produto final. • O álcool que é misturado à gasolina, diferentemente do álcool destinado ao uso em motores de combustão interna que é hidratado, é o anidro, isto é, praticamente isento de água. Os problemas de corrosão e partida a frio iniciais foram solucionados com o uso de componentes mais resistentes e alimentação por injeção eletrônica. •

3.3.2 - Vantagens dos motores à álcool: Melhora do rendimento – o álcool é um combustível combustível que que resiste bem a compressão • (octanagem alta em relação à gasolina), permitindo a utilização de motores com taxas de compressão mais elevadas. Quanto mais se comprime um combustível, melhor rendimento terá a queima. Daí que, em termos de rendimento térmico, o motor a álcool é superior ao a gasolina, apesar do baixo poder calorífero do álcool compensar negativamente essa vantagem. Menor poluição poluição se comparado à gasolina e Diesel Diesel – por aproveitar aproveitar melhor a energia • do combustível, os motores a álcool possuem níveis de emissões de poluentes mais reduzidos em comparação com um similar a gasolina. Isso torna seu uso bastante interessante em centros urbanos, onde a poluição é um problema que tem que ser observado e controlado. 3.3.3 - Desvantagens dos motores à álcool: Alta temperatura de vaporização vaporização – isso dificulta dificulta sua queima especialmente com o • motor frio, uma vez que a vaporização do combustível dentro da câmara de combustão é vital para a perfeita mistura e queima com o ar; Baixo poder calorífero calorífero – determina um maior consumo de combustível combustível em relação à • gasolina. O poder calorífero é cerca de 30% menor que o da gasolina, o que faz com que a viabilidade do uso do álcool esteja vinculada a diferença de preço equivalente em relação ao combustível mineral; • Efeitos corrosivos – A presença de água no álcool determina um dos maiores problemas no uso deste combustível. A água facilita o processo de corrosão do sistema de escapamento (descarga) além de atacar algumas peças em contato direto com o combustível. A utilização de componentes plásticos e de aço inoxidável resolveu o problema da corrosão das peças em contato com o combustível. A vida útil do sistema de escape só não é muito menor que o do a gasolina devido à presença do enxofre que torna a gasolina também agressiva ao sistema;

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•

Presença de água – a água determina uma uma queda no rendimento térmico do combustível, uma vez que ela não participa como fonte de energia durante a queima; Viabilidade econômica econômica vulnerável vulnerável – o proprietário proprietário de um veículo veículo a álcool deve deve ficar atento com relação aos preços e disponibilidade do líquido, analisando o custobenefício do combustível.

3.4 - Diesel

Combustível utilizado pela maioria dos veículos comerciais, o óleo Diesel proporciona aos motores um elevado rendimento térmico, com conseqüente baixo consumo de combustível. Os motores que operam no chamado ciclo Diesel, queimam o combustível por compressão sem o uso de centelha elétrica. Uma vez que o óleo Diesel suporta altas compressões sem problemas, esses motores possuem elevada taxa de compressão, ou seja, comprimem bastante a mistura ar combustível no interior dos seus cilindros. Em termos de aproveitamento da energia do combustível, quanto mais se comprime um combustível melhor. A compressão, no entanto, fica limitada ao quanto o combustível a suporta, sendo quantificada pelo índice de cetanas do mesmo. A elevada compressão de trabalho dos motores Diesel aliada à lentidão do óleo combustível para queimar por completo em relação aos outros tipos de combustível, gera os problemas característicos dos motores Diesel. 3.4.1 - Vantagens dos motores movidos à Diesel: Confiabilidade e durabilidade durabilidade – A robustez robustez dos componentes aliada à ausência de • sistema elétrico de ignição, torna o motor Diesel insuperável nesse item, sendo normal um veículo a Diesel, por exemplo, superar um milhão de quilômetros rodados sem necessidade de reparos corretivos. Essas características os tornam especialmente indicados para grupos geradores, navios e locomotivas; Baixo consumo consumo de combustível – argumento maior dos defensores desse tipo tipo de • motor, essa característica é decorrente do elevado rendimento térmico. Isso, além de representar menor gasto com a sua operação, representa maior autonomia de funcionamento, reduzindo a freqüência de abastecimento de combustível; Menor vulnerabilidade vulnerabilidade à água – por praticamente não possuir possuir sistema elétrico, o • motor a Diesel pode operar em ambientes hostis com muita umidade, como porões de navio, por exemplo, sem maiores problemas, desde que o combustível seja puro. 3.4.2 - Desvantagens dos motores movidos à Diesel: queimado pela compressão, compressão, não • Ruído e vibrações elevados – o Diesel é queimado necessitando de centelha elétrica, o que faz com que a queima seja ruidosa. O uso de componentes robustos e, portanto pesados, determina um maior ruído no seu funcionamento. Motores a Diesel modernos possuem ruídos e vibrações menores, mas mesmo assim maiores que um similar a gasolina; Componentes e estrutura pesada – a alta taxa taxa de compressão exige componentes componentes • bem mais robustos em relação a um motor ciclo otto (gasolina, álcool ou gás por exemplo), o que o torna pesado e de difícil instalação em transportes onde o peso é crucial, como motocicletas;

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•

•

•

Faixa de rotações limitada – como a queima é lenta, não é possível fazer com que um motor a Diesel atinja elevadas rotações. Isso exige o uso de uma caixa de câmbio de várias marchas em veículos pesados; Sistema de injeção de combustível complexo – atualmente a eletrônica está substituindo gradativamente o sistema mecânico composto por bomba injetora nos motores a Diesel. O sistema mecânico, apesar de possuir alta confiabilidade, possui manutenção complexa que exige equipamentos caros e mão de obra altamente especializada. No sistema eletrônico a manutenção fica bastante simplificada, mantendo o nível de confiabilidade do sistema antigo; Maior emissão de alguns poluentes – mesmo conseguindo um excelente rendimento térmico, a queima do Diesel resulta em emissões elevadas de hidrocarbonetos através da chamada Fuligem Diesel (a fumaça preta que sai pela descarga). Apesar de todos os esforços visando reduzi-la, não se chegou ainda a um nível satisfatório. O uso de catalisadores e de dispositivos de recirculção de gases do escapamento não impediu que muitos países impusessem restrições ao uso de veículos a Diesel nos centros urbanos. No Japão, por exemplo, o governo cobra impostos mais elevados sobre esse tipo de veículo e determinou a substituição gradual de todos os veículos oficiais movidos a Diesel por equivalentes a gasolina; Partida a frio difícil – o motor a Diesel, por utilizar a compressão do ar para atingir uma temperatura e pressão necessários a queima do combustível, pode apresentar dificuldades de partida em ambientes muito frios (temperaturas próximas ou abaixo de 5 graus). Essa deficiência determina a necessidade de dispositivos especiais de partida a frio para motores que operam nessas condições.

3.5 - Gás natural Veicular – GNV

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Fig. 3.2 – Sistema de alimentação por Gás Natural Veicular 1 Encontrado na natureza em reservatórios no subsolo, o uso do gás natural está sendo difundido fortemente no Brasil. Composto por uma mistura de hidrocarbonetos gasosos (metano em sua maioria), o gás é extraído de poços subterrâneos ou submarinos. A distância entre os pontos de extração e os pontos de consumo, aliado à dificuldade de transporte, obriga a construção de gasodutos. Os automóveis movidos a gás natural são bi-combustíveis, ou seja, funcionam a gás até quando este se esgota ou quando o motorista aciona uma chave que faz com que o motor volte a operar com o combustível líquido original (gasolina ou álcool). O gás fica armazenado no veículo em um cilindro de alta resistência de aço reforçado, capaz de resistir a choques e impactos de projéteis de armas de fogo. A pressão de armazenamento é de cerca de 200 Kg/cm2. Além do cilindro de armazenamento de gás, o kit de conversão possui os seguintes componentes principais, ilustrados na Fig. 3.2: Redutor de pressão – é um dispositivo com comando elétrico destinado a reduzir a • pressão do GNV – gás natural veicular - e regular o fluxo de gás de acordo com as necessidades do motor. É dotado de três estágios de redução destinados a manter estável a pressão durante o funcionamento do motor e de uma eletroválvula montada antes do primeiro estágio. Um sistema de aquecimento, que se utiliza da água de arrefecimento do motor, evita que a brusca queda de temperatura provoque o congelamento do GNV. O fluxo de GNV para a marcha lenta se faz a pressão positiva do segundo estágio e quando ativado utiliza um conduto separado do fluxo principal. Inclui um dispositivo eletrônico para a partida, que incorpora um sistema de segurança que fecha a eletroválvula de GNV em caso de parada acidental do motor. Válvula de abastecimento – permite conectar, em um posto de abastecimento, uma • mangueira para completar o abastecimento do cilindro; Válvula do cilindro - situada no cilindro, atua como válvula de segurança, • interrompendo o fluxo de gás em caso de rompimento da tubulação. Possui uma válvula manual para interrupção em caso de manutenção ou emergência. Tubulação de aço de alta pressão – conduz o gás do cilindro até a válvula de • abastecimento; Central de controle – controla todo o sistema, efetuando a mudança combustível • líquido x gás durante a partida e determinando a mistura ideal em cada momento para formação no misturador; Manômetro de pressão – informa a pressão no cilindro de gás; • Chave comutadora de combustível x gás – permite ao condutor optar entre • combustível líquido e gás natural veicular – GNV; Variador de avanço – para um melhor aproveitamento do gás, deve-se realizar uma • alteração nas especificações do sistema de ignição com relação ao momento de disparo das centelhas nas velas (avanço de ignição). Ao variador de avanço cabe essa tarefa; Emulador de Sonda Lambda – A sonda lambda é um sensor presente em alguns • motores equipados com injeção eletrônica. Situa-se na tubulação de escape e avalia a quantidade de oxigênio existente nesses gases – daí também ser chamado de sensor de oxigênio. A quantidade de oxigênio presente nos gases de escape é o 1

Ilustração Informe BR Distribuidora Revista Quatro Rodas Janeiro 2003 Editora Abril

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dado para a central de controle eletrônico do motor avaliar se a mistura ar combustível está rica (excesso de combustível) ou pobre (pouco combustível). Com essa informação, o sistema eletrônico pode variar os parâmetros do sistema, alterando a quantidade de combustível fornecido ao motor, mantendo assim a mistura a mais próxima possível do ideal. Com a conversão, a queima do motor passa a ter parâmetros diferentes em relação ao combustível original. Para evitar que a central de injeção interprete isso como falha e proceda a ajustes desnecessários, instala-se um emulador de sonda lambda, que nada mais é que um aparelho eletrônico que simula o funcionamento da sonda lambda em situações normais de uso. 3.5.1 - Vantagens do uso do gás natural Reduzido índice de emissões – o motor movido a gás natural possui um elevado • aproveitamento do combustível, principalmente devido ao fato do mesmo ser gás, o que facilita sua mistura com o ar, provocando uma queima mais homogênea e limpa; Maior durabilidade do motor – a queima mais completa do combustível determina • uma considerável redução na formação de resíduos no interior do motor – a chamada carbonização. Isso eleva sua vida útil e aumenta o intervalo de necessidade de troca do óleo lubrificante, determinando uma redução nos custos de manutenção; Menor custo do combustível – diminui o custo por quilômetro rodado ou hora de • operação, trazendo redução nos custos operacionais; Adaptável a veículos a gasolina ou álcool – muito embora o veículo a álcool seja o • ideal para conversão, devido a maior taxa de compressão do motor, pode-se converter motores a gasolina para gás natural; Veículo bi-combustível – basta apertar um botão e tem-se o veículo normal com • combustível líquido, o que o torna bastante versátil. 3.5.2 - Desvantagens do GNV Reduzido poder calorífero do gás natural – apesar do motor aproveitar bem o • combustível, este possui um baixo poder calorífero, o que provoca perda de potência; Uso do gás necessita de kit de adaptação – o usuário deve avaliar o custo• benefício da instalação do kit, considerando o quilometragem que roda e o custo de instalação que, inclusive, pode invalidar a garantia fornecida pelo fabricante do veículo (a não ser se o próprio fabricante instalar o Kit); Autonomia limitada – o cilindro de gás não garante uma autonomia muito grande • (geralmente cerca de 200 Km em uso normal). Isso, aliado ao fato de existirem poucos postos de abastecimento e somente nos grandes centros, torna a autonomia do veículo a gás um problema, que por sua vez só não é mais grave devido ao veículo ser bi-combustível; • Porta-malas – o cilindro ocupa um volume considerável do porta-malas, representando um inconveniente caso se necessite carregar bagagem.

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4 - Componentes do motor de combustão interna Um motor é composto basicamente por 4 partes principais, cada uma subdividida em partes ou sistemas : cabeçote, bloco, conjunto móvel e cárter, conforme se vê na Figura 4.1.

Fig. 4.1 - Principais componentes de um motor 1 4.1 - Bloco do motor O bloco é a maior peça do motor, compondo a estrutura que contém os cilindros onde se movimentam os pistões – Fig. 4.2. Na parte inferior do bloco está situado o virabrequim que transforma o movimento alternado dos pistões em movimento circular, transmitindo-o ao volante do motor e à polia frontal onde estão acopladas as correias que movimentam os diversos acessórios, que por sua vez são conectados ou suportados pelo bloco.

Fig. 4.2 - Bloco de motor 1 1

Ilustração extraída de Motores de Combustão Interna – Treinamento Assistencial FIAT

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O bloco do motor também contém diversas passagens internas para o líquido de arrefecimento e óleo. O cabeçote está montado na sua parte superior e o cárter de óleo está montado na parte inferior. O bloco de um motor geralmente é construído em ferro fundido ou liga de alumínio. O alumínio apresenta a vantagem da leveza e boa dissipação de calor, embora muitas vezes se utilize metal cromado na superfície dos cilindros com o intuito de maior resistência ao atrito provocado pelo movimento dos pistões. 4.1.2 - Camisas dos cilindros Uma camisa de cilindro é um cilindro de ferro endurecido, que é inserida dentro do bloco do motor. A camisa não é requerida em todos os blocos de motor. Na maioria dos motores de automóveis, as camisas são usinadas no próprio bloco, utilizando-se muitas vezes de um tratamento especial visando melhorar a lubrificação. Os motores maiores e os mais antigos possuem camisas removíveis, o que barateia o reparo do motor. Nesse caso em caso de desgaste basta substituir a camisa, ao passo que o bloco de cilindros requer retífica completa e, a depender do grau de desgaste, substituição. As camisas são feitas de material duro para conter a combustão dentro dos cilindros e o desgaste com o movimento dos pistões e anéis. Há dois tipos de camisas de cilindros, as camisas secas e as camisas úmidas, conforme a Fig. 4.3.

Fig. 4.3 - Tipos de camisa 1 4.1.2.1 - Camisas úmidas As camisas úmidas recebem este nome porque elas têm contato direto com o líquido de arrefecimento do motor no bloco. São usadas vedações para evitar vazamento do líquido de arrefecimento do motor. Camisas úmidas são fáceis de reparar, pois podem ser facilmente substituídas. Isto torna desnecessário retificar o cilindro e elimina a necessidade por pistões sobremedida. O uso de camisas úmidas também reduz a rigidez do bloco do motor, devido ao espaço existente entre elas e o bloco, espaço este destinado aos canais de refrigeração. 4.1.2.2 - Camisas Secas Nesse caso, não existe contato direto entre as camisas e o líquido de arrefecimento do motor. Através de ajuste por interferência, as camisas são instaladas no bloco do motor, o que aumenta a rigidez de todo o bloco. 1


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Para a contração, a camisa é resfriada e o bloco aquecido. Após atingirem a mesma temperatura, as camisas exercerá pressão em seu alojamento no bloco do motor, ficando firmemente fixadas. As camisas secas não podem ser removidas intactas do bloco do motor, e procedimentos especiais são necessários para a sua instalação. 4.1.3 - Alojamento e apoios da árvore de manivelas A parte inferior do bloco do motor contém um alojamento onde está situada a árvore de manivelas suportada por mancais. Um reservatório de óleo, denominado cárter de óleo, forma a parte inferior do alojamento da árvore de manivelas. O alojamento da árvore de manivelas possui várias superfícies de apoio para a árvore de manivelas. O número de apoios varia dependendo do comprimento da árvore de manivelas e disposição dos cilindros. Por exemplo, um motor de 4 cilindros tem, usualmente, cinco destas superfícies de apoio. A árvore de manivelas é montada sobre casquilhos inseridos, instalados nas superfícies de apoio e fixados com capas de mancais. Os apoios possuem passagens de óleo que lubrificam a árvore de manivelas à medida que ela gira contra os casquilhos. Estas passagens alinham-se com furos para óleo nos casquilhos. O bloco do motor inclui uma ranhura para o vedador traseiro principal de óleo, que impede o vazamento do óleo na traseira da árvore de manivelas. 4.1.4 - Virabrequim A virabrequim, também denominado árvore de manivelas, transforma o movimento alternativo dos pistões no movimento rotativo necessário para acionar as rodas do veículo – Fig. 4.4. A árvore de manivelas é montada no bloco do motor em suportes em forma de “U’ que são fundidos dentro do conjunto do bloco do motor. As capas dos mancais principais são aparafusadas nos suportes para fixar a árvore de manivelas no bloco. Entre as superfícies de montagem há casquilhos nos quais a árvore de manivelas gira e é apoiada. Quando o bloco é fabricado, as superfícies para os casquilhos são usinadas para serem exatamente paralelas à árvore de manivelas. Por esta razão, as capas dos mancais principais nunca devem ser intercambiadas.

Fig. 4.4 - Pistões e volante do motor acoplados ao virabrequim 1 A árvore de manivelas resiste aos tremendos esforços decorrentes dos tempos de trabalho dos pistões. A árvore de manivelas é usualmente feita de ferro fundido pesado de 1


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alta resistência. Árvores de manivelas feitas para alto desempenho ou aplicações pesadas usualmente são forjadas. Em um projeto de motor, a ordem de queima determinada e o correto balanceamento do virabrequim são fundamentais para a durabilidade deste e reduz da vibração e ruído decorrente do funcionamento do motor. Algumas árvores de manivelas possuem contrapesos fundidos opostos aos furos, garantindo o balanceamento e a integridade do eixo, mesmo em rotações elevadas. 4.1.5 - Mancais da árvore de manivelas Os mancais numa árvore de manivelas são aquelas áreas que servem como superfícies de rolamento para a própria árvore de manivelas, ou bielas que são fixadas à árvore de manivelas. Os mancais para os rolamentos são referidos como mancais principais ou munhões dos casquilhos (Fig. 4.5). Os mancais para as bielas são referidos como mancais das bielas ou moentes. Um projeto comum para um motor de 4 cilindros em linha possui cinco mancais principais dos casquilhos e quatro mancais das bielas. Um pistão é conectado a cada mancal de biela usando uma biela. O projeto para um motor com cilindros em V possui duas bielas para cada mancal de biela.

Fig. 4.5 - Mancais principais do virabrequim 1 4.1.6 - Mancais principais Os mancais principais suportam a árvore de manivelas dentro dos casquilhos de rolamento, e as capas dos casquilhos principais. Os mancais principais da árvore de manivelas são divididos em partes circulares que envolvem os mancais principais da árvore de manivelas. A metade superior do casquilho possui um ou mais furos de óleo que permitem ao lubrificante cobrir a superfície interna do mancal. O casquilho superior ajustase dentro do suporte principal no fundo do bloco do motor. A metade inferior do casquilho ajusta-se dentro da capa do casquilho. As superfícies de desgaste são feitas de material mais macio do que a árvore de manivelas. O material mais macio reduz o atrito, e tende a amoldar-se por si mesmo em torno de qualquer irregularidade no mancal principal. Além disso, se ocorrer um desgaste, isto afeta o casquilho, que é mais barato para substituir do que a árvore de manivelas. 1

Ilustração extraída de Motor Marea 2.0 20V– Treinamento Assistencial FIAT

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4.1.7 - Lubrificação dos mancais Na maioria dos motores, as metades superiores e inferiores dos casquilhos não são intercambiáveis. A parte superior, usualmente, possui uma passagem de óleo – Fig. 4.6. Isto permite que o óleo flua para a superfície do mancal principal. Como o diâmetro do mancal principal da árvore de manivelas alguns décimos de milímetros menor do que o diâmetro interno criado pelos casquilhos, o óleo pode formar uma cobertura na superfície completa do mancal.

Fig. 4.6 - Lubrificação dos mancais 1 4.1.8 - Folga dos mancais O espaço entre os casquilhos e o mancal da árvore de manivelas é chamado de folga radial do mancal. A folga é uma das mais críticas medições em um motor. O óleo que lubrifica os casquilhos não faz um filme permanente. Assim que a árvore de manivelas gira, o óleo por sua vez funciona em seu caminho para as bordas externas dos casquilhos, onde é direcionado novamente para dentro do cárter. Um novo óleo constantemente flui através do furo de óleo para substituir o óleo que saiu. O fluxo constante de óleo sobre os casquilhos ajuda a esfriar e a levar para fora cavacos e sujeiras provenientes das superfícies dos mancais. Se a folga for muito pequena, não será suficiente para o óleo lubrificar os componentes. O atrito resultante desgastará os casquilhos rapidamente. Se a folga for muito grande, muito óleo fluirá através dos casquilhos. A pressão do óleo cairá e o mancal da árvore de manivelas pode começar a bater contra o casquilho ao invés de girar dentro dele. Para evitar danos aos casquilhos e à árvore de manivelas, as folgas dos mancais devem ser ajustadas precisamente na montagem ou remoção dos casquilhos ou da árvore de manivelas. 4.1.9 - Mancal de encosto Além de girar, a árvore de manivelas tende a mover-se para trás e para frente, esta folga é chamada de folga axial. Desde que este tipo de movimento possui um efeito negativo na árvore de manivelas associado aos componentes, foram tomadas medidas para limitar o movimento de vai e vem. Um dos mancais principais da árvore de manivelas é usinado 1


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para aceitar um mancal de encosto – Fig. 4.7. O mancal de encosto contém esse movimento de vai e vem. A parte superior e a inferior do mancal de encosto possuem ranhuras de óleo que permitem ao óleo fluir ao redor do mancal.

