Disciplina:
Motores a Combustão Interna
Distribuição da Mistura
• A distribuição da mistura combustível-ar consiste na
distribuição por igual desta mistura aos vários cilindros de um motor, para cada ciclo.
• Os cilindros que recebem misturas pobres (menos
combustível do que no estequiométrico) desenvolvem menos energia do que aqueles que recebem misturas ricas.
• A má distribuição pode acabar sendo mascarada através do enriquecimento da mistura e a produção de alta potência, alcançada ao custo de altas taxas de consumo de combustível e aumentos de HC e CO.
• As análises de CO, CO2 e O2 dos gases de escape dos cilindros individuais e das temperaturas da vela de ignição podem ser utilizadas para determinar a distribuição da mistura.
• Em motores diesel, a distribuição do combustível e a variação no tempo de injeção entre cilindros são indicadas de forma semelhante, ou seja, pela composição dos gases de escape e pela temperatura dos cilindros individuais, sendo as misturas nos vários cilindros mantida pobre em todas as condições.
• Nas linhas de ar de admissão, localizados na linha de
combustível à frente do injetor de combustível ou carburador, bomba de combustível ou bomba de injeção. os filtros de ar removem partículas de sujeira para reduzir o desgaste do pistão, anéis e cilindro.
• As linhas de gasolina devem estar em local fresco, porque o aquecimento acima de 38oC pode vaporizar as frações mais
Preparação da Mistura em
Motores de Ignição por Centelha
• A maioria dos motores automotivos usa misturas em
proporção estequiométrica quando em operação sem carga (ponto morto ou marcha lenta) e em carga parcial, mas
quando em plena potência opera com misturas ligeiramente ricas.
Combustível Volume de ar necessário para combustão total de um volume de combustível
Etanol 100% 9,00
Metanol 100% 6,47
Gasolina* 14,7 (pode variar de 14,2 a 14,8)
Diesel* 14,4 a 14,5 (leve a pesado)
• Uma mistura estequiométrica, em comparação com misturas ligeiramente ricas, proporciona uma boa economia de
combustível e baixas emissões de CO e HC.
• Em motores de pequena potência, é necessária uma mistura ligeiramente rica para a marcha lenta e acelerações leves, com transição para quase estequiométrica em cargas médias,
chegando a estequiométrica ou rica em plena carga para melhorar a potência. Estas transições ocorrem, mas sempre atendendo as limitações impostas sobre emissões.
R a zã o Ar / C o mb u st íve l R a zã o C o mb u st íve l / Ar
Percentual da capacidade máxima de ar do motor, no tempo
Sem carga Carga plena
Carga normal de trânsito – aceleração leve
Aceleração plena – potência máxima
Aceleração parcial – economia máxima Limite superior de Explosividade
• Durante muitos anos, a carburação foi usada para medir, atomizar (caso combustível fosse líquido), e misturar o combustível com o ar que flui para o motor.
• Este método continua a ser utilizado para misturar
combustíveis gasosos com ar, para motores pequenos tais como os utilizados em aplicações domésticas e no campo, e para automóveis mais antigos.
• No entanto, com exceção de partes do mundo com padrões de emissão menos rigorosos, nas aplicações automotivas a carburação foi quase totalmente substituída pela injeção de combustível.
Válvula borboleta Jato de combustível Ar Flutuador Combustível Câmara de flutuação
Mistura Spray de combustível
Venturi
Respiro
• Um flutuador (boia) mantém um nível de combustível constante em uma câmara de flutuação que é ventilada para a atmosfera ou entrada de ar do carburador.
O nível de combustível da câmara de flutuação está ligeiramente abaixo da saída do jato de
• O ar do motor flui através de um venturi que tem um diâmetro de garganta de 75 a 85% do diâmetro do tubo de carburação.
A redução na pressão na garganta do Venturi faz com que o combustível escoe da câmara do flutuador, em forma de jato, para a corrente de ar.
A atomização do
combustível é conseguida pela diferença de velocidade entre o ar e o combustível.
• A vaporização do combustível continua enquanto flui para o cilindro do motor, mas normalmente não é completada no coletor de admissão quando em aceleração plena.
O que o carburador modifica com a movimentação da válvula borboleta é a razão combustível/ar, em peso, fornecida ao motor.
• As estimativas da razão ar/combustível são sempre aproximadas, uma vez que o fluxo de ar pode sofrer sangramento na admissão para ajudar a controlar o fluxo de combustível.
Além disso, e
principalmente, o fluxo de ar através do venturi é
pulsante por natureza, e isto faz o fluxo de ar/combustível um pouco imprevisível.
