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* * * A combustão normal em motores ICE Efeito do ponto de ignição Combustão anormal: Detonação e Pré-ignição Tipos de câmaras de combustão O sistema de ignição Sistemas de alimentação de combustível Controle de carga – comando de válvulas variável 7. Os motores de ignição por centelha EM 865 - Gallo * * * * 1. A combustão normal em motores ICE Uma centelha provocada na vela inicia a combustão da mistura homogênea ar-vapor de combustível. A combustão é RÁPIDA, mas não EXPLOSIVA leva algum tempo p/ ocorrer. O ângulo onde ocorre a centelha é determinante para a evolução de pressão no motor * EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * EM 865 - Gallo 1. A combustão normal em motores ICE Papel da vela: fornecer energia de ativação para iniciar a combustão de uma massa não desprezível de mistura, que consiga então propagar-se por toda a câmara (kernel). Faísca energia térmica, ionização, formação de radicais A partir da vela: propagação de uma frente de chama gases queimados aquecem a camada seguinte de mistura, que queima e assim por diante... Frente de chama: esférica a partir da região da vela (se não houvesse turbulência) 7. Os motores de ignição por centelha * * * 1. A combustão normal em motores ICE A turbulência (primária) aumenta com a rotação aumenta também a velocidade de propagação de chama Velocidade de chama: depende do combustível, da qualidade da mistura, P e T Velocidade de chama laminar: baixa Turbulência causada pela admissão velocidade de chama turbulenta (muito mais rápida). A turbulência “arrasta” blocos de mistura queimando (Va) em regiões não queimadas, aumentando área de queima e desfazendo o padrão esférico. Expansão do queimado. * EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * 1. A combustão normal em motores ICE As fases da combustão normal: Período de indução (com atraso químico) após faísca, tempo p/ formar a reação em cadeia e propagar a combustão p/ massa de mistura que sustente a combustão (1%, kernel). P na câmara não é afetada pela queima ainda. Propagação rápida da chama: P aumenta rapidamente; mistura não queimada é comprimida pela expansão dos gases queimados; duração desta fase depende da turbulência; Queima retardada e extinção de chama momentos finais; próximo às paredes, “resfriamento da chama” (taxa de extinção de radicais > taxa de formação de radicais); Após o “final” da combustão reações pós-chama, dissociação e recombinação até a abertura da VE 7. Os motores de ignição por centelha * EM 865 - Gallo * * * 1. A combustão normal em motores ICE Diferentes combustíveis e/ou câmaras diferentes curvas p X período de indução massa queimada x propagação rápida extinção de chama volume varrido x * EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * 1. A combustão normal em motores ICE Curva de Wiebe aproxima bem a queima real. período de indução queima rápida extinção de chama * EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * 1. A combustão normal em motores ICE Curva de Wiebe aproxima bem a queima real. período de indução queima rápida extinção de chama * EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 2. Efeito do ponto de ignição Ignição atrasada: perda pressão não subiu quanto podia; Ignição “no ponto”: maior trabalho por ciclo Ignição adiantada: maior trabalho negativo (antes do TC). Pressão máxima muito alta. Pode haver detonação. Como chegar no ótimo? EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 2. Efeito do ponto de ignição Como chegar no ótimo? Experimentalmente: Avançar a centelha até obter o maior torque, p/ cada rotação e carga (se não houver detonação) mapear o motor MBT mínimo avanço p/ melhor torque EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 2. Efeito do ponto de ignição Mapa do ponto de ignição: para cada carga e rotação do motor Mapa da esquerda: sistemas mecânicos de avanço centrífugo e a vácuo margem de segurança p/ evitar a detonação. Mapa da direita: sistema de ignição comandada eletronicamente, com microprocessador + sensores EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 3. Combustão anormal: detonação e pré-ignição Detonação no diagrama p x : distúrbio de alta freqüência, que induz vibrações no motor, pode “quebrar” a película de óleo, piorar a lubrificação, superaquecer o motor, danificar anéis e pistão. É um tipo de combustão anormal, que deve ser evitado. Como surge e por que? EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 3. Combustão anormal: detonação e pré-ignição Auto ignição de uma mistura A/C Surgimento da AI em motores ICE: Efeito compressivo: gases queimados se expandem e “espremem” a mistura não queimada sobe T e a densidade iniciam focos de auto ignição, de onde se propagam novas frentes de chama, acelerando a velocidade da combustão. EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 