Fig. 4.7 – Mancal de encosto 1 4.1.10 - Volante do motor O volante tem como função regularizar o movimento do motor. Quanto mais pesado for o volante, menores serão as variações. Em contrapartida, a aceleração do motor será mais lenta devido à inércia. Se o volante do motor for demasiadamente leve apresentará irregularidades de funcionamento, mas terá aceleração rápida. Ao volante do motor está acoplado o sistema de embreagem ou conversor de torque, que transmite o troque do motor ao sistema de transmissão. 4.2 – Cárter Localizado na parte inferior do motor, o cárter age como um reservatório de óleo, captando todo o lubrificante que respinga e desce das partes superiores do motor. O cárter geralmente é estampado em aço, embora também possa ser fundido em alumínio. Aletas de refrigeração podem fazer parte do desenho do mesmo com o intuito de contribuir para o arrefecimento do óleo. Na parte inferior do cárter existe um furo fechado por um parafuso bujão. Através deste é possível escoar o lubrificante para proceder à troca. Alguns motores possuem um pequeno imã acoplado a esse parafuso, para que capte partículas metálicas em suspensão, ajudando na limpeza do óleo. 4.3 – Cabeçote É a parte superior do motor que contém as câmaras de combustão, velas, válvulas e seus mecanismos de acionamento válvulas, além de passagens de água ou aletas (motores refrigerados a ar) para a refrigeração do motor. O cabeçote é fabricado é fundido e posteriormente usinado, normalmente em aço ou ligas de alumínio. Separando o cabeçote do bloco existe uma junta que tem como objetivo conter a compressão dos cilindros. O mecanismo de distribuição (válvulas, comandos etc.) será melhor abordado no capítulo 7 – Sistema de distribuição. 1


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5 - Lubrificação

O movimento relativo entre diversas peças, elevados esforços e troca intensa de calor faria com que as diversas peças de um motor rapidamente se desgastassem ou fundissem. Para evitar o colapso do motor com esses problemas, a lubrificação torna-se fundamental. Além de reduzir o desgaste por atrito entre as peças, o lubrificante atua resfriando e limpando o motor, além de contribuir decisivamente para a vedação dos cilindros através de uma película de óleo aderida às paredes dos cilindros, formando um assentamento perfeito entre os anéis de segmento e os cilindros.

5.1 - Atrito

Existem dois tipos de atrito: o estático, quando não há movimento relativo entre as peças e o dinâmico, quando existe deslocamento relativo entre duas superfícies em contato. O atrito é extremamente prejudicial ao funcionamento do motor, na medida em que ocasiona desgaste das peças, aumento da temperatura, perda de rendimento e geração de ruído. O atrito dinâmico pode ser de três tipos: Atrito seco – ocorre quando existe efetivamente o contato direto entre duas • superfícies. O atrito seco provoca alto desgaste e elevação rápida da temperatura, podendo levar até a fundição das peças envolvidas; Atrito úmido – nesse caso existe a intermediação de uma fina camada de • lubrificante não impedindo, no entanto, o contato entre as cristas das rugosidades das superfícies. A lubrificação com essas características é denominada lubrificação limite ou restrita. Atrito líquido – não existe o contato direto, pois uma película homogênea e contínua • intermedeia as duas superfícies. Esse tipo de lubrificação, chamada de lubrificação hidrodinâmica, é utilizada na lubrificação de algumas das partes mais críticas do motor. A formação da película pode ser observada através da Fig. 5.1.

Fig. 5.1 – Atrito líquido

5.2 - Funções do lubrificante 5.2.1 - Redução do atrito Tão logo entre em funcionamento, o lubrificante deve entrar em ação protegendo as partes móveis do motor contra o atrito e contato direto. A pressão de óleo deve ser suficiente para formar um filme de lubrificantes entre determinadas peças com alta velocidade relativa, garantindo uma lubrificação hidrodinâmica, com atrito líquido através da separação das peças por intermédio do óleo. 46


5.2.2 - Proteção contra ferrugem e corrosão Durante o funcionamento do motor, vapores de água e de ácidos são formados. O óleo, através de aditivos adequados, evita que esses vapores provoquem danos aos componentes do motor, agindo como uma cobertura a esses componentes. 5.2.3 - Limpeza do motor O carbono e outros elementos resultantes do processo de queima, provoca o acúmulo de vernizes e borras nos componentes, podendo inclusive vir a entupir galerias e prejudicar a vedação de válvulas. As características dispersantes e detergentes atuam eliminando a concentração dessas impurezas, deixando-as para que fiquem em suspensão no óleo ou retidas no filtro, garantindo uma limpeza do motor. 5.2.4 - Refrigeração Além da importante tarefa de lubrificar o motor, o óleo tem fundamental importância no controle da temperatura de funcionamento do motor, servindo como meio de remoção de calor. Parte do calor gerado é absorvido pelo óleo e expelido ao ambiente através da superfície do cárter ou radiadores de óleo. Os motores refrigerados a ar, por exemplo, têm no óleo um dos principais meios de refrigeração. Para melhorar a capacidade refrigerante do sistema de lubrificação, pode-se fazer uso de dispositivos para melhorar a troca térmica: Maior quantidade de lubrificante – nesse caso, uma maior quantidade de óleo atua • na tarefa, exigindo um tempo maior para que o óleo fique superaquecido e tenha o seu desempenho de remoção de calor reduzido; Trocadores de calor no sistema de lubrificação – pode-se ter radiadores de óleo • (Fig. 5.2 ) ou trocadores de calor óleo / água do sistema de arrefecimento. Um outro artifício é utilizar cárter com aletas de refrigeração. A maior área de contato com o ar proporciona uma maior troca de calor, conseqüentemente uma redução na temperatura do lubrificante.

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Fig. 5.2 - Radiador de óleo 5.2.5 - Vedação dos cilindros Os cilindros de um motor possuem uma superfície brunida. Durante o processo de brunimento, produz-se uma superfície platafórmica, ou seja, uma superfície com um maior número de vales em relação ao número de picos (Fig. 5.3). O óleo preenche justamente esses vales e os picos são retirados durante o processo de amaciamento que ocorre durante os primeiros milhares de quilômetros do motor. Preenchendo esses vales, o lubrificante garante a vedação da compressão, assegurada pelo contato entre as paredes dos cilindros e os anéis de segmento do pistão.

Fig. 5.3 – Aspecto de uma superfície brunida 1 5.2.6 - Facilitar a partida a frio A viscosidade do óleo frio não pode ser muito elevada, sob pena de dificultar o deslizamento das peças móveis. Outro fator bastante importante, é que o óleo atinja rapidamente todas as partes do motor, garantindo uma lubrificação quase que instantaneamente após a partida do mesmo.

5.3 - Principais características do lubrificante 5.3.1 - Viscosidade É uma das características mais importantes do lubrificante. Representa sua capacidade de escoamento, resultado da resistência imposta por suas moléculas ao deslocamento de uma camada de lubrificante em relação a outra. A viscosidade dinâmica de um óleo básico é medida em Pa.s (N.s/m2) ou também em poise (P = dina.s/cm2). A viscosidade é medida em aparelhos chamados viscosímetros. O mais usado é o viscosímetro Saybolt, que mede a viscosidade em segundos.

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Ilustração de www.digitalmetrology.com

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A viscosidade de um lubrificante varia com a temperatura. Aditivos são adicionados ao óleo base para torná-lo multiviscoso. Nesse caso, dentro de uma faixa específica de temperatura, a viscosidade permanece praticamente estável com variações pequenas. A viscosidade para óleos com aplicação automotiva é medida pela classificação SAE para lubrificantes de motor, que vai de 0W a 50W, onde o W significa Winter – inverno, em inglês. Os óleos multiviscosos possuem sua viscosidade expressa em duas temperaturas : frio (número que precede o W) e quente – número após o W. Assim, um óleo 20W50, apresenta viscosidade de 20 quando frio, se comportando como um óleo de viscosidade 50 quando quente, na temperatura normal de operação do motor. A norma SAE J300 de Dezembro de 1995 estabelece as viscosidades e temperaturas para cada classificação, veja figura 5.4.

Viscosidade (cSt) a 100ºC Grau SAE Viscosidade (cP), máx. mínimo máximo 0W 5W 10W 15W 20W 25W 20 30 40 50 60

3250 a -30ºC 3,8 3500 a -25ºC 3,8 3500 a -20ºC 4,1 3500 a -15ºC 5,6 4500 a -10ºC 9,3 6000 a -5ºC 9,3 5,6 9,3 12,5 16,3 21,9 Fig. 5.4 – Classificação viscosidade SAE 1

9,3 12,5 16,3 21,9 26,1

5.3.2 - Classificação API Os óleos básicos não possuem características adequadas para a lubrificação dos motores de combustão interna modernos. Para melhorar as suas propriedades, aditivos são adicionados. Para classificar um óleo de acordo com sua qualidade dos aditivos, o Instituto Americano do Petróleo (API) estabelece a graduação de óleos, onde os que se iniciam com S correspondem a automóveis e os C, veículos comerciais a Diesel. Atualmente os óleos para motores por ignição a centelha (gasolina, álcool e gás natural) têm sua classificação iniciando em SF, até SL. Quanto maior a classificação, maior qualidade terá o óleo. O fabricante do motor estabelece a viscosidade adequada e a qualidade mínima exigida, podendo se utilizar igual ou de qualidade superior. 5.3.3 - Lubrificantes para motores 2 tempos O lubrificante tradicional para motores quatro tempos possui compostos organometálicos. Estes aditivos provocam o curto circuito na vela de ignição, pois provocam o acúmulo de 1

Tabela da norma extraída do www.lubri-norte.com.br

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metal em seus eletrodos. O lubrificante para motores dois tempos deve possuir aditivos especiais que não possuam essa característica.

5.4 - Contaminação do lubrificante

Com o tempo e a quilometragem, o lubrificante começa a acumular contaminantes que acarretam mudanças químicas e perda de propriedades. Os principais agentes contaminantes do lubrificante são: 5.4.1 - Substâncias abrasivas: compostos basicamente pela poeira, que consegue ultrapassar os dispositivos de filtragem do ar e partículas metálicas resultantes do desgaste do motor e que ficam em suspensão no óleo. Parte das substâncias abrasivas é retida pelo filtro de óleo, daí a necessidade de sua substituição regular; 5.4.2 - Produtos de combustão: os produtos resultantes da queima do combustível – água, ácidos e hidrocarbonetos não queimados – ultrapassam a vedação dos anéis e contaminam o lubrificante. Parte do combustível, em especial quando o motor está operando com mistura rica, dilui o lubrificante, descendo pelas paredes do cilindro até o carter; 5.4.3 - Produtos de oxidação: o lubrificante, contaminado por resíduos oxidantes, tende a formar vernizes que dificultam a lubrificação e a formação de uma película de óleo. O uso de aditivos dispersante e a substituição regular do óleo ajuda a diminuir o problema.

5.5 - Sistema de lubrificação de um motor de combustão interna

Um motor de combustão possui diversos elementos que, trabalhando em conjunto, atuam na lubrificação, conforme se pode visualizar na Fig. 5.5. Cárter – também conhecido como reservatório de óleo, mantém uma reserva de • óleo do motor além de servir de reservatório para o óleo que acabou de circular pelo motor. Além dessa função, o cárter atua na refrigeração do óleo, sendo bastante comum cárter equipados com aletas defletoras de calor para dissipação do calor à atmosfera; Bomba de óleo – situada nas partes mais baixas do motor, atua retirando óleo do • cárter através de um pescador de óleo e bombeando até os canais de lubrificação, que por sua vez leva o óleo para todas as peças que necessitam de lubrificação; Filtro de óleo – pode atuar em série com a bomba, filtrando o óleo que irá lubrificar • as peças ou em derivação. Tem a importante função de reter as impurezas em suspensão no óleo. Os filtros em geral possuem uma válvula de segurança que atua desviando o óleo do elemento filtrante em caso de entupimento, evitando colapso no sistema em caso de saturação do filtro; Válvula reguladora de pressão – uma válvula, situada na linha de lubrificação, faz o • alívio de pressões excessivas, limitando a pressão na linha. O excesso é desviado para o cárter; Radiador de óleo – em alguns motores, com o intuito de manter a temperatura do • óleo dentro de certos limites, são instalados trocadores de calor óleo-ar ou óleoágua. Esses trocadores de calor têm dupla função: aquecer rapidamente o óleo quando o motor estiver frio e manter a temperatura próxima da ideal que gira em pouco mais de 50º graus. O radiador de óleo é bastante comum em motores refrigerados a ar para complementar a refrigeração oferecida pelas aletas.

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Fig. 5.5 – Componentes do sistema de Lubrificação Em um motor diversos sistemas de lubrificação são utilizados: 5.5.1 - Lubrificação por pressão Uma bomba de óleo, geralmente de engrenagens, fornece óleo sob pressão para um sistema de canais. O virabrequim possui um canal de lubrificação de modo que o óleo chega aos mancais de pressão, sendo canalizada aos moentes para lubrificação das bielas. Um canal na biela garante a passagem de óleo para lubrificação do eixo do pistão. A pressão de lubrificação permite o atrito fluido, uma vez que o óleo forma uma cunha entre as superfícies a serem lubrificadas. 5.5.2 - Lubrificação por salpico As bielas equipadas com pescadores mergulham em cubas e, por inércia, o óleo penetra na biela e lubrifica o moente. O salpique gerado pelo processo ajuda a lubrificar as paredes dos cilindros, conforme se pode verificar na Fig. 5.6.

Fig. 5.6 – Lubrificação por salpico 1 1


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5.5.3 - Lubrificação por projeção Compreende a lubrificação sob pressão de todos os mancais e a lubrificação das bielas por um jato de óleo. A rotação da biela contra o jato intensifica a penetração do óleo, favorecendo a lubrificação e refrigeração do conjunto (fig. 5.7). 1 – Canal de óleo sob pressão 2 – Jato de óleo dirigido sobre a biela 3 – Cuba cheia de óleo para lubrificação por salpico

Fig. 5.7 – Lubrificação por projeção 1 5.5.4 - Lubrificação por mistura - motores dois tempos Nos motores de dois tempos, a lubrificação ocorre pela adição de óleo ao combustível, não existindo os componentes tradicionais do sistema de lubrificação de um motor quatro tempos. A queima do lubrificante produz a fumaça e cheiro característicos desse tipo de motor, apesar de o uso de óleos mais modernos ter reduzido a emissão de fumaça. Conforme já abrangido no capítulo de lubrificantes, o óleo utilizado é especialmente formulado para essa aplicação, queimando mais facilmente e evitando excesso de resíduos. A adição de óleo pode ser por dois métodos: Manual – seguindo a proporção recomendada pelo fabricante, o óleo é misturado • diretamente ao combustível no tanque. Apresenta o inconveniente da necessidade de ter o óleo sempre disponível, além da possibilidade de erro na proporção. Óleo em proporção aquém do recomendado provoca rápido desgaste do motor. Oleo em excesso, por sua vez, provoca carbonização excessiva, emissão elevada de fumaça, além de poder provocar o travamento das paletas da janela de escapamento do motor, com conseqüente perda de rendimento. Lubrificação automática – nesse caso existe um reservatório separado para o • lubrificante dois tempos. Uma bomba acionada pelo motor realiza a mistura geralmente à jusante do carburador, de acordo com regulagem específica de vazão para garantir a proporção recomendada pelo fabricante do motor. A bomba, denominada autolub ou lubrimatic , possui sua vazão controlada pela rotação e carga do motor, assim ao acelerar ou quando ocorre elevação do regime de giro, uma quantidade maior de lubrificante é fornecida, compensando o consumo maior de combustível nessas situações. 5.5.5 - Cárter seco É bastante utilizado em motores de grande porte, motores de veículos esportivos e algumas motocicletas. Nesse sistema (Fig. 5.8) o óleo é armazenado em um reservatório 1

Ilustração extraída de O Motor e seus acessórios – H.M. Chollet

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separado do motor. Uma bomba realiza a circulação forçada do óleo, ao passo em que uma bomba de retorno conduz o óleo do pequeno cárter na parte inferior do motor ao reservatório. O cárter nessa situação funciona como um captador, cabendo ao reservatório externo o armazenamento e refrigeração. Por esse motivo o sistema é denominado de cárter seco.

Fig. 5.8 - Sistema de cárter seco

5.6 – Aspectos da utilização e troca do lubrificante

O uso de um motor e sua manutenção influem diretamente na durabilidade e períodos de troca do lubrificante. Alguns fatores devem ser considerados: 5.6.1 - Nível do óleo Conservar o lubrificante em seu nível correto é um fator de grande importância. Se ele estiver excessivamente alto, o borrifo nas paredes dos cilindros será mais abundante, e a quantidade exagerada poderá estar acima da capacidade de controle dos anéis. Tal excesso penetrará na câmara de combustão e se queimará. Baixo nível de óleo, por sua vez, provoca queda na pressão do sistema de lubrificação, superaquecimento e uso severo do óleo, com graves conseqüências ao funcionamento e durabilidade do motor. Vale salientar que a luz indicadora da pressão do óleo só acenderá em caso de queda na pressão, fato crítico que ocorre quando o nível já se encontra demasiadamente baixo. A má interpretação das marcas da vareta medidora (Fig. 5.9) ocasiona muitas vezes enchimento excessivo do cárter. Quando se verificar o nível de lubrificante, o veículo precisa estar em local nivelado. A leitura nunca deverá ser feita logo que o veículo seja imobilizado, pois o óleo não teria tempo de escorrer todo para o cárter, levando a uma leitura errônea. A marcação deve se situar entre as marcas mínimo e máximo.

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Fig. 5.9 - Vareta medidora do nível de óleo do motor 5.6.2 - Diluição do óleo A umidade e o combustível que passa pelos anéis tendem a se diluir no óleo, provocando leituras fictícias de nível. Veículos que trafegam constantemente em temperaturas inferiores às normais de funcionamento, em especiais aqueles veículos utilizados para percursos curtos e rápidos, tendem a sofrer esse fenômeno com maior intensidade. Durante o funcionamento em baixas temperaturas, a mistura ar combustível fornecida ao motor tende a ser mais rica, para compensar a perda por evaporação e alterações na volatilidade do combustível. Parte do combustível não queimado escorre pelas paredes do cilindro, não sendo retida pelos anéis, o que provoca o fenômeno. Devido a essa contaminação, o óleo de um motor submetido a essas condições de uso deve ser trocado mais freqüentemente, pois esse é considerado uso severo. Um veículo, por exemplo, que circulou alguns milhares de quilômetros em sua maioria em percursos curtos. Nesse caso ocorrerá diluição de contaminantes no óleo. Em um determinado dia o mesmo veículo, conduzido a elevadas velocidades em uma estrada, num dia de calor, por uma distância de 100 km, evaporar-se-ão os elementos da diluição. O nível de óleo descerá tanto que o motorista será levado a crer que o motor está gastando óleo em excesso. O nível que baixou, na realidade, pertence em grande parte aos diluentes que evaporaram, servindo como exemplo de uma leitura fictícia. 5.6.3 - Viscosidade do óleo Alguns motoristas possivelmente acreditam que o consumo de óleo esteja em relação direta com a viscosidade usada. De fato, se aumentar a viscosidade diminuirá temporariamente o consumo. Porém pode elevar-se o desgaste por atrito, já que o óleo mais denso não pode penetrar entre as peças muito ajustadas quando o motor está frio. O emprego de óleo de viscosidade demasiadamente baixa para a temperatura ambiente pode elevar seu consumo. Nos casos de lubrificantes de viscosidade múltipla tais fatores podem não ser corretos, já que eles combinam em si as características de maior fluidez para a partida do motor a frio - e maior corpo - para lubrificação em temperaturas mais elevadas. 5.6.4 - Intervalos de troca Para que o motor funcione corretamente o óleo deve ser suficientemente penetrante para atingir rapidamente todas as peças internas do motor submetidas a atrito, contribuir para o arrefecimento das partes móveis do motor e possuir qualidades detergentes para

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conservar limpas as peças com as quais entre em contato. Ao mesmo tempo, deve manter em suspensão as impurezas até que chegue o momento da troca. Quanto mais tempo se conservar o óleo no motor mais decrescerá sua eficiência em manter em suspensão as impurezas. O óleo é submetido a diversas impurezas: combustível não queimado, resíduos da combustão, umidade e partículas metálicas resultante do desgaste do motor. O filtro do óleo retém parte dessas impurezas, mas mesmo assim as impurezas em suspensão tendem a saturar o óleo e o próprio filtro com o tempo, prejudicando as suas características físicas e químicas. Ao atingir a quilometragem ou tempo determinado, o óleo deve ser substituído para que a lubrificação continue de acordo ao projeto do motor. A substituição do óleo e do filtro de óleo deve seguir as recomendações do fabricante, onde são consideradas as especificações do óleo e peridiocidade de troca baseada na quilometragem, tempo e condições de uso do motor. O uso em regiões de muito poeira ou areia e uso severo determinam uma redução no período de troca. 5.6.5 - Consumo de óleo lubrificante Desde que se aumentou o intervalo entre as trocas de óleo do motor, vários têm sido os comentários a respeito do consumo de lubrificante. Isso pode atribuir-se em parte à opinião errônea de muitos proprietários de veículos, os quais sustentam que os modernos motores não devem consumir óleo em quantidade que possa ser notada, entre uma troca e outra. Não é possível estabelecer uma norma genérica relativa ao consumo de lubrificante. O motor de determinado veículo pode muito bem consumir um litro de óleo a cada 2.500 km, enquanto que outro idêntico gasta a mesma quantidade em apenas 1.500 km em diferentes condições de trabalho. Apesar da flagrante diferença esse consumo pode ser normal em ambos os casos. Um caminhão, por exemplo, pode consumir normalmente um litro de óleo a cada 800 km dadas as suas rigorosas condições de funcionamento. A película de óleo que recobre as paredes dos cilindros, embora finíssima é irrecuperável: queima-se a cada curso de explosão. Por outro lado, a camada de lubrificante que atua nas hastes das válvulas desce para a câmara de combustão onde também é inflamada juntamente com a mistura combustível. O perfeito ajuste das peças móveis dos motores atuais reduz em muito esse consumo de óleo, mas não pode eliminá-lo em absoluto, do contrário, não haveria lubrificação. Isso explica porque é necessário que um motor, mesmo em condições mecânicas absolutamente perfeitas, consuma pequena parcela do óleo lubrificante. O consumo de lubrificante depende de diversos fatores: Forma de dirigir - em alta rotação o motor tende a consumir uma quantidade maior • de óleo, em especial em altas temperaturas; Cargas elevadas – um motor submetido a elevados requerimentos de potência • consumirá uma maior quantidade de lubrificante, em especial devido a maior quantidade de comburente que é queimado; Porte do motor – motores de grande porte possuem cilindros com área maior, • portanto maior quantidade de óleo é submetido às compressões e temperaturas da combustão; Tipo de ignição – motores com ignição por compressão (Diesel) consomem mais • óleo devido a elevada pressão que atinge os cilindros, fazendo com que parte do lubrificante se inflame;

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Marcha lenta – submeter o motor a longos períodos em marcha lenta provoca problemas de lubrificação, desgaste e maior queima de óleo; Folgas e desgastes internos – o desgaste do motor, aumenta as folgas internas, • provocando uma maior perda de lubrificante que deixa de ser retirada da câmara pelos anéis de segmento; Motores novos ou recém retificados – nesse caso o consumo também é maior nos • primeiros 5.000 Kms decorrente dos ajustes internos não totalmente efetuados durante o processo de amaciamento do motor; Vazamento externo – juntas danificadas podem provocar vazamentos externos que • provocam perda de lubrificante; Sistema de ventilação do cárter – os gases provenientes do cárter são conduzidos • à queima com o intuito de conter as emissões de gases poluentes. Entupimentos ou problemas nesse sistema podem fazer com que o motor queime óleo juntamente com os vapores deste, aumentando o consumo de lubrificante. Durante o projeto e teste de validação de um motor, é estabelecido um gráfico de consumo de lubrificante em relação ao consumo de combustível. Verifica-se também o consumo máximo admissível de óleo, informação essa também fornecida pelo fabricante do motor. Um consumo exagerado deve ser verificado quanto às causas para correção de eventuais desgastes ou mau uso. •

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6 - Sistema de Arrefecimento

Fig. 6.1 – A combustão gera uma considerável quantidade de calor 1 A queima do combustível em um motor de combustão interna provoca, além da geração do trabalho que moverá o automóvel, uma considerável quantidade de calor – Fig. 6.1. O calor é o que determina o movimento dos pistões e conseqüente funcionamento do motor. No entanto, os componentes do motor não resistem às temperaturas extremas e podem vir a fundir ou engripar, resultando no colapso das peças. O sistema de arrefecimento atua de forma a manter a temperatura do motor dentro de certos limites, de forma que aproveite ao máximo a energia do combustível sem, no entanto, ser danificado por temperaturas excessivas. Para se ter uma idéia da quantidade de calor despendida, basta dizer que de 12 a 20% da energia proveniente da queima do combustível é transformada em calor que será removido para a atmosfera. Outros 3 a 4% da potência do motor serão gastos para acionar os componentes que estão diretamente relacionados com o arrefecimento do motor.

