EM865 parte 8 ICO

Prévia do material em texto

*
Especificidades do motor ICO
A combustão normal em motores ICO
Batida e “aspereza” da combustão ICO
Efeito do ponto de injeção
O efeito da turbulência
Tipos de câmaras de combustão
Sistemas de injeção ICO
8. Os motores de ignição por compressão
*
EM 865 - Gallo 
*
EM 865 - Gallo 
1. Especificidades do motor ICO
A figura mostra o balanço térmico de um motor ICO de grande porte, turbo, com pme=8 bar. Notar o elevado valor de rendimento térmico efetivo (41,9%)
Uma das vantagens dos
 motores ICO é o rendimento
 térmico elevado em plena carga
 (figura ao lado);
Também em cargas parciais
 o motor ICO é mais eficiente, 
 pois não possui perdas por 
 bombeamento estrangulado, 
 como no ICE.
0,2%
41,9%
35,9%
2,7%
6,0%
9,3%
4,0%
*
8. Os motores de ignição por compressão
*
EM 865 - Gallo 
*
1. Especificidades do motor ICO
 205 g/kWh  41,3% 260 g/kWh  32,6% 400 g/kWh  21,2% 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
1. Especificidades do motor ICO
Motores de dois tempos
Não há problema de emissões
 pois não admite mistura
ICO admite superalimentação
 com facilidade  insuflar ar
 por janelas é simples
Uso de válvulas de escape
 facilita a lavagem dos gases 
 queimados, reduzindo (f)
Arquitetura usada nos motores
 mais eficientes (navais, baixa
 rotação, alta potência)
 
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
2. A combustão normal no motor ICO
Motores de ignição por compressão operam de maneira muito diferente dos motores de ignição por centelha:
Apenas ar é aspirado para os cilindros; 
O combustível é injetado na câmara de combustão alguns graus antes do final da compressão;
A carga é controlada exclusivamente pela quantidade de combustível injetado na câmara; não há estrangulamento do ar de admissão, como ocorre nos motores ICE.
A combustão é iniciada sem uma centelha, usando apenas a temperatura do ar comprimido como energia de ativação para o início da combustão; 
Devido à alta temperatura do ar comprimido, o combustível evapora, mistura-se com ar e queima de forma heterogênea. Há regiões com misturas muito ricas, com misturas muito pobres e regiões com mistura em proporção adequada (mesmo se a relação A/C global é pobre)
*
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
*
2. A combustão normal no motor ICO
Auto-Ignição:
Em motores ICO  é o mecanismo de funcionamento
Em motores ICE  a ser evitada (detonação e pré-ignição) 
Fatores que afetam a auto-ignição (AI): 
 Combustível (diesel, biodiesel, etc.)
 Temperatura do ar
 Densidade do ar
 Tempo (atraso físico e período de indução)
Atraso físico: tempo para cada gota se aquecer até iniciar a evaporação, somado ao tempo para o ar se misturar ao vapor de combustível e atingir a temperatura de auto-ignição
Período de indução (atraso químico)  reações de pré-chama, endotérmicas, de “quebra de moléculas” e formação de radicais para a reação em cadeia.
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
2. A combustão normal no motor ICO
A combustão nos motores ICO é um processo heterogêneo. A combustão depende da formação de mistura entre o ar e as gotículas de combustível. Não há propagação de chama, como no ICE, mas miríades de focos de auto-ignição com pequenas chamas onde existam condições para propagação de chama.
O formato da câmara de combustão, a turbulência presente, o número de furos e os ângulos do injetor, as características do spray (diâmetro de gotas), propriedades do combustível (calor latente, volatilidade) são essenciais para a boa combustão, estão todas ligadas e devem ser otimizadas de forma combinada.
Em cada ponto da câmara há uma relação A/C diferente.
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
2. A combustão normal no motor ICO
Aspecto geral do spray de combustível 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
Só combustível
Mistura rica demais
Mistura pobre demais
Mistura A/C adequada
Só ar
Focos de auto-ignição
Visão esquemática da combustão de uma gota
EM 865 - Gallo 
Só ar
Só ar
V gota
2. A combustão normal no motor ICO
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
2. A combustão normal no motor ICO
O sistema de injeção deve dosar a quantidade correta de combustível de acordo com a carga e a rotação do motor;
O momento de início da injeção também deve variar de acordo com a carga e rotação (ponto de injeção).
Fases da combustão normal:
Atraso físico e período de indução  já há combustível na câmara, mas não se nota qualquer elevação de pressão devida à combustão
Combustão não controlada das frações “pioneiras”  elevação brusca de pressão no cilindro.
