Mistura e Injeção Otto

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Mistura e Injeção em ciclo Otto 
Prof. Cesar Ricardo Weschenfelder 
Formação da mistura combustível-ar nos 
motores do ciclo Otto. 
 O operador do motor Otto pode variar a carga e/ou a 
rotação do motor alternando a posição do acelerador, 
que por sua vez atua sobre a válvula borboleta na entrada 
do ar no motor. 
 Conhecida a vazão de ar, encontra-se instalado no trajeto 
um dispositivo automático que deverá dosar a quantidade 
correta de combustível para a quantidade de ar admitida. 
 A dosagem do combustível será feita por um carburador 
ou por um sistema injetor. 
Formação da mistura combustível-ar nos 
motores do ciclo Otto. 
 Relação combustível-ar (F) 
 Como descrito anteriormente, é a relação entre a massa, 
ou vazão em massa de combustível, e a massa de ar, ou a 
vazão em massa de ar, que formam a mistura. 
 
 
 
 Também se utiliza a relação inversa ar-combustível. 
Formação da mistura combustível-ar nos 
motores do ciclo Otto. 
 Nota-se que a grande dificuldade do sistema de 
alimentação é colocar ar no interior do cilindro para 
posterior combustão. A quantidade de combustível é 
muito menor. 
Formação da mistura combustível-ar nos 
motores do ciclo Otto. 
 Relação combustível-ar 
estequiométrica (Fe) 
 É a relação combustível-ar 
quimicamente, isto é, supondo uma 
combustão completa esse valor 
servirá como referência. Por 
exemplo supondo a gasolina tendo 
uma composição média C8H18 e o 
ar tendo em volume 
aproximadamente, 21% de oxigênio 
e 79% de nitrogênio: 
 Lembrando que a composição da 
gasolina é variável e o etanol 
contem certa porcentagem de água. 
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motores do ciclo Otto. 
 Fração relativa combustível-ar (FR) 
 E a relação entre certa relação combustível-ar e a relação 
estequiométrica de um dado combustível. 
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motores do ciclo Otto. 
 Tipo de mistura em relação ao comportamento do 
motor 
 Do ponto de vista da admissão, a relação combustível-ar 
é simplesmente o quociente entre a massa de 
combustível e a massa de ar que entram no motor, 
entretanto, do ponto de vista da combustão, o 
comportamento da mistura não depende apenas da sua 
composição média, mas principalmente da 
homogeneização do vapor de combustível no ar. 
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motores do ciclo Otto. 
 Em certas condições, pode-se ter uma mistura com FR>1 
apresentando comportamento de mistura pobre, por falta 
de homogeneização, tem-se, como exemplo, o caso do 
motor frio, no qual a falta de vaporização causa sinais de 
pobreza, mesmo que a mistura, em media, esteja 
extremamente rica. 
Formação da mistura combustível-ar nos 
motores do ciclo Otto. 
 Quanto ao comportamento do motor, as misturas serão classificadas em 
quatro tipos fundamentais. 
 Limite pobre 
• É mistura mais pobre possível em combustível, que ainda possibilite manter 
o motor estável e operando. A chama, excessivamente lenta, irá manter-se 
durante grande parte do curso de expansão e possivelmente até o fim do 
escape, início de admissão. 
• Esse fenômeno provoca o superaquecimento da câmara e a ignição da 
mistura admitida, causando retorno de chama (back fire). O motor nessa 
situação torna-se instável, não conseguindo rotação constante, mesmo 
fixando o acelerador. 
• Obviamente, o limite pobre é uma situação indesejável. A sua apresentação 
visa a demonstrar que no motor Otto existe um limite inferior de pobreza 
da mistura, abaixo do qual o motor não poderá funcionar Em condições 
normais, de uma forma geral, o limite pobre para motores Otto acontece 
para misturas com FR entre 0,7 e 0,85. 
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motores do ciclo Otto. 
 Mistura econômica 
• Em geral, é uma mistura levemente pobre, de forma que o 
excesso de ar provoque uma combustão completa e 
adequada do combustível admitido. E a mistura que, na 
condição desejada para o motor, produz o mínimo 
consumo especifico. Contribui também para a redução da 
emissão de monóxido de carbono (CO). 