6.1 - Motores refrigerados a ar

Alguns motores menores e em aplicações especiais são refrigerados a ar. Nesses sistemas, aletas garantem uma área maior de contato com ar, garantindo a refrigeração. Em alguns casos, um ventilador é instalado para forçar uma maior quantidade de ar contra as aletas, além da circulação de ar imposto pelo próprio deslocamento do veículo. Nos motores refrigerados a ar, a temperatura de operação é mantida sob controle pela atuação do ar e do lubrificante, que nesse caso possui papel ainda mais importante na remoção de calor das partes internas do motor. Como exemplo de motores refrigerados a ar, tem-se: algumas motocicletas, antigo Fusca, Kombi e os modelos antigos da Porsche – Fig. 6.2. Alguns modelos de: pequenos aviões; tanques de guerra; barcos e motores estacionários também utilizam a refrigeração a ar.

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Fig. 6.2 – Motor Porsche Flat 6 refrigerado a ar 6.1.1 - Vantagens da refrigeração a ar: Simplicidade, com a presença de poucos componentes; • Fácil manutenção; • Não requer água, o que elimina a corrosão provocada pelo líquido e facilita a • operação. 6.1.2 - Desvantagens da refrigeração a ar: Capacidade de remoção de calor limitada; • Em alguns casos exige refrigeração suplementar do óleo lubrificante; • Menor absorção de ruídos oriundos da queima do combustível no interior dos • cilindros, uma vez que não possui câmaras de água; Maior severidade requerida do lubrificante, o que pode determinar prazos menores • para a troca. 6.1.3 - Cuidados com motores refrigerados a ar Alguns cuidados garantem a durabilidade dos motores refrigerados a ar no que tange o sistema de arrefecimento: Óleo lubrificante – o óleo lubrificante deve ser rigorosamente trocado no prazo • especificado pelo fabricante, bem como as especificações requeridas pelo motor devem ser atendidas; Aletas e canais de refrigeração – é necessário que se mantenha as aletas limpas e • livres de obstáculos, assim como as entradas de ar de refrigeração do motor. A obstrução dessas passagens prejudica a refrigeração com possibilidade de superaquecimento e danos ao motor; Pintura – deve-se evitar pintar o motor ou aletas com produto não indicado pelo • fabricante. A tinta inadequada prejudica a troca de calor; Fluxo de ar – não se deve acelerar em demasia com o veículo parado. Nesse caso, • a ausência de ar circulado pela movimentação do motor, prejudicará a refrigeração do motor. Ventilador – caso o motor possua, deve-se assegurar o seu correto funcionamento. •

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6.2 - Refrigeração líquida

A imensa maioria dos automóveis possui motor com refrigeração líquida. O sistema garante boa capacidade de refrigeração com relativa simplicidade. O fluido de arrefecimento, composto por água e aditivo, circula em canais dentro do motor, retirando calor para posterior desprendê-lo ao meio ambiente através do radiador, conforme se vê na Fig. 6.3. 6.2.1 - Vantagens da refrigeração líquida: Grande capacidade de refrigeração, o que permite elevados rendimentos em • motores compactos; Não requer aletas no motor, simplificando o seu desenho e fabricação, além de • torná-lo mais leve e compacto; Exceto pela tomada de ar do radiador, não requer tomadas de ar adicionais para • refrigeração. 6.2.2 - Desvantagens da refrigeração líquida: Necessita de área para instalação do radiador; • Possui diversos componentes, o que torna a manutenção mais complexa; • Necessidade de espaço para entrada de ar do radiador, mangueiras e reservatório • de expansão.

Fig. 6.3 - Sistema de refrigeração líquida 6.2.3 - Componentes do sistema de refrigeração líquida: O sistema de arrefecimento líquido é composto pelos seguintes componentes principais: 6.2.3.1 - Bomba d´água Garante a circulação de água dentro do motor e através do radiador. A bomba é movimentada por uma correia conectada ao motor. A bomba garante que a água circule com boa vazão, permitindo uma grande eficiência na remoção de calor (Fig. 6.4).

Fig. 6.4 - Bomba d´água

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6.2.3.2 - Radiador Dispositivo que a realiza a troca térmica entre a água aquecida oriunda do motor, e o ar do meio ambiente. Tubos conectados a aletas garantem uma grande área de contato entre o ar e a água a ser resfriada, permitindo uma eficiente troca de calor.

Fig. 6.5 - Radiador e ventiladores elétricos Para garantir uma circulação de ar mesmo em baixas velocidades, um ventilador, que pode ser elétrico ou acionado diretamente pelo motor, provoca a circulação de ar forçado – Fig. 6.5. O radiador provoca a redução na temperatura da água para que essa possa retornar ao motor, garantindo assim a reutilização da água em um sistema fechado. 6.2.3.3 - Reservatório de expansão O radiador possui uma mangueira conectando-o a um reservatório, denominado reservatório de expansão. A função desse reservatório é recuperar por condensação a água que evaporou, evitando a necessidade de completar o nível da água com freqüência. O abastecimento do sistema é feito pelo reservatório de expansão, que faz a complementação do volume de água do radiador. 6.2.3.4 - Tampa do radiador O radiador é fechado, de forma que a água, com a elevação da temperatura, permanece pressurizada no interior de todo o sistema. A pressurização, tal como em uma panela de pressão, permite que a água ultrapasse os 100 graus Celsius sem evaporar. Para evitar que algum problema provoque a elevação da pressão a níveis muito elevados, a tampa do radiador possui uma válvula que permite a abertura para a saída do vapor, preservando as mangueiras de borracha de rompimentos por excesso de pressão. Caso ocorra abertura da válvula, nota-se a presença de vapor, indicativo de superaquecimento do sistema. 6.2.3.5 - Ventilador do radiador Como já foi dito, para garantir um fluxo adequado de ar no radiador mesmo em baixas velocidades, é necessária a presença de um ventilador que pode ser acionado diretamente pelo motor ou elétrico. O último é acionado por um sensor de temperatura ou pela central de controle eletrônico do motor, quando a água atinge determinada temperatura.

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6.2.3.6 - Mangueiras e conexões Conectando os diversos componentes do sistema existem mangueiras de borracha. Elas foram projetadas para suportar a vibração, temperatura e pressão envolvidos e agem também como elemento fusível. Caso ocorra superaquecimento por algum motivo e a válvula da tampa do reservatório / radiador não atue, as mangueiras se rompem vazando o excesso de pressão. Nesse caso o motor deverá ser desligado até se efetuar o reparo. 6.2.3.7 - Válvula termostática Para garantir um fluxo adequado de água no motor, uma válvula termostática está inserida no sistema. Sua função é evitar que a água circule pelo radiador enquanto o motor estiver frio o que atrasaria o aquecimento, ao mesmo garantindo um fluxo de água elevado quando o motor estiver quente (Fig. 6.6).

Fig. 6.6 – Válvula termostática 1 A válvula se abre gradualmente com a elevação da temperatura, mantendo o motor sempre na temperatura mais adequada a seu máximo rendimento. Alguns mecânicos recomendam a remoção da válvula para aumento do fluxo de água, atitude que é extremamente prejudicial ao funcionamento do motor. Sem a válvula, o motor demorará muito tempo para atingir a temperatura normal de trabalho, com redução na vida útil e maior consumo de combustível. 6.2.3.8 - Sensor de temperatura / termômetro Conectado ao sistema de arrefecimento, próximo à válvula termostática existem dois sensores de temperatura: um informa a temperatura do fluido de refrigeração ao motorista, seja através de um ponteiro no painel de instrumentos, seja por uma luz de advertência no painel de instrumentos para advertir o condutor em caso de superaquecimento do líquido; o outro informa a central de controle eletrônico do motor a temperatura do líquido de arrefecimento para que seja feito o cálculo da injeção de combustível em função da temperatura de operação do motor. Em alguns motores, os dois sensores compõem uma única peça. 6.2.3.9 - Aditivo do líquido de arrefecimento Vital a durabilidade do sistema, o aditivo apresenta as seguintes funções: Inibe a corrosão; • Dispersa sujeiras presentes no sistema; • Eleva a temperatura de ebulição da água; • Impede o congelamento da água – para aqueles veículos que circulam em inverno • rigoroso. 1

Ilustração extraída do site How stuff works

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6.2.4 - Cuidados com o sistema de refrigeração líquida: Os principais cuidados que se deve ter com o sistema é o seguinte: Manter o líquido no nível correto, fazendo uma verificação semanal; • Utilizar aditivo recomendado pelo fabricante na proporção indicada; • Realizar uma limpeza periódica do sistema, retirando o fluido antigo, lavando e • repondo com aditivo e água limpa; Verificar regulamente o estado das correias e substituir em caso de trincas ou • danos; Em caso de superaquecimento, parar o veículo e verificar o nível do fluido, estado • das correias e ventilador do radiador; Não abrir a tampa do radiador / vaso de expansão com o veículo quente - existe o • risco de queimaduras graves. Aguardar que o motor esfrie; Abastecer o sistema preferencialmente com o motor não completamente aquecido, • com o motor ligado e lentamente, evitando que a água fria provoque choques térmicos; Desobstruir a entrada de ar do radiador de qualquer obstáculo que possa prejudicar • a circulação de ar; Caso o sistema necessite de abastecimento constante, verificar a ocorrência de • vazamentos. O teste de vazamento mais efetivo é feito pressurizando o sistema com uma bomba de ar, equipamento disponível em oficinas especializadas; Não manter o motor funcionando superaquecido. Danos poderão ocorrer nas • mangueiras, juntas do motor e até mesmo empeno no cabeçote, resultando em danos elevados.

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7 – Sistema de Distribuição É denominado sistema de distribuição (Fig. 7.1) o conjunto de elementos responsáveis pela admissão de ar e escape dos gases queimados do motor. Esses elementos são: Eixo comando de válvulas; • Tuchos de válvulas; • • Válvulas; Molas de válvulas; • Variadores de fase. •

Fig. 7.1 – Mecanismo de distribuição 1 O comando de válvulas é um eixo que possui diversos cames para o acionamento das respectivas válvulas. O came é uma espécie de ressalto que permite movimentar outra peça de forma alternativa através do movimento circular do eixo comando de válvulas. A localização das válvulas e do eixo comando identifica o motor com uma respectiva sigla: OHV - Válvulas montadas na cabeça do motor ( Over Head Valves). Nesse modelo, • as válvulas são montadas na cabeça do motor. Devido a maior quantidade de peças envolvidas no acionamento das válvulas, o sistema OHV é menos eficiente em altas rotações e necessita de regulagens mais freqüentes. Praticamente o sistema está restrito a motores de maior porte e menor giro, como alguns motores Diesel; OHC – Comando de válvulas no cabeçote ( Over Head Camshaft ). Nessa • configuração, não só as válvulas como o próprio eixo de comando situa-se no cabeçote. SOHC – Comando simples no cabeçote ( Single Over head camshaft ) – trata-se de • um motor equipado com um único comando para as válvulas admissão e escape. DOHC – Comando duplo no cabeçote ( Double over head camshaft ) – esse motor • possui duplo comando, onde um comando de válvulas é responsável pela abertura das válvulas de admissão, enquanto o outro pelas válvulas de escapamento.

7.1 - Válvulas

As válvulas são responsáveis por permitir a entrada da mistura ar combustível e a saída dos gases de exaustão, mantendo o cilindro corretamente vedado nos momentos em que estiverem fechadas. 1

Ilustração extraída do site How Stuff works

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As válvulas possuem duas partes principais: a haste a cabeça. A haste se movimenta através de um furo no cabeçote denominado guia de válvula. A perfeita vedação nessas guias é garantida pelo retentor de válvula. A cabeça veda perfeitamente na sede da válvula situada no cabeçote, graças a suas bordas cônicas que permitem perfeito casamento. Para garantir o rápido fechamento das válvulas após a passagem do came, molas forçam o retorno – Fig. 7.2. Essas molas são perfeitamente calculadas de forma que não ocorra a chamada flutuação de válvulas 1 durante todo o regime de rotação do motor.

Fig. 7.2 – Mecanismos de acionamento das válvulas 2 7.1.1 - Folga das válvulas O funcionamento do motor proporciona um aquecimento das válvulas e conseqüentemente a sua dilatação. Para permitir que as válvulas se dilatem, uma certa folga deve existir entre a haste e o acionamento da mesma. Se essa folga for demasiadamente pequena, pode ocorrer da válvula não fechar completamente ao dilatar. Folgas muito grandes, por sua vez, geram ruído e impossibilitam a abertura total da válvula. Para garantir uma folga perfeita, existe um ajuste que deve ser efetuado regularmente para compensar eventuais desgastes. Os motores equipados com tuchos hidráulicos possuem a folga compensada automaticamente, dispensando ajuste periódico além de garantir um funcionamento bastante silencioso. 7.1.2 - Rotação das válvulas Com o intuito de evitar o depósito de carvão e garantir maior uniformidade na distribuição da temperatura, o mecanismo de acionamento das válvulas é montado de forma que as válvulas girem ligeiramente em cada acionamento. 1

Flutuação de válvula corresponde ao fenômeno em que a válvula não consegue acompanhar a velocidade de acionamento do comando, devido ao excesso de rotação do motor. 2 Ilustração extraída do curso Mecânico de Automóveis – Instituto Universal Brasileiro

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Um dos artifícios para garantir a rotação das válvulas, é a montagem do dispositivo de acionamento descentralizado em relação à haste da válvula, como se pode ver na Fig. 7.3, onde o balancim está ligeiramente fora do centro da haste da válvula.

Fig. 7.3 – Balancim descentralizado para rotação da válvula

7.2 - Tuchos

São elementos intermediários instalados entre o os cames do eixo comando de válvulas e o mecanismo de acionamento das válvulas, que pode ser um balancim, uma vareta ou a própria válvula. Os tuchos são destinados a controlar as folgas e ruídos de funcionamento do sistema. Os tuchos podem ser mecânicos ou hidráulicos. Os tuchos mecânicos admitem regulagem de folga, o que deve ser feito regularmente de acordo com o plano de manutenção do motor, ou em caso de ruídos anormais. O tucho hidráulico, por sua vez, consiste de um pequeno pistão dentro de um cilindro que é preenchido pelo próprio óleo do motor, o que resulta em seu contato permanente com o ressalto do comando. Esses componentes têm como vantagens a ausência de folga, tornando mais silencioso o funcionamento do motor, além de livrar o motor de regulagens periódicas da folga das válvulas. Veja Fig. 7.4.

Fig. 7.4 – Tucho Hidráulico 1 1

Ilustração do FIAT Marea Motor 2.0 20V

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Nem sempre o comando movimenta a válvula diretamente. O acionamento da válvula depende de outros componentes que variam conforme a configuração do sistema de distribuição do motor. Nas ilustrações a seguir podem-se ver algumas das configurações mais comuns, bem como o funcionamento do sistema.

Fig. 7.5 – Acionamento da válvula através de balancim 1

Fig. 7.6 – Motor OHV, com comando no bloco e válvulas no cabeçote 1 1

Ilustração Riográfica AUTOFÁCIL – As válvulas - como o motor respira

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No Fig. 7.5 pode-se ver que o comando aciona o balancim, que por sua vez aciona a válvula. A folga da válvula pode ser regulada através do assento do balancim. O comando pode acionar diretamente a válvula através do tucho, como ilustra Fig. 7.4. Nos motores OHV, por sua vez, o comando aciona o tucho que movimenta uma vareta. A vareta, por sua vez, aciona o balancim que aciona a válvula.

7.3 - Influência dos momentos de abertura e fechamento das válvulas

O sistema de distribuição é determinante para todo o comportamento dinâmico do motor, sua potência, torque e rotações máximas. O momento e o tempo em que cada válvula permanecer aberta, terá influência também na emissão de gases poluentes, no consumo de combustível e no desempenho, cabendo ao fabricante especificar esses valores. Tais especificações compõem o chamado diagrama de válvulas do motor. Muitos motores possuem um diagrama de válvulas tal que as válvulas de admissão e escapamento permanecem, durante um curto espaço de tempo, abertas ao mesmo tempo - isso é denominado cruzamento de válvulas. Abrir a válvula de admissão ao final do escapamento provoca a lavagem da câmara com a nova mistura que está entrando, além de contribuir através da inércia dos gases de escape a aumentar o enchimento. Os gases de escape saindo da câmara de combustão provocam o arraste da mistura ar combustível para o interior do motor. O cruzamento de válvula causa também aumento de consumo e emissão de poluentes, na medida em que parte da mistura ainda não queimada flui diretamente para o escapamento. A abertura prematura da válvula de escapamento, por sua vez, ajuda a reduzir a pressão na câmara de combustão, aproveitando essa pressão para expulsar os gases provenientes da queima. O atraso no fechamento da válvula de admissão aproveita a inércia dos gases em admissão, melhorando o enchimento dos cilindros.

Fig. 7.7 – Exemplo de Diagrama de válvulas 1 1

Ilustração de Motores de Combustão Interna – FIAT Treinamento Assistencial

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7.4 - Gráfico da distribuição – diagrama de válvulas

Um gráfico em forma de círculo representa todo o diagrama de válvulas de um motor, onde se pode identificar o momento de abertura e fechamento das válvulas bem como os cruzamentos de válvulas existentes. Para entendimento do gráfico, basta saber que: O círculo representa a rotação do virabrequim; • A linha vertical corta o círculo no Ponto Morto Superior e Ponto Morto Inferior; • As demais linhas representam os momentos de abertura das válvulas. • Veja um diagrama de válvula na Fig. 7.7.

7.5 - Distribuição variável

Como já visto, as cotas de distribuição de um motor influenciam o enchimento dos cilindros, trazendo conseqüências ao rendimento do motor, sua potência, economia e emissão de poluentes. Alterando-se a distribuição de acordo ao regime de funcionamento do motor, pode-se obter um enchimento máximo dos cilindros em todas as situações de uso. Regulando o tempo de cruzamento entre o fechamento da válvula de escape e a abertura da válvula de admissão, as características do motor podem ser alteradas para proporcionar um torque imediato do motor ao longo de toda a gama de regimes de utilização. Atualmente, dois tipos de dispositivos são utilizados para proporcionar uma distribuição variável ao motor: comandos de válvulas variáveis e variadores de fase. 7.5.1 - Comandos de válvulas variáveis Permitem efetivo controle variável nas válvulas, atuando no cruzamento, levante e, por vezes, permitindo abertura de apenas parte das válvulas disponíveis. O acionamento do dispositivo é eletrônico através de um motor elétrico ou pressão hidráulica. 7.5.1.1 - Ferrari – a italiana Ferrari utiliza um interessante dispositivo de variação de distribuição, no qual o levante da válvula pode ser alterado de acordo à rotação e carga do motor – Fig. 7.8.

Fig. 7.8 - Comando variável Ferrari 7.5.1.2 - Honda VTEC - Variable Valve-Timing and Lift Electronic Control , ou controle eletrônico de tempo e levante de válvulas. Sistema desenvolvido e aprimorado pela Honda através de suas experiências em competições, equipa algum dos modelos da marca. No

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caso do VTEC da Honda, cada par de válvulas possui três ressaltos: dois iguais nas extremidades e um diferente no meio. Em rotações baixas e médias, apenas os ressaltos externos, menores, acionam as válvulas. Atingido um regime predeterminado, a pressão do óleo do motor, comandada eletronicamente, coloca em funcionamento o ressalto central, que proporciona maior levante. Veja as figuras 7.9 e 7.10. O motor assume então um novo diagrama de comando, com maior abertura e levantamento, que transforma seu desempenho e o leva até rotações superiores a 7.000 rpm.

Baixas e médias rotações

Altas rotações

Fig. 7.9 - Comando de válvulas variável Honda VTEC

Fig. 7.10 - Mecanismo de variação de diagrama de válvulas Honda VTEC 7.5.1.3 - Porsche Variocam O sistema, utilizado nos novos 911, utiliza um atuador hidráulico para selecionar dois diagramas de distribuição diferentes. Além disso, existe um elevador variável que possibilita levantes variáveis em dois estágios. Como se pode ver na ilustração, cada válvula é servida por 3 lóbulos da came, o central tem um levante menor (3 milímetros

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somente) e uma duração mais curta para a abertura da válvula. Os dois lóbulos exteriores são exatamente os mesmos, com sincronismo rápido e levante maior (10 milímetros). A seleção de lóbulos é feita através de uma espécie de tucho variável, que consiste de um tucho interno e em um tucho exterior. Desta maneira, com os tuchos travados os lóbulos "rápidos" da came acionam as válvulas, fornecendo o maior levante e uma abertura de longa da duração. Se os tuchos não forem travados, as válvulas serão acionadas pelos lóbulos da came através dos tuchos internos - Fig. 7.11. O mecanismo variável do elevador é simples e compacto. Os tuchos variáveis não são mais pesados que os convencionais e praticamente ocupam o mesmo espaço.

Fig. 7.11 – Diagrama de válvulas variável Porsche Variocam 7.5.1.4 – BMW Valvetronic Permite variações no levante das válvulas de admissão mediante o acionamento de um atuador elétrico que move uma articulação.

Fig. – Sistema BMW Valvetronic 70


7.5.2 - Variadores de fase

Variador de fase

Fig. 7.12 - Motor Volkswagen 1.0 Turbo com variador de fase na admissão Mais simples e barato que o VTEC, o variador de fase é largamente utilizado na indústria européia. Na produção brasileira equipa alguns modelos, como o Marea, Brava 1.8 e Gol turbo. Seu princípio é variar o tempo de cruzamento das válvulas através da modificação do posicionamento do comando de válvulas. O comando das válvulas de admissão pode ser adiantado em regimes elevados para propiciar melhor enchimento dos cilindros. 7.5.2.1 - BMW VANOS - Variable Nockenwellen Steuerung , ou comando de válvulas variável, é um sistema hidráulico e mecânico baseado em um mecanismo que pode modificar a posição do comando de admissão em relação ao virabrequim. O sistema Double-VANOS possibilita modificar a posição dos comandos de admissão e escapamento. O sistema VANOS opera de acordo à rotação e carga do motor. Em rotações baixas, as válvulas de admissão são abertas mais tardiamente, o que melhora a qualidade da marcha lenta e suavidade do motor. Em rotações mais elevadas, as válvulas de admissão abrem mais cedo, o que aumenta o torque e reduz o consumo e emissão de gases poluentes. O Doule-VANOS possibilita melhor controle no cruzamento de válvulas, conseguindo maiores variações.

