Sistema de Admissão de Ar e Combustível em Motores

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TRADUZIDO POR EDUARDO C. M. LOUREIRO, PARA USO EM SUAS AULAS NA DISCIPLINA DE MÁQUINAS 
TÉRMICAS I. 
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ENGINEERING FUNDAMENTALS OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINES, . 
WILLARD W. PULKRABEK, PEARSON PRENTICE HALL, 2004. 
ADMISSÃO DE AR + COMBUSTÍVEL 
O sistema de admissão consiste de um coletor de admissão, uma válvula borboleta, válvulas de 
admissão e bicos injetores (ou carburador), estes últimos para adicionar combustível. 
Os bicos injetores podem ser instalados próximos às válvulas de admissão de cada cilindro 
(multi-point injection), na entrada do coletor de admissão (no corpo da válvula borboleta), ou 
injetando diretamente na cabeça do cilindro (motores Diesel, motores modernos de dois 
tempos SI e em alguns motores de quatro tempos SI). 
O coletor de admissão é um sistema projetado para fornecer ar a cada cilindro do motor 
através de tubos chamados runners. O diâmetro interno destes tubos deve ser grande o 
suficiente para evitar alta resistência ao escoamento e proporcionar boa eficiência 
volumétrica. Por outro lado, o diâmetro deve ser pequeno o bastante para garantir alta 
velocidade do ar e turbulência, o que aumenta a capacidade de transportar as gotas de 
combustível aumentando a evaporação e a mistura ar combustível. 
O comprimento e diâmetro de um runner devem ser estimados juntos para equalizar, o 
máximo possível, a quantidade de ar que é entregue a cada cilindro separadamente. Alguns 
motores têm coletores de admissão ativos que conseguem variar o comprimento e diâmetro 
de seus runners para diferentes velocidades do motor. A baixas velocidades, o ar é direcionado 
para tubos mais longos e estreitos para aumentar a velocidade e permitir melhor mistura do ar 
+ combustível. A altas velocidades, são usados tubos mais curtos e largos que minimizam a 
resistência ao fluxo, porém, permanecem com boa taxa de mistura. A quantidade de ar + 
combustível contida no comprimento de um runner é aproximadamente a quantidade que é 
entregue a um cilindro por ciclo. 
Para minimizar a resistência ao escoamento, os runners não devem ter protuberâncias 
(excesso de junta) acentuadas e as paredes internas devem ser polidas. 
Alguns coletores de admissão são aquecidos para acelerar a evaporação de gotas de 
combustível na mistura. Isto é feito aquecendo as paredes com o fluxo do refrigerante do 
motor; projetando o coletor para estar em contato térmico com o coletor de escape ou, às 
vezes, com aquecimento elétrico. 
Em motores SI, o fluxo de ar através do coletor de admissão é controlado por uma válvula 
borboleta normalmente colocada no início do coletor. 
Combustível é adicionado ao ar admitido em algum lugar do sistema de admissão: antes do 
coletor, no coletor, ou diretamente em cada cilindro. Quanto antes o combustível é fornecido, 
mais tempo há para evaporar as gotas de combustível e para obter a mistura apropriada. 
Entretanto, isto também diminui a eficiência volumétrica do motor pela substituição do ar pelo 
vapor de combustível. E também dificulta uma boa consistência cilindro-a-cilindro da razão 
Combustível/Ar devido à assimetria do coletor e aos diferentes comprimentos dos runners. 
O escoamento do combustível através do coletor acontece de três formas diferentes. Vapor do 
combustível mistura-se com o ar e segue junto a este último. Muito pequenas gotas de 
combustível são carregadas pelo fluxo de ar (as menores seguindo melhor as linhas de 
corrente que as maiores). Com uma inércia maior, as partículas líquidas nem sempre escoam à 
mesma velocidade que o ar, principalmente nas curvas, onde as maiores gotas se desviam 
mais que as menores. A terceira forma constitui-se no transporte por meio de finas camadas 
(filmes) de líquido junto às paredes do coletor. Estes filmes ocorrem porque a gravidade 
separa algumas gotas do escoamento e quando outras gotas batem nas paredes quando o 
escoamento executa uma curva. As duas últimas formas tornam difícil garantir a mesma razão 
 
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Ar/Combustível para cada um dos cilindros. Muitos destes problemas são reduzidos ou 
eliminados quando se utiliza o sistema de injeção multi-point, onde cada cilindro recebe sua 
admissão de combustível individual. 
EFICIÊNCIA VOLUMÉTRICA DE MOTORES SI 
É desejável o máximo de eficiência volumétrica em qualquer motor. Ela varia com a velocidade 
do motor, conforme a figura 1. Há uma certa velocidade intermediária em que a eficiência 
volumétrica é máxima. Há muitas variáveis físicas e operacionais que afetam a forma do 
gráfico. 
 
Figura 1. Eficiência volumétrica de três motores alternativos como função da velocidade do 
motor. 
 
