Combustíveis convencionais Carlos Sousa AGENEAL, Agência Municipal de Energia de Almada

ALTERNATIVE FUELS AND VEHICLES

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Combustíveis convencionais

Carlos Sousa

AGENEAL, Agência Municipal de Energia de Almada

MOTORES A DIESEL E GASOLINA

• Motores a 4 tempos

• Principais componentes

• Sistemas auxiliares

Ciclo a 4 tempos DIESEL

Admissão

O ar entra na câmara de combustão

COMPRESSÃO

Com todas as válvulas fechadas o pistão inicia a subida comprimindo o ar

Aumento da temperatura e pressão

INJECÇÃO

Com o ar comprimido o gasóleo é injectado a alta pressão

EXPANSÃO

O gasóleo ao entrar em contacto com o ar quente auto inflama-se. É nesta altura que se gera a potência mecânica debitada pelo motor.

ESCAPE

Com toda a mistura queimada os gases de escape abandonam os cilindros pelas válvulas de escape

COMBUSTÃO

ADMISSÃO

COMPRESSÃO EXPANSÃO

ESCAPEINJECÇÃO

Razão de Compressão = resV

PRINCIPAIS COMPONENTES DO MOTOR

• Pistão – Transmite o movimento à biela

• Biela – Transmite o movimento à

cambota

• Cambota – Transforma o movimento

alternativo em movimento circular

PRINCIPAIS COMPONENTES DO MOTOR

• Distribuição (abertura e fecho de válvulas)

• Sistema de arrefecimento (previne o sobre aquecimento dos

componentes do motor)

• Sistema de Lubrificação (reduz atrito, limpa componentes, etc.)

• Combustível (admissão de combustível)

PRINCIPAIS SISTEMAS AUXILIARES

Dupla árvore de cames à cabeça, DOHC

Came Lateral

DISTRIBUIÇÃO

Objectivos

SISTEMAS DE ARREFECIMENTO

1. Arrefecer os componentes do motor:

Manter o motor a uma temperatura de operação adequada

(prevenindo que estes derretam)

Manter as propriedades físicas e químicas do óleo lubrificante

(que se deteriora com temperaturas excessivas)

2. Proporcionar calor para o sistema de climatização do habitáculo

3. Melhorar o arranque a frio

• Bomba de água

• Termóstato

• Radiador

• Ventoinha

• Sistema de

aquecimento

SISTEMAS DE ARREFECIMENTO

A função do óleo lubrificante é muito mais lata do que lubrificar.

O óleo tem de ter:

•Elevado poder detergente e dispersante

•Elevado poder antioxidante

•Boa capacidade de arrefecimento (contribui para o arrefecimento do motor)

•Boa capacidade de neutralizar ácidos

•Capacidade de manter as suas características com a variação de temperatura (aquecimento e arrefecimento)

SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO

SISTEMA DE COMBUSTÍVEL

Objectivo:

• Introduzir combustível no motor, que se misturará com o ar quente dentro do cilindro, para que se dê a evaporação, auto inflamação e queima

1. Injecção indirecta

2. INJECÇÃO DIRECTA

• Injecção directa nos cilindros

• Elevada pressão de injecção

• Tecnologia mais cara e mais

exigente

• Injectores multi-jacto

SISTEMA DE COMBUSTÍVEL

Directa Indirecta

Perdas Perdas térmicas menoresPerdas térmicas maiores

entre câmaras

Performance Melhor Pior

Velocidade Baixa velocidade de motorVelocidade de motor mais

elevada

CombustívelExige combustíveis de

qualidade maior

Trabalha com combustíveis de menor qualidade

(viscosidade, numero de cetano)

InjecçãoMulti-jato (elevada pressão

de injecção)

Jacto simples(menores pressões de

injecção)

INJECÇÃO DIRECTA vs. INJECÇÃO INDIRECTA

Vantagens Desvantagens

Baixo consumo de combustível

Preço

Potência Barulho

Arranque a frio Vibração

INJECÇÃO DIRECTA vs. INJECÇÃO INDIRECTA

INJECÇÃO DIRECTA

Squish e Swirl

INJECÇÃO DIRECTA

TIPOS DE SISTEMAS DE INJECÇÃO

• Bombas radiais e em linha

• Bomba-injector

• Common Rail

Bomba em linha

600...700 bar 1 000 bar na ponta do injector

Bomba radial

1 000 to 1 500 bar na ponta do injector

Vantagens

• No high-pressure fuel lines

• Elevadas pressões de injecção

• Consumos de combustível baixos

• Melhor potência e binário a baixas velocidades de motor

Bomba de injecção

2000 bar

Pressão máx. 1350 – 1500 bar

Common-Rail

1 800 2 000 bar

Vantagens• Melhor controlo da injecção

• Redução do ruído e vibrações

• Bons consumos

• Boa potência e binário

• Redução de emissões poluentes

SISTEMAS DE INJECÇÃO

ADMISSÃO NOS MOTORES A GASOLINA

Um motor a gasolina admite:

