INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL EM

MOTORES CICLO OTTO

EM865 – MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA

13 DE NOVEMBRO DE 2006

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Índice

1. INTRODUÇÃO.................................................................................................................................................................4

2. CARBURADORES.........................................................................................................................................................4

2.1. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO...............................................................................................................................42.1.1. CIRCUITO FORA DE MARCHA LENTA...................................................................................................................52.1.2. CIRCUITO DE CARGA MÁXIMA............................................................................................................................52.1.3. VÁLVULA DE POTÊNCIA......................................................................................................................................52.1.4. BOMBA DE ACELERAÇÃO....................................................................................................................................62.1.5. AFOGADOR..........................................................................................................................................................6

2.2. CARBURADORES E OS SISTEMAS DE INJEÇÃO..........................................................................................................7

3. INJEÇÃO ELETRÔNICA.............................................................................................................................................9

3.1. HISTÓRICO................................................................................................................................................................93.2. ASPECTOS PRINCIPAIS............................................................................................................................................103.3. COMPONENTES E PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO...............................................................................................12

4. SISTEMAS DE LEITURA DA MASSA DE AR........................................................................................................16

4.1. “AIR MASS”.............................................................................................................................................................164.2. “SPEED DENSITY”....................................................................................................................................................164.3. ÂNGULO DA BORBOLETA X ROTAÇÃO DO MOTOR................................................................................................164.4. FLUXO DE AR.........................................................................................................................................................16

5. SISTEMA MONOPONTO E MULTIPONTO...........................................................................................................17

5.1. MONO-MOTRONIC..................................................................................................................................................175.2. K-JETRONIC............................................................................................................................................................195.3. KE-JETRONIC.........................................................................................................................................................225.4. L-JETRONIC............................................................................................................................................................245.5. L3-JETRONIC..........................................................................................................................................................265.6. LH-JETRONIC.........................................................................................................................................................26

5.6.1. INJETORES ELETROMAGNÉTICOS DE COMBUSTÍVEL...........................................................................................28

6. SISTEMA MOTRONIC...............................................................................................................................................29

6.1. ME-MOTRONIC......................................................................................................................................................306.2. MED-MOTRONIC (SISTEMA DE INJEÇÃO DIRETA).................................................................................................316.3. MOTRONIC FLEX FUEL...........................................................................................................................................32

7. INJEÇÃO DIRETA DE COMBUSTÍVEL – GDI.....................................................................................................33

7.1. MOTORES ATUAIS – ABORDAGEM MAIS DETALHADA...........................................................................................377.1.1. GDI – MITSUBISHI.............................................................................................................................................377.1.2. IDE – RENAULT (INJECTION DIRECT ESSENCE)...............................................................................................387.1.3. TOYOTA D4.......................................................................................................................................................397.1.4. SISTEMA DE COMBUSTÃO CONTROLADO TCCS DA TEXACO E SISTEMA FM DA MAN.................................407.1.5. MOTOR DE CARGA ESTRATIFICADA – RICARDO............................................................................................40

8. SISTEMAS DE INJEÇÃO COM COMBUSTÍVEIS ALTERNATIVOS...............................................................41

8.2. OPERAÇÃO POR HIDROGÊNIO (MOTOR DE COMBUSTÃO POR CENTELHA)............................................................418.2.1. ARMAZENANDO O HIDROGÊNIO NO VEÍCULO....................................................................................................428.2.2. FORMAÇÃO DA MISTURA..................................................................................................................................428.2.3. EMISSÕES...........................................................................................................................................................43

8.3. OPERAÇÃO POR ÁLCOOL (MOTOR DE COMBUSTÃO POR CENTELHA)...................................................................438.4. SISTEMAS GLP (GÁS LIQUEFEITO DO PETRÓLEO).................................................................................................44

8.4.1. GÁS NATURAL COMO COMBUSTÍVEL................................................................................................................44

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8.4.2. OPERAÇÃO COM GLP........................................................................................................................................448.4.3. EMISSÕES DE ESCAPE........................................................................................................................................458.4.4. SISTEMA GLP....................................................................................................................................................468.4.5. TANQUE DE GLP...............................................................................................................................................47

8.5. OPERAÇÃO COM GÁS NATURAL DE MOTORES DE IGNIÇÃO A CENTELHA...............................................................478.5.1. PROPRIEDADES E ARMAZENAMENTO DE GÁS NATURAL..................................................................................478.5.2. FORMAÇÃO DA MISTURA..................................................................................................................................488.5.3. EMISSÕES...........................................................................................................................................................488.5.4. APLICAÇÕES DE MOTORES A GÁS NATURAL....................................................................................................48

8.6. TECNOLOGIA TRICOMBUSTÍVEL.............................................................................................................................49

9. Referências Bibliográficas............................................................................................................................................50

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1. INTRODUÇÃO

A injeção de combustível é um meio de inserir o combustível em um motor de combustão interna. Em aplicações automotivas modernas, inserir combustível é uma de diversas funções executadas do por um “sistema de gerenciamento do motor”.

Para os motores a gasolina, o carburador era o dispositivo predominante para adição de combustível antes de ser difundido o uso da injeção eletrônica de combustível (EFI). Entretanto, há uma larga variedade de sistemas de injeção.As diferenças entre carburadores e injeção do combustível incluem:

A injeção atomiza o combustível forçadamente, bombeando-o através de um bocal estreito sob a alta pressão, mas um carburador utiliza o vácuo criado pelo ar de admissão para através dele adicionar o combustível ao fluxo.

Um carburador não contém componentes eletrônicos e assim não necessita de uma fonte de eletricidade, além possuir uma manutenção mais fácil, com menor ocorrência de problemas.

Um carburador executa diversas funções importantes em um único componente: mede a carga do motor, calcula a quantidade de combustível necessária, e adiciona o combustível requerido ao fluxo de ar. Com o sistema de injeção, estas funções são executadas por subsistemas e por componentes separados. Isto significa que cada subsistema pode ser especializado e otimizado para sua função específica, que traz uma quantidade de benefícios importantes no desempenho comparados à solução do acordo oferecida pelos carburadores.

2. CARBURADORES

2.1. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O carburador é um componente mecânico responsável pela alimentação de um motor a explosão. Ele é responsável pela criação da mistura ar/combustível e sua dosagem em motores de combustão interna, seu funcionamento é totalmente mecânico.

Um carburador consiste basicamente em uma tubulação aberta, numa “garganta” ou numa “cuba” na qual o ar passa no distribuidor da entrada do motor. A tubulação é num formato de um Venturi (estreita-se uma seção e então alarga outra vez), fazendo com que o fluxo de ar aumente de velocidade na divisória a mais estreita.

Abaixo do Venturi está uma válvula borboleta, que é um disco que pode ser girado de tal modo a fim de controlar a entrada de ar, ou melhor, restringir o fluxo de ar para dentro do motor. Controlando-se o fluxo do ar através da garganta do carburador, regula-se a quantidade da mistura de ar/combustível que o sistema entregará e, consecutivamente, a energia do motor e sua velocidade. A borboleta é conectada, geralmente através de um cabo ou de um conjunto mecânico de hastes e de junções (ou raramente por ligação pneumática) ao pedal do acelerador do carro.

O combustível é introduzido no fluxo de ar através de pequenos furos na parte a mais estreita do Venturi. O fluxo de combustível em resposta a uma pressão particular no Venturi é ajustado por meio de orifícios calibrados com precisão, referidos como injetores, no trajeto do combustível.

O carburador deve sob todas as condições de operação do motor: Possibilitar o controle do fluxo de ar para o motor; Fornecer a quantidade de combustível correta para manter a mistura do combustível/ar

na escala apropriada (que ajusta para fatores tais como a temperatura);

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Misturar os dois (ar e combustível) finamente e uniformemente;

Este trabalho seria simples se o ar e a gasolina fossem fluidos ideais; na prática, entretanto, seus desvios do comportamento ideal devido à viscosidade, ao arrasto do fluido, à inércia, etc. requerem algo muito complexo para compensar em velocidades de motor, excepcionalmente elevadas ou baixas. Um carburador deve fornecer a mistura apropriada A/C de uma larga escala de temperaturas ambientes, pressões atmosféricas, velocidades e cargas de motor, e forças centrífugas, como:

Partida a frio Partida a quente Rodar em marcha lenta Aceleração Alta velocidade/carga máxima

Além disso, os carburadores modernos são requeridos para estas funções enquanto mantém baixas taxas de emissões na exaustão. Para funcionar corretamente sob todas estas circunstâncias, a maioria dos carburadores contém um conjunto complexo de mecanismos para suportar diversos modos diferentes de operação, chamado circuitos.