Período de queima controlada pela taxa de mistura  prossegue mesmo depois que acaba a injeção (combustível precisa encontrar o oxigênio)
Pode haver “congelamento” da reação em regiões frias
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
2. A combustão normal no motor ICO
A figura abaixo ilustra as fases da combustão
8. Os motores de ignição por compressão
*
EM 865 - Gallo 
*
2. A combustão normal no motor ICO
A derivada da taxa de liberação de calor possui aspecto similar ao da figura abaixo. O primeiro pico corresponde à queima das frações “pioneiras” pré-misturadas. O segundo, à combustão controlada pela taxa de mistura.
8. Os motores de ignição por compressão
*
EM 865 - Gallo 
*
3. Batida e aspereza da combustão ICO
A “aspereza” de um motor ICO e a batida ICO estão associadas à derivada da taxa de liberação de calor na fase pré-misturada. Se a taxa de incremento de pressão é muito alta, a “aspereza” aumenta. 
Pode chegar a ocorrer flutuações de pressão similares à detonação ICE  batida no motor ICO.
A batida do motor ICO é causada pela ignição praticamente simultânea de grande quantidade de mistura, causada por volume grande de combustível injetado sem que houvesse a queima, devido a um grande atraso físico e/ou período de indução.
Ao contrário dos motores ICE, a batida em motores ICO ocorre próximo ao início da combustão (figuras)
8. Os motores de ignição por compressão
*
EM 865 - Gallo 
*
3. Batida e aspereza da combustão ICO
A batida aparece como vibrações causadas por pulsos de pressão, e não por velocidade de queima supersônica em mistura homogênea (como nos motores ICE). 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
3. Batida e aspereza da combustão ICO
Ao contrário dos motores ICE, a batida em motores ICO ocorre próximo ao início da combustão
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
3. Batida e aspereza da combustão ICO
Fatores que afetam a batida ICO:
T do ar: quanto menor, maior atraso físico  a possibilidade de batida aumenta;
Momento da injeção: avançada  T de compressão ainda não é suficientemente alta  a possibilidade de batida aumenta;
Formato do spray de combustível: diferentes tamanhos de gotas, com diferentes penetrações no ar da câmara, para evitar auto-ignição simultânea e em pontos concentrados.
Tempo: fatores que reduzem o tempo de atraso físico evitam a batida.
Pressão elevada (alta taxa de compressão ou turbo-alimentação): conduz a maiores T e densidade  a possibilidade de batida diminui;
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
3. Batida e aspereza da combustão ICO
Fatores que afetam a batida ICO:
Composição do combustível  alta cetanagem  a possibilidade de batida diminui; novas medidas de qualidade diesel  medição direta do atraso de ignição.
O atraso químico depende da estrutura das moléculas;
Para pequeno atraso físico, o combustível deveria ter volatilidade alta e viscosidade baixa. Em geral, as três características (atraso químico, viscosidade e volatilidade) são incompatíveis entre si  compromisso entre atraso físico e atraso químico. A turbulênciado ar na câmara ajuda a minimizar o atraso físico.
8. Os motores de ignição por compressão
*
EM 865 - Gallo 
*
4. Efeito do ponto de injeção
O momento em que se inicia a injeção possui influência sobre o desenvolvimento da combustão normal
8. Os motores de ignição por compressão
*
EM 865 - Gallo 
*
4. Efeito do ponto de injeção
O momento em que se inicia a injeção possui influência sobre o desenvolvimento da combustão normal. Rotação: efeito forte (atraso físico); carga: efeito fraco (T do motor)
8. Os motores de ignição por compressão
*
5. O efeito da turbulência
Para facilitar o processo de mistura entre o ar e o combustível, a turbulência do ar desempenha papel muito importante para proporcionar o contato entre o combustível não reagido e o ar, no curto tempo disponível para a combustão.
Turbulência primária  produzida pelo formato da câmara de combustão e da geometria do coletor de admissão, é induzida durante a admissão e a compressão do ar  swirl (movimento angular) e squish (movimento radial). Papel importante para “quebrar” o jato de combustível e dispersar as gotículas no ar. É fundamental nos motores de injeção direta.
Turbulência secundária: induzida pela própria combustão (expansão dos gases pela queima); é fundamental nos motores de injeção indireta.
EM 865 - Gallo 
*
8. Os motores de ignição por compressão
*
5. O efeito da turbulência
O papel do coletor de admissão na indução da turbulência:
 por vezes, é necessário sacrificar um pouco o rendimento volumétrico para incrementar a turbulência primária 
EM 865 - Gallo 
*
8. Os motores de ignição por compressão
*
EM 865 - Gallo 
*
5. O efeito da turbulência
Turbulência secundária: importante para motores que precisam operar em faixa larga de rpm. 