Fig. 7.13 – Variador de válvulas BMW VANOS

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8 - Sistema de admissão

Cabe a esse sistema levar o ar até os cilindros do motor, e a mistura ar combustível, no caso de motores equipados com carburador ou com injeção monoponto.

8.1 - Filtro de ar

O motor admite durante o seu funcionamento uma grande quantidade de ar para composição da mistura que irá ser queimada. A presença de impurezas, como poeira e outras partículas em suspensão, pode provocar graves danos ao motor devido ao atrito causado. Logo após a captação do ar é instalado um filtro, com a finalidade de evitar esse tipo de problema. O filtro retém as impurezas em suspensão preservando o motor. A maior parte dos modelos de filtro de ar é constituída de um papel filtrante, sendo que alguns possuem papel viscoso com o intuito de ampliar a retenção de impurezas. Outros modelos são laváveis, em especial os de veículos pesados, garantindo redução nos custos. O filtro de ar fica alojado em uma carcaça que pode incorporar outros dispositivos: 8.1.1 - Pré filtro – dispositivo que retira as impurezas maiores antes de atingir o filtro de papel. Mecanismos bastante utilizados são as chicanas na passagem do ar, forçando as impurezas a se depositarem em um reservatório através da centrifugação do ar. O pré filtro aumenta a vida útil do filtro, barateando a manutenção – veja Fig. 8.1;

Fig. 8.1– Filtro de ar com pré-filtro centrífugo 8.1.2 - Pré aquecimento do ar (thermac) – realiza uma mistura entre ar puro e ar pré aquecido. O aquecimento em geral é obtido através de uma tomada de admissão próxima do coletor de escape. O ar pré aquecido facilita o funcionamento do motor durante a fase fria, além de provocar uma melhor performance do mesmo. Uma palheta móvel estabelece a proporção entre ar 72


quente e ar puro, regulando a temperatura que será admitida pelo motor. O thermac controla essa palheta através do vácuo e de um dispositivo bimetálico sensível à temperatura.

Fig. 8.2 – Dispositivo de pré aquecimento do ar admitido - Thermac O filtro possui um prazo para limpeza e substituição, sendo que a depender do modelo, a limpeza não é permitida sob pena de danos ao elemento filtrante. O fabricante, com base no ambiente de utilização, estabelece os prazos de manutenção exigidos. 8.2 - Ressonadores Para impedir que o ruído da aspiração, juntamente com a vibração do motor, entrem em ressonância, a sistema de admissão, incluindo a caixa do filtro de ar, devem ter sua geometria corretamente dimensionada.

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Fig. 8.3 – Ressonador no sistema de admissão Em caso de ressonância, ruídos incômodos surgirão, elevando o nível de ruído de todo o veículo. Os ressonadores, estrategicamente instalados na linha de admissão de ar modificaram o comportamento do sistema, impedindo a ocorrência de ressonância durante a faixa de uso de rotação de trabalho do motor. 8.3 - Corpo de Borboleta Fixado no coletor de admissão, o corpo de borboleta tem a importante missão de dosar a quantidade de ar que o motor irá admitir, correspondente à solicitação do acelerador que está fisicamente conectado, através de um conjunto de articulações, à válvula de borboleta. Nos sistemas carburados, a abertura maior da borboleta faz com que uma quantidade maior de combustível seja arrastada pelo ar. A injeção eletrônica, por sua vez, possui sensores que detectam a quantidade de ar admitido e o ângulo de abertura da borboleta para assegurar o fornecimento de uma quantidade ideal de combustível em cada instante.

Fig. 8.4 – Corpo de borboleta – a borboleta adicional visa aumentar disponibilidade de ar Alguns motores possuem duas válvulas borboletas, sendo que a segunda abre-se após a primeira atingir uma determinada abertura. A abertura extra visa fornecer uma quantidade extra de ar para garantir melhor desempenho. Quando o acelerador encontra-se solto, a válvula borboleta permanece com uma abertura mínima geralmente insuficiente para o funcionamento do motor em marcha lenta. Um desvio de ar (bypass ) permite a passagem do ar suplementar ao funcionamento do motor. O controle da vazão de ar através desse desvio é função do controle da marcha lenta do motor. 8.3.1 - Aquecimento do corpo da borboleta Baixas temperaturas e umidade podem fazer com que a temperatura no corpo de borboleta seja bastante reduzida, o que poderia resultar em condensações e até formação de gelo. Para evitar esse problema, alguns sistemas possuem aquecimento que pode ser através da água do sistema de arrefecimento ou através de uma resistência elétrica.

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Fig. 8.5 - Sistema de admissão de ar do FIAT Palio 1.6 16V

8.4 - Coletor de admissão

Responsável por conduzir o ar ou a mistura ar combustível até o cabeçote do motor, o coletor geralmente é feito em plástico, alumínio ou ferro fundido – Fig. 8.6. A geometria e comprimento do mesmo é alvo de estudos do fabricante com relação ao comportamento desejado do motor (Fig. 8.5). Outro fator relevante é a sua temperatura. Motores à álcool geralmente possuem coletores pré aquecidos para evitar a condensação no interior do mesmo, em especial os modelos alimentados por carburador ou injeção monoponto, no qual a mistura ar combustível atravessa toda a extensão do coletor, tendendo a refrigerá-lo em demasia.

Fig. 8.6 – Coletor de admissão de liga de alumínio A rugosidade no interior do coletor influencia também no comportamento do motor, onde geralmente um coletor mais rugoso privilegia o torque em baixa rotação, ao passo em que o coletor bem polido internamente favorece o desempenho em altas rotações

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8.4.1 - Admissão com geometria variável O percurso do ar influi no desempenho do motor de acordo à rotação. O comportamento do ar durante a abertura e fechamento das válvulas gera um determinado fluxo no interior do sistema de admissão que tende a se comportar de forma diferente de acordo ao regime do motor. Coletores longos favorecem o enchimento dos cilindros em especial em baixas rotações. O pulsar das válvulas provoca um fluxo favorável. Em altas rotações, no entanto, a presença de um coletor longo gera uma indesejável perda de carga, com conseqüente prejuízo ao rendimento. A pulsação decorrente da abertura e fechamento das válvulas é um fator dinâmico na eficiência volumétrica. O gráfico da Fig. 8.7 ilustra como o tamanho do coletor afeta a eficiência volumétrica nos diversos regimes de rotação.

Fig. 8.7 – Influência do tamanho do coletor na eficiência volumétrica Os fabricantes equipam a maioria dos motores com um coletor de geometria adequada à faixa de rotação mais adequada, agindo como um meio termo. Na busca de melhor desempenho, alguns fabricantes equipam os motores com coletores de admissão variáveis, de acordo à carga do motor. Uma vez que coletores curtos favorecem a potência e coletores longos melhoram o torque em baixas rotações, esse mecanismo faz com que o motor trabalhe sempre na configuração mais adequada ao regime de giros utilizado. O dispositivo (Figs. 8.8 e 8.9) é composto de dois dutos, um mais curto e outro mais longo. Uma borboleta, gerenciada pelo controle eletrônico do motor, determina se o ar aspirado deve fazer um percurso ou outro. Se ela está fechada, o ar vai para o duto longo; se está aberta, vai para o duto curto. O coletor de admissão variável, juntamente com o comando de válvula variável, determina uma uniformidade no funcionamento do motor, com melhor rendimento e reduzida emissão de poluentes. O dispositivo é especialmente interessante em motores multi-

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válvulas para melhorar o toque em baixas rotações, deficiência típica desses tipos de motores.

Fig. 8.8 – Coletor de admissão variável do motor Volkswagen 1.8T

Fig. 8.9 – Funcionamento de um coletor de admissão variável

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9 - Sistema de escapamento Cabe ao sistema de escapamento (Fig. 9.1) descartar o mais rapidamente possível, em um ponto conveniente do veículo, os gases resultantes da queima do combustível no motor. O sistema também t ambém deve atender aos seguintes requisitos: A perda de potência do motor, devido à restrição no escoamento dos gases, gases, deve • ser mínima; O sistema deve contribuir para manter em níveis adequados às emissões de gases • poluentes; O ruído interno e externo deve atender às legislações e requisitos requisitos de projeto do • veículo; O trajeto dos tubos de escapamento escapamento e a posição posição dos seus componentes componentes devem ser ser • estabelecidos de forma a proteger termicamente o tanque de combustível, componentes mecânicos sensíveis e o compartimento de passageiros; O sistema deve ter proteção adequada adequada quanto à corrosão e ataque de resíduos • químicos decorrentes da combustão; Uma distância mínima deve deve ser prevista com relação a peças mecânicas mecânicas móveis e • com relação ao solo, para evitar impactos e ruídos; A fixação do sistema à carroceria deve ser tal que não transmita as vibrações do • motor.

9.1 - Componentes do sistema de Escapamento O sistema é composto das seguintes partes principais:

Fig. 9.1 - Sistema de escapamento do Porsche 911 9.1.1 - Coletor de escapamento Direciona ao tubo dianteiro os gases de escapamento. O coletor de escapamento está conectado ao cabeçote, realizando a coleta e a distribuição dos gases saídos dos cilindros ao tubo. Coletor de escapamento dimensionado – é feito de forma a permitir menor restrição ao fluxo de gases de escapamento e com a resistência ao fluxo igual para todos os cilindros. Isso não implica que o comprimento dos tubos seja o mesmo, mas que ofereçam uma mesma resistência. A nomenclatura AxB significa A tubos de entrada, em geral igual ao número de cilindros, e B tubos de saída, no final do sistema de escapamento. Por

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exemplo, 4x1 ou 4-em-1. Geralmente os coletores dimensionados são utilizados em veículos de competição ou esportivos devido ao alto custo.

Fig. 9.2 - Coletor de escapamento dimensionado 4x1 9.1.2 - Tubo Dianteiro Responsável pela condução dos gases do coletor do motor para o catalisador. 9.1.3 - Catalisador Também conhecido como conversor catalítico, é considerada a mais importante inovação tecnológica incorporada aos sistemas de exaustão de veículos nos últimos tempos. Possibilita a redução da emissão de gases nocivos à saúde em até 95%. 9.1.4 - Silencioso Intermediário A partir do redirecionamento dos gases em seu interior reduz ruídos gerados pela combustão dos gases no motor e ruídos provocados pelo choque dos gases com o meio ambiente. Evita também a entrada de gases na cabine, melhora o rendimento e, conseqüentemente, ajuda na economia do combustível, sem falar na eliminação ou redução das ondas sonoras de alta freqüência – Fig. 9.3.

Fig. 9.3 - Aspectos internos de um silencioso

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9.1.5 - Silencioso Traseiro Completa as funções do silencioso intermediário e reduz as ondas sonoras de baixa freqüência.

9.2 - Como funcionam os Silenciosos

Os silenciosos exercem sob as ondas sonoras de absorção, reflexão ou combinação de ambos. De acordo com o tipo de tratamento efetuado tem-se os três tipos básicos de silencioso: 9.2.1 - Por Absorção Enquanto o fluxo dos gases percorre o silencioso relativamente sem obstáculos, as ondas sonoras penetram pelas perfurações do tubo na carcaça cheia de lã de rocha, onde são absorvidas, preferencialmente as freqüências mais elevadas acima de 500 Hz – Fig. 9.4.

Fig. 9.4 - Silencioso por absorção 9.2.2 - Por Reflexão Fluxos de gases e ondas sonoras são redirecionados por tubos abertos e câmaras, de tal forma que as ondas sonoras, correndo para frente e para trás, se anulam por interferência. Veja na Fig. 9.5.

Fig. 9.5 - Silencioso por reflexão 9.2.3 - Combinado Este item se caracteriza pela combinação dos dois princípios citados acima: absorção e reflexão.

Fig. 9.6 - Silencioso combinado

9.3 - Escapamento variável

Com o objetivo de reduzir ruídos em baixas rotações, alguns fabricantes incorporam uma válvula no final do escapamento, permitindo bloquear uma das saídas nessas condições. Ao acelerar, o atuador permite a abertura, garantindo o escoamento dos gases.

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O acionamento do atuador, por sua vez, é elétrico ou eletro pneumático. A central eletrônica do motor estabelece os momentos de abertura e fechamento de acordo com a programação do fabricante. Alguns esportivos, como Mitsubishi 3000GT por exemplo, possuem a opção de controlar de dentro do veículo o escapamento, permitindo escolher entre ruídos diferentes – um mais brando para uso normal e outro mais ruidoso, para direção esportiva.

Fig. 9.7 – Escapamento com válvula na saída – Tecnologia empregada nos BMW série 31

9.4 – Freio motor por obstrução no escapamento

Os veículos pesados, em sua maioria, possuem uma borboleta de obstrução na saída do coletor de escapamento. Ao ser acionada através de um atuador pneumático, é criada uma forte obstrução à saída dos gases, provocando uma contrapressão maior no motor. A obstrução melhora substancialmente a eficiência do freio motor, que é quando se reduz a velocidade ao se soltar o acelerador com o veículo engrenado. O acionamento da borboleta pode ser através de um pedal separado ou conjugado com o pedal de freio tradicional, onde o condutor pode optar através de um botão no painel se o freio motor será acionado conjuntamente com o freio de serviço.

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Ilustração extraída do www.eberspaecher.com

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10 - Motores sobrealimentados De modo geral, um motor nada mais é que um devorador de ar e combustível, de forma que quanto mais desses ingredientes ele receber, mais potência ele poderá desenvolver. Outros fatores também importantes: fazer com que ele aproveite ao máximo o combustível que irá queimar e que tenha componentes leves para evitar perda de energia durante o seu funcionamento.

Fig. 10.1 - Turbo compressor Durante o funcionamento de um motor, o tempo disponível para que a depressão gerada pelo pistão aspire o ar é reduzido, da mesma forma reduzido é o tempo que o combustível possui para encontrar o ar e queimar. Aproveitar melhor esse tempo é receita para incrementar o rendimento do motor. Para elevar o rendimento, dispositivos são instalados para propiciar que uma maior quantidade de ar seja admitida, conseqüentemente uma quantidade maior de combustível poderá encontrar o ar e entrar em combustão.

10.1 - Turbo compressores

Fig. 10.2 - Esquema de funcionamento do turbo compressor

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Os turbo compressores (Fig. 10.1) são dispositivos que aproveitam a inércia dos gases de escapamento para movimentar um compressor que irá comprimir o ar de admissão. A denominação “turbo compressor” provém das duas principais partes do dispositivo: a turbina, que capta a energia cinética dos gases de escape e o compressor que, acionado pela turbina, comprime o ar de admissão. A turbina e compressor estão montados em um eixo comum e a lubrificação é efetuada pelo óleo do motor – Fig. 10.2. A lubrificação do turbocompressor é vital à durabilidade do mesmo, uma vez que se atinge rotações da ordem de 120.000 rpm quando em pressões elevadas. Deve-se ter especial cuidado na operação, devendo-se esperar alguns segundos em marcha lenta antes de desligar o motor, assegurando a queda no regime de rotações.

10.2 - Controle da sobrepressão

A pressão gerada pelo compressor é proporcional ao fluxo de gases de escape. Para evitar que pressões excessivas venham a danificar o motor, um controle de sobrepressão é utilizado. Um desvio (by pass) é acionado por uma válvula acionada pneumaticamente (válvula waste gate ). O acionamento da válvula pode ser feito diretamente pela pressão da saída do compressor, ou através de um solenóide elétrico que é comandado pela central de controle do motor. Esse desvio, conforme se vê na Fig. 10.3, reduz o volume de gases que atravessa a turbina, contendo a velocidade da mesma.

Fig. 10.3 - Funcionamento da válvula waste gate 1

10.3 - Controle eletrônico da sobrealimentação

Motores turboalimentados equipados com controle eletrônico podem possuir estratégias de controle de sobrepressão. Nesse caso, a pressão de trabalho é limitada com base em 1

Ilustração extraída do treinamento de Assistência Técnica Volkswagen – Motores 1.8 e 1.8T

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informações de sensores, podendo inclusive ser aumentada durante alguns segundos para uma potência extra durante ultrapassagens (overboost ). 10.3.1 - Controle da pressão de sobrealimentação A regulagem da pressão é feita pela central de controle do motor através de uma válvula eletromagnética para limitação da pressão de sobrealimentação. Esta válvula está localizada em um duto que vai do turbo compressor à válvula de controle de sobrepressão (waste gate ) que, acionada pneumaticamente, abre ou fecha o desvio ( by pass ) dos gases de escape. Em faixas de rotações mais baixas, é importante que se atinja rapidamente o aumento da pressão de sobrealimentação. O by pass permanece fechado nessa situação, garantindo a pressão necessária para um bom torque do motor. Em rotações mais elevadas, a central de controle pilota a válvula eletromagnética, deixando que a pressão oriunda do compressor acione a waste gate , realizando o desvio de parte dos gases de escapamento que passariam pelo rotor da turbina, contendo assim a pressão a níveis seguros.

Fig. 10.4 – Controle eletrônico da sobrepressão do turbo compressor 1 10.3.2 - Controle da rotação do turbo na desaceleração – válvula de prioridade Durante o funcionamento em desacelerações, a pressão de sobrealimentação que continua atuando, faz gerar uma pressão dinâmica à frente da borboleta do acelerador fechada. Essa pressão dinâmica, além de frear o compressor, pode acarretar danos às mangueiras e dutos de admissão. 1

Ilustração extraída do manual de Treinamento Volkswagen

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Ao voltar a acelerar, a abertura da borboleta do acelerador teria de levar o turbo compressor, de novo, ao número de rotações correspondente a carga do motor. Por isto, assim que a borboleta do acelerador se fecha, uma válvula, pilotada pela depressão gerada no coletor, recircula o circuito do compressor, garantindo que o mesmo continue girando com um alto número de rotações, deixando a pressão disponível para novas acelerações – Fig. 10.4.

Fig. 10.4 – Controle eletrônico da rotação do turbo compressor durante desacelerações 1 Os motores com turbo originais de fábrica geralmente possuem uma válvula que desvia o fluxo do compressor para a entrada, gerando um circuito fechado. Em alguns modelos adaptados, no entanto, a pressão é descarregada na atmosfera, ocasionando um assovio típico quando se realiza troca de marchas ou quando se solta o acelerador com o motor em giro mais alto.

10.4 - Compressores acionados pelo motor - Supercharger

Em alguns modelos, os compressores são acionados através de uma polia conectada ao motor, garantindo uma pressão adequada desde os baixos regimes de rotação – Fig. 10.5.

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Ilustração extraída do manual de Treinamento Volkswagen

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Fig. 10.5 – Compressor mecânico e intercooler

10.5 - Resfriamento do ar de sobrealimentação – intercooler

Ao ser comprimido, o ar torna-se mais quente e conseqüentemente menos denso. Dessa forma, a elevação da pressão de admissão ocasiona a desvantagem da perda de densidade. Para eliminar esse inconveniente, garantindo uma maior densidade do ar e melhor rendimento do motor, instala-se um dispositivo para resfriar o ar que acaba de ser

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comprimido no turbocompressor. O intercooler (Fig. 10.6) melhora significativamente a performance de motores supercarregados. O intercooler pode realizar a troca de calor ar-ar e ar-água, sendo mais comum os do primeiro tipo.

Fig. 10.6 - Intercooler ar-ar

10.6 - Injeção de Óxido nitroso

O chamado "nitro" consiste em se injetar óxido nitroso e combustível adicional nos cilindros. O óxido nitroso, em contato com as altas temperaturas do coletor de admissão, divide-se em seus componentes básicos e libera oxigênio, que permite a queima do combustível extra, e nitrogênio, que reage formando o gás de nitrogênio. Essa reação consome energia e resfria a mistura, mas a maior contribuição nesse resfriamento vem da descompressão repentina do óxido nitroso, que estava alojado em um recipiente pressurizado. O resfriamento é importante, pois diminui a densidade da mistura, o que permite maior volume na admissão da mistura e conseqüente aumento de potência. As vantagens desse dispositivo são o baixo risco de detonação, devido ao alto resfriamento da mistura, a simplicidade do equipamento e o controle que o motorista tem sobre o momento em que a potência extra estará disponível. Além disso, o kit pode ser reaproveitado em outro carro. As desvantagens são a autonomia (um cilindro dura poucas injeções) e o choque que esse sistema provoca no motor quando da sua entrada em funcionamento. O motor sobe de giros rapidamente, submetendo todos os seus componentes a um esforço elevado. O sistema de injeção de óxido nitroso, também chamado injeção de nitro, é restrito a veículos de competição, não sendo adotado pelos fabricantes devido aos problemas de durabilidade e quebra causados pelo o uso do sistema.

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11 - Sistema de Alimentação 11.1 - Carburação

O carburador (Fig. 11.1) é um dispositivo mecânico responsável pela formação da mistura de ar e combustível que será fornecida e queimada pelo motor em seus diversos regimes de funcionamento. O funcionamento do carburador é baseado na mecânica dos fluidos: o ar aspirado pelos pistões passa pelo difusor (uma região onde ocorre um estreitamento da passagem) arrastando consigo o combustível que estava previamente armazenado na cuba.

Fig. 11.1 – Carburador

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Ao acionar o acelerador, o condutor movimenta uma válvula, denominada válvula borboleta, que dá maior passagem ao ar atmosférico aspirado pelo motor. Esse artifício define a potência ou o torque que se deseja do propulsor naquele momento. Muito embora bastante semelhantes no funcionamento e sistemas existentes, os carburadores podem ser convencionais ou com monitoramento eletrônico.

11.1.1 - Carburador convencional

Para fornecer a mistura ar combustível adequada, um motor carburado pode possuir um ou mais carburadores, sendo a primeira condição mais comum. Os motores equipados com mais de um carburador possuem o ajuste e acionamento comum, de forma que não existam diferenças na mistura fornecida a cada um de seus cilindros. Os carburadores situam-se entre o sistema de admissão de ar e o coletor de admissão do motor. Conectados a ele estão a mangueira de ar, oriundo do filtro de ar, os cabos do acelerador e afogador e as tubulações de fornecimento e retorno de combustível, além de

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Ilustração de Carburador TLDE – Treinamento de Assistência Técnica Volkswagen

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algumas conexões elétricas e tubulações de vácuo da depressão do coletor, em determinados modelos. O carburador possui diversos sistemas, cada um responsável por uma determinada situação de operação do motor. Descreveremos aqui um carburador como exemplo, cabendo ressaltar que alguns desses sistemas poderão não estar presentes em todos os carburadores. 11.1.1.1 - Sistema de nível constante O carburador possui em sua parte inferior um reservatório denominado cuba. A cuba funciona como um reservatório de gasolina e possui uma bóia para manter sempre o mesmo nível. A bóia é conectada a uma válvula estilete, denominada válvula de agulha, que veda a passagem da gasolina oriunda da bomba de combustível. Dessa forma o conjunto mantém o nível de combustível constante na cuba. Caso o nível fique abaixo do ideal, faltará combustível durante acelerações fortes, fazendo com que o motor falhe nessas situações. Excesso de combustível na cuba ocasionará afogamento do motor e por vezes vazamento através da mangueira de suspiro.