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 Mistura de máxima potência 
• É uma mistura levemente rica, de forma que o excesso de 
combustível provoque a combustão completa e adequada 
do ar que o motor pode admitir. É a mistura que, numa 
dada rotação e posição do acelerador, produz a máxima 
potência. Nessa situação aumenta a probabilidade da 
emissão de monóxido de carbono (CO). 
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 Limite rico 
• É uma condição na qual o excesso de combustível 
dificulta a propagação da chama. A vaporização em 
excesso (consome energia térmica), sem a respectiva 
combustão (libera energia térmica), por falta de ar, 
provoca diminuição da temperatura na câmara de 
combustão, com consequente extinção da chama. 
• Ao ultrapassar o limite rico, o motor não funciona 
(popularmente chamado de motor afogado). 
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 As ferramentas utilizadas são: 
 
 Carburador; 
 Sistema de injeção mecânica para motores Otto. 
 Sistema de injeção eletrônica para motores Otto. 
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motores do ciclo Otto. 
 Carburador elementar 
 O carburador elementar foi utilizado durante anos como 
ferramenta básica para estabelecer a relação combustível-
ar para um motor em estudo, sendo que atualmente 
encontra-se em desuso. Promovia a dosagem da 
quantidade de combustível desejada, para certa vazão de 
ar admitida no motor. 
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 Constitui-se de um 
reservatório denominado 
cuba (9), no qual o nível do 
combustível é mantido 
aproximadamente constante 
por uma boia (8) que através 
de uma válvula de agulha (10), 
regula a entrada de 
combustível enviado por uma 
bomba (11). A vazão de ar é 
regulada pela perda de carga 
estabelecida por uma 
borboleta aceleradora (2), 
Na qual tem acesso o 
operador, por meio do 
acelerador. 
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 O ar passa por um Venturi 
(ou difusor - 4) que na 
garganta aumenta a 
velocidade do fluxo, causando 
depressão e a consequente 
sucção do combustível da 
cuba (5). 
 A vazão do combustível, para 
uma dada sucção, pode ser 
dimensionada por uma perda 
de carga maior ou menor. 
Esta é estabelecida em 
função do tamanho do 
gicleur (orifício calibrado - 5) 
utilizado. 
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 Ao aumentar a vazão de ar 
pelo Venturi (abrindo a 
borboleta ou aumentando 
a rotação pela menor 
carga no eixo do motor), a 
velocidade na garganta 
aumenta, com consequente 
aumento da depressão e, 
portanto da sucção do 
combustível, mantendo 
uma relação combustível-
ar aproximadamente 
constante. 
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 Essa constância não existe, pois o Venturi sente a vazão 
em volume do ar e a relação combustível-ar é em massa. 
 Conforme a velocidade do ar aumenta, a densidade do 
mesmo diminui produzindo uma vazão em massa menor 
do que a que seria produzida se o ar fosse 
incompressível. 
 Dessa forma, para vazões cada vez maiores, a mistura tem 
uma tendência a enriquecer cada vez mais. 
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 Sistema de injeção 
 De forma análoga ao carburador elementar, uma vez 
fixada a rotação e a posição da borboleta aceleradora, o 
sistema de injeção proporcionara a variação damassa de 
combustível admitida para se atingir a relação ar-
combustível desejada. 
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 Carburador 
 Se for levantada a curva característica de um carburador 
elementar; será observado que, para a borboleta muito 
fechada, a vazão de ar é tão baixa na garganta do Venturi 
que não haverá sucção de combustível, produzindo FR=0. 
 Ao abrir a borboleta, a mistura irá enriquecendo, assim 
conclui-se que o carburador elementar não é capaz de 
atender as misturas desejadas pelo motor a menos que 
seja dotado de alguns dispositivos auxiliares que deverão 
fazer a curva do carburador coincidir com a do motor. 
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 Basicamente os sistemas auxiliares aplicados num 
carburador são: 
 Sistema de partida à frio: composto por uma segunda 
borboleta que proporciona arraste de combustível por 
todos os orifícios proporcionando uma mistura bastante 
rica assegurando facilidade de iniciar o funcionamento 
(ligar) mesmo à frio. 