Combustível 
Em motores naturalmente aspirados, a eficiência volumétrica será sempre menor que 100% 
porque combustível também é adicionado e o volume do vapor de combustível substitui algum 
ar admitido. O tipo de combustível, bem como quando e como ele é adicionado irá determinar 
como a eficiência volumétrica será afetada. Sistemas com carburadores ou com injetores no 
corpo de borboleta adicionam combustível cedo no coletor de admissão e geralmente têm 
uma eficiência volumétrica menor. Isto porque o combustível imediatamente começa a 
evaporar e o vapor de combustível irá substituir o ar. O motor com sistema de injeção multi-
point que adiciona combustível nas válvulas de admissão terá melhor eficiência volumétrica 
porque nenhum ar é substituído no coletor de admissão. A evaporação do combustível só 
ocorre quando o escoamento está entrando no cilindro na válvula de admissão. Já os motores 
que injetam combustível diretamente dentro dos cilindros após o fechamento da válvula de 
admissão não experimentam nenhuma perda de eficiência volumétrica devido à evaporação. 
Coletores com adição de combustível tardia podem ser projetados para aumentar a eficiência 
volumétrica usando runners com diâmetros maiores. Alta velocidade e turbulência para 
 
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promover evaporação não são necessárias. Eles também podem ser operados frios, o que 
resulta na admissão de ar mais denso. 
Aqueles combustíveis com uma menor razão Ar/Combustível, como álcool, experimentam uma 
perda maior de eficiência volumétrica. Combustíveis com alto calor latente de vaporização irão 
recuperar alguma parte desta perda devido ao maior resfriamento proveniente da evaporação 
que irá ocorrer com estes combustíveis. Este resfriamento irá permitir a admissão de um ar 
mais denso, fazendo com que mais ar entre no sistema. Álcool tem um alto calor de 
vaporização e recupera parte da eficiência perdida devido à relação A/C. 
Combustíveis gasosos substituem mais ar que combustíveis líquidos, que são apenas 
parcialmente evaporados no sistema de admissão. Por outro lado, os coletores de admissão 
podem ser operados muito mais frios quando combustíveis gasosos são usados, pois nenhuma 
vaporização é requerida. 
Quanto mais tarde ocorre a vaporização do combustível no sistema de admissão melhor é a 
eficiência volumétrica. Por outro lado, quanto antes o combustível vaporizar, melhor será o 
processo de mistura e a homogeneização da distribuição cilindro a cilindro. 
Transferência de Calor – Alta temperatura 
Todos os sistemas de admissão operam em temperatura maiorque a do ar ambiente, o que 
consequentemente aquece o ar admitido. Isto diminui a densidade do ar reduzindo a eficiência 
volumétrica. Coletores de admissão de motores com carburador ou injetor no corpo de 
borboleta são propositalmente aquecidos para aumentar a evaporação do combustível. A 
baixas velocidades o escoamento do ar é mais lento e ele permanece mais tempo no coletor. 
Então o ar é levado a maiores temperaturas o que diminui sua densidade repercutindo na 
menor eficiência volumétrica mostrada na figura 1 a baixas velocidades. 
Overlaping das Válvulas 
No PMS, ao final do curso de exaustão e no começo do curso de admissão, ambas as válvulas, 
de exaustão e de admissão, ficam abertas simultaneamente por um breve momento. Quando 
isto acontece, algum gás de escape pode ser sugado através da válvula de admissão para 
dentro do coletor de admissão. Este mesmo gás vai ser trazido de volta para o interior do 
cilindro com a nova carga de ar e combustível admitidos, substituindo uma parcela do ar 
admitido e diminuindo a eficiência volumétrica. Este problema é mais grave a baixas 
velocidades quando o tempo real das válvulas abertas simultaneamente (overlap) é maior e 
quando há uma pressão menor no coletor de admissão. Este efeito diminui a eficiência 
volumétrica a baixas velocidades (Figura 1). Outros fatores que afetam este problema são a 
localização das válvulas de admissão e exaustão e a taxa de compressão do motor. 
Perdas por atrito 
Ar movendo-se através de qualquer tubulação ou através de restrições experimenta queda de 
pressão. O escoamento viscoso que o ar experimenta ao atravessar o filtro de ar, carburador, 
válvula borboleta, coletor e válvula de admissão reduz a eficiência volumétrica no sistema de 
admissão. O arrasto viscoso, que causa a perda de pressão, aumenta com o quadrado da 
velocidade. Isto proporciona a diminuição da eficiência na faixa de altas velocidades na figura 
1. Muitos esforços vêm sendo feitos para diminuir perdas de pressão nos sistemas de 
admissão: Polimento das paredes do coletor; evitar curvas acentuadas; eliminação do 
carburador, melhor alinhamento das partes evitando protuberâncias de juntas, são ações 
neste sentido. Uma das maiores restrições ao escoamento ocorre nas válvulas de admissão. 
 