Fig. 11.2 – Sistema de nível constante 1 Para garantir o correto funcionamento do sistema a bóia tem que flutuar perfeitamente com a altura corretamente regulada e a válvula de agulha deve estar funcionando perfeitamente, com uma vedação perfeita em sua sede. Os motores a gasolina geralmente possuem retorno de combustível para o tanque com o intuito de resfriar o combustível, aliviar a pressão na válvula de agulha e eliminar bolhas. Os motores a álcool não possuem retorno de combustível. 1


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11.1.1.2 - Sistema de marcha lenta A rotação de marcha lenta de um motor corresponde à mínima rotação estabelecida para o seu funcionamento. Durante a marcha lenta o motor geralmente fica submetida a pouco ou nenhuma carga, gastando energia exclusivamente para manter o seu próprio funcionamento. O fabricante estabelece o valor dessa rotação buscando atender a alguns requisitos básicos: Menor consumo de combustível possível; • Baixa emissão de poluentes; • Suavidade no funcionamento do motor; • Pressão de óleo suficiente para lubrificação adequada; • Vazão de água adequada à refrigeração do motor; • • Correto funcionamento de sistemas acoplados, como ar condicionado e transmissão automática; Correta operação do sistema elétrico, com o alternador fornecendo uma corrente • elétrica capaz de manter os consumidores eletro eletrônicos operando com uma garantia extra para a carga da bateria. No trânsito urbano, um veículo permanece uma parcela do tempo considerável em marcha lenta, e todos esses fatores têm que ser de alguma forma atendidos. Procura-se, então, estabelecer uma rotação mínima possível de atender a esses requisitos de funcionamento. Um motor naval de grande porte pode ter sua marcha lenta fixada em 200 rpm, enquanto que o motor dois tempos de uma motocicleta pode girar a 1.800 rpm em marcha lenta, tudo dependendo da aplicação, porte e projeto do motor.

Fig. 11.3 – Sistema de marcha lenta 1 1


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O sistema de marcha lenta de um carburador é composto basicamente por um pulverizador de ar e um pulverizador de combustível. O combustível é dosado pelo calibre pulverizador da marcha lenta. Nesse ponto a mistura é formada com a adição de ar proveniente do calibre fixo de marcha lenta. Para que a mistura não fique rica em demasia, trazendo problemas de emissões, uma quantidade de ar adicional é fornecida no fluxo principal do primeiro estágio, sendo que a regulagem da mistura da marcha lenta pode ser efetuada através de um parafuso, com influência direta nas emissões de monóxido de carbono (CO). 11.1.1.3 - Sistema principal – 1º estágio O fornecimento de combustível nesse estágio depende da quantidade de ar que passa no difusor, que por sua vez depende da abertura da borboleta do acelerador. O fluxo de ar arrasta o combustível proveniente do calibre do pulverizador principal do 1º estágio.

Fig. 11.4 – Sistema do primeiro estágio 1 11.1.1.4 - Sistema principal – 2º estágio Alguns carburadores possuem dois circuitos de marcha colocados lado a lado, cada um com o próprio difusor, pulverizador principal e borboleta. O segundo estágio tem o papel de superalimentador, de forma a fornecer uma mistura adequada a altos regimes de funcionamento do motor.

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Fig. 11.5 – Sistema do segundo estágio 1 O segundo estágio pode ser de acionamento a vácuo ou mecanicamente, sendo o primeiro tipo mais comum. Nesse, à medida que a depressão fica mais forte, a borboleta do segundo estágio começa progressivamente a abrir. Desse modo, a abertura do estágio não está condicionada apenas à rotação, tornando-se dependente também da carga do motor. Quando o segundo estágio é acionado mecanicamente, um conjunto de alavancas provoca a abertura de sua borboleta a partir de determinado ângulo de abertura da borboleta do primeiro estágio. 11.1.1.5 - Bomba de aceleração Fornece uma quantidade adicional de combustível ao motor quando se acelera rapidamente. O sistema possui um pequeno reservatório sob um diafragma que descarrega o combustível em aberturas rápidas da borboleta do acelerador. O combustível é recalcado através do tubo injetor. Quando se desacelera, combustível oriundo da cuba recarrega a bomba de aceleração. Alguns motores à álcool possuem uma válvula eletromagnética acionada por um interruptor térmico. Essa válvula limita o volume injetado pela bomba de aceleração quando o motor está aquecido, ajudando a controlar as emissões. Quando o motor está frio a injeção adicional de combustível é maior, garantindo um arranque sem falhas.

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Fig. 11.6 – Bomba de aceleração rápida 1 11.1.1.6 - Sistema de afogador Também denominado abafador, proporciona um enriquecimento da mistura, especialmente útil para a partida a frio. É composto por: Dispositivo de acionamento - pode ser mecânico (através de cabos e articulações e • por intermédio do motorista) ou automático; Borboleta do afogador – reduz a entrada de ar no carburador, forçando o motor a • aspirar uma quantidade maior de combustível, e por conseqüência tornando a mistura mais rica. A borboleta do afogador fica situada pouco antes da borboleta do acelerador.

Fig. 11.7 – Sistema afogador / desafogador 1 1


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Quando o afogador é acionado, fecha-se a borboleta do afogador ao mesmo tempo em que se abre ligeiramente a do acelerador. Durante as primeiras voltas do motor uma mistura bastante enriquecida é admitida pelo motor. Para evitar que o motor se afogue, um dispositivo pneumático abre ligeiramente a borboleta do afogador tão logo o motor funcione e a depressão no coletor consiga acionar o dispositivo. 11.1.1.7 – Fechamento gradual da borboleta - Dash pot Ao fechar rapidamente a borboleta de aceleração com o motor em funcionamento, hidrocarbonetos (HC) não queimados são emitidos na atmosfera. Para evitar que isso ocorra, o fechamento da borboleta é gradual. Para essa tarefa um atuador pneumático é conectado à borboleta de forma a suavizar o retorno, garantindo um fornecimento de ar para queimar o combustível que foi admitido pelo carburador. Essa estratégia, também denominada de dash pot , garante também a correta operação do catalisador, evitando que este funcione com misturas ricas que poderiam vir a comprometer a sua vida útil.

Fig. 11.8 – Fechamento gradual da borboleta - Dash pot 1

11.1.2 - Carburador eletrônico

O carburador eletrônico foi utilizado pouco antes da transição completa para a injeção eletrônica. Trata-se de um carburador convencional equipado com atuadores para controle do afogador e da rotação de marcha lenta. O carburador eletrônico consegue um regime mais constante de funcionamento, melhorando a dirigibilidade e protegendo o catalisador, evitando o acionamento desnecessário do afogador. Uma central eletrônica de controle controla a marcha lenta, ao passo que um elemento bimetálico que, expandindo com a elevação da temperatura do líquido de arrefecimento do motor, modifica a posição da borboleta do afogador. O afogador, portanto, é automático.

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Fig. 11.9 – Carburador eletrônico 1

11.2 – Injeção Diesel A portaria DNC n° 23 de 6 de Junho de 1994, proíbe o consumo de óleo diesel em veículos automotores de passageiros, de carga e de uso misto com capacidade inferior a 1.000 kg. Excetuam-se os veículos automotores denominados jipes, com tração nas quatro rodas, caixa de mudança múltipla e redutor, que atendam aos requisitos do Ato Declaratório (Normativo) n°32, de 28 de setembro d e 1.993. Os motores Diesel também têm vasta aplicação em embarcações e unidades estacionárias, como geradores, bombas e compressores. Os motores Diesel possuem um sistema de alimentação característico, responsável pela injeção do combustível em alta pressão na câmara de combustão ao final do processo de compressão. Existem dois tipos principais de injeção Diesel: a injeção mecânica e a Injeção de combustível de pressão modulada common rail .

11.2.1 - Injeção mecânica de combustível

Consta de uma ou mais bombas injetoras acionadas pelo motor, tubulações, filtros, sedimentadores e injetores mecânicos de combustível. • Tanque de combustível – armazena o combustível a ser utilizado pelo motor. É conveniente que possua um dreno para que água e impurezas presentes no combustível possam ser periodicamente drenados, evitando que atinjam os demais componentes do sistema de alimentação; 1

Ilustração extraída do Treinamento de Assistência Técnica Volkswagen

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Sedimentadores – possibilitam a separação da água presente no combustível, para que possa ser posteriormente drenada. Alguns modelos possuem detectores que acionam uma luz de advertência no painel de instrumentos, caso a capacidade de retenção de água seja esgotada, avisando da necessidade de drenar o dispositivo; Filtros de combustível – são vitais ao correto funcionamento do sistema. Impurezas, mesmo pequenas, podem representar entupimentos e danos nas precisas e reduzidas passagens de combustível, em especial na bomba injetora que tem alguns de suas peças lubrificadas e refrigeradas pelo próprio combustível; Bomba injetora – componente mais importante e complexo do sistema, tem a função de captar o combustível do tanque, e injetá-lo sob alta pressão ao cilindro que estiver em fase final de compressão, dando o avanço de injeção e determinando a quantidade ideal para aquela situação de carga e rotação; Injetores – conduzem o combustível na pressão e geometria de jato corretos à câmara de combustão. Alguns injetores possuem mais de um estágio de injeção, em pressões distintas para garantir a formação e propagação da frente de chama da melhor forma possível.

11.2.1.1 - Funcionamento do sistema – Fig. 11.10 O combustível é bombeado pela pré-bomba situada no interior da bomba injetora, • passando pelo filtro / sedimentador; Na bomba injetora ele é pressurizado e enviado ao cilindro que está em fase final • de compressão através do bico injetor correspondente; O excesso de combustível enviado ao injetor é retornado ao tanque. • Para garantir uma partida rápida, mesmo em baixas temperaturas, uma vela de • aquecimento eleva a temperatura da pré-câmara de combustão, facilitando a queima do combustível.

Fig. 11.10 - Sistema de injeção mecânica de Diesel Alguns sistemas possuem a bomba injetora monitorada eletronicamente, através de atuadores elétricos. Nesse sistema, sensores indicam a temperatura do motor, quantidade

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de ar admitida e posição do acelerador entre outras informações, para que a bomba forneça a quantidade ideal de combustível, considerando ainda o avanço de injeção ideal para aquela rotação e condição de uso do motor. 11.2.1.2 - Entrada de ar O sistema de alimentação Diesel é vulnerável à entrada de ar. Caso ocorra vazamento ou falta de combustível, o ar poderá entrar nas tubulações e bomba injetora. A presença do ar impede o funcionamento correto da bomba injetora, o que acarretará a parada do motor ou de alguns de seus cilindros. Nesse caso não basta somente abastecer novamente o veículo. O ar presente no sistema impede o bombeamento e funcionamento normal, ao menos que seja retirado completamente. A sangria do ar deve ser efetuada gradualmente, através de parafusos específicos para essa tarefa e utilizando-se de bomba manual, que geralmente compõe o dispositivo que fixa o filtro de combustível. Ao se notar a ausência de ar, deve-se prosseguir para o próximo dreno, até que seja retirado todo o ar. No final do processo, deve-se folgar o parafuso da tubulação que vai até o bico injetor e, efetuando a partida do motor, eliminar o restante de ar que se encontra no interior do sistema. Alguns motores de pequeno porte possuem sangria automática para facilitar a partida no caso de entrada de ar.

11.2.2 - Sistema de injeção de combustível de pressão modulada (common rail )

Nesse sistema, uma bomba mantém combustível sob alta pressão (cerca de 1.400 bar) em tubo distribuidor no qual estão conectados os injetores. Sob o comando de uma central eletrônica, os bicos injetores são acionados eletricamente, de acordo a fase e o cilindro que necessita receber a injeção de combustível – veja Fig. 11.11.

Fig. 11.11 – Componentes do sistema common rail 1 1

Ilustração extraída do Manual de serviço Zexel

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Sensores captam informações como posição do acelerador, temperatura do motor, rotação, pressão do turbo e do combustível – Fig. 11.12. De posse desses dados a central de controle define a quantidade de combustível a ser injetado no momento correto, visando a manutenção da fase do motor de acordo à ordem de queima de seus cilindros.

Fig. 11.12 - Sistema common rail 1

11.2.3 – Precauções com motores a Diesel •

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Combustível – deve-se utilizar Diesel de boa qualidade, dando preferência a postos que possuem o combustível filtrado. Não deixar o combustível acabar, pois o ar entrará no sistema e será necessário drená-lo para efetuar a partida no motor; Filtro de combustível – substituir o filtro de acordo com o plano de manutenção. Impurezas são danosas ao sistema de alimentação; Filtro de ar – regulamente deve ser efetuada a limpeza e substituição. Filtro sujo provoca perda de potência, aumento de consumo e danos ao motor; Sedimentador – deve-se drenar regularmente a água acumulada no sedimentador; Bomba e bicos – realizar a limpeza e regulagem de acordo com o plano de manutenção do veículo; Perda de potência – verificar os filtros e a presença e impurezas no sistema de alimentação. Água no combustível pode ser a causa de muitos problemas; Motor não funciona – verificar se houve entrada de ar no sistema de combustível. O manual do veículo explica como retirar o ar. Em caso de necessidade, um especialista deve ser chamado. Após a retirada do ar verificar a causa; Excesso de fumaça preta na descarga – deve-se verificar os filtros, injetores e bomba injetora;

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Ilustração extraída do Manual de serviço Zexel

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11.3 - Controle eletrônico em motor de ignição por centelha

Conforme já visto, o Motor de combustão interna é uma máquina térmica que para funcionar necessita de Oxigênio, combustível e calor. O Ar é o fornecedor natural de oxigênio, o combustível vem do tanque e o calor é gerado através de centelhas elétricas nas velas de ignição. Portanto para que o motor funcione, é necessário o fornecimento destes três elementos na quantidade e no momento correto. Essa tarefa até pouco tempo era desempenhada mecanicamente, através do carburador, que dosava a mistura ar e combustível em função dos diversos regimes de funcionamento do motor. O sistema de ignição composto por velas, cabos, distribuidor e bobina de ignição era o responsável pela ocorrência de centelhas elétricas para queima da mistura formada pelo carburador. O controle eletrônico de motores surgiu para substituir esse conjunto, dosando, com maior precisão, a mistura ar combustível e determinando o centelhamento nas velas de forma mais eficiente.

11.3.1 - Objetivos do controle eletrônico do motor

O gerenciamento eletrônico dos motores surgiu da necessidade de se produzir motores que poluíssem cada vez menos, imposição de severas leis de proteção ambiental em todo o mundo. Aliado à questão ambiental, a maior precisão na formação da mistura ar combustível e no controle da ignição trouxe outras vantagens : Melhor rendimento; • Menor consumo de combustível; • Maior confiabilidade; • Menor necessidade de manutenção; • Partidas mais fáceis a qualquer temperatura. •

11.3.2 - Constituição do sistema

O sistema é constituído por vários sensores que monitoram constantemente as condições do motor e a rotação e carga a que ele está submetido. Essas informações chegam a central de controle eletrônico do motor, que calculará a quantidade de combustível que deve ser injetado junto com o ar para que se forme uma mistura ideal para cada regime de funcionamento do motor. A central determinará também o momento ideal de centelhamento nas velas. Todas os cálculos e decisões da central são executados por intermédio dos atuadores, que são comandados eletricamente. Todo esse controle visa o melhor rendimento possível, dentro das emissões de gases poluentes permitidos por lei e mantendo o consumo contido. Atualmente todos os automóveis a álcool ou gasolina comercializados no Brasil são equipados com injeção eletrônica de combustível. As motocicletas de grande porte também vêem sendo equipadas com o sistema.

11.3.3 - Quantidade de bicos injetores

Quando um sistema de injeção possui um ponto de alimentação central no coletor de admissão, sendo que este possui a tarefa de distribuir entre os cilindros a mistura, o sistema é dito Monoponto (Fig. 11.13) ou single point . Este sistema pode possuir um ou dois bicos injetores, sendo que no caso de possuir dois, estes estão situados juntos, em um ponto central.

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Fig. 11.13 - Injeção monoponto O sistema Multiponto ou Multi Point , possui um injetor para cada cilindro, o que garante uma maior precisão na elaboração da mistura devido a reduzida perda por evaporação com ao aquecimento do coletor. O sistema multiponto pode ser de 3 tipos : Simultâneo – os bicos são acionados em conjunto, sendo que, nos cilindros que • não estão em admissão, o combustível fica próximo a válvula de admissão aguardando a abertura da mesma; Semi Seqüencial ou Banco a banco – os injetores são acionados em dois conjuntos • ( 2 a 2 ou 3 a 3 ou 4 a 4 ); Seqüencial / seqüencial fasado – os injetores são acionados individualmente de • acordo com a seqüência de admissão, no momento em que efetivamente a mistura é admitida pelo cilindro.

11.3.4 - Estratégias de Funcionamento do Sistema Tempo de Injeção O tempo de injeção é o parâmetro principal do sistema de injeção, podendo se dizer que o objetivo final do sistema de injeção é determinar o Tempo de Injeção. Resumidamente, pode-se dizer que tempo de Injeção é o tempo em que o injetor permanece energizado (ou seja aberto). Esse tempo é calculado pela central de injeção, chegando-se ao tempo base de Injeção para a situação que o motor se encontra. Esse tempo base pode ser alterado em função de parâmetros que são constantemente avaliados pelo sistema. Os parâmetros que são considerados no cálculo do tempo da injeção são: pressão absoluta do coletor de admissão e/ou quantidade de ar admitido; temperatura do ar aspirado; tensão da bateria; fator de adaptação; fator de empobrecimento em desaceleração; correção da mistura através do monitoramento dos gases de escapamento; •

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Motores de Combustão Interna o o

enriquecimento em aceleração; situações transitórias.

Autoadaptação A central de controle do motor está provida com uma função de auto-adaptação da mistura que tem a tarefa de memorizar os desvios entre mapeamento de base e correções impostas pelos sensores que podem aparecer de maneira persistente durante o funcionamento. Estes desvios (devido ao envelhecimento dos componentes do sistema e do motor) são memorizados, permitindo uma adaptação do funcionamento do sistema às progressivas alterações do motor e dos componentes em relação às características do motor quando era novo. A auto-adaptação permite também ao motor funcionar com combustíveis com pequenas variações na composição, como a alteração na percentagem de álcool na gasolina, por exemplo. Nesse caso específico, um sensor que monitora as condições dos gases de escape (sonda lambda) percebe as mudanças na combustão, promovendo as alterações necessárias para o correto funcionamento do motor. •

Funcionamento a frio Durante baixas temperaturas, o combustível evapora com dificuldade e ocorre evaporação do mesmo nas paredes do coletor de admissão. Esse fenômeno faz com que apenas uma parte do combustível injetado, efetivamente faça parte do processo de queima. É notado também um ligeiro aumento na viscosidade do lubrificante, o que dificulta a rotação dos componentes móveis do motor. A central de controle reconhece esta condição e corrige o tempo de injeção com base na informação recebida do sensor de temperatura do líquido de arrefecimento. Conseqüentemente: Em temperaturas baixas, o eletroinjetor fica aberto por mais tempo (a dosagem de combustível aumenta) e a mistura é enriquecida; À medida em que o motor for aquecendo, a mistura será corrigida, sendo empobrecida até a dosagem ideal da temperatura normal de operação. •

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Fig. 11.14 - Com o motor frio, o tempo de injeção é maior 1 Uma função anti-afogamento reduz o enriquecimento para tempos de partida longos, bastando acionar a partida com acelerador pressionado para que ocorra uma redução no tempo de injeção. Se essa função for ativada em situações normais, existirá dificuldade em se acionar o motor, uma vez que uma quantidade insuficiente de combustível é injetada. 1

Ilustração extraída do treinamento assistencial FIT – Injeção Eletrônica G7

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A rotação de marcha lenta é diminuída proporcionalmente com o aumento da temperatura até se obter o valor nominal com o motor regulado termicamente. Em motores refrigerados a ar, a temperatura do propulsor é captada através da temperatura do óleo, como ocorre no motor da VW Kombi. Funcionamento em aceleração Nesta fase, a quantidade de combustível fornecida ao motor é aumentada adequadamente, de forma a se obter o torque solicitado pelo condutor. A ativação dessa estratégia é executada através das informações provenientes do seguintes sensores : Potenciômetro da borboleta aceleradora; Sensor de pressão absoluta ou medidor de fluxo de ar; Sensor de rotações e posição do ponto morto superior - PMS. •

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Funcionamento em desaceleração Esta fase é reconhecida pela central de controle quando o sinal oriundo do sensor da posição da borboleta aceleradora, de um valor de tensão elevado, passa para um valor mais baixo. Durante esta fase de utilização do motor, acontece a sobreposição de duas estratégias: Manutenção da mistura estequiométrica (mistura ideal que garante melhor queima) na determinação da quantidade de combustível fornecida ao motor; Controle da queda da rotação para reduzir emissões (estratégia de Dash Pot). Durante a desaceleração, o sistema busca diminuir a emissões de poluentes e evitar trancos durante a desaceleração, tornando a queda de rotação gradual. •

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Corte da injeção durante o freio motor (cut off ) A estratégia de cut off (corte do combustível em desacelerações) é efetuada quando se é reconhecido alguns valores de rotação, velocidade, posição da borboleta de aceleração e temperatura do motor, a saber : Rotação – a rotação deve estar acima de 1.900 rpm (em média); Velocidade do veículo – o veículo deve estar a mais de 20 Km/h (aproximadamente); Borboleta do acelerador – o sensor de posição da borboleta deve indicar borboleta fechada (abertura mínima); Temperatura do motor – a maioria dos modelos de Sistemas de controle do motor não admite a estratégia de cut off com o motor fora da temperatura normal de funcionamento. O corte de combustível em freio motor, através do estabelecimento do tempo de injeção reduzido, pode não ser total, em especial nos motores mais modernos. As rígidas normas de controle de emissões determinam que os injetores continuem a injetar com um tempo de injeção extremamente baixo, mas acima de zero. A pequena quantidade de combustível que penetra as câmaras de combustão ajuda a consumir parte do oxigênio aspirado pelo motor, que em elevadas temperaturas se associaria ao Nitrogênio, formando em demasia os óxidos de nitrogênio, poluindo o meio ambiente. Ao serem atingidos os valores mínimos de rotação e velocidade, o sistema de controle do motor reassume os valores adequados de tempo de injeção, impedindo que o motor apague por falta de combustível ou falhe, caso o condutor imprima uma retomada de velocidade. •

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Caso a queda de rotação seja muito rápida - se o condutor pressionar a embreagem, por exemplo - o cut off é desativado para evitar que o motor apague. Funcionamento em plena carga Durante o funcionamento em plena carga, a mistura é enriquecida para permitir que o motor forneça a potência máxima (que é alcançada fora da mistura ideal - razão estequiométrica) e para impedir o aquecimento excessivo do catalisador. A condição de carga plena é detectada através dos valores fornecidos pelos sensores de posição da borboleta e de pressão absoluta. Nestas condições, a central eletrônica de controle do motor não utiliza o sinal proveniente das condições dos gases de escapamento (sonda lambda), dando prioridade à exigência de potência. •