2.1.1. Circuito fora de Marcha Lenta

Enquanto a borboleta é ligeiramente aberta, furos adicionais de alimentação de combustível atrás da mesma são descobertos, onde é criada uma área de baixa pressão pela obstrução do fluxo de ar, permitindo que mais combustível flua, compensando também o vácuo reduzido, que ocorre quando a borboleta é aberta, suavizando assim a transição de entrada do fluxo de combustível através do circuito.

2.1.2. Circuito de Carga Máxima

Enquanto a borboleta é aberta progressivamente, o vácuo do coletor de admissão diminui enquanto há menor limitação do fluxo de ar, reduzindo este através dos circuitos de marcha lenta e fora de marcha lenta (idle and off-idle circuits). É onde a forma do Venturi na garganta do carburador funciona, segundo o princípio de Bernoulli (enquanto a velocidade aumenta, a pressão cai). O Venturi (às vezes um Venturi secundário ou um “impulsionador” é adicionado dentro da garganta para aumentar o efeito) aumenta a velocidade do ar, baixando a pressão e sugando combustível para a corrente de ar através de um bocal situado no centro do Venturi. Enquanto a borboleta está fechada, o fluxo de ar na garganta cai até que a pressão seja baixa o suficiente, não conseguindo manter o fluxo de combustível; então o ciscuito de marcha lenta assume o comando novamente, como descrito anteriormente.

2.1.3. Válvula de Potência

Para operação em carga máxima (borboleta totalmente aberta) uma mistura mais rica produzirá maior energia, impedirá a detonação e manterá o motor frio. Isto é geralmente controlado por uma válvula de potência com mola de carga, que é mantida fechada pelo vácuo do motor. Enquanto borboleta abre, o vácuo no motor diminui, abrindo a válvula e permitindo a passagem de mais combustível no circuito principal.

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2.1.4. Bomba de Aceleração

A maior inércia da gasolina líquida, comparada ao ar, significa que se a borboleta for aberta momentaneamente, o fluxo de ar aumentará mais rapidamente do que o fluxo de combustível, causando uma condição “pobre” provisória, causando ao motor um “travamento” na aceleração (o oposto do que é pretendido normalmente quando a borboleta é aberta). Isto é remediado pelo uso de uma pequena bomba mecânica, geralmente um atuador ou diafragma, atuado pela borboleta, que propele um pouco de gasolina através de um jato na garganta do carburador. Este injeção extra de combustível neutraliza a condição pobre transiente no bico da borboleta.

A maioria das bombas de aceleração é ajustável para o volume e/ou duração por alguns meios. Eventualmente a selagem em torno das peças girantes da bomba desgasta de forma que a saída da bomba seja reduzida; esta redução na bomba do acelerador pode causar travamentos na aceleração até que a selagem seja trocada.

A bomba do acelerador é também usada iniciar o motor com combustível para partida a frio. A injeção de combustível excessiva pode acarretar em “afogamento” do motor. Isto ocorre quando há muito combustível e não há ar suficiente para ocorrer combustão. Por esta razão, os carburadores são equipados com um mecanismo de descarga: o acelerador é mantido no final de seu curso quando o motor está em marcha, o mecanismo de descarga mantém o bloqueador aberto admitindo uma quantidade extra de ar, o e combustível adicional é eventualmente posto para fora, ligando o motor.

2.1.5. Afogador

Quando o motor está frio, o combustível demora mais para vaporizar e tende a condensar-se nas paredes do distribuidor de entrada, dificultando a partida do motor; assim, uma mistura rica é requerida para ligar e funcionar o motor até que este aqueça.

Para fornecer o combustível extra, utiliza-se normalmente o fogador: é um dispositivo que restringe o fluxo do ar na entrada ao carburador, antes do Venturi. Com esta limitação, vácuo extra é desenvolvido na cuba do carburador, puxando mais combustível através do sistema de controle central para suplementar o combustível que é injetado pelo circuito de marcha lenta. Isto fornece a mistura rica necessária para sustentar a operação em temperaturas mais baixas no motor.

Adicionalmente, o afogador é conectado a um dispositivo (um came, por exemplo) que impede a borboleta de fechar inteiramente, o que poderia sobrecarregar o Venturi e fazer com que o motor pare. É uma maneira de ajudar o motor aquecer-se rapidamente rodando em marcha lenta numa velocidade acima do normal. Além disso, aumenta o fluxo de ar por todo o sistema da entrada, o que ajuda atomizar melhor o combustível frio.

Em carros carburados mais antigos, o bloqueador era controlado por um cabo conectado a um botão de acionamento manual no painel. A maioria dos carros carburados produzidos a partir dos anos 60 geralmente são controlados automaticamente por um termostato que emprega uma mola bi-metálica, que é exposta ao calor do motor. Este calor pode ser transferido ao termostato do afogador através de convecção simples, do radiador do motor, ou através do ar aquecido pela exaustão. Projetos mais recentes usam somente o calor do motor indiretamente: um sensor detecta o calor do motor e varia a corrente elétrica a um elemento resistivo pequeno, que age em cima da mola bi-metálica para controlar sua tensão, controlando desse modo o afogador.

Alguns carburadores não têm um afogador, mas usam um circuito do enriquecimento de mistura. Usados tipicamente em motores pequenos, notavelmente as motocicletas, os enriquecedores trabalham abrindo um circuito secundário do combustível abaixo da borboleta. Este circuito trabalha

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exatamente como o circuito de marcha lenta, e quando acoplado lhe fornece simplesmente o combustível extra quando a borboleta estiver fechada.

Figura 2.5.1.1 – Componentes do carburador

2.2. CARBURADORES E OS SISTEMAS DE INJEÇÃO

Uma relação de ar/combustível do motor deve ser controlada rigorosamente sob todas as condições de operação para conseguir o desempenho de motor, as emissões, a dirigibilidade, e a economia de combustível desejados. Os sistemas modernos de EFI medem o combustível muito precisamente, e quando usados junto com um sensor de oxigênio do gás de exaustão (sensor EGO), são também muito exatos. O advento do controle digital de combustível de circuito fechado, baseado no gabarito de um sensor EGO, deixou EFI significativamente com um desempenho melhor que um carburador. As duas melhorias fundamentais são:

1. Tempo de resposta reduzido às mudanças rápidas de entrada, por exemplo, movimentos rápidos do acelerador.

2. Entrega uma massa exata e igual de combustível a cada cilindro do motor, melhorando drasticamente a distribuição de cilindro a cilindro do motor.

Estas duas características resultam nos seguintes benefícios no desempenho:

Emissões de Escape: o Reduziu significativamente as emissões e dos “feedgases” (os produtos químicos da

combustão do motor);

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o Redução nas emissões finais do escapamento (≈ 99.9%) que resultam da habilidade de condicionar primorosamente os “feedgas” para tornar o conversor catalítico tão eficaz como possível.