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Para reduzir esta restrição, a área de escoamento através da válvula tem sido aumentada com 
a construção de motores com duas ou até três válvulas de admissão por cilindro. 
Fechamento da válvula de admissão após o PMI 
O tempo em que a válvula de admissão fecha influencia quanto ar entra no cilindro. Próximo 
ao final do curso de exaustão, a válvula de admissão abre. No caminho do pistão do PMS para 
o PMI ar é aspirado para dentro do cilindro através da válvula de admissão devido ao vácuo 
causado pelo volume adicional proporcionado pelo movimento do pistão. Há uma queda de 
pressão quando o ar passa pela válvula de admissão e a pressão dentro do cilindro é menor 
que a pressão fora do cilindro no coletor de admissão. Esta diferença de pressão continua 
ocorrendo até que o pistão chega ao PMI e ar continua entrando no cilindro. É por isto que o 
fechamento da válvula é programado para ocorrer depois do PMI. Quando o pistão chega no 
PMI, ele começa a voltar para o PMS e então começa a comprimir o ar no cilindro. Até que o ar 
esteja sendo comprimido a uma pressão igual à do coletor de admissão, ar continuará a entrar 
no cilindro. O tempo ideal para o fechamento da válvula de admissão é quando esta pressão 
de equalização ocorre entre o ar dentro do cilindro e o ar no coletor. Se ela fecha antes deste 
ponto, ar que estava entrando no cilindro é parado e há perda de eficiência volumétrica. Se a 
válvula é fechada depois deste ponto, o ar comprimido pelo pistão irá forçar uma parcela do ar 
de volta para o coletor e novamente, haverá perda de eficiência volumétrica. 
Este tempo ideal de fechamento que deve acontecer quando a pressão no interior do cilindro 
for igual a pressão no coletor de admissão é altamente dependente da velocidade do motor. A 
altas velocidades, a perda de pressão na válvula de admissão é bem maior devido a alta 
velocidade de escoamento do ar. Além disto, o tempo real (no ciclo) é reduzido a altas 
velocidades. Estes dois fatos indicam que a válvula de admissão deve fechar em uma posição 
mais tardia. Por outro lado, a baixas velocidades do motor a diferença de pressão através da 
válvula de admissão é menor e a pressão de equalização vai ocorrer mais cedo depois do PMI, 
e desta forma, a válvula deveria fechar mais cedo a baixas velocidades. 
A posição onde a válvula fecha é controlada por um eixo de cames, na maioria dos motores, e 
não pode variar com a velocidade. O resultado é a redução da eficiência volumétrica do motor 
tanta a baixas quanto em altas rotações. Alguns automóveis têm um ajustamento limitado nos 
seus eixos de cames que permitem a variação do tempo de fechamento da válvula de 
admissão. 
VÁLVULAS DE ADMISSÃO 
As válvulas de admissão da maioria dos motores de combustão interna são válvulas ‘poppet’ 
fechadas por meio de uma mola e abertas no tempo certo no ciclo por um eixo de cames 
(Figura 2). 
A maioria das válvulas e assentos são feitos de aços de alta liga ou, em casos mais raros, de 
material cerâmico. Idealmente, elas deveriam abrir e fechar quase instantaneamente no 
tempo certo. Isto é impossível em um sistema mecânico e aberturas e fechamentos mais 
lentos são necessários para evitar desgaste e ruído. O excêntrico do came é projetado para 
proporcionar aberturas e fechamentos rápidos, mas suaves, sem choques nas interfaces 
mecânicas. Isto requer algum comprometimento na velocidade de operação da válvula. 
Quando os eixos de cames forem substituídos por atuadores eletrônicos, as válvulas estarão 
aptas a abrir e fechar muito mais rápido, resultando numa melhor performance do motor. 
 
 
 
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Figura 2. Válvula Poppet. (A) assento da válvula (B) cabeça (C) haste (D) guia (E) mola 
(F) came (G) coletor de admissão 
 
Os motores mais antigos tinham o eixo de cames montados próximos ao virabrequim e as 
válvulas montadas no bloco do motor. Com o progresso na tecnologia das câmaras de 
combustão as válvulas foram trazidas para o cabeçote (overhead valves) e um sistema de 
conexão mecânica era necessário (varetas, balancins, tuchos). Uma melhoria posterior foi a 
montagem do eixo de cames também no cabeçote (overhead cam engines). Os motores mais 
modernos possuem um ou dois eixos de cames montados no cabeçote de cada banco de 
cilindros. Quanto mais perto das hastes das válvulas o eixo de cames é montado, maior será a 
eficiência mecânica do sistema. 
A distância que a válvula abre é chamada de valve lift, geralmente da ordem de poucos 
milímetros a mais de um centímetro, dependendo do tamanho do motor. Para motores de 
automóveis é de cerca de 5 a 10 mm. 
Geralmente, 
 Lmax = dv/4 
onde 
Imax = valve lift, com a válvula completamente aberta 
dv = diâmetro da válvula. 
 