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 Sistema de marcha lenta e progressão: garantem uma 
passagem suave da marcha lenta para as rotações mais 
altas através de furos situados estrategicamente acima da 
borboleta, introduzindo combustível com a carga. 
 Sistema principal: constituído de uma saída (ligada a cuba) 
que fornece o combustível na garganta do Venturi. 
 Sistema de aceleração rápida: insere, por meio de bomba 
de membrana, quantidade adicional de combustível, 
sempre que há brusca abertura da borboleta aceleradora 
compensando assim a entrada de ar adicional. 
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 Injeção mecânica para motores Otto 
 O Sistema de injeção mecânica é utilizado desde 1925 em 
motores de avião, pois independe dos efeitos da 
gravitação permitindo trabalhar em qualquer posição e 
apresentar menor sensibilidade ao congelamento. A partir 
de 1950, começou a ser usado com bombas em linha em 
veículos de competição. 
 Este sistema: 
• Não possui sistema eletrônico de gerenciamento. 
• Injeta o combustível continuamente. 
• Apresenta controles de partida a frio; marcha lenta; 
aceleração parcial e aceleração total. 
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 Injeção eletrônica para motores Otto 
 Os requisitos cada vez mais exigentes para as emissões 
dos gases de escape dos MCIs fazem com que se 
busquem métodos cada vez mais aperfeiçoados e 
independentes de recursos humanos, para a alimentação 
de combustível dos motores. Para essa finalidade, utiliza-
se o sistema de injeção eletrônica. 
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 A injeção eletrônica de combustível para motores do 
Ciclo Otto é um desenvolvimento antigo que saiu de 
modelos puramente mecânicos para sistemas atuais que 
se valem do desenvolvimento e da redução de custos 
pelos quais passou a eletrônica. 
 O carburador eletrônico se vale dos mesmos recursos da 
injeção eletrônica, aplicados para a automação de algumas 
funções do carburador convencional. 
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 É importante não confundir o sistema de injeção para 
motores do Ciclo Otto com o utilizado em motores do 
Ciclo Diesel. Nesses últimos a injeção se realiza 
diretamente na câmara de combustão, no fim da 
compressão, pois é a entrada do combustível que 
comanda o inicio da combustão por autoignição. 
 Por causa disso, o Sistema de injeção Diesel trabalha com 
alta pressão, pois além de pulverizar o combustível, 
devera injetar a pressões superiores as de compressão e 
até de combustão, já que a injeção normalmente se 
prolonga ate esta fase. 
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 Já no motor do ciclo Otto quem comanda a ignição é a 
faísca, Sendo a taxa de compressão mais baixa, para que o 
combustível não se inflame espontaneamente durante a 
compressão. Nos sistemas mais difundidos atualmente 
(PFI), o combustível será injetado no sistema de admissão, 
junto à válvula de admissão ou no próprio coletor de 
admissão e admitido por sucção, com o fluxo de ar 
durante a abertura da válvula de admissão. 
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 Logo, o sistema injetor para Otto não precisa ser de alta 
pressão, a homogeneização da mistura é realizada no 
próprio coletor de admissão e se completa no interior 
cilindro durante a admissão e compressão. 
 O sistema de injeção Diesel controla a quantidade de 
combustível, independentemente do consumo de ar. No 
motor do ciclo Diesel, o controle da carga é realizado 
pela quantidade de combustível injetada numa certa 
quantidade de ar. 
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 No motor Otto, a qualidade da mistura deve se manter 
próxima da estequiométrica para que a propagação da 
chama seja adequada. Logo, o sistema injetor deve possuir 
um sensor para a vazão de ar a fim de que possa dosar 
automaticamente a vazão de combustível. 
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 As vantagens que o sistema injetor tem sobre um sistema 
de carburação convencional são em geral: 
• Maior controle da mistura ar-combustível. 
• Maior economia de combustível. 
• Melhor dirigibilidade, principalmente a frio. 
• Controle automático das rotações máxima e mínima. 
• Melhor controle do nível de emissões. 
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 A melhor dosagem do combustível em cada condição de 
uso do motor é um dos responsáveis pelos menores 
níveis de emissões de poluentes. 