Operação Geral do Motor: o Funcionamento liso durante transições rápidas do aceleradoro Partida do motoro Extreme weather operation o Intervalo de manutenção reduzidoo Aumento ligeiro de economia de combustível

Potência:o O processo de combustão converte a energia química do combustível em energia

calorífica, se o combustível chegou através de EFI ou através de um carburador. O fluxo de ar é melhorado frequentemente com injetores de combustível, que são bem menores do que um carburador. Seu menor tamanho permite maior liberdade de projeto para melhorar o trajeto do ar no motor. Em contraste, as opções de montagem de um carburador são limitadas porque ele é maior, ele deve ser orientado cuidadosamente em relação à gravidade, e deve estar afastado a mesma distância de cada um dos cilindros do motor. Estas restrições de projeto geralmente comprometem o fluxo de ar do motor.

o Um carburador agrega ao Venturi a tarefa de criar uma diferença local de pressão do ar, que força o combustível ao fluxo de ar. A perda de fluxo causada por este é pequena comparada a outras perdas do fluxo no sistema da indução. Em um sistema bem projetado de indução do carburador, o Venturi não é uma limitação significativa do fluxo de ar.

o É mais provável que a injeção de combustível aumente a eficiência do que a potência. Quando a distribuição de combustível de cilindro a cilindro é melhorada (comum com EFI), menos combustível é preciso para a mesma potência resultante. A eficiência do motor é conhecida como o BSFC (consumo de combustível específico do freio). Quando esta distribuição for menor do que a ideal (ela está sempre abaixo, e é pior em sistemas de carburador), mais combustível que o necessário é injetado aos cilindros ricos para fornecer bastante combustível aos cilindros pobres. A potência de saída é assimétrica em relação à mistura A/C, ou seja, o combustível extra queimado nos cilindros ricos não reduz a potência tão rapidamente quanto o pouco combustível queimado nos cilindros pobres. A potência de saída líquida melhora com todos os cilindros obtendo a potência máxima.

o Os desvios do balanço perfeito de A/C, entretanto sutil, afetam as emissões, não deixando os eventos da combustão estejam no balanço químico ideal (estequiométrica). Os problemas de balanço mais brutos começam eventualmente a reduzir a eficiência, e os casos de balanços mais grosseiros afetam finalmente a potência. Uma distribuição cada vez mais pobre da mistura afeta emissões, eficiência, e potência, consecutivamente.

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Basicamente a construção física do motor não foi alterada com o sistema de injeção. O motor continua funcionando nos mesmos princípios de um sistema carburado, com ciclo mecânico a quatro tempos onde ocorrem a admissão, a compressão, a explosão e o escape dos gases. O que de fato mudou foi o controle da mistura ar/combustível, desde a sua admissão até a sua exaustão total.

O sistema de comando variável, tuchos acionados por intermédio de roletes (motor Ford RoCam) e as bielas fraturadas são tecnologias a parte, que não tem nada a haver com o sistema de injeção.

3. INJEÇÃO ELETRÔNICA

3.1. HISTÓRICO

A fonte primária de emissões do motor de combustão interna é a combustão incompleta de uma fração minúscula do combustível total consumido. Isto ocorre por ter oxigênio insuficiente para queimar todo o combustível. A parcela não queimada do combustível é tão pequena, que a energia perdida é banal à eficiência de combustível, e conseqüentemente insignificante comercialmente ao cliente final. Os fabricantes de automóveis eram motivados eventualmente por regulamentos da emissão para dirigir-se a esta questão.

As modificações e as complicações que o carburador teve em atender os regulamentos cada vez mais restritos de emissão de gases nos anos 1970s e 1980 gradualmente inverteram a simplicidade, o custo, e os pacotes de vantagens que os carburadores ofereciam tradicionalmente.

A injeção de combustível apareceu primeiramente em carros europeus feitos no final da década de 60 e começo dos anos 70. Dividido dentro dos anos 70 e 80, a uma taxa acelerada com os mercados americano e japonês na liderança, quase todos os carros a gasolina de passageiro vendidos em mercados de primeiro mundo (como os Estados Unidos, Europa, Japão, e Austrália) eram equipados com a injeção eletrônica de combustível (EFI).

O moderno sistema EFI evoluiu para ganhar controle dessa pequena fração de combustível não queimado. O objetivo final da combustão é combinar cada molécula de combustível com uma molécula correspondente de oxigênio de modo que nenhum tenha moléculas restantes após a combustão. Este é uma simplificação grosseira da complexa química de combustão que ocorre em um ambiente de difícil controle. Entretanto, descreve exatamente o valor da tarefa de injetar combustível, bem como a precisão de um moderno sistema EFI.

O primeiro sistema de injeção lançado no Brasil (1989) foi o LE-Jetronic da Bosch. Trata-se de um sistema multiponto intermitente cuja unidade de comando é analógica. Este sistema chegou a equipar o Gol GTi, o Monza Classic 500EF, o Escort XR3 2.0i, o Santana GLSi, o Kadett GSi, o Versailles Ghia 2.0i, o Uno 1.6R MPI, etc. Logo em seguida surgiu a injeção digital com os sistemas Multec TBI 700 da AC Rochester, o G6/7 da Magneti Marelli e o Motronic da Bosch.

Deste o seu lançamento, inúmeros sistemas foram lançados (ver relação na aula anterior). Atualmente, os grandes fabricantes de sistemas de injeção são: Bosch, Magneti Marelli, Delphi (antiga AC Rochester), FIC, Siemens e uma parceria entre a VW, Bosch e Helia. Dentre esses fabricantes, surgiram diversas famílias como: Jetrônic, Motronic e Monomotronic (Bosch), G6/7, Microplex e IAW (Magneti Marelli), EEC-IV e EEC-V (FIC), Multec (Delphi), Simos (Siemens) e Digifant (VW, Bosch e Helia).

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3.2. ASPECTOS PRINCIPAIS

O sistema de injeção eletrônica baseia-se num microprocessador que faz todo o gerenciamento do motor, controlando o seu funcionamento de forma mais adequada possível. O mesmo cuida de todo o processo térmico do motor, como a preparação da mistura ar/combustível, a sua queima e a exaustão dos gases. Para que isso seja possível, o microprocessador deve processar as informações de diversas condições do motor, como sua temperatura, a temperatura do ar admitido, a pressão interna do coletor de admissão, a rotação, etc. Esses sinais, depois de processados, servem para controlar diversos dispositivos que irão atuar no sistema de marcha lenta, no avanço da ignição, na injeção de combustível, entre outros. Pelo diagrama abaixo tem-se um resumo do caminho completo de todos os sistemas de injeção existente.

A entrada de dados corresponde aos sinais captados no motor, como temperatura, pressão, rotação, etc. Após o processamento (sinais processados), estes sinais são enviados para o controle de diversos dispositivos do sistema (sinais de saída). Os sensores são os elementos responsáveis pela coleta de dados no motor. Esses dados são enviados à unidade de comando onde são processados. Por fim, a unidade irá controlar o funcionamento dos atuadores. Logo, pode-se substituir o diagrama anterior pelo seguinte:

A unidade de comando (cérebro de todo o sistema) analisa as informações dos diversos sensores distribuídos no motor, processa e retorna ações de controle nos diversos atuadores, de modo a manter o motor em condições ótimas de consumo, desempenho e emissões de poluentes.

Os objetivos funcionais para sistemas de injeção de combustível podem variar. Todos compartilham da tarefa central de fornecer combustível ao processo da combustão, mas é uma decisão de projeto de como um sistema particular será otimizado. Há diversos objetivos competindo como:

Potência de saída Eficiência do combustível Desempenho das emissões Habilidade de acomodar a combustíveis alternativos Durabilidade Confiabilidade Dirigibilidade e operação suave Custo inicial Custo de manutenção Capacidade de diagnóstico Escala de operação ambiental

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Determinadas combinações destes objetivos se opõem, e são impraticáveis para um sistema de controle único de motor totalmente otimizado simultaneamente para todos os critérios. Na prática, os engenheiros automobilísticos se esforçam para melhor satisfazer as necessidades do consumidor competitivamente. O sistema digital moderno de EFI é de longe o mais capaz em otimizar estes objetivos em comparação com um carburador.

O sistema de injeção eletrônica pode ser classificado quanto:

Ao tipo de unidade de comando:o Unidade de comando analógica;o Unidade de comando digital.

Ao número de eletro-injetores ou válvulas injetoras:o Monoponto (uma válvula injetora para todos os cilindros);o Multiponto (uma válvula injetora para cada cilindro).

A forma de abertura das válvulas injetoras:o Intermitente ou simultâneo;o Semi-seqüencial  ou banco a banco;o Seqüencial.

Ao modo de leitura da massa de ar admitido: o Ângulo x rotação;o “Speed density” ou velocidade e densidade;o Vazão ou fluxo de ar;o “Air mass” ou leitura direta da massa de ar.