 
 
 
 
 
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Figura 3. Escoamento através da válvula. 
 
O ângulo da superfície da válvula na interface com o assento é geralmente projetado para um 
mínimo de resistência ao escoamento. Quando o ar escoa pela passagem as linhas de corrente 
se separam da superfície e a área de seção real do escoamento é menor que a área da 
passagem, conforme mostrado na Figura 3. A razão entre a área de seção do escoamento real 
e a área da passagem entre a válvula e o assento é chamado de Coeficiente de descarga da 
válvula: 
CDV = AREAL/APASS 
a área da passagem é dada por: 
APASS =  dV l 
As válvulas de admissão oferecem a maior restrição à admissão do ar na maioria dos motores. 
Isto é especialmente verdadeiro a altas velocidades. Várias fórmulas empíricas podem ser 
encontradas na literatura para o dimensionamento de válvulas de admissão. A equação abaixo 
fornece a área mínima necessária para a válvula de admissão de um motor moderno: 
AADM = C B
2 [(UP)MAX/ci] = (/4)dV
2 
onde 
C = constante com valor aproximado de 1,3; 
B = diâmetro do pistão; 
(UP)MAX = Velocidade média do pistão na máxima rotação do motor; 
ci = velocidade do som nas condições de admissão; 
dV = diâmetro da válvula. 
AADM é a área total de admissão necessária para um cilindro, seja com uma, duas ou três 
válvulas de admissão. 
Em muitos motores mais recentes, com válvulas no cabeçote e pequenas câmaras de 
combustão, não há espaço suficiente nas paredes da câmara de combustão para a colocação 
da vela de ignição, válvula de escape e de uma válvula de admissão grande o suficiente para 
satisfazer a equação acima. Por este motivo, a maioria dos motores são agora construídos com 
 
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mais de uma válvula de admissão por cilindro. Duas ou três válvulas de admissão menores 
fornecem mais área de escoamento e menos resistência ao escoamento que uma válvula 
maior, como as usadas nos motores mais antigos. Ao mesmo tempo, estas duas ou três 
válvulas de admissão junto com, usualmente, duas válvulas de escape, podem ser mais 
facilmente alocadas em um dado cabeçote com espaço de folga suficiente para manter a 
requerida rigidez estrutural. (Figura 4). 
 
Figura 4. Arranjos possíveis para motores com válvulas no cabeçote. Para cada cilindro a 
área de escoamento das válvulas de admissão é cerca de 10% maior que a das válvulas de 
escape. (a) motores mais antigos (1950-1980) e alguns motores modernos (b) maioria dos 
motores automotivos atuais (c) alguns motores modernos de alta performance. 
Múltiplas válvulas necessitam de maior complexidade de projeto com mais eixos de cames e 
dispositivos de acionamento. Frequentemente é necessário ter câmaras de combustão com 
formatos específicos e coroa de pistão redesenhadas para evitar contato válvula-válvula e 
válvula-pistão. Estes projetos são de difícil execução (se não impossíveis) sem o uso de projeto 
auxiliado por computador (CAD). Quando duas ou mais válvulas são usadas em lugar de uma, 
elas são menores e mais leves. Isto permite o uso de molas mais leves e reduz as forças de 
acionamento. Válvulas mais leves podem também ser abertas e fechadas mais rapidamente. A 
maior eficiência volumétrica obtida com válvulas múltiplas compensa o custo adicional de 
manufatura e a complexidade e ineficiência mecânica adicionadas. 
Alguns motores com múltiplas válvulas de admissão são projetados para que apenas uma 
válvula de admissão opere a baixas velocidades. Com o aumento da velocidade, menos tempo 
por ciclo é disponível para a admissão, e a segunda (às vezes também uma terceira) começa a 
atuar fornecendo área adicional de escoamento. Isto permite controle adicional do 
escoamento de ar no interior do cilindro a várias velocidades, o que proporciona uma 
combustão mais eficiente. Em alguns destes sistemas as válvulas têm diferentes timings. A 
válvula de baixa velocidade irá fechar relativamente cedo depois do PMI. Quando em 
funcionamento, a(s) válvula(s) de alta velocidade irá(ão) fechar em uma posição mais tardia 
(até 20o de atraso) para evitar perda de eficiência volumétrica, como já visto anteriormente. 
O escoamento de massa através da válvula de admissão para dentro do cilindro é mostrado na 
Figura 5. Fluxo reverso pode acontecer quando acontece o overlap das válvulas próximo do 
PMS, e a baixas velocidades quando a válvula de admissão fecha depois do PMI. 
 