Controle da marcha lenta O controle da marcha lenta é efetuado pela central através do respectivo atuador de marcha lenta que atua sobre um desvio de ar da borboleta ( bypass ), controlando a quantidade de ar passante pela derivação. O controle da marcha lenta é efetuado para compensar a potência absorvida pelos diversos acessórios, garantindo um regime o mais constante possível. O sistema se baseia em informações para estabelecer a rotação ideal de marcha lenta: Temperatura do motor – motor frio exige rotação um pouco mais elevada bem como mistura rica para que possa funcionar correta e suavemente; Velocidade do veículo – a rotação de marcha lenta com o veículo em movimento pode ser ligeiramente maior, numa estratégia de preparação para retomadas de velocidade; Funcionamento do câmbio automático – uma vez selecionada uma marcha, o conversor de torque gera determinada carga no motor, que deve ser corrigida pelo sistema; Cargas de acessórios – direção hidráulica, compressor do ar condicionado e alternador representam cargas ao motor que podem influenciar a marcha lenta. A central, nesse caso, corrige a rotação para compensar essas cargas extras; Tensão da bateria – em caso de tensão muito baixa, a marcha lenta pode ser aumentada ligeiramente para permitir um melhor funcionamento do alternador. •

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Proteção contra rotações excessivas Ao ser projetado um motor, leva-se em consideração o balanceamento de suas peças, a sua adequada lubrificação e a freqüência natural das molas de acionamento de suas válvulas para determinar o regime máximo de rotações. Exceder esse limite aumentará o risco de quebra do motor. Aproveitando o recurso de controle do motor, está inserida no software de controle de alguns modelos uma estratégia de corte para proteção contra rotações prejudiciais ao motor. Tão logo seja atingida a rotação programada, o tempo de injeção é drasticamente reduzido, provocando uma caraterística semelhante a uma falha, o que impede o motor superar o regime de giros máximo. Quando as rotações voltarem a um valor "não crítico", é restabelecido o controle normal dos tempos de injeção, em função da solicitação do motor. Essa estratégia não impede, no entanto, que rotações excessivas sejam atingidas durante reduções de marchas inadequadas, onde a própria inércia do veículo tende a •

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girar o motor através do sistema de transmissão. Nesse caso cabe ao condutor utilizar as marchas de forma adequada, preservando o motor de danos. Alguns veículos equipados com transmissão automática, possuem duas rotações de corte : uma com o veículo em marcha de movimento (D,R,1,2 ou 3) e outra, menor, para quando em marchas que não provocam movimento (P e N). Esse cuidado visa impedir que o conversor de torque da transmissão gire a rotações excessivas sem movimentação do câmbio, o que provocaria redução de sua vida útil. Correção barométrica A pressão atmosférica varia em função da altitude, determinando uma variação tal da eficiência volumétrica, que é necessário corrigir a mistura (tempo base de injeção). A correção do tempo de injeção estará em função da variação de altitude e será atualizada automaticamente pelo sistema, cada vez que o motor for ligado e em determinadas condições de posição da borboleta e de número de rotações. •

Controle dos gases da combustão O sistema de controle Eletrônico do motor deve garantir uma dosagem da mistura do ar-combustível próxima à relação estequiométrica (mistura ideal) e a mantém assim pelo maior tempo possível, para que o conversor catalítico funcione de maneira correta e duradoura. Para verificar as condições de queima do motor, um sensor denominado sonda Lambda avalia a quantidade de oxigênio existente nos gases de escape. De posse dessa informação é possível avaliar se a mistura queimada está rica ou pobre, podendo então ser feitas pequenas correções para que o motor trabalhe a maior parte do tempo com mistura estequiométrica. •

Ligação com o sistema de climatização Existe uma interface com o sistema de climatização (quando instalado) a fim de estabilizar a marcha lenta para controlar as absorções de potência causadas pela ativação do compressor. Com informações tais como: carga do motor, temperatura do líquido de arrefecimento, ângulo da borboleta e pressão do refrigerante do sistema, o sistema é capaz, se necessário, de desligar o compressor para garantir uma potência extra em uma ultrapassagem, ou para conter um superaquecimento do motor. •

Ligação com o sistema Imobilizador O sistema possui uma função de bloqueio de funcionamento do motor. Esta função é realizada graças à presença de um módulo imobilizador junto ao cilindro de ignição. Este é capaz de se comunicar com a central e com uma chave eletrônica, provida de um transmissor próprio para enviar um código de reconhecimento. Toda vez que a chave de ignição for inserida no contato é verificado pelo módulo imobilizador se a mesma é válida. Caso positivo é enviado à central de controle do motor um sinal de reconhecimento, autorizando a ativação do sistema de injeção. •

Interação com o sistema de Transmissão automática Os veículos equipados com transmissão automática (Fig. 11.15), possuem uma comunicação de dados ( interface ) entre a central de controle do motor e a central eletrônica de controle da transmissão. Alguns modelos possuem um único módulo de controle que controla os dois sistemas. •

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A comunicação existente entre os dois controles visa garantir uma perfeita sintonia entre as trocas e seleções de marchas e o funcionamento do motor. O módulo de controle do motor envia ao controle da transmissão sinais relativos à velocidade do veículo, rotação do motor e posição da borboleta do acelerador. Por sua vez, a central da transmissão encaminha solicitações de controle de torque durante a mudança de marchas. O controle de torque visa uma redução na potência para a realização de trocas suaves. A redução de potência se dá através do corte de injetores ou alteração no avanço da ignição tão logo ocorre a solicitação oriunda da transmissão.

Fig. 11.15 - O sistema interage com o câmbio automático 1 Controle de sobrealimentação Em motores sobrecarregados, é realizado um controle da pressão de sobrealimentação, evitando que pressões excessivas possam a vir danificar o motor. Baseado nas informações da carga, rotação e temperatura do motor, determina-se a atuação de uma válvula que irá pilotar a válvula de controle de sobrepressão (waste gate), que determina uma queda de rotação na turbina, com conseqüente controle na sobrepressão. Estratégias de elevação da pressão controlada ( overboost ) permitem uma pressão extra durante as ultrapassagens. •

Autodiagnose É possível efetuar o diagnóstico dos sinais de entrada/saída e da própria central de controle, verificando ciclicamente os sinais característicos e memorizando, em casos de mau funcionamento os códigos de falha respectivos. É possível ativar, através de equipamento diagnóstico e leitura de dados ( Scanner ), cada um dos atuadores, verificando a sua eficiência, assim como efetuar leitura dos parâmetros de funcionamento e cancelamento de códigos de falha. O funcionamento anormal de alguns sensores / atuadores é avisado ao usuário através da lâmpada piloto de avaria da injeção no quadro de instrumentos, que se acende, assim que este é reconhecido pelo próprio sistema; a lâmpada apaga-se após o conserto ou se o defeito não for do tipo permanente. O cancelamento total da memória de falhas é efetuado pelo equipamento Scanner ou através do desligamento da alimentação da central por alguns instantes. •

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Ilustração divulgação Astra automático – General Motors do Brasil

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Quando os sensores ou os atuadores detectam um defeito, são ativadas imediatamente as estratégias de reconstrução dos sinais para garantir o funcionamento do motor a um nível aceitável, sem prejudicar demasiadamente o funcionamento. Assim, é possível levar o veículo até a um ponto de assistência para as reparações necessárias.

11.3.5 - Composição do Sistema

O sistema de controle eletrônico do motor é constituído de subsistemas: Sistema de alimentação de combustível; • Sistema de admissão do ar; • • Sensores; • Atuadores; Sistema de ignição. • 11.3.5.1 - Sistema de alimentação de Combustível A alimentação do combustível no sistema é realizada através de uma eletrobomba introduzida no tanque que aspira o combustível e o envia ao filtro e, daí, para os injetores de combustível, conforme se vê na Fig. 11.16. A pressão de fornecimento de combustível para os bicos injetores é mantida constante e proporcional ao valor de pressão existente no coletor de admissão pelo regulador de pressão, o qual controla a vazão de combustível, mantendo constante o salto de pressão para os injetores. Dessa forma, a diferença de pressão entre a linha de combustível e o coletor de admissão permanece constante.

Fig. 11.16 – Sistema de combustível multiponto 1

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Ilustração extraída do livro Gasoline-engine management - BOSCH

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Do regulador de pressão, o excesso de combustível retorna, sem pressão, para o tanque de combustível. Bomba Elétrica de Combustível À bomba cabe a tarefa de pressurizar todo o sistema, fornecendo combustível sob vazão e pressão adequados ao funcionamento dos injetores de combustível. A bomba, que recebe corrente elétrica proveniente de um relê comandado pela central, opera através de palhetas ou roletes e possui duas válvulas: uma é limitadora de pressão, que funciona como uma válvula de segurança, a outra é a válvula de retenção, que impede o retorno do combustível quando desligada, garantindo assim a partida rápida em qualquer instante – Fig. 11.17. A refrigeração e lubrificação da bomba é realizada pelo próprio combustível. •

Fig. 11.17 - Bomba elétrica de combustível 1 Filtro de combustível Responsável por reter as impurezas contidas no combustível, garantindo maior durabilidade a todo o sistema, o filtro de combustível é feito em carcaça especial para resistir a alta pressão da bomba e possui um elemento de papel especial de grande área possibilitando alta eficiência de filtragem - Fig. 11.18. •

Fig. 11.18 - Filtro de combustível 1 1


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Amortecedor de vibrações – Fig. 11.19. Em alguns sistemas existe na tubulação de entrada de combustível, um amortecedor de vibrações. Sua função é abafar o ruído das vibrações da tubulação de combustível, provocado pelas pulsações das pressões. Essas pulsações têm origem nas mudanças de pressão do combustível durante o abrir e fechar dos injetores, no regulador de pressão e até mesmo na bomba elétrica de combustível. •

Fig. 11.19 – Amortecedor de vibrações 1 Injetor de Combustível A finalidade do injetor de combustível ou válvula injetora de combustível, é atomizar combustível dentro do coletor de admissão. O injetor abre a passagem de combustível de acordo com a intensidade da corrente e a tensão recebida do módulo de controle eletrônico. Seu fechamento é feito pela ação da própria mola que existe no seu interior – Fig. 11.20. •

Fig. 11.20 - Válvula Injetora 1 A abertura dos Injetores é feita intermitentemente, ele abre e injeta um certo volume de combustível determinado pelo sistema de acordo com o resultado de cálculos efetuados pelas informações recebidas dos sensores. A freqüência aumenta à medida que aumentam as rotações do motor de acordo com as informações enviadas pelos sensores.

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Alguns sistemas utilizam um injetor para cada cilindro, enquanto outros utilizam um injetor central que, através do coletor de admissão, tem o combustível distribuído para todos os cilindros do motor. Tubo Distribuidor Em sistemas com um injetor para cada cilindro, existe um tubo distribuidor fixado no coletor de admissão que por sua vez, fixa os injetores. Nesse dispositivo é fixado a válvula reguladora de pressão. A função do tubo distribuidor é armazenar o combustível pressurizado e distribuí-lo uniformemente a todos os injetores. •

Fig. 11.21 - Tubo distribuidor 1 Válvula reguladora de Pressão A válvula reguladora de pressão controla a pressão no tubo distribuidor à medida que acelera ou desacelera o motor, devido à variação do vácuo no interior do coletor de admissão. Sua carcaça de metal tem duas câmaras separadas por membranas e uma válvula integrada no seu centro, conforme se vê na Fig. 11.22. •

Fig. 11.22 - Válvula reguladora de pressão 1 A câmara inferior é de combustível, onde estão localizados o tubo de entrada de combustível e o de retorno, a outra câmara superior é a câmara de vácuo, que possui uma mola calibrada, e uma linha de vácuo. Quando a força de vácuo vencer a tensão da mola, abre-se uma saída permitindo um maior retorno ao tanque reduzindo-se assim a 1


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pressão do tubo distribuidor. Quando a força do vácuo é diminuída da câmara por uma aceleração do motor haverá menor retorno de combustível para o tanque, pois é a tensão da mola fecha a saída de retorno ao tanque aumentando a pressão no tubo distribuidor. Dessa forma, a pressão resultante da diferença entre o tubo distribuidor e o coletor de admissão permanece constante, independente das condições de operação do motor. Os sistemas monoponto, por não sofrerem influência do vácuo no coletor, possuem sua pressão estabilizada, com o bico injetor situado pouco acima da borboleta do acelerador. Outros sistemas, mais sofisticados, incorporam estratégias de correção do tempo de injeção em função do vácuo no coletor. Nesse caso a pressão de combustível é sempre constante, regulada por um regulador de pressão de combustível situado no interior do tanque. 11.3.5.2 - Sistema de admissão do ar

É constituído por vários componentes que efetuam o transporte correto da quantidade de ar necessária para o motor, nas suas diferentes condições de funcionamento. Corpo de Borboleta O corpo de borboleta de um motor com controle eletrônico incorpora alguns sensores e atuadores controlados pela central. Os motores equipados com um único injetor de combustível (monoponto) possuem um corpo de borboleta mais complexo que incorpora além dos componentes citados o injetor de combustível, conforme se vê na Fig. 11.23. •

Fig. 11.23 – Corpo de borboleta monoponto 1 Corpo de Borboleta motorizado – drive by wire Sistema que garante maior suavidade na operação do veículo, evitando trancos e realizando o fechamento e abertura da borboleta de aceleração de maneira gradual e suave, contribuindo também para a redução na emissão de poluentes. Nesse sistema (Fig. 11.24), não existe ligação mecânica entre o acelerador e o corpo de borboleta, desaparecendo o cabo do acelerador. Acoplado ao acelerador existem dois potenciômetros para determinação da sua posição. A duplicidade de sensores aumenta a confiabilidade e precisão do sistema. •

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Ilustração extraída do site www.oficinabrasil.com.br

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Fig. 11.24 - Sistema drive by wire No corpo de borboleta (Fig. 11.25), além de um motor para acioná-la, existem potenciômetros responsáveis pela informação da posição da borboleta. O controle da marcha lenta nesse sistema se dá pela própria borboleta do sistema que assume uma posição que garanta um fornecimento ideal de ar ao motor.

Fig. 11.25 – Borboleta motorizada - drive by wire 1 Sensor da posição da Borboleta de aceleração O sensor de posição da borboleta é um potenciômetro de resistência variável associado ao eixo da borboleta aceleradora. Sua função é informar ao módulo de comando o ângulo de abertura da borboleta. Com essa informação, a central controla o volume de combustível injetado e o ângulo de ignição. Esse sensor também é uma importante referência ao sistema quando da utilização das estratégias de corte de injeção em freio motor ( cut off ) e estabelecimento das condições da marcha lenta. A informação de abertura da borboleta maior que 70% permite ao controle do motor comandar o desligamento momentâneo do compressor do ar condicionado, visando potência extra nas ultrapassagens. •

1

Ilustração retirada do site www.injetronic.com.br

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Sensor de temperatura do ar de admissão Informa ao módulo a temperatura do ar de admissão. Localizado na linha de admissão, é composto de um termistor que varia a resistência em função da temperatura. Com a informação da temperatura, o módulo pode controlar o tempo de abertura do injetor para que seja injetado o volume exato de combustível de acordo com a massa de ar admitido, uma vez que o ar varia sua densidade em função da temperatura. O sensor é um termistor do tipo NTC – negative temperature coeficient – coeficiente negativo de temperatura, onde a resistência diminui com o aumento da temperatura. •

Controle eletrônico da marcha lenta A rotação ideal de marcha lenta é uma variável controlada pelo sistema eletrônico de controle do motor. A central de controle controla a ignição e o atuador de marcha lenta de acordo com a as informações recebidas dos sensores, de modo a identificar as situações que interferem na marcha, corrigindo o quanto antes. Motor frio – a mistura rica necessária ao funcionamento de um motor frio, aliada a maior resistência de funcionamento imposta pela baixa temperatura do óleo requer uma rotação de marcha lenta ligeiramente maior nessa situação. Ao identificar a elevação gradual da temperatura através do sensor de temperatura do líquido de arrefecimento, o sistema atua corrigindo gradualmente a rotação até o valor padrão para motor aquecido; Cargas de consumo ligadas – o uso de equipamento elétricos provoca uma carga maior no alternador, o que por sua vez provoca um maior exigência do motor. Em situações de consumo excessivo, a central de controle opera o motor em uma rotação ligeiramente superior à marcha lenta ideal para garantir um melhor funcionamento do alternador; Direção Hidráulica atuando e ar condicionado ligado – a carga extra desses componentes têm que ser compensadas para evitar queda na rotação do motor. O sistema de controle do motor, através de sensores de pressão,consegue identificar o maior esforço do sistema de direção hidráulica e a solicitação de acoplamento do compressor do ar condicionado, feita ao se acioná-lo. Para controlar a marcha lenta do motor, o sistema conta com duas opções: Modificar o momento de disparo das centelhas das velas de ignição; Modificar a mistura ar/combustível, alterando a quantidade de ar admitida pelo motor ou modificando o tempo de injeção dos injetores. Uma outra função importante do controle de marcha lenta é a sua atuação ativa na estratégia de dash-pot , que estabelece reduções graduais na rotação, possibilitando a redução na emissão de poluentes através da queima dos hidrocarbonetos restantes nas câmaras de combustão. Para o controle da rotação de marcha lenta em um motor monitorado eletronicamente, utiliza-se um atuador que modifica a abertura de uma passagem de ar adicional à válvula borboleta (bypass ). Existem diversos modelos de atuadores, todos basicamente com a mesma função. De forma resumida, pode-se estabelecer três tipos principais: •

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o

o

o o

Motor de passo Instalado no corpo da borboleta, um motor de passo desloca uma haste munida de um obturador, que modifica a seção da passagem do conduto de by-pass – Fig. 11.26. Essa •

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modificação controla a quantidade de ar que é aspirada pelo motor enquanto a borboleta permanece fechada. O atuador é alimentado em forma de pulsos pela central de controle, onde o seu funcionamento é monitorado através da contagem de passos que é armazenada na memória da central. Em caso de perda da alimentação da bateria ou substituição do atuador poderão surgir instabilidades da marcha lenta, situação que pode ser corrigida submetendo o veículo a diversas condições de condução ou zerando o posicionamento do sensor através de um Scanner de diagnóstico.

Fig. 11.26 – Motor de passo para controle de marcha lenta 1 Válvula de controle de ar da marcha lenta Trata-se de um motor elétrico acoplado a uma válvula de estrangulamento que fica situada em canal de derivação ( bypass ) da borboleta de aceleração – Fig. 11.27. Uma mola mantém uma posição que garante uma passagem mínima de ar para manter o motor funcionamento em caso de problemas com o atuador. A central, através de uma onda quadrada, onde a largura do pulso influencia na tensão média de alimentação do motor, consegue manter a palheta em posições intermediárias, podendo abrir ou fechar o quanto for necessário a passagem de ar para atingir a rotação de marcha lenta ideal. •

Fig. 11.27 – Válvula de controle de ar da marcha lenta 2 1

Ilustração extraído do treinamento assistencial FIAT – Injeção eletrônica G7

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Ilustração extraída da Instrução Programada Chevrolet – Sistema de Injeção Eletrônica de Combustível Motronic

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Marcha lenta controlada na borboleta Alguns sistemas possuem um motor que possibilita a abertura de alguns graus na borboleta de aceleração, controlando a rotação de marcha lenta. Da mesma forma que na válvula de controle de ar da marcha lenta, uma mola mantém uma abertura mínima garantindo o funcionamento do motor em caso de falha no sistema. •

Métodos de medição da massa de ar admitida pelo motor Para que o sistema de controle do motor consiga determinar com precisão a quantidade de combustível que deve ser fornecida a cada instante, é necessário que se saiba a quantidade de ar que está sendo admitida, de forma que se possa formar a mistura ar combustível ideal àquele instante. A depender do tipo de sistema, diversos tipos de sensores podem ser utilizados. Abrangem-se aqui os três métodos mais comuns utilizados pela indústria automobilística. •

Sensor de pressão absoluta do coletor de admissão (MAP – Manifold Absolute pressure ) Este sensor avalia as alterações de pressão obtidas no coletor de admissão resultantes das variações de carga e rpm do motor, convertendo estas informações em saída de voltagem. Uma borboleta de aceleração totalmente fechada (numa rápida desaceleração do motor) produziria uma voltagem relativamente baixa no MAP, enquanto que uma borboleta de aceleração totalmente aberta produziria uma alta voltagem de saída no MAP. Esta alta voltagem é produzida porque a pressão é a mesma dentro e fora do coletor, assim medese 100% da pressão do ar exterior. A pressão absoluta no coletor (MAP) é o oposta que se mediria em um vacuômetro. Quando a pressão no coletor é alta, o vácuo está baixo. O sensor MAP é usado também para medir a pressão barométrica sob determinadas condições, permitindo a central realizar ajustes na mistura ar combustível a depender da altitude, corrigindo variações na densidade do ar. O sensor está alojado dentro do vão do motor e está fixado ao coletor de admissão ou conectado a este através de uma mangueira de borracha. A central emite um sinal de referência de 5 volts ao sensor MAP. Quando a pressão do coletor varia, a voltagem do sensor MAP também varia. Monitorando a voltagem de saída do sensor, a central de controle conhece a pressão do coletor. Uma pressão mais elevada, vácuo baixo (alta voltagem) requer mais combustível, enquanto uma pressão mais baixa, vácuo mais elevado (baixa voltagem) requer menos combustível. O controle do motor utiliza o sensor MAP para controlar a liberação de combustível e o ponto de ignição. •

Paleta móvel com potenciômetro Nesse sensor, a admissão de ar desloca uma paleta (flap) que está fisicamente conectada a um potenciômetro. Esse movimento faz variar a resistência do componente, modificando a queda de tensão dos 5 Volts que a central alimenta o componente. Para maior estabilidade com relação aos solavancos do veículo, uma paleta de compensação se movimenta em uma área separada, o que melhora o equilíbrio e evita medições incorretas, conforme se vê na Fig. 11.28. No interior do sensor existe também um termistor responsável pela medição da temperatura do ar, para que a central possa •

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corrigir a mistura de acordo às variações de densidade provocadas pela variação da temperatura.