Ao modo de controle da mistura ar/combustível: o Com malha aberta;o Com malha fechada.

De acordo com o sistema de ignição: o Dinâmica;o Estática.

De acordo com o fabricante do sistema de injeção: o Bosch;o Magneti Marelli;o FIC;o Delphi;o Helia;o Siemens

Das famílias dos sistemas de injeção:

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o Bosch Motronic;o Bosch LE-Jetronic;o Bosch Monomotronic;o Magneti Marelli IAW;o Magneti Marelli 1AVB;o Delphi Multec;o FIC EEC-IV;o FIC EEC-V;o Outros.

3.3. COMPONENTES E PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO

O movimento de fechar das válvulas de injeção mais o fornecimento periódico de combustível produzem oscilações de pressão que podem produzir ruídos. O amortecedor de pressão (figura 3.3.1) suaviza os "golpes" do combustível, reduzindo consideravelmente tais ruídos.

O atuador de marcha lenta (figura 3.3.2) possui internamente duas bobinas (ímãs) e um induzido, onde está fixada uma palheta giratória que controla um "by-pass" de ar. Controlado pela unidade de comando, são as diferentes posições do induzido, juntamente com a palheta giratória, que permitem uma quantidade variável de ar na linha de aspiração. A variação da quantidade de ar é determinada pelas condições de funcionamento momentâneo do motor, onde a unidade de comando, através dos sensores do sistema, obtém tais informações de funcionamento, controlando assim o atuador de marcha lenta. Desta maneira sempre será obtida uma marcha lenta estável durante o funcionamento do motor.

As bobinas plásticas (figura 3.3.3) têm como função gerar a alta tensão necessária para produção de faíscas nas velas de ignição, como as tradicionais bobinas asfálticas. Dimensões mais compactas, menor peso, melhor resistência às vibrações, mais potência, são algumas das vantagens oferecida. Além disso, as bobinas plásticas possibilitaram o aparecimento dos sistemas de ignição direta, ou seja, sistemas com bobinas para cada vela ou par de velas, eliminando dessa forma a necessidade do distribuidor. Com suas características inovadoras, as bobinas plásticas garantem um perfeito funcionamento dos atuais sistemas de ignição, em função da obtenção de tensões de saída mais elevadas.

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Figura 3.3.1 – Amortecedor Figura 3.3.2 – Atuador de marcha Figura 3.3.3 – Bobina Plástica de pressão lenta

O combustível é sugado do tanque através de uma bomba elétrica (figura 3.3.4), que fornece o combustível sob pressão a um tubo distribuidor onde estão fixadas as válvulas de injeção. A bomba fornece mais combustível do que o necessário, a fim de manter no sistema de combustível a pressão necessária pana todos os regimes de funcionamento do motor. O excedente retorna ao tanque. Esta não apresenta nenhum risco de explosão, pois internamente não ocorre nenhuma mistura em condições de combustão. No sistema Motronic a bomba de combustível pode ser montada dentro do tanque (bomba "in tank").

O filtro (figura 3.3.5) está conectado após a bomba, retendo possíveis impurezas contidas no combustível. Possui um elemento de papel responsável pela filtragem do combustível e logo após encontra-se uma peneira, que retém eventuais partículas de papel que tenham se soltado. Por esse motivo, a direção do fluxo indicada no filtro deve ser obrigatoriamente mantida. É o componente mais importante para a vida útil do sistema.

O medidor do fluxo de ar (figura 3.3.6) tem como função informar á unidade de comando a quantidade e a temperatura do ar admitido, para que tais informações influenciem na quantidade de combustível pulverizada. Esta medição se baseia na força produzida pelo fluxo de ar aspirado, que atua sobre a palheta sensora do medidor, contra a força de uma mola. Um potenciômetro transforma as diversas posições da palheta em tensão elétrica, que é enviada como sinal para a unidade de comando. Alojado na carcaça do medidor de fluxo de ar encontra-se também um sensor de temperatura do ar que deve informa a temperatura do ar admitido durante a aspiração, para que esta informação também influencie na quantidade de combustível a ser injetada.

Figura 3.3.4 – Bomba elétrica Figura 3.3.5 – Filtro Figura 3.3.6 – Medidor de fluxo de ar

O medidor de massa de ar (figura 3.3.7) está instalado entre o filtro de ar e a borboleta de aceleração e tem a função de medir a corrente de ar aspirada. Através dessa informação, a unidade de comando calcula o exato volume de combustível para as diferentes condições de funcionamento do motor.

O potenciômetro da borboleta de aceleração (figura 3.3.8) está fixado no corpo da borboleta, acionado através do eixo da borboleta de aceleração. Ao contrário do sistema LE-Jetronic, o potenciômetro informa para a unidade de comando todas as posições da borboleta de aceleração. Desta maneira, a unidade de comando obtém informações mais precisas sobre os diferentes regimes de funcionamento do motor, utilizando-as para influenciar também na quantidade de combustível pulverizado, como no sistema LE-Jetronic.

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O regulador de pressão (figura 3.3.9) mantém o combustível sob pressão em todo o circuito de combustível, inclusive nas válvulas de injeção. Montado na extremidade do tubo distribuidor é um regulador com fluxo de retorno. Ele garante uma pressão uniforme no sistema de combustível em todos os regimes de funcionamento do motor. Quando a pressão regulada é ultrapassada, ocorre a liberação de abertura para a tubulação de retorno, onde o combustível retorna para o tanque sem pressão.

Figura 3.3.7 – Medidor de massa Figura 3.3.9 -Potenciômetro Figura 3.3.9 – Regulador de de ar da borboleta pressão

Instalado no bloco do motor, o sensor de detonação (figura 3.3.10) converte as vibrações do motor em sinais elétricos. Estes sinais permitem que o motor funcione com o ponto de ignição o mais adiantado possível, conseguindo maior potência sem prejuízo para o motor.

Os sensores de pressão (figura 3.3.11) possuem diferentes aplicações. Medem a pressão absoluta no tubo de aspiração (coletor) e informam à unidade de comando em que condições de aspiração e pressão o motor está funcionando, para receber o volume exato de combustível.

Na polia do motor está montada uma roda dentada magnética com marca de referência. O sensor de rotação (figura 3.3.12) é montado sobre esta roda dentada. A unidade de comando calcula a posição do virabrequim e o número de rotações do motor originando o momento cometo da faísca e da injeção de combustível.

Figura 3.3.10 – Sensor de detonação Figura 3.3.11 – Sensor de pressão Figura 3.3.12 – Sensor de rotação

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A sonda Lambda (figura 3.3.13) funciona como um nariz eletrônico. É montada no cano de escape do motor, em um lugar onde se atinge uma temperatura necessária para a sua atuação em todos os regimes de funcionamento do motor. A sonda Lambda fica em contato com os gases de escape, de modo que uma parte fica constantemente exposta aos gases provenientes da combustão e outra parte da sonda fica em contato com o ar exterior. Se a quantidade de oxigênio não for ideal em ambas as partes, será gerada uma tensão que servirá de sinal para a unidade de comando. Através deste sinal enviado pela sonda lambda, a unidade de comando pode variar a quantidade de combustível injetado.

Também no sistema Motronic a unidade de comando (figura 3.3.14) tem como função determi-nar a quantidade de combustível a ser injetada, com base nas informações que recebe de todos os componentes do sistema. Desse modo a quantidade de combustível injetada é dosada pela unidade de comando através do tempo de abertura das válvulas de injeção. Ao contraio do sistema LE-Jetronic, a unidade de comando Motronic, além de determinar a quantidade de combustível injetada, também é responsável por outros sinais de saída que influenciam diretamente no perfeito funcionamento do sistema. No Motronic, a unidade de comando controla, além da injeção, o sistema de ignição eletrônica.