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Figura 5. Escoamento de mistura na válvula de admissão. 
As válvulas de admissão normalmente abrem entre 10o e 25o antes do PMS e devem estar 
totalmente abertas ao passar pelo PMS para permitir o máximo escoamento durante o curso 
de admissão. Quanto maior velocidade para a qual o motor foi projetado mais cedo no ciclo a 
válvula de admissão irá abrir. Na maioria dos motores o timing das válvulas é colocado para 
uma dada velocidade, com perdas ocorrendo seja em velocidades mais altas ou mais baixas 
que a de projeto. A velocidades mais baixas que a de projeto a válvula de admissão vai abrir 
muito cedo criando um overlap mais longo que o necessário. Este problema se agrava porque 
a baixas velocidades geralmente a pressão no coletor é baixa. A velocidades mais altas que a 
de projeto, a válvula vai abrir muito tarde e o escoamento não estará completamente 
estabelecido no PMS, com perdas na eficiência volumétrica. 
CONTROLE VARIÁVEL DE VÁLVULAS - CVV 
Mais recentemente, várias formas do controle variável do timing das válvulas têm aparecido 
em motores de automóveis. Estes sistemas permitem uma operação mais eficiente dos 
motores variando o tempo de abertura da válvula, o tempo em que permanece aberta e o 
período de overlap. Além do timing variável, os sistemas mais modernos também permitem 
variar a altura de abertura das válvulas (lift). 
A altas rotações, o tempo real de um ciclo é menor e mais mistura é requerida. Para otimizar 
esta situação, a válvula de admissão deve abrir mais cedo no ciclo, durar maior tempo aberta 
e, se possível ter um lift maior. A válvula de exaustão também deve ter um lift maior e abrir 
mais cedo para permitir mais tempo real para expulsar os gases queimados, e também deve 
fechar um pouco mais tarde. Um overlap maior das válvulas seria tolerado porque a altas 
velocidades a pressão no coletor é maior e o tempo real é menor. A baixas velocidades e em 
marcha lenta o tempo real de um ciclo é maior e menos mistura é requerida. Ambas as 
válvulas, admissão e exaustão, podem abrir mais tarde e fechar mais cedo. A baixa velocidade 
a pressão no coletor é muito baixa e então um overlap menor é desejável. Se o overlap é 
muito grande, acontece um grande refluxo de gases residuais para o coletor de admissão que 
substitui uma parcela da mistura ar-combustível admitida. Este é o motivo para que a baixas 
velocidades seja necessária uma mistura mais rica para uma boa combustão. O lift da válvula 
de admissão pode ser reduzido a baixa rotação para que a velocidade do escoamento 
permaneça alta o suficiente para proporcionar um bom padrão de mistura. 
 
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Desde os anos 1990 motores com CVV têm usado vários métodos. A maioria destes sistemas 
pioneiros atuavam apenas nas válvulas de admissão e não variavam o lift. Os sistemas mais 
modernos podem hoje controlar tanto as válvulas de admissão como as de exaustão, timing e 
lift. 
Um método usa um eixo de cames com excêntricos duplos para cada válvula, um para alta 
velocidade e outro para baixa. O eixo de cames é montado de forma que ele se movimenta ao 
longo do seu eixo de rotação. A baixa rotação, o eixo se posiciona de forma que o excêntrico 
de baixa esteja em contato com o mecanismo da válvula. A uma determinada velocidade mais 
alta o eixo se move permitindo agora o contato com o excêntrico de alta velocidade. Vários 
sistemas usam meios mecânicos, hidráulicos ou elétricos para mover o eixo de cames. Estes 
sistemas caracterizaram um progresso, mas apenas trazem melhoramento para duas 
velocidades do motor. Um sistema mais avançado, usando este método básico incorpora um 
came com perfil tridimensional. O perfil do excêntrico em contato com o mecanismo da 
válvula varia ao longo do eixo de rotação do eixo de cames. Quando a velocidade varia, o came 
é movido ao longo do eixo de rotação até que o melhor perfil para aquela velocidade seja 
utilizado. Este sistema tem uma faixa limitada de variação no timing e duração, e necessita de 
sistema de controle mais sofisticado. 
Um outro sistema adiciona uma polia que tem movimento relativo à polia do eixo de cames 
acionada pela correia dentada. Quando a velocidade varia, a central eletrônica altera este 
movimento relativo da polia mudando a fase do eixo de cames em relação ao giro do 
virabrequim. Uma válvula pode ser aberta mais cedo ou mais tarde, mas a duração da abertura 
e o lift permanecem os mesmos. 
Os sistemas CVV mais modernos não têm eixo de cames e usam solenóides elétricos para abrir 
e fechar as válvulas diretamente, ou por meio de conexões eletromecânicas ou 
eletrohidráulicas. Operando sem molas de válvulas, os atuadores abrem e fecham estas muito 
mais rapidamente, e apresentam fechamento mais suave. Isto permite o uso de válvulas 
cerâmicas que podem tolerar temperaturas muito mais altas. Um sistema típico usa um 
atuador hidráulico de dupla ação controlado eletronicamente para abrir e fechar as válvulas. 
Quando isto é feito, a temperatura, viscosidade e compressibilidade do fluido hidráulico 
devem ser consideradas. Usando computadores mais poderosos na central eletrônica, estes 
sistemas têm um potencial quase infinito para a variabilidade do controle do timing, duração e 
lift, incluindo variações ciclo-a-ciclo e cilindro-a-cilindro. O obstáculo a estes sistemas, usando 
o sistema elétrico padrão de 12 volts dos automóveis, é o grande tamanho dos componentes 
necessários, o que torna impraticável para a maioria dos veículos. Este obstáculo desaparece 
quando se utiliza um sistema elétrico de 42 volts permitindo o uso de componentes muito 
menores. A eliminação do eixo de cames reduz o atrito no motor e aumenta sua eficiência 
mecânica. 
Com a possibilidade da variabilidade total no controle do timing, duração e lift das válvulas, 
várias facetas adicionais do funcionamento dos motores podem ser melhoradas: eliminação da 
válvula borboleta, melhor torque a baixa velocidade, maior potência, menores emissões e 
maior economia de combustível. Com o controle do timing e lift das válvulas de admissão, a 
válvula borboleta pode ser eliminada, e a admissão do ar passaria a ser regulada pelo controle 
das válvulas. Isto elimina, ou reduz fortemente, o trabalho de bombeamento e permite o 
controle da velocidade de entrada no cilindro em todas as rotações variando o lift. Com duas 
ou três válvulas, cada uma controlada separadamente, se obtém um controle geral melhor do 
ciclo do motor. A alta rotação, todas as válvulas são abertas com o máximo lift, 
proporcionando o máximo de eficiência volumétrica e de potência. A baixa rotação, algumas 
válvulas podem não serem abertas e o lift pode ser controlado para proporcionar melhor 
velocidade de entrada e padrão de mistura. Diferentes timings em múltiplas válvulas podem 
 