Câmaras divididas  grande turbulência secundária; maior faixa de operação (rpm) MAS menor rendimento térmico (perdas de calor elevadas);
 Câmara aberta Câmara de turbulência
8. Os motores de ignição por compressão
*
6. Tipos de câmaras de combustão: INJEÇÃO DIRETA
Turbulência primária é fundamental.
Formação da mistura: volumétrica (distribuição espacial do spray) ou por filme de combustível (parte do spray atinge a parede do topo do pistão), resfriando o pistão e retardando a mistura com o ar.
Injetor de furos múltiplos (facilitar mistura com ar)
Pequena relação área/volume  mais eficientes
Compromisso entre geometrias, número de furos do injetor, ângulo de injeção, tamanho das gotas, nível de turbulência
Trabalham em gamas de rotações menores. 
P inj. = 800 a 2000 bar (250 a 950 em 1980)
*
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
6. Tipos de câmaras de combustão: PRÉ-CÂMARA
Injeção ocorre na pré-câmara (25 a 40% do volume total);
Estrangulamento entre a pré-câmara e a câmara principal perda por bombeamento; partida a frio mais difícil
Combustão inicia na pré-câmara e retorna (BOCAL) jato de mistura queimando para câmara principal
Injetor mais simples, furo único, mais barato, menor manutenção
Turbulência secundária alta  boa mistura c/ ar
Maior perda de calor; maior carga térmica sobre o pistão
Permite gama de rotações mais elevada (até 4000 rpm)
P inj. muito menor: 150 a 500 bar,
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
6. Tipos de câmaras de combustão: DE TURBULÊNCIA
Injeção ocorre na câmara de turbulência (50 a 90% do volume total);
Geometria induz alta turbulência primária; turbulência secundária também é muito importante
Menores perdas que com pré-câmara;
Combustão inicia na câmara de turbulência e retorna jato de mistura queimando para câmara principal
Injetor simples, menor pressão, furo único ou duplo
Características intermediárias entre ID e CPC
*
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
6. Tipos de câmaras de combustão: LANOVA
Injeção ocorre na câmara principal, mas o jato penetra célula de ar menor; 
Combustão inicia na câmara principal, mas a maior parte do combustível queima na câmara de ar menor;
A mistura de ar e combustível queimando retorna para a câmara principal (geometria simples ou simétrica)  turbulência secundária 
O ar comprimido na câmara de ar maior retorna “limpando” a câmara de ar menor.
Usado para motores com elevada faixa de rotações (até 5500 rpm) 
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
7. Sistemas de injeção ICO
Funções a serem cumpridas pelo sistema de injeção:
Injetar a quantidade de combustível adequada à rotação e carga
Injetar no momento correto do ciclo (“ponto de injeção”), para qualquer carga e rotação;
Garantir quantidades iguais de combustível para cada cilindro;
Injetar o combustível numa velocidade correta para controlar a combustão e a taxa de elevação de pressão (evitar batida)
Atomizar o combustível no grau desejado (distribuição do tamanho das gotas)
Garantir boa mistura com o ar (formato do jato, ângulo de cone);
Iniciar e terminar a injeção bruscamente (evitar gotejamento)
Operar por longo período sem desgaste e sem necessidade de nova regulação; 
ALTA PRECISÃO MECÂNICA  poucos fabricantes
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
7. Sistemas de injeção ICO
Auxiliares dos sistemas de injeção:
Qualquer que seja o sistema usado, existem sempre:
Uma bomba de circulação de combustível, que manda combustível do tanque para a bomba de alta pressão;
Filtros de combustível em vários pontos da linha de alimentação, pois quaisquer corpos estranhos ou impurezas no combustível podem danificar o sistema de alta pressão (baixíssimas tolerâncias entre peças móveis)
Linha de retorno de combustível para o tanque. Em geral, o sistema de injeção está preparado para “carga total”. O excesso de combustível em cargas parciais retorna para o tanque.
Regulador de rotação do motor, para impedir que o motor “dispare” ou que a rotação máxima seja superada (corte de injeção)
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
7. Sistemas de injeção ICO
Tipos de sistemas de injeção:
Pulverização a ar: primórdios. Ar comprimido auxiliar para “arrastar” e pulverizar o combustível para dentro da câmara de combustão. Abandonado na década de 30
Sistema de bomba individual: para cada cilindro existe uma bomba de alta pressão, que comprime e dosa a quantidade de combustível. Pode ser dos tipos “em linha”, “bomba individual” ou “unidade injetora”.