Figura 3.3.13 – Sonda Lambda Figura 3.3.14 – Unidade de comando

Em sistemas de injeção multiponto, cada cilindro possui uma válvula de injeção (figura 3.3.15) que pulveriza o combustível antes da válvula de admissão do motor, para que o combustível pulverizado se misture com o ar recebido, formando a mistura que resultará na combustão. As válvulas de injeção são acionadas eletromagneticamente, abrindo e fechando através de impulsos elétricos provenientes da unidade de comando. A fim de obter uma boa distribuição de combustível com baixas perdas por condensação, deve ser evitado o umedecimento das paredes do coletor. Por esse motivo, o ângulo da injeção de combustível até a válvula de admissão do motor deve ser determinado de modo específico para cada motor.

Ao contrário dos sistemas multiponto, o sistema Mono-Motronic possui uma única válvula de injeção (figura 3.3.16) para todos os cilindros do motor. A válvula está montada na tampa da unidade central de injeção (corpo da borboleta).

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Figura 3.3.15 – Válvula de injeção Figura 3.3.16 – Válvula de injeção “Multipoint” “Monopoint”

4. SISTEMAS DE LEITURA DA MASSA DE AR

4.1. “AIR MASS”

Sistema de medição direta: o tempo de injeção é calculado diretamente, em função da massa de ar admitido. A massa de ar é determinada por um medidor mássico, que pelo seu princípio de funcionamento corrige automaticamente, as variações da pressão atmosférica, da temperatura ambiente e até a umidade relativa do ar. É um método extremamente preciso e robusto e mais barato que o medidor de fluxo de ar.

4.2. “SPEED DENSITY”

Neste método, o tempo básico de injeção é calculado, indiretamente, em função do fluxo da massa de ar admitido. O fluxo de ar é determinado pela rotação do motor, pelo volume dos cilindros (taxa de cilindrada) e pela densidade do ar (que é calculado em função da pressão absoluta do coletor de admissão e a temperatura do ar admitido). Este método é bem superior (preciso) que o primeiro e mais barato que os demais.

Sendo assim, é o mais utilizado nos sistemas de injeção. Em função do próprio método, todos os sistemas que utilizam esse princípio possuem um sensor de pressão absoluta do coletor (MAP) e um sensor de temperatura do ar admitido (ACT). A linha Volkswagen com sistema Magneti Marelli utiliza inclusive, esses sensores combinados em uma única peça.

4.3. ÂNGULO DA BORBOLETA X ROTAÇÃO DO MOTOR

O tempo básico de injeção é definida em testes de bancada em laboratório em função do ângulo da borboleta de aceleração e da rotação do motor, gerando uma tabela de tempos básicos de injeção que ficam gravados na EPROM. Assim, para se saber a massa de ar admitido, basta a unidade verificar a porcentagem de abertura da borboleta de aceleração e a rotação do motor. Feito isso, ela compara com os dados gravados na memória e determina o tempo de injeção. Este método somente é utilizado no sistema Bosch Monomotronic MA1.7 (Tipo 1.6 monoponto).

Este sistema necessita de um sensor de posição de borboleta (TPS) muito mais preciso que os demais sistemas, por isso, utiliza um sistema de pista dupla, portanto, possui quatro terminais. Este sensor permite duas leituras diferentes, uma até 24% de abertura e outra acima de 18 graus.

4.4. FLUXO DE AR

É calculado diretamente em função da vazão do ar admitido. Esta vazão é determinada diretamente por um medidor de fluxo (instalado logo após o filtro de ar e antes da borboleta de aceleração) e o seu valor é corrigido em função da variação de temperatura do ar admitido (devido a densidade do ar). É um método extremamente preciso, porém muito caro e muito sensível.

Neste método o medidor de vazão vem combinado com o sensor de temperatura do ar admitido. Necessita também, que a unidade de comando reconheça a pressão atmosférica para corrigir a densidade do ar. Neste caso, é utilizado também um sensor de pressão barométrica.

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5. SISTEMA MONOPONTO E MULTIPONTO

5.1. MONO-MOTRONIC

Figura 5.1.1 – Esquema de injeção Mono-Motronic

Sistema de controle eletrônico, único ponto injetor de baixa pressão para motores 4 cilindros, e solenóide de controle da injeção de combustível localizada no centro. O coração do sistema é a unidade centrar de injeção, a qual usa a válvula de potência (borboleta) para medir a entrada de ar, enquanto injeta o combustível de maneira intermitente acima de borboleta. O coletor de admissão distribui o combustível para cada cilindro. Vários sensores monitoram todos os parâmetros importantes de operação do motor, os quais são usados para calcular o disparo dos sinais para os injetores e outros atuadores.

O injetor é localizado acima da borboleta, na passagem do ar da admissão, no intuito de garantir uma mistura homogênea e uma distribuição consistente cilindro a cilindro. O combustível pulverizado é dirigido dentro do orifício em formato de foice entre a carcaça e a borboleta, o que inibe a condensação do combustível ao entrar em contato com as paredes, e a grande diferença de pressão promove uma ótima formação da mistura. O injetor opera num sistema pressurizado a 1 bar (referente a pressão atmosférica). A atomização eficiente do combustível garante uma ótima e consistente distribuição da mistura, mesmo que o motor opere na carga máxima. A injeção é sincronizada com os pulsos de ignição.

Além da rotação do motor, a outras variáveis relevantes para o controle são o volume de ar, a vazão mássica do ar, a pressão absoluta no coletor de admissão e a posição do acelerador α. O sistema que adota o Mono-Jetronic pode alcançar controle de anti-poluição bem restritos, desde que utilizem em conjunto uma sonda lambda e um catalisador de 3 vias. Um sistema auto ajustável, emprega o sinal do sensor lambda como uma referência para compensar as tolerâncias e as mudanças do motor, mantendo assim, um controle altamente preciso ao longo de todo a vida do sistema.

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O tempo de injeção é estendido para permitir ao motor mais combustível para partidas a frio e durante as fases de pós-partida e aquecimento. Quando o motor está frio, o atuador da posição do acelerador ajusta sua posição para suprir mais ar ao motor mantendo a marcha lenta e as emissões num nível constante. O potenciômetro do acelerador reconhece as mudanças na posição do acelerador e inicia um aumento na quantidade de combustível via ECU. O sistema regula o enriquecimento para aceleração e para a operação a toda potência do mesmo modo.

O “overurun fuel cutoff“ permite a redução do consumo de combustível das emissões durante a fase de operação do motor quando se retira completamente o pé do acelerador e o veículo prossegue no "embalo", por exemplo, em uma descida. O sistema controle da rotação de marcha lenta adaptativo, (sistema de controle que mantém a rotação constante, independentemente de fatores como temperatura do ar de admissão, etc..) mantém a rotação na partida e no aquecimento mais elevadas e ao atingir a temperatura ideal de funcionamento do motor, a este sistema abaixa a rotação da marcha lenta até o ponto de operação em regime e a mantém neste nível, ao longo da utilização do motor. Para esta aplicação, o ECU manda um sinal para um servo que ajusta a posição da borboleta de acordo com a velocidade e temperatura do motor.

Figura 5.1.2 - Esquema do sistema Mono-Motronic

1- Tanque com bomba incorporada2- Filtro de combustível3- Sensor de posição de borboleta3a- Regulador de pressão3b- Válvula injetora 3c- Sensor de temperatura do ar3d- Atuador de marcha lenta4- Sensor de temperatura do motor5- Sensor de oxigênio6- Unidade de comando7- Válvula de ventilação do tanque8- Bobina de ignição9- Vela de ignição10- Sensor de rotação

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5.2. K-JETRONIC

Figura 5.2.1 – Esquema de injeção Mono-Motronic

K-Jetronic é um sistema mecânico que não requer uma bomba de combustível movida pelo motor do veículo. Isso garante uma contínua alimentação de combustível proporcional à quantidade de ar aspirada pelo motor. Devido à medição direta do fluxo de ar, K-Jetronic também leva em conta as mudanças causadas pelo motor e por isso permite a utilização de equipamento para o controle de emissões, para o qual o monitoramento da quantidade de ar que entra é essencial.

Antes de entrar no coletor de admissão e seguir para cada cilindro individualmente, ar entra no motor através do filtro de ar, passando depois pelo sensor de fluxo de ar, e por último pela válvula de potência, chegando assim, ao coletor de admissão.