• Quando o acelerador é aberto rapidamente, há um atraso momentâneo do fluxo de combustível em relação ao fluxo de ar devido à formação de uma película líquida nas paredes do coletor de admissão.
• Isto necessita o uso de algum dispositivo (bomba de aceleração ou poço) para enriquecer a mistura durante acelerações súbitas.
• Em marcha lenta, a depressão da garganta do venturi é
insuficiente para ultrapassar a viscosidade do combustível, necessitando assim de circuitos especiais para contornar este problema e assim enriquecer a mistura.
• Similarmente ocorre para o enriquecimento da mistura em cargas elevadas.
Na década de 1980, com a aplicação de padrões de emissões mais
rigorosos e a introdução do controle de ciclo fechado da relação
combustível / ar para garantir operação em uma faixa estreita sobre a relação estequiométrica, o carburador eletrônico foi introduzido. Neste dispositivo, a área de fluxo para controle da quantidade de combustível é controlada por computador, através de um solenoide.
Solenoide de controle da mistura
Válvula borboleta Pulso de acordo com modulação da válvula Válvula de restrição
Injeção em Motores de Ignição
por Centelha
Computador Ar Ar Combustível injeção de combustível de ponto únicoA maioria dos novos motores de automóveis, caminhões, pequenos motores marítimos e de utilitários empregam injeção de combustível.
A injeção de combustível basicamente consiste de uma bomba no tanque, fornecimento de recirculação e bocais de injeção.
• O combustível pode ser injetado em vários pontos do motor: no supercharger, coletor de admissão, portas de válvula de entrada, ou ainda diretamente nas câmaras de combustão. • A injeção de combustível de ponto único é muito utilizada em
carros mais simples e baixa potência, sendo localizada de forma centralizada acima do coletor de admissão. Este
sistema fornece um injeção de combustível eletronicamente controlada, com pressão na ordem de 70 kPa.
• Na injeção de combustível multiponto, um injetor é dedicado para cada cilindro, e pressões de 400 a 700 kPa são usadas para evitar a formação de vapor nas proximidades da válvula de admissão. Em certos casos, um injetor adicional é utilizado para suplementar o fluxo de combustível durante o arranque.
Injeção multiponto Injeção monoponto
Vantagens da Injeção sobre a
Carburação
1. Distribuição mais uniforme de combustível entre os cilindros do motor, com consequente redução da ocorrência de ondas de choque irregulares devido à combustão do combustível distribuído de forma não uniforme.
2. Eliminação da eventual necessidade de aquecer o coletor de admissão para obter vaporização do combustível. O
aquecimento do coletor é uma opção para se obter uma vaporização eficiente e consequente maior densidade de
carga, uma necessidade no caso de motores de alta potência. 3. Resposta de aceleração mais rápida.
5. Elimina-se a ocorrência de gelo no sistema de admissão, uma possibilidade devido a queda de pressão no venturi do
carburador em climas frios ou, em especial, em motores aeronáuticos.
6. Maior facilidade em cortar o fluxo de combustível durante a desaceleração do que empregando um carburador, pois este último tem a tendência de formar um filme de combustível no coletor de admissão quando em aceleração plena.
7. Capacidade de manter a proporção ar/combustível no ponto estequiométrico, ou muito próximo deste, na maior parte do tempo de operação, independentemente da temperatura ou altitude do local onde o veículo estiver. Esta capacidade leva a maior economia e menor emissão de poluentes.
Vantagens da Carburação sobre
a Injeção
1. Custo menor.
2. Manutenção mais barata e simples de ser realizada, embora mais frequente.
3. No caso de modificar um motor para obter maiores
potências (tunning), fora do padrão original do fabricante, a carburação é uma opção que proporciona custo de aquisição e instalação muito abaixo (podendo ser 4 a 5 vezes menor) do que o de um novo sistema de injeção adequado para a nova potência. O ajuste do sistema eletrônico pode alcançar preços elevados (chip, reprogramação) aumentando a
Edelbrock 3520 Pro-Flo XT Electronic Fuel Injection System, Ford
Preço nos EUA:
US$ 4660,00 (promocional) US$ 6314,00 (normal)
Edelbrock Intake Manifold and Carburetor Kit 4V Performer RPM Intake With Thunder AVS 800 CFM Carburetor 390/428
Preço nos EUA:
US$ 892,00 (promocional) US$ 1232,00 (normal)
Injeção em Motores de Ignição
por Centelha: Como Começou
• Embora sistemas de injeção para motores de ignição por
centelha tenham sido projetados e aplicados desde 1906, foi somente em 1952 que o primeiro sistema automotivo de
injeção usado para funcionar com gasolina foi produzido em série.