 Sinais de entrada na Engine Control Unit (ECU) 
considerados no cálculo da massa injetada de 
combustível. Os sinais de entrada são os impulsos 
elétricos provenientes de sensores e interruptores dos 
subsistemas (ar - combustível - elétrico) que informam as 
condições instantâneas de funcionamento do motor. 
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 O subsistema de ar determina a quantidade de ar 
admitido pelo motor em todos os regimes de 
funcionamento do motor, através dos componentes: 
• Filtro de ar. 
• Corpo de borboleta. 
• Coletor de admissão. 
• Sensor de posição de borboleta. 
• Sensor de temperatura do ar. 
• Sensor de pressão absoluta. 
• Sensor de vazão de ar. 
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 A construção do corpo de borboleta para uma dada 
aplicação é uma solução prática onde são satisfeitos os 
seguintes compromissos: dirigibilidade, emissões de gases 
poluentes e consumo de combustível. Acionada via pedal 
do acelerador pelo motorista, a posição angular da 
borboleta determina a quantidade de ar admitida pelo 
MCI. 
 O acionamento da borboleta pode ser via cabo, 
conectado mecanicamente ao pedal do acelerador, ou via 
chicote elétrico, por meio de sinais elétricos comandados 
pela Engine Control Unit (ECU) 
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 Outro elemento importante no subsistema de ar é o coletor de admissão 
que deve distribuir o ar admitido de forma igualitária a todos os cilindros 
do motor, com dispersão inferior a 5%. Os coletores atuais são construídos 
em poliamida de forma a reduzir custos, perda de carga, e transferência de 
calor do “vão”do motor para o ar de admissão. 
 
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 Encontram-se fixados no coletor, o corpo de borboleta, o 
sensor de temperatura do ar, os injetores e as tomadas 
de pressão absoluta, servo freio, regulador de pressão de 
combustível e entrada de recirculação dos gases do 
cárter (blow by). 
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 O subsistema de combustível fornece a quantidade 
adequada de combustível, sob pressão, em todos os 
regimes de trabalho do motor quando o motor é 
desligado o sistema deve manter uma pressão residual, de 
forma a evitar a formação de bolhas de vapor de 
combustível, que poderão comprometer a próxima 
partida. 
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 O combustível é pressurizado por uma bomba elétrica, 
instalada ao longo da linha de combustível, antes do filtro 
de combustível. Também utiliza-se a bomba de 
combustível instalada no interior do tanque de 
combustível. 
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 O tubo distribuidor ou fuel rail armazena e distribui o 
combustível às válvulas injetoras. A quantidade de 
combustível armazenada é maior que a quantidade 
necessária ao funcionamento do motor, de forma a evitar 
oscilações de pressão junto às válvulas injetoras, 
garantindo pressão igual de combustível para todas as 
válvulas injetoras. 
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 Também se considera parte do sistema combustível o canister, filtro de vapor de 
combustível (6), cuja finalidade é controlar as emissões evaporativas. Trata-se de um 
filtro de carvão ativado que acumula os vapores de combustível provenientes do 
Sistema de combustível, mais especificamente do tanque de combustível (8). Os 
vapores acumulados no canister são admitidos pela depressão no coletor de 
admissão por meio de uma tomada do coletor de admissão. O fluxo desses vapores 
é controlado pela válvula de purga (4). Essa válvula é comandada pela ECU, e, 
quando aberta, permite o fluxo de vapores ao coletor de admissio, promovendo 
assim a limpeza do canister de maneira ecológica. 
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 O subsistema elétrico tem as seguintes funções: 
• Alimentação elétrica de todos os componentes do 
sistema. 
• Detecção e medição das condições de trabalho do motor 
e geração de sinais correspondentes. 
• Interligação de componentes. 
• Processamento de sinais elétricos recebidos dos 
sensores. 
• Controle da massa de combustível através de pulsos 
enviados às válvulas injetoras. 
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 Os sistemas de injeção podem ser classificados: 
• Quanto à tecnologia: analógica ou digital. 
• Quanto ao número de injetores: monoponto (single point) ou 
multiponto (multipoint). 