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proporcionar a alimentação de carga estratificada de ar + combustível na câmara de 
combustão, muito desejada na nova filosofia de combustão. Quando menos potência de saída 
for requerida para um motor robusto, a central eletrônica pode mudar o funcionamento 
normal do ciclo de 4 tempos para um ciclo mais eficiente de 6 tempos. Com o controle 
apropriado das válvulas e da injeção de combustível, dois tempos (de mentira) seriam 
adicionados após o curso normal de exaustão. Sem combustível adicionado e com as válvulas 
todas completamente abertas estes dois cursos extras não adicionariam nada ao ciclo do 
motor, exceto que haveria agora um tempo útil para cada cilindro após a terceira revolução. 
O controle de cada válvula separadamente em motores equipados com múltiplas válvulas de 
admissão pode proporcionar maiores melhorias no consumo de combustível e controle de 
emissões. Com a programação apropriada para o tempo de ignição, timing e lift das válvulas, 
uma ótima combustão pode ser obtida em todas as rotações. 
INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL 
Bicos injetores 
Os injetores de combustível são bicos que injetam um spray de combustível no ar de admissão. 
Normalmente são controlados eletronicamente, mas, injetores controlados mecanicamente, 
por meio de cames, também existem (figura 6.). Certa quantidade de combustível é mantida 
no corpo do injetor, então uma alta pressão é aplicada, normalmente por compressão 
mecânica de algum tipo. No tempo apropriado, o bico é aberto e o combustível é pulverizado 
no ar da vizinhança. A quantidade de combustível é controlada pela pressão e pelo tempo de 
duração da injeção. Um bico de injeção eletrônica consiste dos seguintes componentes 
básicos: Corpo da válvula, êmbolo magnético, bobina solenóide, mola helicoidal, coletor de 
combustível e válvula de agulha (figura 7.). Quando não ativado a mola mantém o êmbolo 
contra seu assento. Quando ativado, o solenóide é excitado, o que movimenta o êmbolo e a 
agulha que estão conectados. Isto abre a válvula de agulha permitindo a passagem de 
combustível injetado pelo orifício da válvula. Cada válvula pode ter um ou vários orifícios de 
abertura. O combustível deixa o bico injetor a velocidades de 100 m/s. Nos injetores 
controlados mecanicamente não há solenóide, e o êmbolo é movido pela ação de um eixo de 
cames. 
 
Figura 6. Bicos injetores, eletrônico e mecânico. 
 