3. Combustão anormal: detonação e pré-ignição Cada foco de auto-ignição gera um distúrbio de pressão (pulso), que contribui para reduzir ainda mais o período de indução da mistura não queimada. Processo se realimenta. Se a velocidade de queima se torna supersônica, gera ondas de choque na câmara, que atravessam e refletem nas paredes do motor. É a DETONAÇÃO queima com velocidade supersônica. Um sensor de pressão “percebe” um pulso de p anormal, seguido de um vale, outro pulso, etc. É a oscilação de pressão verificada no diagrama p x A existência de AI pode não causar detonação (se v < v supersônica). Assim: AI (ICE) (pode causar) DETONAÇÃO EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 3. Combustão anormal: detonação e pré-ignição Características da detonação em motores ICE: Ocorre próximo ao final da combustão Produz impacto sobre componentes e estrutura do motor Produz cargas oscilantes sobre o pistão (vibração) Piora as condições de lubrificação Danos na superfície do pistão (erosão – porosidades) Superaquece o motor Pode produzir pontos quentes e originar a pré-ignição Fatores que influenciam a detonação: Qualidade do combustível (octanagem) Temperatura e densidade da mistura obstáculo ao uso de turbo-alimentação Rotação (menor rpm, menor turbulência, menor velocidade de queima, maior tempo p/ a AI operar EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * Combustão anormal: detonação e pré-ignição Fatores que influenciam a detonação (cont.): Taxa de compressão Ponto de ignição (adiantado detonação) Abertura do acelerador: carga elevada detonação Formato da câmara (distância a percorrer) Área grande na região final esfria a chama Turbulência acelera a chama, evita detonação EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * Combustão anormal: detonação e pré-ignição Detonação: intensidade EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * Combustão anormal: detonação e pré-ignição Pré-ignição: AI da mistura ANTES da faísca Provocada por pontos quentes: vela, válvula de escape, carvão incandescente nas paredes da câmara Aumento de P e T bem antes do usual valores muito altos Trabalho negativo elevado motores monocilíndricos param; multi-cilíndricos: perda de potência, os cilindros sem pré-ignição mantém o que tem pré-ignição em funcionamento pode ocorrer falha catastrófica do pistão em segundosResistência à pré-ignição: baixa para o etanol; a água do etanol hidratado atua como inibidor etanol anidro não é recomendável. Componentes da gasolina: não há regra simples. EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * Combustão anormal: detonação e pré-ignição Pré-ignição e detonação: efeitos sobre pistões EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 4. Tipos de câmaras de combustão Projeto das câmaras de combustão: minimizar ocorrência de detonação e proporcionar boa queima da mistura Tamanho: para menor percurso de chama menor; MAS isso afeta a relação Área/Volume e aumenta a perda de calor. Câmaras com válvulas laterais: baixa eficiência Usadas em motores de baixa potência, por ser simples. Limitação p/ taxa de compressão; muita perda de calor 7. Os motores de ignição por centelha * * * 4. Tipos de câmaras de combustão Câmara em L ou Ricardo: hoje em desuso. Válvulas acionadas por eixo de cames lateral. Região final da combustão com grande relação área/volume (detonação) MAS resfriamento de chama (emissões). Facilidade de instalar válvulas de grande diâmetro (2 válvulas) EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 4. Tipos de câmaras de combustão Câmara hemisférica: melhor rendimento na combustão, maior taxa de compressão, menor perda de calor. Pode dificultar a instalação de 4 válvulas por cilindro, MAS permite diâmetro de válvulas maiores (c/ 2 válvulas) Menor trajeto para a frente de chama; menor relação área/ volume (reduz perdas) EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 4. Tipos de câmaras de combustão Câmara em “telhado”: compromisso entre a câmara hemisférica e a possibilidade de usar 4 válvulas por cilindro Pode ser vista como uma evolução da câmara em cunha ( a seguir). EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 4. Tipos de câmaras de combustão Câmara em cunha: facilita a colocação do comando de válvulas de único eixo, pois as válvulas são paralelas. A região do final da combustão está no vértice da cunha e possui grande relação área / volume (aumenta a perda de calor, mas pode ajudar a evitar a detonação) EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 4. Tipos de câmaras de combustão Câmara em banheira: apropriada para motores de baixa cilindrada; menos eficiente que as anteriores. Permite válvulas de grande diâmetro (2 por cilindro) EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 4. Tipos de câmaras de combustão Câmara aberta na cabeça do pistão: facilidade de construção, permite