Fig. 11.28 - Sensor de fluxo de ar de paleta 1 Sensor de vazão mássica com película aquecida Uma fina película aquecida pela corrente elétrica (Fig. 11.29) é submetida ao contato do fluxo de ar que o motor admite. O resfriamento dessa película provoca aumento da corrente para mantê-la na temperatura anterior, o que é detectado por um circuito eletrônico através do desequilíbrio de uma ponte de resistores wheatstone. Esse tipo de sensor, mais moderno, fornece a vazão mássica de ar admitida pelo motor. •

Fig. 11.29 - Sensor de vazão mássica por película aquecida

1

Ilustração extraída do Gasoline-engine management BOSCH

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11.3.5.3 - Outros sensores

Além dos sensores já descritos, dois sensores – o de temperatura do líquido de arrefecimento e o de velocidade do veículo – são vitais ao correto funcionamento do sistema. Sensor de temperatura do líquido de arrefecimento do motor O sensor de temperatura do líquido de arrefecimento, também denominado CTS – Coolant temperature sensor , está localizado na caixa da válvula termostática ou no cabeçote do motor. O seu funcionamento é similar ao sensor de temperatura do ar de admissão, ou seja é um termistor sensível ao calor, do tipo NTC, cuja característica é aumentar sua resistência elétrica quando a temperatura abaixa e diminuir a resistência quando a temperatura aumenta – Fig. 11.30. •

Fig. 11.30 - Sensor de temperatura do líquido de arrefecimento 1 A temperatura do motor é informação importante para que a central calcule as seguintes variáveis: Tempo de injeção; Controle da marcha lenta; Definição do mapa de ignição ideal; Acionamento dos eletroventiladores do radiador (em alguns veículos, o acionamento dos eletroventiladores é realizado independentemente da central eletrônica); Inibição do acoplamento do compressor do ar condicionado em caso de superaquecimento; Acionamento do combustível auxiliar durante a partida a frio (gasolina) em modelos à álcool. o o o o

o

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Sensor de Velocidade do Veículo ( VSS ) Posicionado no velocímetro do painel de instrumentos ou na carcaça da transmissão, esse sensor, do tipo Hall, transmite uma freqüência que é proporcional à velocidade do veículo. Essa informação é enviada à central que utiliza para efetuar os seguintes cálculos: •

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Motores de Combustão Interna o

o

o

o

o o

Identificação de veículo parado ou em movimento – permite o estabelecimento do mínimo tracionado, que permite que o veículo se movimente engrenado em baixas velocidades com o acelerador solto, sem que o motor apague; Enriquecimento da mistura durante a aceleração – uma aceleração vigorosa aliada à elevação da velocidade representa para a central uma estratégia de enriquecimento momentâneo da mistura; Corte de combustível durante a desaceleração (cut-off em freio motor) – a queda da velocidade do veículo é identificada pela central para que seja retomada a injeção, evitando que o motor apague; Controle da rotação de marcha lenta – a marcha lenta com o veículo em movimento pode ser ligeiramente maior, como forma de preparação para uma retomada de velocidade; Fornecimento de sinal para o velocímetro e odômetro digital; Registro interno da quilometragem percorrida pelo veículo (restrito a alguns modelos) - permite inibir fraudes ao odômetro do painel de instrumentos.

11.3.6 - Fasagem da Injeção / Ignição

Para que seja determinado o momento exato em que os injetores serão acionados e o momento que as centelhas serão geradas, é necessário a fasagem do sistema. A identificação desse momento se dá baseado na informação do sensor de rotação e referência do PMS (ponto morto superior). Alguns sistemas mais sofisticados incorporam o sensor de fase da admissão, para que se efetue a fasagem da injeção de acordo com a admissão de cada cilindro. Esse sistema é utilizado nos motores que possuem injeção multiponto seqüencial e/ou possuem bobinas de ignição individuais. Sensor de rotação e referência do PMS O sensor é composto por dois elementos: o sensor propriamente dito e um disco segmentado semelhante a uma roda dentada, denominado roda fônica. A roda fônica é montada no eixo de manivelas ou em sua polia. O sensor, por sua vez, fica fixado na sua proximidade de forma a poder captar por indução os segmentos da roda. Os dentes se movem além da bobina indutiva de pulso (Fig. 11.31) e induzem uma alteração de voltagem (sinal analógico) que é convertido em sinal digital retangular no estágio de conversão de sinais da central de controle. •

Fig. 11.31 - Interior do sensor de rotação e referência 1 Os dois dentes faltantes no disco formam um intervalo que dispara o início do programa de computador, destinado a calcular o ângulo de avanço de ignição. O primeiro flanco que ocorre após o intervalo gera a marca de referência. Essa marca de referência proporciona 1


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informações para o correto ponto de injeção e ignição, e dispara a contagem de dentes para chegada do PMS do primeiro cilindro. O sinal gerado pelo sensor de rotação é do tipo AC (corrente alternada), cuja freqüência e amplitude são alteradas dependendo da rotação do motor – Fig 11.32.

Fig. 11.32 - Sinal do sensor de rotação e referência 1 Alguns modelos possuem dois sensores – um para rotação e outro para a referência do Ponto morto superior do primeiro cilindro. Nesse caso não existe a falha nos dentes do sensor de rotação, e o de referência possui um único dente. Esse sistema foi utilizado no Fiat Mille Electronic, que apesar de ser alimentado por carburador, possuía um sistema de ignição mapeada com bobina dupla DIS de centelha perdida. Sensor de fase O sensor de fase tem a função de identificar a ignição do cilindro 1 para que a partir dessa informação, a central estabeleça todo o mapeamento da injeção e ignição do motor de forma seqüencial fasada, ou seja, o combustível é fornecido ao cilindro que está em fase de admissão. •

Fig. 11.33 - Localização do sensor de fase 2 1

Ilustração extraída do treinamento assistencial FIAT – Injeção eletrônica G7 Ilustração extraída do treinamento assistencial FIAT – Marea Injeção eletrônica Motronic

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O sensor geralmente é montado no eixo comando de válvulas (Fig. 11.33), a não ser no caso desse comando ser variável, onde aí ele é montado no comando de escapamento. O sensor opera por efeito Hall. Uma camada semicondutora percorrida por corrente, quando imersa em um campo magnético com linhas de força perpendiculares à direção da corrente, gera em suas extremidades uma tensão denominada “tensão Hall”. O seu aspecto interno é mostrado na Fig. 11.34.

Fig. 11.34 - Operação do sensor de fase de efeito hall 1 Se a corrente permanecer constante, a tensão gerada dependerá unicamente do campo magnético. Nesse caso, um defletor solidário à polia do comando cobre e descobre o sensor alternadamente, modificando o campo magnético, de forma a gerar um pulso em forma de onda quadrada que é interpretado pela central de controle do motor.

Fig. 11.35 - Quadro de sinais 2 1

Ilustração extraída do treinamento assistencial FIAT – Marea Injeção eletrônica Motronic Ilustração extraída do treinamento assistencial FIAT –Injeção eletrônica G7

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Detecção da fase De posse dos sinais de rotação, referência de PMS e fase, a central opera um algoritmo de fasagem da ignição e sequenciamento da injeção. Após detectar a falha na roda fônica do sensor de rotação (referência do PMS), a central começa a contar o tempo para disparo da ignição conforme o avanço já determinado para aquele momento. O sinal do sensor de fase identifica o momento e ordem de injeção de combustível, de forma que a mesma seja seqüencial – Fig. 11.35 e 11.36. •

Fig. 11.36 – Sequenciamento da Injeção / Ignição 1 Detecção da fase via software Alguns modelos estabelecem o sequenciamento da injeção sem a utilização de um sensor específico para essa tarefa. Nesse caso, uma estratégia específica é realizada pela central de controle com o intuito de identificar a fase correta de injeção durante a partida ou em desacelerações. Para que a estratégia seja viável, o motor deve possuir bobinas de ignição duplas (Sistema DIS com centelha perdida) e número par de cilindros. A fasagem é determinada da seguinte maneira: Um sequenciamento teste é iniciado logo após a partida do motor. Como a centelha é gerada aos pares pelo sensor de rotação e PMS na estratégia de centelha perdida, não ocorrerá nenhuma alteração na ignição, portanto o motor funcionará; O sequenciamento da injeção, no entanto, precisa ser fasado. Se a seqüência for inadequada, será injetado combustível no cilindro errado (no que está em exaustão ao invés do que está em admissão). Nesse caso, o combustível ficará armazenado no pé da válvula, até que esta abra. Desse modo, estando a fasagem certa ou não, o motor funcionará; •

o

o

1

Ilustração extraída do treinamento de assistência técnica Volkswagen

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Tão logo o motor funcione, a central de injeção cortará a injeção do primeiro cilindro e observará a queda de rotação – Fig. 11.37. Se a fasagem estiver correta, o corte de combustível provocará uma queda mais vigorosa na rotação; Se a fasagem estiver errada, não haverá queda significativa na rotação; Baseada na avaliação desse momento, a central poderá optar por corrigir o sequenciamento dos injetores ou manter o mesmo. A avaliação do sequenciamento é feito quando ocorre queda de rotação, ou seja, quando soltamos o acelerador, ou então logo após a partida do motor. O sistema de sequenciamento via estratégia de central é realizado nos motores FIAT Fire. o

o o

Fig. 11.37 – Identificação do sensor de fase via software no instante em que o injetor 1 é cortado 3 vezes consecutivas logo após partida do motor

11.3.7 - Circuito Eletroeletrônico

Tem a função de acionar e alimentar eletricamente todos os componentes do sistema de injeção / ignição. É constituído principalmente por uma central de controle eletrônico, pelos sensores, que geram os sinais de entrada, e atuadores ( que executam as “ordens” do módulo de controle). Para melhor visualizarmos o circuito de injeção / ignição faremos uma descrição resumida dos sinais de entrada (sensores) e sinais de saída (atuadores). 11.3.7.1 - Central de Controle Eletrônico do sistema A central de controle eletrônico do motor é o “cérebro” do sistema – Fig. 11.38. Esta central, também denominada centralina da injeção, monitora constantemente os dados recebidos dos vários sensores e controles. As informações são utilizadas para controlar o

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funcionamento do motor - controle de combustível, ponto da ignição, rotação da marcha lenta, operação do condicionador de ar, dentre outras.

Fig. 11.38 - A central eletrônica é o cérebro de todo o sistema 11.3.7.2 - Memória Existem quatro tipos de memória armazenadas no interior da central: ROM, RAM, PROM e EEPROM. ROM - A memória de Leitura única (ROM - read-only memory ) é uma memória • permanente que é soldada fisicamente às placas de circuito impresso do circuito, dentro da central eletrônica. A ROM contém os algoritmos de controle geral. Uma vez programada, não pode ser mudada. A memória ROM é permanente, e não necessita de alimentação para ser retida; • RAM - A Memória de Acesso Aleatório (RAM - random access memory ) é o “bloco de rascunho” do microprocessador. O processador pode armazenar ou recuperar dados dessa memória como quiser. Esta memória é volátil e necessita de uma fonte constante de alimentação para ser retida. Se a voltagem for interrompida, todos os códigos armazenados e valores gravados serão apagados; PROM - A memória de leitura única programável (PROM - programmable read only • memory ) é a parte da central eletrônica de controle do motor que contém as informações sobre calibração do motor que é específica ao ano, ao modelo e às emissões. A PROM é uma memória permanente que é lida somente pelo processador. Ela está localizada dentro do conjunto de calibração da memória (MEM-CAL) e, em alguns casos, pode ser removível para substituição ou reprogramável – (EPROM - erasable programmable read only memor y); • EPROM – é uma memória que é uma memoria EPROM que pode ser apagada e regravada eletricamente. 11.3.7.3 - MEN-CAL Para permitir que um modelo de central possa ser utilizado em diversos veículos, um dispositivo denominado MEM-CAL (Unidade de calibração da memória) é utilizado. O MEM-CAL está localizado no interior da central e possui informações sobre peso do veículo, motor, combustível, transmissão, razão do diferencial além de outras características.

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Caso seja necessária a troca, quando em serviço, deverá ser mantido o mesmo número do MEN-CAL, para não alterar as características operacionais do sistema. 11.3.7.4 - Processador Tal como em um computador, o processador é o componente da central responsável pela execução das instruções contidas nos programas. A ele cabe processar os sinais, executar os cálculos, comandar os estágios de saída e manejar as memórias e dispositivos a ele conectados. 11.3.7.5 - Estágios de Saída São semicondutores responsáveis pelo acionamento de dispositivos tais como: injetores, bobinas de ignição, relés da bomba de combustível, compressor do ar condicionado etc. Os estágios de saída recebem o comando de ativação do processador e executam o chaveamento dos dispositivos que controlam, conduzindo assim a corrente necessária ao funcionamento dos mesmos. Alguns dispositivos de maior consumo de corrente, bomba de combustível por exemplo, são acionados por relés que por sua vez são acionados pelos estágios de potência correspondentes. Por conduzirem corrente, os transistores dos estágios de potência possuem dissipadores de calor, sendo muitas vezes a própria caixa do módulo de comando. Alguns sistemas de controle de motores, possuem os estágios de potência das bobinas externos à unidade de controle, com o intuito de reduzir o tamanho e melhor dissipação de calor. 11.3.7.6 - Sinais de entrada A central eletrônica está conectada a diversos sensores, muitos dos quais já comentados. Esses sensores representam os sinais de entrada do sistema e sim assim compostos: Voltagem da Bateria – alimenta todo o sistema e informa ao sistema queda de • tensão ou sobretensão para que este corrija o tempo de injeção; Sensor de rotação – permite a central realizar os cálculos de injeção e ignição; • Sensor de velocidade do veículo (VSS – Vehicle Speed Sensor ) ; • Sensor de pressão absoluta no coletor (MAP – Manifold Absolute Pressure ); • Sensor da posição da Borboleta de aceleração; • Sensor de oxigênio ( sonda lambda ); • Sensor de temperatura do ar de admissão; • Sensor de temperatura do líquido de arrefecimento; • Sensor de pressão do condicionador de ar – permite compatibilizar a marcha lenta • com a carga adicional do compressor, além de verificar a necessidade de acionamento do ventilador do radiador e corte do compressor, visando a proteção deste contra pressões inadequadas; Interruptor de solicitação do condicionador de ar – informa a solicitação de • acionamento do ar condicionado por parte do condutor do veículo. Deste modo, é possível o controle da marcha lenta e monitorar o acionamento do compressor do sistema. 11.3.7.7 - Sinais de saída A central eletrônica atua no motor através dos atuadores. Estes são comandados direta ou indiretamente através dos sinais de saídas, oriundos em sua maioria por drivers de potência instaladas na parte interior da central. Os sinais de saída são: Relé da bomba elétrica de combustível – o sistema determina o acionamento da • bomba elétrica quando detecta rotação no motor através do relé da bomba;

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• •

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Injetores de combustível – através do controle do tempo de injeção, alimenta os cilindros do motor com a quantidade de combustível necessária a cada situação de funcionamento; Bobinas de ignição – fazem parte do sistema de ignição. O sistema de controle do motor comanda a bobina, possibilitando o centelhamento no momento preciso; Atuador de marcha lenta – controla o fornecimento de ar em situações de marcha lenta e freio motor através deste atuador; Ventiladores de arrefecimento do motor – em função da temperatura de trabalho do motor e da solicitação do sistema de ar condicionado, o MCE determina o funcionamento dos ventiladores; Relé compressor do ar condicionado – o MCE comanda o momento em que o compressor deve ser ligado e desligado, em função da solicitação de funcionamento, pressão do sistema e carga do motor; Sinal de rotação – é enviado ao painel de instrumentos um sinal de rotação do motor para a operação do tacômetro (conta giros); Lâmpada de verificação do motor – instalada no painel de instrumentos, é acionada em caso de detecção de alguma anomalia no sistema de injeção/ignição, alertando o condutor quanto à necessidade de manutenção do sistema; Conector de diagnóstico – estabelece a comunicação entre a central de controle do motor e um equipamento de diagnóstico (Scanner) para permitir detecção de falhas e leituras do sistema.

11.3.7.8 - Interfaces A central de controle do motor possui interfaces com outras centrais para compartilhamento e recebimento de informações. Painel de instrumentos – recebe informações de rotação do motor e velocidade do • veículo; Transmissão automática – existe uma comunicação bastante intensa entre as • centrais do motor e da transmissão. O momento de troca de marchas é definido com base nas informações fornecidas pela central do motor, tais como rotação do motor e posição da borboleta. Durante as trocas a central da transmissão solicita controle de torque no motor, para suavizar a operação e evitar trancos durante a mudança; Alarme e imobilizador – impedem a partida do motor em caso de uso de chave não • autorizada ou arrombamento do veículo; Computador de bordo – Recebe as informações a cerca de velocidade e • quantidade de combustível injetado para efetuar cálculos de consumo, velocidade média e autonomia; Controle de tração e estabilidade – interfere no motor, através do controle de torque • para evitar e corrigir derrapagens.

11.3.8 - Sistema de Ignição Ao sistema de ignição cabe a importante tarefa de inflamar a mistura ar-combustível no momento correto, gerando a combustão que irá efetivamente funcionar o motor. Em um motor composto por vários cilindros, a queima ocorre de acordo a uma ordem de queima estabelecido no projeto, durante o desenvolvimento do motor. O sistema transforma os 12V da bateria em algumas dezenas de milhares de volts, suficientes para transpor a distância existente entre os eletrodos das velas de ignição.

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11.3.8.1 - Principais componentes do sistema de ignição • Bateria – é a fonte de energia do sistema. Carregada pelo alternador, a bateria alimenta não só o sistema de ignição, como também todos os demais componentes elétricos do veículo. A bateria é um acumulador que armazena energia elétrica em forma de energia química. Durante a carga a energia elétrica é transformada em energia química e vice-versa. Bobina de ignição – é um transformador que eleva uma tensão contínua pulsante, • permitindo transformar uma corrente contínua em pulsos de alta tensão que serão conduzidos às velas de ignição – Fig. 11.39;

•

Fig. 11.39 – Bobinas de ignição 1 Distribuidor – como o próprio nome indica, realiza a distribuição da alta tensão gerada pela bobina às respectivas velas de cada cilindro, segundo a ordem de queima do motor. Uma peça denominada rotor gira internamente ao distribuidor, fazendo a distribuição da corrente elétrica. Não existe contato físico entre as partes, a alta tensão consegue transpor a pequena distância existente entre os contatos. O rotor (Fig. 11.40) possui resistência elétrica com o intuito de suprimir interferências provocadas pelas faíscas nas velas.

Fig. 11.40 - Rotor e Distribuidor de ignição 2 1

Ilustração bobinas Bosch Ilustração Bosch

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•

Cabos de vela – são cabos especialmente resistentes à alta tensão e às altas temperaturas existentes no compartimento do motor. Conduzem a alta tensão do distribuidor às velas. Existem alguns cabos de vela que são resistivos, essa característica visa eliminar interferências eletromagnéticas produzidas pela alta tensão (faísca). Essas interferências podem prejudicar o funcionamento dos componentes eletrônicos do veículo, tais como: rádio, unidade de comando da injeção eletrônica, etc. O supressor, que possui resistência, está incorporado ao cabo de ignição e se apresenta de duas formas: Cabo supressivo (CS) - possui o supressor instalado ao longo do próprio cabo e sua resistividade depende do seu comprimento. O valor indicado pela norma NBR 6880 é de 6 a 10 K Ω por metro. Terminal supressivo (TS) - possui resistor (resistência) instalado dentro dos terminais que vão sobre as velas, tampa do distribuidor e bobina. o

o

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Vela de ignição - a função da vela de ignição é conduzir a alta voltagem elétrica para o interior da câmara de combustão, convertendo-a em faísca para inflamar a mistura ar/combustível. Apesar de sua aparência simples (Fig. 11.41), o seu perfeito desempenho está diretamente ligado ao rendimento do motor, os níveis de consumo de combustível, a maior ou menor carga de poluentes nos gases expelidos pelo escape, etc.

Fig. 11.41 - Partes de uma vela de ignição 1 1

Ilustração Bosch

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Grau Térmico das velas de ignição O motor em funcionamento gera na câmara de combustão uma alta temperatura que é absorvida na forma de energia térmica, sistema de refrigeração e uma parte pelas velas de ignição. A capacidade de absorver e dissipar o calor é denominada grau térmico. Como existem vários tipos de motores com maior ou menor carga térmica são necessários vários tipos de velas com maior ou menor capacidade de absorção e dissipação de calor. Tem-se assim velas do tipo quente e trio. Tipo Quente - é a vela de ignição que trabalha quente o suficiente para queimar depósitos de carvão quando o veiculo está em baixa velocidade. Possui um longo percurso de dissipação de calor, o que permite manter alta temperatura na ponta do isolador. Tipo Frio - é a vela de ignição que trabalha fria, porém o suficiente para evitar a carbonização quando o veículo está em baixa velocidade. Possui um percurso mais curto permitindo a rápida dissipação de calor. É adequada aos regimes de alta solicitação do motor. A vela de ignição no motor de ignição por centelha, seja a gasolina, álcool ou GNV, deve trabalhar numa faixa de temperatura entre 450º C a 850º C nas condições normais de uso. Portanto a vela deve ser escolhida para cada tipo de motor de tal forma que alcance a temperatura de 450º C (temperatura de autolimpeza) na ponta ignífera em baixa velocidade e não ultrapassar 850º C em velocidade máxima – Fig. 11.42. 

o

o

Fig. 11.42 - Temperatura de trabalho das velas de ignição 11.3.8.2 - Avanço da ignição Existe um tempo entre a geração da centelha na vela até a queima completa da mistura. Para que seja aproveitada ao máximo a elevação da pressão no interior dos cilindros, é imperativo que a centelha seja lançada antecipadamente ao ponto morto superior. O momento ideal para geração da centelha é bastante variável, dependendo de diversos fatores entre os quais: Rotação do motor; Carga do motor; o o

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Temperatura do líquido de arrefecimento; Temperatura do ar de admissão; Situações de detonação. A esse adiantamento da centelha chama-se avanço da ignição. O sistema deve prever esse avanço e dispor de dispositivos que alterem o momento de geração da centelha, de acordo aos fatores citados. O dispositivo pode ser mecânico ou eletrônico. o o o

Avanço centrífugo Proporciona o avanço do ponto de ignição à medida em que a rotação do motor se eleva. Com o aumento da rotação há o movimento dos contrapesos, provocando uma rotação do prato do distribuidor de acordo ao ângulo de avanço correspondente – Fig. 11.43. •

Fig. 11.43 – Avanço centrífugo 1 Avanço a vácuo Proporciona adequar o ponto de ignição à carga do motor. Baseia-se no fato que quanto maior a carga do motor, menor o vácuo no coletor de admissão e vice-versa – Fig. 11.44. •

Fig. 11.44 – Avanço a vácuo 1 1

Ilustração extraída do gasoline-engine managment Bosch

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Avanço eletrônico – ignição mapeada Nesse sistema, um mapa de ignição (Fig. 11.45) prevê as diversas situações de rotação e carga, proporcionando o ponto ideal. Alguns sistemas mapeiam unicamente a rotação, enquanto outros mapeiam rotação, carga e, por vezes, a temperatura do motor e eventos de detonação no motor. A ignição mapeada possibilita uma maior precisão na determinação do avanço, com conseqüente maior rendimento do motor. •

Fig. 11.45 – Mapas de avanço mecânico x eletrônico 1 Para possibilitar essa tarefa, o sistema dispõe de sensores que medem as variáveis envolvidas. A bobina de ignição é acionada através desse controle eletrônico, o que elimina contatos mecânicos para acionamento e corte da bobina, garantindo elevada durabilidade e baixa manutenção. 11.3.8.3 - Tipos de sistemas de ignição Atualmente existem sistemas de ignição com controles mecânicos, eletrônicos ou integrados à injeção eletrônica (controle eletrônico do motor). Sistema de ignição convencional com platinado Abolido dos automóveis na década de 80, o sistema de ignição convencional (Fig. 11.46) é composto pelos seguintes componentes: Bateria; Bobina de ignição; Distribuidor de ignição; Cabos de vela; Platinado – tem como função ligar e desligar a bobina de ignição, garantindo o pulsar de alta tensão gerado pela mesma. Fica situado internamente ao distribuidor. O fechamento e abertura de seus contatos é realizado através •

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Ilustração extraída do treinamento de assistência técnica FORD – Sistema de ignição

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de um came que gira solidário ao eixo do distribuidor. O número de arestas do came corresponde ao número de cilindros do motor. Condensador – a operação do platinado provoca o fenômeno da autoindução, que tende a prolongar a existência do fluxo magnético na bobina. A corrente de auto-indução tende a deteriorar os contatos do platinado, reduzindo a sua vida útil. Para evitar esses efeitos perturbadores, liga-se um condensador entre o contato e a massa. No momento da interrupção da corrente primária da bobina, a corrente de auto-indução será armazenada pelo condensador. O condensador descarrega-se em seguida através da bobina de ignição. Essa descarga favorece a indução da corrente secundária. Velas de ignição.