• Mistura de ar e gasolina

• Ar, com a gasolina a ser injectada directamente no cilindro - motores de injecção directa

Source: Total

SOBREALIMENTAÇÃO (TURBO)

Objectivo: Aumentar a razão potência/peso

Necessidade de accionar um compressor que aumenta a densidade do ar antes de este ser admitido para dentro dos cilindros

Desvantagens relativamente ao naturalmente aspirado:

• Maior complexidade do motor e custo

• Motor sujeito a maiores esforços e cargas térmicas

Vantagens:

• mais potência e binário

• melhores consumos

SOBREALIMENTAÇÃO

Turbocompressor com pás variáveis

• maior binário (gama de rotação)

• melhores consumos

• mais potência

SOBREALIMENTAÇÃO

SOBREALIMENTAÇÃO INTERCOOLER

Objectivo: Aumentar a relação potência/peso

• Baixa a temperatura do ar

após a compressão

aumentando a sua

densidade

• Maior massa de ar dentro

dos cilindros

• => Mais entrada de

combustível

• => Mais Potência

• => Mais Binário

FORMAÇÃO E CONTROLO DE POLUENTESA combustão nos motores Diesel caracteriza-se por uma elevada concentração de gotas (atomização pobre/vaporização do combustível).

Principais poluentes:

• Matéria particulada (PM)

• Hidrocarbonetos não queimados, HC

• Monóxido de Carbono, CO

• Óxidos de Azoto, NOx

FORMAÇÃO E CONTROLO DE POLUENTESControlo de emissões:

• EGR (Recirculação dos gases de escape)

• Filtros de Partículas

• Catalisadores de NOx e partículas

FORMAÇÃO E CONTROLO DE POLUENTESControlo de emissões

Diesel:

• Recirculação dos Gases de Escape, EGR (previne a formação de NOx)

• Filtros de Partículas, activos e passivos (PM)

• Conversores Catalíticos de Oxidação (HC e CO)

• Redução Catalítica Selectiva, SCR (NOx em N2 e H2O)

Gasolina:

• Conversores catalíticos de 3 vias

• Catalizadores de oxidação (CO e HC em CO2 e H2O)

• Catalizadores de redução (NO em N2 e O2)

QUALIDADE DO COMBUSTÍVEL, DIESEL:

• Diesel é derivado do cetano (C10H22)

• Número de Cetano: É um indicador da maior ou menor capacidade de um combustível sofrer auto-ignição ( menor atraso à auto-ignição)

• 15: Baixa capacidade de auto-ignição: isocetano

• 100: Alta capacidade de auto-ignição : cetano

• Valor de cetano mínimo necessário: 51

• Conteúdo de Enxofre: Menos de 50 ppm Combustível com baixo conteúdo de Enxofre

• Eliminar emissões de dióxido de enxofre (SO2)

• Reduzir emissões de PM

• Menos de 10 pmm: Combustível sem enxofre (desde 2009)

HC CO NOx PM

Diesel

Gasolina

FORMAÇÃO E CONTROLO DE POLUENTES

STANDARDS DAS EMISSÕES EUROPEIAS

Standard Ano CO HC HC + NOx NOx PM

Euro 1 1992 2.72 - 0.97 - 0.14

Euro 2 - IDI 1996 1.00 - 0.70 - 0.08

Euro 2 - DI 1999 1.00 - 0.90 - 0.10

Euro 3 2001 0.64 - 0.56 0.50 0.05

Euro 4 2005 0.50 - 0.30 0.25 0.025

Veículos de passageiros a Diesel 2.5t (values in g/km)

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

Binário

Energia gerada numa rotação do motor, resultante da combustão do combustível [kg.m ou N.m].

1 kg.m = 9.8 N.m

Quanto maior o binário, mais eficiente é o motor para uma determinada velocidade.