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Figura 7. Esquema de um bico injetor eletrônico. 
Alguns sistemas têm uma bomba simples de combustível (common rail) suprindo os injetores 
de todos os cilindros ou de um banco de cilindros. O combustível pode ser fornecido a alta 
pressão e o bico injetor trabalharia apenas como um dispositivo medidor. Outros sistemas 
suprem o combustível a baixa pressão e o bico injetor deve aumentar a pressão e dosar a 
quantidade injetada. Há uma linha de retorno para cada injetor para retorno do combustível 
em excesso. Alguns sistemas têm uma bomba para cada injetor, com a bomba e injetor, às 
vezes, construídos como uma unidade simples. As condiçõesde operação do motor e 
informações vindas de diversos sensores no motor e sistema de exaustão são usadas para 
ajustar continuamente a razão A/C, pressão, timing e duração da injeção. 
Motores com injeção multi-ponto ou com injetor no corpo da válvula borboleta requerem 
pressões moderadas (200 – 300 kPa absoluta), pois o combustível é injetado no sistema de 
admissão que trabalha a baixas pressões. Injetores usados para injetar diretamente na câmara 
de combustão operam a pressões muito mais elevadas, acima de 10 MPa. Alta pressão é 
utilizada porque a injeção atua contra a alta pressão no cilindro e porque pequeníssimo 
tamanho de gotas é necessário devido ao pouco tempo permitido para evaporação. Muitos 
motores de combustão por centelha injetam uma combinação de combustível + ar (figuras 8. 
9. E 10.). Com estes injetores, ar é injetado através de um orifício separado durante e 
imediatamente depois da injeção do combustível. Este tipo de injeção aumenta 
consideravelmente a atomização, vaporização e mistura das gotas de combustível, o que é 
necessário devido ao extremamente curto espaço de tempo disponível (menos que 0,008 
segundos a 3000 rpm). 
 
Figura 8. Esquema de uma injeção multi-ponto usando injeção de ar + combustível para 
acelerar evaporação e mistura. 
 
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Figura 9. Esquema de bico injetor para injetar ar + combustível num sistema multi-ponto. 
 
Figura 10. Vazão em massa de combustível e de ar injetado dentro do cilindro em um sistema 
usando injeção de ar + combustível. Unidades de vazão em massa dadas por (gramas por 
ângulo de rotação – g/CrankAngle) 
 
A quantidade de combustível injetado em cada ciclo pode ser ajustada pelo tempo de duração 
da injeção, que é da ordem de 1,5 a 10 milissegundos. Isto corresponde a uma rotação do 
virabrequim entre 10o a 300o, dependendo das condições imediatas de operação. A duração da 
injeção é determinada pelas informações dos sensores. Medir a quantidade de oxigênio no 
sistema de exaustão é uma das principais formas de fornecer um feedback ao sistema de 
injeção para que este seja capaz de controlar a duração da injeção e, consequentemente, 
buscar uma relação A/C apropriada. A partida do motor, quando uma mistura mais rica é 
necessária, é determinada pela temperatura do líquido refrigerante e pela chave de ignição. 
Várias formas de detectar a taxa de escoamento de ar admitido incluem a medição de queda 
de pressão e o uso de sensores do tipo hot-wire. Estes sensores determinam a taxa de 
escoamento pelo efeito de resfriamento em resistores elétricos. 
Sistemas de injeção multi-ponto 
 
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A maioria dos motores modernos possui este sistema de injeção. Nestes casos, um ou mais 
injetores são montados próximos à válvula de admissão de cada cilindro. Eles pulverizam 
combustível em uma posição imediatamente antes das válvulas, ás vezes, diretamente nas 
costas da face da válvula. Contato com a superfície quente da válvula aumenta a evaporação 
do combustível e ajuda na refrigeração da válvula. Os injetores são programados para 
pulverizar o combustível dentro do ar quase estacionário imediatamente antes da válvula de 
admissão abrir. Alta velocidade do spray é necessária para garantir evaporação e mistura com 
o ar. Os sistemas multi-ponto são melhores que os carburadores ou do que só um injetor no 
corpo da válvula borboleta para fornecer uma razão A/C consistente cilindro-a-cilindro. Alguns 
sistemas multi-ponto apresentam um injetor adicional localizados no coletor de admissão, a 
montante, para adicionar combustível quando é necessária uma mistura mais rica, na partida, 
em marcha lenta ou em altas rotações. 
Os sistemas de injeção multi-ponto são construídos para fornecer melhor eficiência 
volumétrica. Não há estreitamento tipo Venturi para criar uma queda de pressão como nos 
carburadores. Como quase nenhuma mistura ar + combustível ocorre ao longo do coletor de 
admissão, altas velocidades de escoamento não são necessárias e runners com diâmetros 
maiores e menor perda de pressão podem ser usados. Também não há substituição de parcela 
do ar admitido por vapor de combustível. 
 
 
 
 
 