Fig. 11.46 - Ignição convencional com platinado Ignição eletrônica Esse sistema, introduzido na década de 80, veio eliminar o platinado e condensador, itens que requeriam manutenção freqüente. No sistema eletrônico, o acionamento do primário da bobina de ignição é realizado através de semicondutores da central eletrônica de ignição (Fig. 11.47), eliminando contatos mecânicos no interior do distribuidor. •

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Fig. 11.47 - Sistema de ignição eletrônica Bosch 1 Ao distribuidor ficou a tarefa de distribuir a faísca entre os cilindros e realizar o avanço a vácuo. O avanço centrífugo, determinado pela rotação do motor, passou a ser realizado eletronicamente pela central. Para determinação da rotação e referência do PMS, foi inserido no interior do distribuidor, um sensor que pode ser uma bobina impulsora ou um sensor de efeito hall.

Fig. 11.48 - Distribuidor com sensor de efeito Hall 2 1

Ilustração extraída do gasoline-engine managment - Bosch Ilustração extraída do gasoline-engine managment - Bosch

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Ignição estática Também denominado sistema de Ignição Direta – DIS ( direct ignition system ), tem como principal característica a ausência de distribuidor. São utilizadas bobinas individuais ou bobinas para cada dois cilindros (Fig. 11.49), na estratégia denominada centelha perdida. O sistema de ignição direta, por não possuir peças móveis, também é denominado sistema de ignição estática. As bobinas DIS enviam a corrente de alta tensão diretamente às velas através dos cabos de vela. O momento e avanço da centelha é determinado por um módulo de controle, baseado na informação de alguns sensores: Rotação e carga do motor; Fase do motor; Temperatura do líquido de arrefecimento; Temperatura da entrada do ar Uma vez que no sistema não há a intermediação do distribuidor entre a bobina e as velas, apresenta as seguintes vantagens: Alta precisão no ponto de ignição, característica importante para um bom rendimento do sistema e um baixo nível de emissões; Grande isolação do sistema, o que determina alta resistência a umidade; Baixa manutenção, uma vez que não necessita de ajuste do ponto de ignição e não possui rotor. •

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Fig. 11.49 - Bobinas de ignição direta – Individual e dupla (centelha perdida) 1 Centelha perdida Esse sistema de ignição direta tem cada bobina alimentando dois cilindros (Fig. 11.50). Nesse caso, as duas centelhas são geradas em cilindros gêmeos, ou seja, enquanto um encontra-se ao final da compressão necessitando efetivamente da faísca, o outro estará ao final do escapamento, onde ocorrerá a centelha perdida, e vice-versa. A diferente razão dielétrica dos gases determina uma centelha com maior intensidade do cilindro que efetivamente estiver necessitando da centelha (final da compressão). •

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Ilustração extraída do gasoline-engine managment - Bosch

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Esse sistema garante uma boa eficiência com um menor custo em relação ao sistema que possui bobinas individuais.

Fig. 11.50 - Funcionamento da Ignição DIS com bobina dupla, centelha perdida 1 Twin Spark – duas velas por cilindro Sistema de ignição que adota duas velas por cilindro. Cada uma das velas emite uma faísca dando origem a uma frente de chama. Havendo duas frentes de chama (em vez de apenas uma) o processo de combustão realiza-se mais rapidamente aumentando deste modo a eficiência do ciclo termodinâmico. Sendo a queima mais rápida, os motores Twin Spark (Fig. 11.51) apresentam uma menor tendência para detonar o que possibilita a utilização de taxas de compressão mais elevadas. Esse sistema é utilizado notadamente em alguns veículos da italiana Alfa Romeo. Nessa montadora, o sistema possui 4 bobinas duplas, sendo que cada uma alimenta duas velas – uma de cada cilindro gêmeo. Assim sendo, cada cilindro possui centelha gerada por duas bobinas diferentes, através das duas velas existentes. Desse modo, o sistema possui alta confiabilidade, uma vez que na falha de uma bobina todos os cilindros continuarão funcionando, sendo que dois com apenas uma centelha. •

Fig. 11.51 - Sistema Alfa Romeo Twin Spark

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Ilustração extraída do treinamento de assistência técnica FORD – Sistema de Ignição

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Ignição integrada à injeção eletrônica É o sistema utilizado nos veículos atuais. Um modelo eletrônico, denominado módulo de controle do motor, integra o controle de injeção de combustível e de ignição. Através de mapas compostos de tabelas permanentemente armazenadas na memória, é determinado o ponto de ignição de acordo às diferentes condições de funcionamento, condições estas determinadas com auxílios de sensores, tais como: pressão no coletor de admissão, rotação do motor e temperatura do líquido de arrefecimento e do ar. O módulo de controle avalia os sinais dos sensores e seleciona um mapa de ignição prédeterminado. A partir desse mapa, o sistema passa a controlar a ignição, garantindo o ponto de ignição ideal em função dos diversos regimes do motor. •

Ignição por descarga capacitiva Bastante comum em motocicletas, utiliza a capacidade que os capacitores têm de armazenar corrente elétrica. Utilizam a corrente elétrica produzida por um enrolamento para carregar uma bobina de ignição, de acordo com o esquema abaixo. Além da bobina que gera a corrente elétrica de carga do capacitor, existe uma outra denominada bobina de pulso – Fig. 11.52. •

Fig. 11.52 - Componentes de um sistema de Ignição por descarga capacitiva Essa gera sinais correspondentes ao momento de disparo da centelha. Nesse momento, a unidade de controle CDI inicia a contagem para descarregar o capacitor na bobina de ignição (Fig. 11.53), conforme a curva de avanço ideal para aquela rotação do motor.

Fig. 11.53 – Ignição por descarga capacitiva (CDI) •

Ignição por magneto

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Sistema de ignição que equipa motores de pequeno porte. Reúne em um só dispositivo, todos os elementos da ignição por bateria – Fig. 11.54.

Fig. 11.54 - Magneto e bobina

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12 – Controle da detonação

Os fabricantes, com o objetivo de atingir melhores rendimentos em seus motores, buscam elevar a taxa de compressão ao máximo admissível pelo combustível, antes que ocorra a detonação. Para que o motor funcione adequadamente, sem riscos de ocorrência de detonação, são utilizados dispositivos de detecção e controle de detonação, que atuam de forma a evitar que o fenômeno ocorra, garantindo o funcionamento do motor com altas taxas de compressão. O sistema basicamente atrasa o ponto de ignição ao menor sinal de detonação, fazendo com que a pressão interna no cilindro esteja ligeiramente menor no instante da combustão, o que inibe a formação de uma nova frente de chama, percussora da detonação. Para detecção da detonação, são utilizados sensores de detonação que detectam o fenômeno através da vibração causada ao bloco do motor (Fig. 12.1). A vibração detectada é analisada através de um algoritmo e confrontada com o momento em que ocorre a combustão, dessa forma vibrações oriundas de outros componentes não são consideradas. O circuito consegue através desse artifício identificar qual cilindro está detonando, podendo atrasar o ponto de ignição apenas nos cilindros em que esteja ocorrendo o problema. Uma vez atrasado o ponto de ignição, o sistema passa a adiantar lentamente até um ponto que garanta um funcionamento seguro e com alto rendimento. O sistema de controle do motor permite, através da adaptabilidade, modificar o mapa de ignição de forma a trabalhar com avanços que impeçam a detonação. Isso é especialmente útil quando o desgaste e carbonização do motor aumentam a ocorrência de detonação. O sensor de detonação está normalmente parafusado no bloco do motor e tem como elemento sensor um cristal piezo-elétrico. Esse material quando é submetido a deformações mecânicas, gera tensões elétricas em sua superfície. Dessa forma, o sensor é capaz de captar as vibrações provocadas pelo fenômeno da detonação, transformandoas em sinal elétrico o qual é enviado a unidade de comando eletrônico do motor.

Fig. 12.1 - Sensor de detonação e aspecto do seu sinal

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13 - Controle de emissões Para atender às severas disposições legislativas sobre as emissões de resíduos nocivos dos motores de combustão interna, além de uma dosagem sempre precisa da mistura arcombustível, o veículo está equipado com os seguintes dispositivos : Sonda lambda para monitoramento da concentração de oxigênio nos gases de • escape; Conversor catalítico ( catalisador ); • Circuito anti-evaporação do combustível; • Recirculação dos gases provenientes do cárter do motor. • 13.1 - Sensor de Oxigênio dos Gases de Escape ( Sonda Lambda ) Fixado no coletor de escapamento, o sensor de oxigênio ou sensor lambda (Fig. 13.1) é responsável pela medição da relação dos gases de escape, enviando esses sinais à central de controle do motor que concluirá se a mistura está rica ou pobre. O sensor consiste de um eletrólito de zircônio entre duas placas de platina (Fig. 13.2). Esses elementos têm propriedade de gerar uma diferença de potencial (manifestada pela medição de uma voltagem correspondente) quando existe variação entre a proporção de oxigênio medida e uma usada como referência, que corresponde ao ar atmosférico.

Fig. 13.1 - Típicos sensores de oxigênio – Sonda lambda

Fig. 13.2 – Funcionamento do sensor de oxigênio 1 1

Ilustração extraída do Gasoline-engine management - BOSCH

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Quando a mistura ar/combustível está rica, a voltagem do sensor de oxigênio é alta. Se a mistura ar/combustível estiver pobre, a voltagem do sensor será baixa. A voltagem varia aproximadamente entre 50 milivolts (mistura pobre) e 900 milivolts (mistura rica), conforme o conteúdo de oxigênio no escapamento. Para determinar se a mistura ar/combustível está rica ou pobre, o módulo mede a voltagem da sonda. Para que ocorra uma diferença de potencial no sensor, é necessário que o mesmo esteja aquecido. Somente acima da temperatura de 360 °C é que o sensor é ativado e passa a trabalhar em circuito fechado (Fig. 13.3), para que o módulo atue quando e como necessário, processando uma seqüência em circuito fechado de regulagem ( Closed Loop).

Fig. 13.3 - Circuito fechado (Closed Loop ) Se a voltagem do sensor estiver abaixo de 500 milivolts, evidência de mistura pobre, haverá injeção de volume maior de combustível, porém se o valor da voltagem for acima de 500 milivolts, isto é, mistura rica, haverá redução no volume de combustível injetado. Todo esse processo é utilizado para manter a alta eficiência de conversão de hidrocarbonetos, monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio no conversor catalítico. A depender da localização da sonda lambda, potência do motor e requisitos de emissões de poluentes, a sonda lambda pode possuir uma resistência de aquecimento (Fig. 13.4), para que o seja atingido rapidamente o circuito fechado. A resistência é alimentada enquanto o motor estiver funcionando.

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Fig. 13.4 – Componentes internos de um sensor de oxigênio com pré aquecimento 1 13.2 - Recirculação dos gases do cárter O motor em funcionamento gera gases internamente. Para manter o seu correto funcionamento, estes gases devem ser expulsos e isto é feito através do respiro do motor. Uma parte destes gases é tóxica e por isso deve ser queimada para não ser jogada diretamente no ambiente. Além dos vapores de lubrificantes, gases de escapamento constituídos por misturas de ar-combustível e pelos gases queimados que passam pela vedação dos anéis dos pistões são gerados na região do cárter. Torna-se necessário um sistema que efetue a recirculação dos gases, para impedir que atinjam a atmosfera e elevem a pressão interna do motor demasiadamente, o que poderia determinar vazamentos. Um sistema de chicanas ou um filtro recuperam o óleo que poderia ser arrastado juntamente com os vapores. No interior da tubulação é montado um corta-chamas para prevenir fenômenos de combustão devido ao retorno da chama ao corpo de borboleta.

Fig. 13.5 - Sistema de recirculação dos gases do cárter FIAT Marea 2.0 2 1

Ilustração extraída do Gasoline-engine management - BOSCH Ilustração extraída do treinamento assistencial FIAT – Motor Marea 2.0 20V

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Válvula PCV (positive crankcase ventilation ) ou ventilação positiva do cárter – essa válvula tem a função de impedir que um volume acentuado de lubrificante venha a ser arrastado junto com os gases do cárter para admissão, o que determinaria um consumo exagerado de lubrificante. No caso de elevada diferença de pressão entre a admissão e o cárter (desacelerações, por exemplo) a válvula fecha, impedindo momentaneamente a recirculação dos gases. Tão logo a diferença de pressão se suavize, o sistema volta a operar normalmente – veja Fig. 13.5.

13.3 - Conversor Catalítico (Catalisador) O conversor catalítico, ou simplesmente catalisador, é uma peça formada por um núcleo cerâmico ou metálico que transforma grande parte dos gases tóxicos do motor em gases inofensivos, através de reações químicas ocorridas dentro deste componente – Fig. 13.7. O catalisador não é um filtro, e sim um dispositivo que realiza reações químicas através da catálise por intermédio de metais nobres que o compõe. O conversor catalítico acelera uma reação química sem alterar a sua propriedade. Na presença de oxigênio e utilizando-se de oxidantes como platina e paladium eles adicionam oxigênio aos hidrocarbonetos e ao monóxido de carbono, transformando a mistura em vapor de água e dióxido de carbono. Para que isto ocorra, o sistema de injeção deve fornecer uma relação ar-combustível de 13,8 (razão estequiométrica) ou mais pobre, se isso não acontecer a eficiência da oxidação dos hidrocarbonetos e do monóxido de carbono ficará comprometida – Fig. 13.6. Para os óxidos de nitrogênio o catalisador também possui um elemento redutor - o rodium - que remove o oxigênio do óxido de nitrogênio transformando-o em nitrogênio. Para que haja a transformação o sistema de injeção terá que fornecer uma relação de arcombustível de 13,8: ou mais rica. Essa relação ar-combustível diferente de 13,8:1, reduz muito a eficiência de um ou outro tipo de reação química do conversor catalítico, daí a necessidade de um sistema de monitoramento, de modo a manter a mistura a maior parte do tempo possível próxima da mistura ideal. Esse sistema, explicado anteriormente, é monitorado pela sonda lambda.

Fig. 13.6 - Eficiência do catalisador

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Fig. 13.7 – Gases de entrada e saída do catalisador O catalisador, para que funcione bem, necessita estar aquecido a temperaturas acima de 400 graus, o que faz com que não tenha ação efetiva quando o veículo está frio. O seu aquecimento é decorrente da proximidade do motor, do calor dos gases de combustão e devido ao calor gerado pelas reações químicas em seu interior. Para evitar que um superaquecimento funda o catalisador, um controle eficiente sobre o sistema de alimentação de combustível é necessário. Combustível em excesso ou em falta provocam significativa queda no rendimento do equipamento, além de provocarem danos por superaquecimento. Esse fato faz com que fazer um veículo com catalisador pegar no tranco seja uma operação perigosa. Caso o motor esteja afogado (com excesso de combustível) devido às insistentes partidas com a bateria, esse excesso irá queimar no interior do catalisador, danificando-o. 13.4 - Controle de emissões evaporativas A temperatura atingida pelo combustível no interior do tanque provoca vapores que contém Hidrocarbonetos, e como poluentes, são controlados pela legislação de emissões. O combustível se aquece devido à radiação de fontes externas, como componentes da transmissão, freios e escapamento; aquecimento do retorno de combustível por circular no compartimento do motor; temperaturas provocadas pelo sol e asfalto quente. Para evitar que esses vapores atinjam a atmosfera, o tanque tem seus vapores conduzidos a um filtro de carvão ativado denominado canister , que tem como função armazenar e filtrar esses vapores para posterior queima pelo motor durante algumas situações de seu funcionamento. O filtro de carvão retém os vapores permitindo que apenas ar escape para a atmosfera. Uma mangueira conecta o canister ao tanque de combustível, enquanto uma outra o liga ao coletor de admissão do motor. Essa última ligação garante a regeneração do carvão

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através da purga do canister, que é quando os vapores são sugados pelo motor para a queima. Uma válvula controla a purga de vapores de modo a garantir uma mínima influência no controle da mistura (Fig. 13.8). Para se ter uma idéia, uma purga de 1% com presença elevada de vapores, pode provocar um enriquecimento de até 30% na mistura, ao passo que a purga de somente ar provoca um empobrecimento de apenas 1%, uma vez que a densidade dos vapores de combustível é significativamente maior que o ar. A válvula de purga, que controla a ligação entre o canister e o coletor de admissão, pode ser: 13.4.1 – Purga Mecânica – controlada pelo vácuo no coletor, onde altas cargas do motor acionam a purga; 13.4.2 – Purga Elétrica – controlada pela central de controle do motor. Nesse caso, um controle mais eficiente é realizado, onde a purga do canister ocorre segundo alguns parâmetros: A purga só iniciará com o motor aquecido, evitando que a entrada de vapores • prejudique o controle da mistura durante o período de aquecimento do propulsor; A abertura da válvula segue uma rampa de acionamento, onde até 40% do • combustível consumido pelo motor pode vir dos vapores do tanque de combustível; Em caso de corte de injeção (durante freio motor ou rotações excessivas), a purga • é interrompida, para evitar danos ao catalisador com a presença de vapores combustível não queimados nos gases de escape; Enquanto não for iniciado o controle da mistura por circuito fechado (controle via • sonda lambda) a purga é mínima ou inexistente, uma vez que não é possível monitorar a alteração na mistura devido à purga dos vapores; Esporadicamente durante o funcionamento do motor a purga é interrompida para • um melhor controle da mistura; Para evitar irregularidade no funcionamento e vibração no motor, a purga é evitada • enquanto o motor estiver em marcha lenta.

Fig. 13.8 – Sistema de recuperação de gases do combustível 1

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Ilustração extraída do Gasoline-engine management - BOSCH

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13.4.3 - Canister O canister, como já foi dito, é constituído por um reservatório que possui carvão ativado atuando como filtro dos vapores oriundos do tanque de combustível (Fig. 13.9). O canister possui normalmente três conexões: Ventilação do tanque – uma mangueira conectada à parte superior do tanque • conduz os vapores até o filtro; Purga – faz a ligação do canister ao coletor de admissão para enviar os vapores a • serem queimados durante a purga; Atmosfera – promove o contato do canister com o ar atmosférico. •

Canister

Fig. 13.9 – Canister 1 Os vapores são conduzidos à parte inferior do filtro onde sobem sendo filtrados pelo carvão ativado em forma de pequenas esferas. Na parte superior, uma espuma atua como filtro, impedindo que o carvão ativado penetre na linha de purga. 13.4.4 - Válvula de purga A válvula que controla o fluxo de vapores de combustível do canister para o coletor de admissão pode ser mecânica ou eletricamente comandada pela central de controle do motor. A válvula, quando elétrica, é acionada pelo módulo de controle do motor através de ciclos de trabalho determinando níveis de abertura compatíveis à operação do motor. 13.4.5 - Tampa do tanque de combustível A tampa do tanque possui uma válvula que tem como função manter os vapores no tanque com segurança. Em caso de substituição, é imperativo que se faça por uma de modelo idêntico para preservar o correto funcionamento do sistema de controle de emissões evaporativas. 1

Ilustração extraída de Controle de emissões – Treinamento de assistência técnica FORD

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13.4.6 - Abastecimento O posicionamento do canister varia a depender do modelo de veículo, mas muitas das vezes pode ficar em uma altura inferior à tampa de enchimento do tanque. Em caso de enchimento excessivo, o combustível tenderá a, por gravidade, atingir o filtro de carvão ativado. Uma vez contaminado com combustível, o carvão ativado tende a se dissolver e quando acionada a purga, ocorrerá contaminação do coletor de admissão e cilindros do motor, provocando carbonização com conseqüente redução da sua vida útil. Para evitar problemas dessa natureza, abastecer até o desligamento automático do bico da bomba, evitando encher o gargalo. Agindo assim protege-se não só o canister e o motor, como evita-se que combustível transborde e danifique a pintura. 13.5 - Recirculação de gases do escapamento As altas temperaturas da câmara de combustão propiciam a formação dos óxidos de Nitrogênio, que são poluentes. Para conter essa emissão reduz-se a temperatura da câmara. Isso pode ser feito recirculando parte dos gases de escapamento – Fig. 13.10. O cruzamento de válvulas por si só faz com que parte dos gases resultantes da queima voltem à admissão, auxiliando na tarefa de conter as emissões. Para um controle mais efetivo torna-se necessário o uso de mecanismos que façam a recirculação de forma controlada e em momentos que não prejudiquem o consumo e o desempenho do motor.

Fig. 13.10 – Recirculação dos gases do escapamento Uma válvula controlada pela central eletrônica de controle do motor, pilota uma válvula denominada válvula EGR – de Recirculação dos gases de escapamento ( Exhaust Gas Recirculation ). A válvula é acionada sob as seguintes condições: Motor aquecido à temperatura operacional – a recirculação dos gases com o motor • frio traria problemas de controle da mistura, que deve ser rica nesses momentos; Rotação superior à marcha lenta – se a válvula abrir durante a marcha lenta, • ocorrerá instabilidade da rotação e o motor ficará vibrando ou apagará. Esse

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problema ocorre pois a quantidade de ar admitida é mínima e a recirculação provocaria perda do oxigênio necessário a queima do combustível sob essas condições. A válvula EGR deve permanecer fechada durante solicitações de cargas elevadas, para impedir influência nessa situação onde elevada potência é exigida. Válvula EGR A válvula EGR é acionada eletricamente através de pulsos pela central de controle. Ela pode abrir diretamente o canal de recirculação dos gases ou pode pilotar, através de vácuo, um atuador pneumático que realiza a tarefa – Fig. 13.11. •

Fig. 13.11 – Funcionamento da válvula EGR 1 A central eletrônica de controle consegue modula o trabalho da válvula de forma a permitir uma recirculação maior ou menor, a depender da carga e a que o motor está submetido, de acordo com o gráfico da Fig. 13.12.

Fig. 13.12 – Abertura da válvula EGR x Carga do motor 1

Ilustração extraída do Treinamento Pós-vendas 63& - I njeção Eletrônica - Chevrolet

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13.6 - Injeção secundária de ar Com o intuito de complementar a queima de Hidrocarbonetos não queimados e aumentar a eficiência do conversor catalítico, especialmente nos primeiros momentos de funcionamento, alguns motores incorporam um sistema de injeção secundária de ar. Nesse sistema uma quantidade de ar é injetada no sistema de escape através de uma bomba – Figs. 13.13 e 13.14.

Fig. 13.13 – Sistema de injeção secundária de ar

Fig. 13.14 - Coletor de escapamento com injeção secundária de ar

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senai-mecanica-automotiva.pdf

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