• Neste caso, tratava-se de um sistema de injeção direta, desenvolvido pela Bosch, e foi aplicado no Goliath GP700, sendo basicamente um sistema de injeção direta de diesel modificado.
Apesar da aparência conservadora, o Goliath GP700 (Golias) era um projeto revolucionário, apresentado inovações (injeção de combustível, câmbio sincronizado) que apontaram o caminho do desenvolvimento do automóvel na segunda metade do século XX.
• O primeiro sistema eletrônico de injeção de combustível (EFI) comercial foi o Electrojector, desenvolvido pela Bendix
Corporation e oferecido pela American Motors Corporation (AMC) em 1957. Entretanto, apresentava tantos problemas que, embora oficialmente oferecido como uma opção de compra, na prática não foi comercializado.
• Em 1958 a Chrysler ofereceu o sistema Electrojetor, após sofrer aperfeiçoamentos, nos modelos 1958 Chrysler 300D, DeSoto Adventurer, Dodge D-500 e Plymouth Fury, os quais seriam na prática os primeiros carros de produção em série equipados com um sistema de EFI, embora na forma de
opcionais.
• Entretanto, os contratempos foram tamanhos na
comercialização do sistema, que a Bendix acabou por vender as patentes do Electrojetor para a Bosch.
1958 Dodge Custom Royal Super D 500 Desoto Adventurer 1958
• Em 1967 a Bosch apresentou um sistema eletrônico de
injeção de combustível, denominado D-Jetronic (D para Druck, "pressão“ em alemão), utilizado com sucesso em carros VW 1600 LE/TLE. Logo, o sistema foi adotado como padrão pela VW, Mercedes-Benz, Porsche, Citroën, Saab, Volvo e Jaguar.
Injeção em Motores de Ignição
por Centelha: Como Funciona
• Quando se dá a partida no veículo, os pistões do motor se movimentam, e o sensor de rotação passa a indicar
continuamente, para a unidade de comando, a rotação do motor.
• No movimento de descida do pistão, é produzido vácuo no coletor de admissão, de modo a aspirar ar atmosférico, o qual passa pelo medidor de fluxo de ar e pela borboleta de
Sistema multiponto Motronic da Bosch
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Câmara de combustão
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11 • O medidor do fluxo de ar (5) informa à unidade de comando
(11) o volume de ar admitido. A unidade de comando, por sua vez, permite que as válvulas de injeção (4) entreguem a
quantidade de combustível adequada para o volume de ar admitido (próxima ou igual à proporção estequiométrica).
• Assim, verifica-se que os sistemas de injeção são constituídos basicamente por sensores e atuadores.
• Embora existam vários sensores relacionados ao
funcionamento do sistema de injeção eletrônico, um destes é de extrema importância para se alcançar a economia e a
redução de poluentes associadas a este tipo de sistema, a sonda lambda.
Sonda Lambda -
• O sistema de injeção eletrônica tem como tarefa primordial a de entregar a mistura ar/combustível na proporção
estequiométrica. E o principal componente para permitir alcançar este objetivo é a sonda lambda, ou sensor de
oxigênio, pois este componente mensura a quantidade de oxigênio nos gases de exaustão do motor (gases do escape). • Entretanto, a razão estequiométrica sofre mudanças em
acordo com a temperatura, pressão, umidade, além da rotação e temperatura de funcionamento do motor.
• O nome da sonda é devido ao fato da letra grega lambda ser usada para descrever a quantidade em volume do ar na
• A sonda lambda é instalada no coletor de escape do motor, a centímetros antes do catalisador, pois precisa de altas
temperaturas para funcionar (300 a 600oC) pois nesta faixa de
temperatura os óxidos de zircônio (ZrO2) ou de titânio usados no sensor se convertem em condutores de íons de oxigênio.
Uma segunda sonda após o catalisador informa ao sistema se o catalisador está funcionando corretamente.
Sonda lambda (1)
• Quanto mais oxigênio residual sobrar da combustão no motor, mais pobre está a mistura ar/combustível entregue pelo
sistema de injeção. A informação sobre a quantidade de oxigênio, levantada pela sonda, é enviada à Unidade de Comando Eletrônico (ECU), a qual harmoniza a relação ar/combustível buscando a taxa estequiométrica.