O combustível é retirado do tanque de combustível pela bomba elétrica. Depois fluí através do acumulador de combustível e do filtro de combustível chegando até o distribuidor de combustível. Um regulador de pressão no distribuidor de combustível mantém o combustível constantemente na pressão do sistema. O combustível vai do distribuidor para os injetores. O excesso de combustível não necessário ao motor, retorna para o tanque.

O sensor de fluxo de ar consiste de um funil de ar e uma placa pivotada do sensor de medição da vazão de ar. Um contrapeso compensa o peso da placa do sensor e da montagem do mesmo. O sensor de placa é deslocado pelo fluxo de ar, enquanto o controle do atuador no distribuidor de combustível exerce uma contrapressão para manter o sistema em balanceamento estático. A posição da placa do sensor de fluxo de ar indica a quantidade de ar que entra. A posição da placa do sensor é transmitida para o controle de distribuição de combustível por uma haste.

A quantidade de combustível enviada para os cilindros individualmente é regulada variando a abertura dos rasgos dosadores no cilindro de distribuição de combustível. O número de rasgos dosadores de forma retangular no cilindro de distribuição de combustível é correspondente ao número de cilindros do motor. O tamanho específico da abertura dos rasgos dosadores depende do controle da

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posição do atuador, ou seja, do pequeno pistão que, desloca-se dentro de um espaço cilíndrico, e exerce pressão no combustível empurrando-o para a entrada do cilindro. No intuito de garantir uma pressão constante de gota nos rasgos dosadores para várias vazões, um regulador diferencial de pressão é localizado a jusante de cada rasgo.

O combustível entra no distribuidor através de um jogo de dispositivos posicionados de tal forma que estão sempre expostos pela seção central reduzida do diâmetro do atuador. Levantando-se o atuador permite que o combustível saia através do rasgo dosador nos injetores, em uma quantidade que seja proporcional à variação de altura do atuador.

A passagem de combustível através dos dosadores de medição é proporcionada pelo diferencial de pressão entre o lado de alimentação - abaixo da borda de controle do atuador - e o lado de saída, fora da margem dos dosadores. Para uma dada área exposta do dosador, a taxa de fluxo de combustível será proporcional a esta diferença da pressão. Ao mesmo tempo, para uma dada diferença de pressão, a taxa de fluxo de combustível será proporcional a esta área exposta do rasgo dosador.

A complicação é que, sem algum outro mecanismo para executar a correção, a diferença da pressão através dos dosadores varia de acordo com a abertura das mesmas. Se somente uma pequena seção da régua for exposta, haverá uma grande diferença de pressão entre os lados de alimentação e saída; com o dosador totalmente aberto haverá uma diferença de uma pressão mais baixa.

Quanto maior a área exposta do dosador, menor a diferença de pressão, logo, enquanto um aumento na área do mesmo promove maior fluxo de combustível simplesmente pelo maior o furo na entrada, o aumento será maior que o proporcional porque haverá uma menor diferença de pressão entre o interior e exterior do tambor para resistir ao fluxo; assim, a força de mistura tenderá a tornar-se mais rica a cada aumento no fluxo de ar através do medidor.

Para corrigir esta não-linearidade, o distribuidor contém um número de válvulas de pressão, cuja função é manter uma queda de pressão constante através dos dosadores, independente do fluxo de combustível através das mesmas.

Cada válvula de pressão consiste em duas câmaras, uma superior e outra inferior, separadas por um fino diafragma de metal flexível, suportado por uma mola. Há uma válvula para cada injetor e assim, uma para cada cilindro. A câmara superior de cada válvula comunica-se com o dosador no tambor enquanto cada câmara inferior é conectada ao espaço anular ao redor da parte central delgada do atuador e é exposta ao mesmo, sob uma pressão de combustível constante.

O combustível vindo de cada dosador corre através do câmara superior de sua válvula de pressão para o injetor. A saída da câmara superior está localizada acima do diafragma, separando as duas metades da válvula, assim, a deflexão ascendente do diafragma tende a restringir a saída, enquanto a deflexão descendente do mesmo fornece maior área de passagem.

É importante reconhecer que este “estrangulamento” do fluxo na válvula não afeta a quantidade de combustível entregue, que é estabelecido pela área exposta das rasgos dosadores. Este movimento do diafragma tem como finalidade manter uma constante queda de pressão através do rasgo dosador que lhe serve. O combustível sai de cada válvula de pressão para seu injetor associado com pressão de alimentação mais baixa, cerca de 1,5 [psi], sendo esta diferença resultante da força de atuação da mola no diafragma.

Sem uma mola, ou algum outro mecanismo para retorná-lo a sua posição de descanso, mesmo o menor fluxo de ar levaria o rasgo dosador ao seu limite de curso imediatamente, e permaneceria nesta posição com o atuador pressionado totalmente no ponto de fluxo máximo de combustível. A força que controla o recuo do atuador (e o medidor de vazão) não é de uma mola, mas a própria pressão do combustível que atua no topo do atuador. Esta pressão não é a pressão de alimentação do sistema, nem a pressão mais baixa que prevalece na câmara superior das válvulas de pressão, mas sim uma pressão mais baixa controlada. Este controle de pressão que age no topo do atuador produz um força negativa

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que neutraliza duas forças ascendentes (a menor é a pressão atmosférica que atua na parte inferior do atuador, e a maior é a força no atuador exercida pelo medidor de vazão, através de sua alavanca.

A posição do atuador no tambor é resultado do balanceamento hidráulico entre a força do ar de admissão agindo no medidor de vazão e o controle de pressão agindo no atuador. Um aumento na pressão de controle irá aumentar a força que age no topo do atuador, que opõe o movimento do medidor de vazão de ar. Inversamente, uma redução na pressão de controle permitirá o medidor de vazão e o atuador para levantar-se mais, expondo mais dos dosadores. Assim, uma pressão de controle mais elevada empobrecerá a mistura; uma pressão mais baixa enriqueceria a mesma.

O regulador de aquecimento é controlado por um elemento bi-metálico aquecido eletricamente; este enriquece a mistura na fase de aquecimento reduzindo a contrapressão exercida contra o atuador. Uma redução nesta pressão de controle resulta no aumento do impacto no sensor de fluxo de ar para uma dada vazão. O resultado é uma mistura enriquecida no aquecimento.

O regulador de aquecimento pode ser expandido a outras funções, como: enriquecimento à potência máxima; enriquecimento na aceleração; compensação de altura.

A válvula de ar auxiliar, controlada por uma mola bi-metálica ou elemento de expansão, alimenta o motor com excesso de ar durante a fase de aquecimento. Este complemento de ar compensa as perdas por atrito do motor ainda frio; e ainda mantém a velocidade de marcha lenta ou a aumenta a fim de aquecer o motor o promover exaustão mais rápida.

O seqüenciador térmico-temporal ativa a válvula de partida elétrica em função da temperatura do motor e o decorrer do tempo. Durante baixa temperatura de partida, esta válvula injeta combustível adicional na tubulação de entrada (enriquecimento de partida a frio).

Os sistemas de controle de circuito aberto não regulam a relação de A/C com exatidão suficiente para permitir a conformidade sob limites estreitos das emissões. O controle Lambda de circuito fechado é requerido para a operação do conversor catalítico de 3 maneiras. Quando é instalado, o sistema de K-Jetronic deve incluir uma unidade de controle eletrônico que use o sinal do sensor Lambda como sua principal variável de entrada. Uma válvula de freqüência solenóide regula a relação da mistura de A/C controlando o diferencial de pressão nos rasgos dosadores. Entretanto, este princípio não pode ser aplicado para deparar-se com as exigências mais estritas das emissões projetadas para o futuro.