• Quanto à sequencia de injeção simultânea (full group) ou 
sequencial fasado. 
• Quanto à posição do injetor: junto ao corpo de borboleta 
(CFI – central fuel injection), próximo à válvula de admissão 
(PFI - port fuel injection) ou no interior da câmara de 
combustão (DI - Direct injection); 
• Quanto ao combustível utilizado no sistema dedicado (utiliza 
um único combustível) ou sistema multicombustível (Flex), que 
utiliza misturas de combustível. 
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 Monoponto Multiponto 
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 Sistema analógico de injeção eIetrônica 
 Os primeiros sistemas de injeção eletrônica aplicados no 
Brasil foram os sistemas analógicos. Esses sistemas são 
PFI (port fuel) multiponto, analógicos, com injeção full 
group. O controle do sensor de oxigênio (sonda lambda) 
é feito e o sistema é dedicado a um único combustível. E 
não há diagnose embarcada. 
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 Sendo esse sistema um sistema full group, os injetores se 
abrem durante o mesmo período a cada volta do motor 
portanto, apenas a metade da massa, de combustível 
necessária é injetada a cada abertura do injetor. 
 O controle automático de marcha lenta tem a função de 
manter a rotação do motor em uma faixa aceitável para 
todas as condições de funcionamento. 
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 Nos sistemas analógicos, o controle de marcha lenta é 
feito por uma válvula de marcha lenta. Essa válvula 
controla a passagem adicional de ar durante a partida e a 
fase de aquecimento do motor. Além dessa passagem, ha 
ainda uma passagem adicional de ar para compensar o 
torque requerido pelo compressor do condicionador de 
ar, passagem esta controlada por uma válvula solenoide. 
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 Com esses primeiros sistemas de injeção eletrônica de 
combustível, já era possível interromper a alimentação do 
motor em manobras de desaceleração com o veiculo 
engrenado (cut-off), garantindo menor consumo de 
combustível e menor emissão de poluentes. Essa 
estratégia considera a posição do pedal do acelerador, 
indicada pelos interruptores de posição da borboleta. 
Esses mesmos interruptores são responsáveis por 
comandar o enriquecimento de combustível a plena 
carga. 
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 Sistema digital de injeção eletrônica 
 Os sistemas digitais foram aplicados num segundo 
momento da injeção. 
 A eletrônica digital permite a utilização de estratégias de 
controle de motor mais complexas e eficazes. Esses 
sistemas São PFI (port fuel) multiponto, digitais, com 
injeção sequencial fasada. O controle do sensor de 
oxigênio (sonda lambda), o sistema é flexível à misturas 
de combustível e ha diagnose embarcada. 
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 Outra grande vantagem da injeção eletrônica digital sobre 
a analógica é a flexibilidade de se alterar os parâmetros 
de controle da lógica (dados de calibração). Esses dados 
ficam armazenados na memória do microprocessador ao 
passo que em sistemas analógicos os parâmetros de 
controle eram definidos por componentes físicos. Ou 
seja, os módulos digitais permitem sua aplicação em 
diversos motores, bastando alterar dados de software, o 
que contribuiu significativamente para a redução do custo 
do componente. 
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 A ECU (Engine Control Unit) é um microprocessador 
cuja função é a de operar o programa de controle, onde 
são consideradas as informações que chegam dos 
sensores e gerados os comandos para os atuadores. Para 
isso, o sistema conta com dois tipos de memória: 
• A memória ROM; 
• A memória RAM. 
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 A memória ROM que: 
• Armazena o programa que faz funcionar a ECU e nunca se 
apaga; 
• Armazena as características do motor (os mapas de injeção e 
de ignição); 
• Não permite alterações. 
 
 A memória RAM que: 
• É permanente para leitura/cálculos; 
• É volátil, ou seja, se apaga ao desligar a alimentação da ECU; 
• Armazena mapas adaptativos de desgaste do motor, modos de 
dirigir e possíveis falhas do motor. 
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 O processo de injeção sequencial fasado promove a injeção de combustível 
fasada ao PMS de cada cilindro, juntamentecom a centelha de ignição. Com 
isso, obtém-se um controle da quantidade de combustível muito mais 
preciso e atualizado a cada evento de combustão.