• A sonda lambda funciona tanto em motores a gasolina como em motores empregando outros combustíveis, incluindo
motores flex.
• O etanol tem a taxa estequiométrica na ordem de 9:1 (9
partes de ar para uma de etanol), e a gasolina, na ordem de 14,2:1 a 14,8:1. A sonda trabalha bem com ambos os
combustíveis, pois apenas informa à ECU se a mistura está pobre ou não, não importando se gasolina ou álcool, ou
mesmo se o motor estiver consumindo ambos, em qualquer proporção.
• O tempo de resposta da sonda lambda é da ordem de 0,13 a 0,30 segundos, podendo haver aumento no tempo de
resposta devido ao acúmulo de carvão no sensor, entre outros motivos.
• Sondas lambda são razoavelmente duráveis: as sondas
originais, sem aquecimento elétrico, devem chegar a 80 mil km, enquanto as mais modernas, com aquecimento, deveriam alcançar ao menos 160 mil km. Considerando que o motor é normalmente projetado de modo que 90% da produção
ultrapasse 250 mil km na ausência de excessos operacionais, não é esperado atingir a vida útil do motor com as sondas originais de fábrica.
Injeção em Motores de Ignição
por Centelha: Demais Sensores
• Sensor de posição da válvula borboleta - informa à ECU a
abertura da válvula, indicando a potência desejada pelo motorista.
• Sensor de temperatura do líquido de arrefecimento – indica
à ECU a temperatura do motor. Esta informação permite que a ECU adeque o tempo de injeção, avanço de ignição, entrada de ar no coletor ou permita uma dose extra de combustível na partida à frio.
• Sensores de pressão e temperatura do coletor – avisam à
ECU a temperatura e a pressão do ar ingerido pelo motor. Com estes dados, a ECU estima a massa de ar admitida e determina a quantidade de combustível a ser injetada de modo a manter a razão ar/combustível no estequiométrico.
• Sensor de rotação - Informa à ECU a rotação do motor e a
posição dos pistões, de modo que a central possa sincronizar a injeção e a ignição. Normalmente montado em conjunto com roda magnética dentada fixada no virabrequim.
• Sensor de detonação – Alerta a ECU sobre a ocorrência de
pré-detonação, sendo que, neste caso, a ECU reduz o ângulo de avanço de ignição eliminando a pré-detonação, tornando a avança-lo posteriormente.
• Existem sistemas de injeção eletrônica com mais sensores do que os citados aqui, ou mesmo com duplicações. Estes são os mais básicos e comuns de serem encontrados.
Injeção em Motores de Ignição
por Centelha: Atuadores
• Injetores – A ECU controla a quantidade de
combustível injetada no motor através do tempo em que mantêm o injetor aberto (tempo de injeção).
• Bobinas - fornece a energia para a produção da centelha na
vela. Enquanto os sistemas convencionais (carburados, por exemplo) utilizam uma bobina e um distribuidor, os sistemas mais modernos e eficientes dedicam uma bobina por cilindro, sendo a ECU responsável pelo sincronismo das centelhas.
• Motor corretor de marcha lenta - Permite a entrada de ar
suficiente para que o motor em marcha lenta, mesmo tendo sido acionado o ar-condicionado ou outros sistemas. É
instalado normalmente em um desvio da válvula borboleta, podendo assim controlar o fluxo de ar enquanto ela se
encontra em repouso.
• Bomba de combustível - Envia combustível sob pressão aos
injetores. Normalmente instalada dentro do reservatório do automóvel.
• Válvula purga canister - Permite a circulação dos gases
gerados no reservatório de combustível para o motor. Normalmente é acionada com motor em alta rotação.
Sistema multiponto Motronic da Bosch
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• Eletroventilador de arrefecimento - Posicionado atrás do
radiador, acionado quando o motor atinge uma temperatura alta, gerando passagem de ar pelo radiador mesmo quando o automóvel estiver parado.
• Luz avaria do sistema – alerta ao motorista a existência de
Sistema de Combustível em
Motores Diesel
• O sistema de combustível é o mais sofisticado, caro e crítico de todos os sistemas do motor diesel.
• A performance, economia e durabilidade de um motor dependem da performance adequada do sistema de combustível.
• Por outro lado, a performance e durabilidade deste sistema são altamente dependentes da quantidade e tipo de
impurezas presentes no diesel. Por isto o emprego de filtros de combustível de alta qualidade e eficiência são críticos.
Operação do Sistema
• A descrição que se segue é referente a um motor diesel Caperpillar, de modelo não especificado, 16 cilindros, operando na faixa de potência entre 1.200 e 1.800 hp.