Figura 5.2.2 - Esquema do sistema Multiponto 1- Bomba de combustível2- Filtro de combustível3- Regulador de pressão4- Válvula injetora5- Medidor de vazão de ar6- Sensor de temperatura do motor7- Válvulas auxiliar de ar8- Potenciômetro de borboleta9- Unidade de comando10- Relé de bomba de combustível11- Vela de ignição

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5.3. KE-JETRONIC

O sistema KE-Jetronic é uma versão avançada do sistema de K-Jetronic. KE-Jetronic inclui um ECU para aumento de flexibilidade e funções suplementares. Os componentes adicionais incluem:

um sensor para o fluxo de ar de entrada; um atuador de pressão para ajuste da relação de mistura; um regulador de pressão que mantém a pressão do sistema a um nível constante enquanto

exerce uma função de corte de combustível quando o motor é desligado;

Figura 5.3.1 - Esquema do sistema KE-Jetronic

Uma bomba de combustível elétrica gera a pressão do sistema. O combustível corre através do distribuidor, enquanto o regulador do diafragma mantém a pressão do sistema a um nível constante. Com o sistema K-Jetronic, o circuito de controle executa correções da mistura através do regulador de aquecimento. Em contrapartida, com KE-Jetronic a pressão preliminar e a pressão exercida sobre o atuador são iguais. A relação é corrigida ajustando-se o diferencial de pressão em todas as câmaras do distribuidor simultaneamente.

A pressão do sistema é elevado dos rasgos dosadores, e aplica uma contrapressão no atuador. Com o K-Jetronic, o atuador é movido por um sensor de vazão de ar. Uma unidade de amortecimento impede oscilações que poderiam decorrer das forças geradas no sensor. Do atuador o combustível corre através da pressão do mesmo, nas câmaras inferiores da válvula de pressão, um limitador de fluxo, e um regulador de pressão, antes de retornar ao tanque de combustível. Junto com o limitador de fluxo, o atuador gera um divisor de pressão em que pode-se ajustar a mesma eletrodinamicamente. Esta pressão está presente nas câmaras inferiores das válvulas de pressão.

Uma queda de pressão correspondente à corrente do atuador ocorre entre as conexões do mesmo. Isto causa variações no diferencial de pressão nos rasgos dosadores, e altera a quantidade de

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1 - tanque de combustível2 - bomba de combustível elétrica3 - acumulador de combustível4 - filtro de combustível5 - regulador de pressão do combustível 6 - injetores 7 - distribuidores de entrada8 - válvulas de partida elétricas9 - distribuidor de combustível10 - sensor de fluxos de ar11 - atuador eletro-hidráulico de pressão12 - sonda Lambda13 - chave térmica14 - sensor de refrigeração15 - distribuidor de ignição16 - válvulas de ar auxiliar 17 - reguladores de potência 18 - ECU

combustível injetada. A corrente pode ser invertida para interromper a alimentação d combustível completamente. Esta característica pode ser empregada para funções como a interrupção do excesso de combustível e limitação da velocidade do motor.

O atuador eletro-hidráulico de pressão é montado sobre no flange do distribuidor. É um regulador de pressão elétrico-controlado que opera usando o sistema de bocal/placa. O enriquecimento da mistura é diretamente proporcional ao fluxo.

Figura 5.3.2 – Atuador eletro-hidráulico de injeção

O ECU processa sinais da ignição ,do sensor de temperatura, potenciômetro do acelerador, interruptor de aceleração, do interruptor de partida, da sonda Lambda, do sensor de pressão e outros sensores. Suas principais funções são controlar:

enriquecimento na partida e pós-partida enriquecimento no aquecimento enriquecimento na aceleração enriquecimento na potência máxima excesso de combustível limitação da velocidade do motor marcha lenta circuito fechado da sonda Lambda

Um interruptor codificado torna possível selecionar entre a operação com controle da sonda Lambda e sem o mesmo. Isto permite uma escolha entre gasolina com ou sem chumbo.

5.4. L-JETRONIC

Princípio de operação:

medição do fluxo de ar

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1 - bico injetor2 - prato da válvula3 - anel4 - pólo magnético5 - entrada de combustível6 - parafuso de ajuste

controle de vazão de ar e velocidade do motor injeção intermitente

O sistema L-Jetronic combina as vantagens da madição direta de ar com os recursos da eletrônica. É similar ao K-Jetronic que reconhece todas as mudanças nas condições do motor (devido ao desgaste, depósitos na câmara de combustível, mudanças no ajuste de válvula). Isto assegura uma composição consistentemente dos gases de exaustão.

Figura 5.4.1 - Esquema do sistema L-Jetronic

O combustível é injetado através do injetor solenóide do motor. Uma válvula solenóide atribuída a cada cilindro é acionada a cada revolução da biela. Todos os injetores são dispostos paralelamente para reduzir a complexidade do circuito elétrico. O diferencial de pressão entre o combustível e as pressões dos coletores de admissão é mantido em um nível constante de 2.5 ou 3 bar tal que a quantidade de combustível injetada depende somente do período da abertura das válvulas. Para esta finalidade, o ECU gera pulsos de controle cuja a duração depende da vazão de ar na entrada, da velocidade de motor, e de outras variáveis influentes. Estes são monitorados por sensores e processados pelo ECU.

Uma bomba elétrica de combustível fornece o combustível e gera a pressão de injeção. O combustível é bombeado do tanque, através de um filtro, e a uma linha de alta pressão no extremo oposto onde há um regulador de pressão (diafragma com mola de carga). O regulador mantém uma pressão constante através do orifício, independente da quantidade de combustível injetada.

O combustível corre através da linha alta pressão até o trilho de combustível do motor com os injetores. O regulador de pressão é instalado no trilho do combustível. Após ter percorrido o trilho a parcela de combustível que não é utilizada pelo motor corre através da linha de retorno ligada ao regulador e volta ao tanque. Como o combustível de retorno foi aquecido, a temperatura do tanque aumenta.

Vapor de combustível é gerado no tanque em função da temperatura do mesmo. Para fins ambientais estes vapores são distribuídos através do sistema de ventilação do tanque para o armazenamento em uma vasilha com carvão ativo até que possam retornar através da tubulação de admissão para dentro do motor.

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1 - tanque de combustível2 - bomba de combustível elétrica3 - filtro de combustível4 - ECU5 - injetor6 - regulador de pressão de combustível7 - coletor de admissão8 - válvula de partida elétrica9 - interruptor de aceleração10 - sensor de fluxo de ar11 - sonda Lambda12 - interruptor térmico13 - sensor de refrigeração14 - distribuidor de ignição15 - válvula de ar auxiliar16 - bateria17 - interruptor de ignição

O sistema de alimentação de baixo retorno reduz a tendência de aquecimento do combustível no tanque, tornando assim mais fácil adequar-se com as exigências de emissões veiculares. O regulador de pressão está situado no tanque de combustível ou imediatamente ao seu redor, o que resulta em uma linha de retorno mais curta do motor para o tanque de combustível. A quantidade de combustível bombeado ao trilho é limitada pela quantidade que está sendo usada nos injetores. O fluxo adicional que sai da bomba retorna diretamente ao tanque, sem passar pelo motor. Em condições de operação normais, e dependendo da aplicação, este sistema pode reduzir a temperatura no interior do tanque em até 10 ºC, diminuindo a vaporização aproximadamente em um terço.

A vazão de ar na entrada deflete a aleta do sensor contra a força de retorno de uma mola a uma posição angular definida, que é convertida por um potenciômetro em uma relação de tensão. Esta relação de tensão determina a intensidade do pulso aplicada a um temporizador no ECU. Um sensor térmico no sensor de fluxo de ar indica as mudanças na densidade do ar pelas variações de temperatura.

Figura 5.4.2 – Sensor do fluxo de ar

Os injetores de combustível agem de forma a medir e atomizar (reduzir em partículas) o combustível.

Figura 5.4.3 – Injetor de combustível

O interruptor de válvula de estrangulamento transmite um sinal de controle ao ECU quando a válvula de estrangulamento está completamente fechada (marcha lenta) ou inteiramente aberta (carga máxima).

O sensor de temperatura do motor é projetado como um resistor sensível à temperatura e controla o enriquecimento no aquecimento.