altas taxas de compressão. Cabeçote e pistão mais quentes; dificuldade de válvulas com grande diâmetro; EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 5. Sistemas de ignição Para entender: sistema convencional por bateria (antigo) Identificação de componentes EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 5. Sistemas de ignição Para entender: sistema convencional por bateria Função dos componentes: Bateria: fonte de energia elétrica Contato: chave geral – desliga o circuito Bobina: armazena energia eletromagnética, age como amplificador de tensão (transformador) Interruptor (came e platinado): aciona e interrompe o circuito elétrico periodicamente (mecânico) Condensador: armazena energia, evita centelha no platinado, evita oscilações no circuito Distribuidor: põe em contato a bobina com a vela do cilindro onde deve ocorrer a centelha Vela: alta tensão, na hora certa, gera arco voltaico Sistema de avanço centrífugo e a vácuo (mapa) EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 5. Sistemas de ignição – Como funciona Circuito fecha inicia corrente no primário, cria campo magnético na bobina Circuito abre (platinado) desaparece a corrente primária. Rompimento brusco do campo magnético INDUZ alta tensão no secundário (muito maior que a relação de multiplicação de tensão) – Lei de Lenz Se o circuito secundário está conectado com uma vela tensão suficiente p/ arco voltaico Depois de iniciado o arco voltaico precisa de tensão menor p/ se manter Grandeza das tensões bateria: 12V; primário c/ corrente: ~10V; induzida no primário: ~300V induzida no secundário: 10 a 30 kV EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 5. Sistemas de ignição – Como funciona Tensão para gerar arco voltaico na vela: 8-12 kV Bobina: efeito transformador de tensão (relação entre n. espiras do primário e secundário); valores usuais: 300 espiras (primário) e de 15000 a 30000 espiras (secundário); relação de multiplicação de tensão: de 60 a 150 vezes. Condensador: armazena energia (campo elét.) amortece as oscilações do transitório Resistência primária: dissipa energia das etapas transientes (efeito Joule) Quando rpm aumenta, diminui o tempo p/ o circuito primário armazenar energia limita o n. de faíscas por minuto a ~18000 EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 5. Sistemas de ignição – Como funciona Ignição por magneto: um gerador eletromagnético acionado pelo motor substitui a bateria no fornecimento de energia para a ignição. Quando rpm aumenta, tensão no primário aumenta não tem problemas p/ grande n. de faiscas por minuto. Bom p/ motores de muitos cilindros e/ou alta rotação. A bobina é parte integrante do magneto (enrolamento da bobina no próprio magneto). Falha em baixas rpm. Ignição eletrônica com microprocessador: elimina a necessidade de came / platinado (abertura e fechamento do circuito primário por tiristores integrados na unidade de comando). Sensor de posição dos pistões indica o momento da faísca e para qual pistão. Uso de múltiplas bobinas sem distribuidor mecânico, faíscas em dois cilindros ou bobinas individuais EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 5. Sistemas de ignição – Como funciona Bobinas modernas: para pares de cilindros ou conectadas diretamente na vela (elimina os cabos de vela de alta tensão). EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 5. Sistemas de ignição – Como funciona Velas de ignição: conduzem altíssimas tensões importância do estado do isolador, da folga entre os eletrodos Grau térmico: ponto quente x carbonização EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustívelMotor ICE: mistura é admitida no cilindro e deve estar homogênea no momento da faísca preparada com antecedência (durante a admissão e/ou compressão) Preparação da mistura: carburador (antigo - motos), sistemas de injeção mecânicos (antigos – aviões), ou eletrônicos (modernos). Qualquer sistema deve cumprir as funções: Dosar a quantidade correta de combustível em função da quantidade de ar, rotação e carga do motor Atomizar o combustível p/ facilitar sua evaporação e mistura com o ar Permitir variações na qualidade da mistura (λ) Garantir funcionamento suave do motor em cargas parciais, plena carga, acelerações, partidas a frio, marcha lenta EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Característica básica: dosar a quantidade de combustível em torno da estequiométrica, em função da massa de ar. Dispositivos auxiliares: Correção para motor frio (partida e fase de aquecimento) Correção p/ demanda: marcha lenta e transição (rica) Correção p/ demanda: baixa carga pobre (eficiência) Correção p/ demanda: carga alta rica (potência max.) Correção p/ demanda: aceleração rápida rica Correção de temperatura e densidade do ar Correção p/ demanda: desaceleração pobre ou corte Nem todas as correções acima são incorporadas em todos os