• Trata-se de um sistema extremamente robusto, projetado para operar em condições críticas. Apesar disto, a descrição do seu funcionamento corresponde ao da grande maioria dos sistemas de combustível dos motores diesel de médio e
injetores
Regulador da pressão do combustível
Fluxo de combustível através do sistema de combustível Bomba de transferência Separador de água / filtro primário de diesel Dreno do tanque Respiro e filtro de 2 microns Tanque diesel Bomba elétrica de priming Filtro secundário 2 microns Bomba de injeção
• O diesel é drenado do tanque de combustível, através de um filtro primário, por meio da ação de uma bomba de
• O fluxo de diesel pressurizado sai da bomba de transferência e passa através do ECM. O fluxo retira o calor produzido pelos componentes eletrônicos do ECM.
• Após isto, o fluxo de diesel passa pelos filtros secundários de alta eficiência (2m) para a linha que supre os injetores, cada um deles dedicado a um único cilindro.
• O volume de diesel que passa sobre o cilindro é 3 a 4 vezes maior do que o injetado no mesmo. Este fluxo
• A refrigeração dos injetores previne que o diesel dentro dos injetores seja aquecido em demasia e se transforme em
• A unidade de injeção pressuriza diesel até 30.000 psi (206,8 MPa). Entretanto, como já mencionado, somente uma parte do diesel pressurizado é enviado à câmara de combustão.
• O diesel remanescente do injetor, junto com o fluxo
excedente na linha de transferência, flui para uma linha de retorno comum para o tanque de combustível.
• Uma válvula reguladora de pressão na linha de retorno mantém a pressão da linha de transferência no valor desejado.
• O diesel aquecido pela pressurização, ou por absorver calor no seu trajeto, é devolvido ao tanque, misturando-se ao diesel frio. O calor é dissipado pelas paredes do tanque ao meio
• O ciclo de drenar diesel frio do tanque e retorna-lo quente
ocorre continuamente, de modo que é importante manter um adequado nível de diesel no tanque para prevenir a
recirculação muito rápida do combustível.
Tanque diesel É boa prática manter o tanque com pelo menos ¼ de sua capacidade.
Etapas da Injeção
Injetores Diesel
Caterpillar: diferentes vistas de um mesmo modelo.
Este êmbolo é movimentado magneticamente, fazendo subir a pressão na linha interna inferior do injetor (em vermelho).
O aumento de pressão eleva a agulha do injetor, liberando diesel para o cilindro.
O volume de diesel na linha de alta pressão é reduzido rapidamente pois é descarregado no cilindro.
Para manter a pressão elevada na linha, de modo a permanecer a agulha do injetor na posição elevada, o êmbolo maior é
comprimido contra uma mola.
Substâncias asfálticas formadas no diesel em altas temperaturas contêm partículas altamente abrasivas.
Injetores
Linha de
fornecimento de diesel
Linha de retorno para o tanque (fluxo by-pass)
O fluxo by-pass é o retorno do diesel fornecido em
excesso ao motor, com a finalidade de resfriar os
injetores. Na ausência deste fluxo de refrigeração, o diesel pode alcançar temperaturas de até 120oC.
O diesel preso entre o corpo e a agulha, na ponta do injetor, age
como um amortecedor, minimizando o impacto da agulha.
Bolhas de ar presas entre o corpo e a agulha não permitem o
amortecimento fluido, aumentando o impacto em até 50%
Por isto é muito importante evitar a presença de ar na linha de diesel, o que pode ser causado por
Bibliografia
Eugene A. Avallone, Theodore Baumeister, Ali Sadegh.
Marks‘ Standard Handbook for Mechanical Engineers,
Editora McGraw-Hill Professional Publishing; 11
aedição, 2006.
ISBN-10: 0071428674
Referências
Para que serve e como funciona a sonda lambda?
http://quatrorodas.abril.com.br/auto-servico/para-que-serve-e-como-funciona-a-sonda-lambda/
Site visitado em 01 de maio de 2017 Autopeças Bosch
http://br.bosch-automotive.com/pt/internet/parts/parts_and_accessories_2/motor_and_sytems/ engine_systems_2.html
Site visitado em 01 de maio de 2017
INJEÇÃO ELETRÓNICA. In: WIKIPÉDIA, a enciclopédia livre. Flórida: Wikimedia Foundation, 2017. Disponível em:
<https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Inje%C3%A7%C3%A3o_eletr%C3%B3 nica&oldid=47750305>. Acesso em: 01 maio 2017.