Sistemas distribuidores: uma bomba comprime e dosa a quantidade de combustível para todos os cilindros, alimentando o cilindro certo no momento correto.
Sistema de conduto comum (common rail): uma bomba alimenta uma galeria de alta pressão para todos os cilindros. No momento correto, cada injetor se abre e permite a passagem do combustível para a câmara.
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
7. Sistemas de injeção ICO
Sistema de bombas individuais:
Bombas em linha Bosch: acionadas
 pelo motor, na metade da rotação
 por meio de cames
Apenas um regulador de rotação
Uma válvula regula a pressão de
 injeção que se comunica com os
 injetores por meio de tubos de
 pressão. 
Pedal do acelerador atua em uma 
 cremalheira que gira os pistões
 de cada bomba, dosando a 
 quantidade de combustível
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
7. Sistemas de injeção ICO
Sistema de bombas individuais:
Detalhe do funcionamento de cada bomba: o rasgo lateral descobre a janela de retorno, despressurizando a linha, cessando a injeção e fechando o bico injetor (por mola). Variação da carga: pistão gira e altera o momento em que se abre a janela de retorno. 
8. Os motores de ignição por compressão
*
EM 865 - Gallo 
7. Sistemas de injeção ICO
Sistema de bombas individuais:
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
7. Sistemas de injeção ICO
Sistema de bombas individuais: Unidade injetora(GM, Bosch)
O pistão que produz a alta pressão fica alojado junto ao injetor. 
O acionamento do pistão é mecânico, pelo próprio eixo de cames das válvulas do motor.
Nos modelos antigos (puramente mecânicos), a
 carga era controlada também por cremalheira
 que girava o pistão, variando seu curso efetivo
 e a quantidade de combustível injetada.
Nos modelos modernos, o tempo de abertura é
 comandado por eletroválvula, que despressuriza
 o injetor, cessando a injeção (embora o curso do
 pistão continue sendo constante)
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
7. Sistemas de injeção ICO
Sistema de bomba distribuidora rotativa (Bosch, Delphi, CAV)
Bomba acionada com metade da rotação do motor
Um único pistão comprime o combustível para todos
 os cilindros. Curso constante, mas curso efetivo 
 controlado pelo acelerador e governador de rotação.
Um dispositivo mecânico coloca em contato o tubo do
 injetor correto com o combustível pressurizado e 
 dosado. Coincidir “furo com furo”.
Usada em motores de baixa e média cilindrada, com
 4 a 6 cilindros.
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
7. Sistemas de injeção ICO
Sistema de conduto comum (common rail):
Tarefas de comprimir e de dosar a quantidade de 
 combustível são separadas. 
A bomba de alta pressão mantém uma galeria 
 pressurizada, disponível p/ qualquer injetor.
Sistemas mecânicos (Cummins): um cames aciona
 a abertura do injetor no momento certo. A pressão
 de injeção também varia (controle pressão e tempo).
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
7. Sistemas de injeção ICO
Bicos injetores:
Injetores de furo único  apenas para motores com câmaras divididas (pré-câmara, de turbulência, de Lanova).
Motores com câmara de Lanova  jato dirigido (célula de ar)
Motores com pré-câmara ou de turbulência  jato cônico
EM 865 - Gallo 
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
7. Sistemas de injeção ICO
Bicos injetores:
Injetores p/ motores de injeção direta: furos múltiplos.
Número de furos, ângulos dos jatos
 são determinantes p/ a combustão.
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
7. Sistemas de injeção ICO
Sistemas de injeção eletrônica: minimizam problemas mecânicos e facilitam o controle do motor.
Tal como nos sistemas ICE  vários sensores, unidade de controle com microprocessador, vários atuadores.
Sensores: temperatura do motor, do óleo, do ar; pressão no coletor; pressão de injeção; vazão do ar; rotação do motor e sensor de fase;
Controladores: eletroválvulas para despressurizar as linhas (acabar a injeção); válvula reguladora de pressão.
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
7. Sistemas de injeção eletrônicos: Conduto comum
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
7. Sistemas de injeção eletrônicos: Conduto comum
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
7. Sistemas de injeção eletrônicos: Unidade Injetora
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
7. Sistemas de injeção eletrônicos: Unidade Injetora
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
7. Sistemas de injeção eletrônicos: Unidade Injetora
8. Os motores de ignição por compressão
*
*
EM 865 - Gallo 
7. Sistemas de injeção eletrônicos: Unidade Injetora
8. Os motores de ignição por compressão
*