POTÊNCIA

Energia gerada por unidade de tempo [W ou CV].

1kW = 1,36 CV

1 CV = 0,736 kW

Curva de Binário

• Mostra a distribuição de binário ao longo do regime de funcionamento do motor à carga máxima.

• Interessa que seja o mais planas possível, significando grande elasticidade a muitos regimes

• RPM x N.m (ou kg.m)

Curva de Potência

• Mostra a distribuição de potência em função do regime de funcionamento do motor à carga máxima

• RPM x kW (ou CV)

• Emissões de CO2 por litro: gasolina um pouco mais baixas que as de Diesel

• Emissões de CO2 por km: veículos Diesel consomem menos... …emitem menos CO2

• Eficiencia energética é função da razão de compressão

• Motores Diesel usam estequiometrias variáveis (relações entre combustível e ar)

• Motores a gasolina usam estequiometrias constantes (14.7 para 1), independentemente das velocidades e cargas

• Diesel engines have an unthrottled intake and the air to fuel ratio at idle speed can go as low as 100 to 1, thus giving a much greater partial load fuel efficiency than petrol engines

DIESEL vs. GASOLINA

DIESELDIESEL EXPLOSÃO

AdmissãoAdmissão Ar Ar + Combustível

CombustãoCombustãoAuto Inflamação devido a

altas pressões etemperaturas

Faísca da vela

CombustívelCombustívelEvapora-se facilmente e

auto- inflama-se(Elevado índice de cetano)

Deve ser resistente àauto- inflamação

Elevado índice de octano

Razão deRazão decompressão (rcompressão (r cc))

O mais elevada possível(15-24)

Limitada pelas capacidades docombustível (9-11)

Rendimento (Rendimento ( )) 35% devido à elevada r c < 30%

SobrealimentaçãoSobrealimentaçãoSempre que possível, poisaumenta o e melhora a

combustão

Solução “forçada” quando seprocura para a mesma potência

motores mais compactos

DIESEL vs. GASOLINA

DIESEL EXPLOSÃO

Consumos inferior Mais elevados

Preço do Combustível Muito inferior elevado

Peso Mais pesados Mais leves e compactos

Arranque Praticamente imediato Imediato

Ruídos e Vibrações Elevados Reduzidos

Elasticidade (rotação) Limitada Elevada

INDUSTRIA AUTOMÓVEL – UMA CURIOSIDADE

Em 1976, a Volkswagen inventou a designação “GTI” mas não a registou.

Hoje, quase todos os fabricantes a usam!!

Mas em 1991, a Volkswagen inventou a designação “TDI” e registou-a. O resultado foi…

INDUSTRIA AUTOMÓVEL – UMA CURIOSIDADETDI – VAG Group TiD - Saab

JTD - Alfa, Fiat, Lancia D- 4D - Toyota

d - BMW D5- Volvo

CRD - Chrysler, Jeep HDI - Peugeot, Citroën

TDdi - Ford Di-D – Mitsubishi

TDCi - Ford dTi - Renault

CDTi - Honda dCi - Renault

CRDi - Hyundai CDT – Rover

DvTdi – Mazda DTI – Opel

DiTD – Mazda

CDI – Mercedes

DDTi – Nissan

SUMÁRIO

Vantagens dos motores Diesel:

•Melhor rendimento: gastam menos (trabalham com maiores taxas de compressão)

Vantagens dos motores a Gasolina:

•Melhor arranque a frio

•Menores ruídos e vibrações

•Maior elasticidade (gama mais larga de regimes)

•Mais leves

•Maiores potências para as mesmas cilindradas

Os investimentos na tecnologia Diesel pretende:

• Melhorar a atomização do combustível (maiores pressões de injecção)

• Melhorar o escoamento dentro do cilindro

• Optimizar a injecção para reduzir ruídos e vibrações

• Maximizar a potência e o binário sem sacrificar o consumo (optimizar a sobrealimentação)

• Optimizar a injecção de combustível para reduzir o consumo (e.g.: tecnologias de injecção)

SUMÁRIO

As companhias petrolíferas estão a trabalhar em:

• Aumentar o número de cetano

• Baixar o conteúdo de enxofre

SUMÁRIO

Agradecimentos ao Prof. Tiago Farias

Instituto Superior Técnico

Obrigado pela Vossa atenção!

Combustíveis convencionais Carlos Sousa AGENEAL, Agência Municipal de Energia de Almada

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