sistemas de alimentação. EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Carburadores: para explicação detalhada do funcionamento, ver Apostila de 1986. Princípio básico: ar passa por um venturi, cai a pressão na garganta (vácuo), e aumenta sua velocidade. Após a garganta, reduz a velocidade e aumenta a pressão. Quanto maior a rotação, maior a aspiração de ar, maior o vácuo na garganta. Circuito de combustível: bomba de combustível alimenta uma cuba de nível constante; um tubo com orifício calibrado (gicleur) é conectado à garganta do venturi, e o vácuo suga combustível da cuba. Necessita de vários outros dispositivos para atender a demanda do motor: partida a frio e fase de aquecimento (abafador), economizador, marcha lenta e transição, enriquecimento para acelerações rápidas e para plena carga. EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Carburadores: de moto de automóvel: EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Sistemas de injeção mecânicos: usados em aviões desde há muito tempo (cuba de nível constante não serve em curvas, grandes ângulos de subida/descida, em manobras acrobáticas). Princípio de funcionamento: bomba que dosa o combustível sob pressão (e não vácuo). Sistemas de injeção mecânicos para automóveis introduzidos na década de 50, para veículos de competição e/ou esportivos de alto desempenho. Melhoram distribuição de combustível entre os vários cilindros, melhorar o rendimento volumétrico do motor (mais ar = maior potência). Complexos e caros. Introdução da eletrônica veicular: possibilitou desenvolvimento de sistemas com comando eletrônico (microprocessadores) e empregam VÁRIOS sensores para alimentar o controlador EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Sistemas de injeção eletrônica: monoponto, multiponto no coletor (simultânea ou pulsada) ou direta no cilindro Monoponto: substitui o carburador Maiores possibilidades EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Sistemas de injeção eletrônica multiponto no coletor: Evoluíram rapidamente. Uma bomba de combustível manda combustível sob pressão para o conduto comum; A quantidade de combustível injetada depende do tempo em que o injetor permanece aberto O controle do microprocessador é apenas sobre o tempo de injeção, que deve ser calculado em função das condições de operação do motor (qual carga, rotação, T do motor, detonação? Aceleração rápida? emissões, etc.). Cálculos em tempo real a partir de tabelas de demanda e fatores de correção. EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Funcionamento de um injetor. Pressão: 2 a 5 bar Tempo de injeção: milessegundos EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Funcionamento de um injetor. Formato do jato no coletor. EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Mapa do tempo de injeção em função da carga e da rotação (mapa básico) Sensores de rotação e carga definem o ponto-base no mapa. Correções possíveis: Temperatura do motor; Temperatura do ar; Altitude (densidade do ar) Emissões (sonda lambda) Transiente de aceleração Transiente de deceleração Detonação Flex: qual combustível? EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Magneti Marelli FLEX EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Sensores: sonda lambda EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Definição da carga: posição da borboleta de aceleração Sensor de posição (potenciômetro) e software de cálculo da derivada da posição (determinar aceleração ou desaceleração) Corpo de borboleta (M.Mareli) incorpora vários sensores Medição da massa de ar: direta ou Indiretamente (Bosch) EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * * 6. Sistemas de alimentação de combustível Sensores vários: EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * 7. Controle de carga * Comando de válvulas variável Possibilidades de variação diferentes graus de dificuldade mecânica EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * Possibilidades de variação combinação de efeitos Fonte: Mahle * 7. Controle de carga * EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * * 7. Controle de carga * Objetivo: melhoria de desempenho a plena carga Defasar as curvas de válvulas de forma a atender tanto as baixas quanto as altas rotações. Variar o cruzamento de válvulas. Pode ser contínuo ou “binário” (duas posições) EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * Objetivo: controlar a carga sem estrangulamento Controle usual Fechamento antecipado da válvula de admissão * 7. Controle de carga * EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * * Objetivo: controlar a carga sem estrangulamento Controle normal (estrangulamento) FVA antecipado FVA retardado (Injeção direta na câmara) * 7. Controle de carga * EM 865 - Gallo 7. Os motores de ignição por centelha * *
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