 
Sistemas de injeção direta para motores de Ignição por centelha 
Grande esforço vem sendo despendido no desenvolvimento de motores SI com injeção direta 
de combustível e alguns modelos já são equipados com este sistema (Figura 11.). Estes 
sistemas injetam o combustível diretamente na câmara de combustão, seja durante o tempo 
de admissão ou no tempo de compressão. Há dois tipos básicos de Injeção direta de Gasolina 
(GDI). Um com a injeção apenas de gasolina e o outro com injeção simultânea de gasolina + ar. 
A injeção apenas de combustível é normalmente feita durante o curso de compressão e é 
similar à injeção nos motores de ignição por compressão. Devido ao curtíssimo tempo 
disponível para vaporização e mistura com o ar, gotas de líquido muito pequenas são 
necessárias, assim como grande turbulência e movimento bruto da massa de mistura dentro 
da câmara de combustão. A pressão de injeção é bem mais alta que a usada nos sistemas 
multi-ponto. Isto é devido a alta pressão do ambiente em que o combustível é injetado e 
também à necessidadede obtenção de gotas de pequeno tamanho. A injeção, às vezes, 
acontece em dois estágios: uma injeção piloto para a ignição, seguida pela injeção principal. 
Os motores mais modernos que usam sistemas GDI injetam uma combinação de ar + 
combustível. Injetando o ar mais o combustível, os tempos de vaporização e mistura são 
bastante reduzidos. Este método também torna possível a estratificação da mistura ar-
combustível. Os motores que trabalham desta forma são chamados de motores de carga 
estratificada. Na combustão de carga estratificada, uma mistura rica é estabelecida em volta 
dos eletrodos da vela de ignição enquanto uma mistura bem mais pobre preenche o restante 
Curiosidade Histórica – Injeção de combustível: 
O primeiro automóvel de linha de produção nos USA a ser equipado com injeção de 
combustível foi o Chevrolet Corvette de 1957. De um total de 6339 Corvettes montados 
naquele ano, 240 foram equipados com um sistema de injeção, com injetor no corpo da 
válvula borboleta, do tipo Rochester Ramjet. 
 
 
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da câmara de combustão. A razão média Ar/Combustível chega a ser tão alta como de 50:1, 
uma mistura que não queimaria se fose toda homogênea. Operando com uma mistura muito 
pobre a temperatura de combustão é reduzida, e isto reduz as perdas térmicas 
(proporcionando um maior rendimento térmico), evita problemas de detonação e diminui a 
geração de emissões poluentes. 
 
Figura 11. Vista em corte de um motor Toyota e layout do sistema de injeção direta de 
gasolina. 
 
 
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A mistura rica, próxima dos eletrodos da vela, rapidamente entra em ignição e queima com 
uma boa velocidade de chama. Então, a mistura pobre presente no restante da câmara de 
combustão também entra em ignição. Para estabelecer esta distribuição estratificada de ar + 
combustível, uma sequência de injeções é requerida: 
1) Algum combustível é injetado muito cedo, durante o tempo de admissão (por 
exemplo, a 120o antes do PMS). Isto formará a mistura pobre e homogênea que 
preencherá toda a câmara de combustão. Apenas baixa pressão é requerida para esta 
injeção; 
2) Durante o curso de compressão, combustível adicional é injetado a uma pressão muito 
alta para criar a parcela de mistura rica próxima aos eletrodos da vela. As pressões 
podem ser tão altas quanto 10 MPa, ou maiores. Pressões muito mais altas estão 
sendo testadas em modelos experimentais; 
3) Durante e imediatamente depois da segunda injeção de combustível, ar é injetado, 
usualmente pelo mesmo injetor. Isto aumenta a evaporação do combustível recém 
injetado; 
4) A centelha é lançada entre os eletrodos da vela para ignição. 
Motores que usam GDI geralmente operam em três diferentes modos. Em cargas leves e 
aberturas parciais da borboleta, o motor opera no regime de carga estratificada a uma razão 
média Ar/Combustível de cerca de 50:1. Em carga média, opera ainda em carga estratificada, 
mas, com razão A/C de cerca de 20:1. A carga plena, o combustível é injetado apenas durante 
o tempo de admissão e uma máxima eficiência térmica é obtida pela operação com uma 
mistura estequiométrica homogênea de ar + combustível. Altos níveis de gases de escape 
podem ser reciclados neste regime. 
Para ser capaz de operar nestes diferentes regimes há a necessidade de um preciso controle 
do timing, lift e duração de abertura das válvulas e do controle do movimento bruto da 
mistura ar-combustível. 
 
Injetores no corpo da válvula borboleta 
Alguns sistemas de injeção de combustível, incluindo os pioneiros, apresentam um, ou mais 
injetores localizado no corpo da válvula borboleta (Figuras 12 e 13). Os injetores são montados 
imediatamente antes da válvula borboleta. Esta é montada em um corpo localizado na entrada 
do coletor de admissão de forma semelhante ao antigo carburador. A válvula é controlada por 
um sistema de pedal + cabo. 
Os injetores normalmente trabalham a pressão constante e o controle da entrega de 
combustível é feito controlando o tempo em que o injetor permanece atuando. O combustível 
é fornecido ao injetor numa pressão entre 250 e 300 kPa absoluta. A injeção é controlada pela 
excitação de um solenóide, que levanta o êmbolo abrindo a válvula de agulha, permitindo a 
injeção do combustível. 
Para definir o regime de operação a central eletrônica recebe informações sobre rotação, 
posição da válvula borboleta, temperatura do refrigerante, etc. 
 
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Figura 12. Fornecimento de combustível para injetor montado no corpo da válvula borboleta. 
 
 
Figura 13. Montagem de injetores em corpo de válvula borboleta usado em modelo 
Ford 1980.