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1 - parafuso de ajuste de mistura2 - aleta3 - batente4 - aleta de compensação5 - câmara de amortecimento6 - sensor de temperatura do ar

1 - bocal2 - agulha3 - armadura4 - mola5 - solenóide espiral6 - terminais elétricos7 - coador de combustível

O ECU converte as variáveis do motor em pulsos elétricos. Os intervalos da transmissão para estes pulsos são correlacionados com o sincronismo de ignição, quando sua duração for em função do fluxo e velocidade do ar de entrada. Desde que todos os injetores sejam ativados simultaneamente, um único estágio do acionador é requerido. Os sensores de temperatura respondem a temperaturas mais baixas de ar do motor aumentando o tempo de injeção. Os sinais do inerruptor de estrangulamento permitem a adaptação da mistura para operação em marcha lenta e carga máxima.

O ECU compara o sinal da sonda Lambda com um valor de calibração antes de ativar um controlador de dois estado. O ajuste do controle é então executado, como são todas as correções, modificando-se o tempo de injeção.

5.5. L3-JETRONIC

O sistema L3-Jetronic incorpora funções que se estendem além daquelas fornecidas pela tecnologia do L-Jetronic. O circuito ECU do L3-Jetronic emprega tecnologia digital para ajustar as relações de mistura baseado no mapa de carga/velocidade do motor. Com o objetivo de economia de espaço, o ECU é instalado no compartimento de motor, diretamente no sensor do fluxo de ar, onde os dois componentes formam uma única unidade de controle.

5.6. LH-JETRONIC

O sistema LH-Jetronic é muito semelhante ao L-Jetronic. A diferença encontra-se no método de medição do fluxo de ar da entrada, com LH-Jetronic usando um medidor de vazão hot-wire air-mass. Assim, os resultados já não dependem da densidade do ar, que varia com temperatura e pressão.

Os demais componentes LH-Jetronic e o conceito do sistema básico não diferem consideravelmente do L-Jetronic.

Figura 5.6.1 - Esquema do sistema LH-Jetronic

O LH-Jetronic é equipado com um ECU digital. Os arranjos para ajuste da relação de mistura variam daqueles usados no L-Jetronic quanto ao uso de um mapa de carga/velocidade do motor programado para o consumo mínimo de combustível e esgotamento das emissões. O ECU processa os sinais do sensor ao calcular o tempo de injeção, que determina a quantidade de combustível injetada. O

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1 - tanque de combustível2 - bomba de combustível elétrica3 - filtro de combustível4 - ECU5 - injetor6 - distribuidor7 - regulador de pressão do combustível8 - tubulação de admissão9 - interruptor de estrangulamento10 - medidor de vazão hot-wire air-mass11 - sonda Lambda12 - sensor de resfriamento13 - distribuidor de ignição14 - atuador de marcha lenta15 - bateria16 - interruptor de ignição

ECU contém um microprocessador, um programa com base de dados, e um conversor A/C. O microprocessador é fornecido com uma fonte de tensão adaptável e um relógio sincronizador (cristal de quartzo) para processamento de dados.

A corrente de ar de entrada é conduzida após um fio aquecido. Este fio faz parte de um circuito com ponte elétrica. O fluxo da corrente através do fio o mantém a uma temperatura constante, acima daquela do ar de entrada. Com este princípio é possível empregar os requisitos de corrente como um indício da massa de ar que está sendo extraída no motor. Um resistor converte a corrente de aquecimento em um sinal de tensão, que o ECU processa então junto com a velocidade do motor como uma variável de entrada principal. Um sensor térmico é acoplado ao medidor de vazão “hot-wire-air-mass” para assegurar que o sinal de saída não seja influenciado pela temperatura do ar de entrada. A relação A/C em marcha lenta pode ser ajustada com um potenciômetro.

Como a contaminação na superfície do fio pode afetar o sinal de saída, cada vez que o motor é desligado o fio é aquecido eletricamente para eliminar qualquer resíduo contaminante. O medidor “hot-wire-air-mass” não tem peças móveis, e sua resistência aerodinâmica na entrada de ar é insignificante.

O princípio de funcionamento do medidor de vazão “hot-fim air-mass” mesmo do medidor “hot-wire air-mass”. Entretanto, com o intuito de um projeto simplificado, uma parcela substancial do circuito com ponte elétrica é instalada em uma carcaça cerâmica, na forma de um fino filme resistivo. Assim, não é necessária a queima de contaminantes. O problema de contaminação é resolvido colocando-se os elementos de transmissão térmica do sensor em uma posição abaixo da corrente. Isto impede que sejam afetados por depósitos na borda principal do sensor.

Figura 5.6.2 – Medidor “hot-wire air-mass”

Uma outra opção para medição do ar de entrada de medição é fornecida por um sensor que usa o princípio do vórtex de Kármán medir a taxa de fluxo volumétrico. Este medidor monitora os vórtices gerados conforme o ar de entrada passa pelos geradores de vórtex. A freqüência destes vórtices é uma medida da taxa de vazão volumétrica. Esta freqüência é medida emitindo-se ondas ultra-sônicas perpendiculares ao sentido do fluxo de ar. A velocidade de propagação dessas ondas, conforme são modificadas pelos vórtices, é detectada por um receptor ultra-sônico e os sinais resultantes são avaliados no ECU.

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A – carcaçaB – medidor hot-film-air-mass1 – câmara de aquecimento2 – espaçador3 – controlador4 – híbrido5 – filme metálico

1 – oscilador2 – gerador vórtex3 – transmissor4 – ondas ultra-sônicas5 – correntes em redemoinho6 – receptor7 – amplificador8 – filtro de sinais 9 – formador de ondas

Figura 5.6.2 – Medidor Kármán de vazão volumétrica por vortex

5.6.1.Injetores eletromagnéticos de combustível

Injetores de combustível consistem essencialmente em uma carcaça com bobina e conexão elétrica, um assento de válvula com um disco pulverizador de orifício e uma agulha móvel com armadura de solenóide.

Um filtro na alimentação de combustível protege o injetor contra contaminação. Dois anéis “O” selam o injetor rente ao tubo distribuidor de combustível e a tubulação de admissão. Quando a bobina é desenergizada, a mola e a força da pressão de combustível pressionam a agulha contra o assento de válvula para selar o sistema de alimentação de combustível contra a tubulação de admissão.

Figura 5.6.1.1 – Injetor eletromagnético de combustívelQuando o injetor é energizado, a bobina gera um campo magnético que atrai a armadura,

erguendo a agulha de seu assento para permitir que o combustível corra através do injetor.A quantidade de combustível injetada por a unidade de tempo é determinada pela pressão do

sistema e pela seção cruzada dos orifícios no disco de pulverização. A agulha fecha-se novamente quando a corrente de campo é desligada.

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1 – anéis “O”2 – filtro3 – carcaça com conexão elétrica4 – bobina5 – molas6 – agulha com armadura solenóide7 – assento com disco pulverizador de orifício

A formação do spray de injeção, isto é, forma do spray, ângulo de pulverização e tamanho da gota, influencia na formação de mistura A/C. Geometrias individuais do coletor de admissão e cabeça do cilindro são necessárias para obter-se diferentes formações de spray.

5.6.1.1 Tapered spray

Pulverizadores individuais localizam-se nas aberturas do orifício do disco de pulverização. Estes pulverizadores combinados formam o pulverizador afunilado. Os pulverizadores afunilados podem também ser obtidos por meio de um funil que projeta-se na ponta da agulha de injeção. Estes pulverizadores são tipicamente utilizados em motores com a uma válvula de admissão por cilindro. O pulverizador afunilado é projetado na abertura entre o disco da válvula de admissão e a parede do coletor.

5.6.1.2 Dual spray

A formação de pulverizador dupla é usada nos motores com as duas válvulas de admissão por cilindro. As aberturas no disco pulverizador de orifício são arranjadas de forma que dois pulverizadores emerjam do injetor. Cada um destes pulverizadores alimenta uma válvula de admissão.

5.6.1.3 Air-shrouding

No caso de um injetor com reservatório de ar, a queda de pressão entre o coletor de admissão e a pressão ambiente é utilizada para melhorar a formação da mistura. O ar é distribuído através de um dispositivo de abrigo para a área de escape do disco pulverizador de orifício. Na estreita abertura, o ar é acelerado a uma alta velocidade e o combustível é finamente atomizado (particulado) quando misturado a ele.

6. SISTEMA MOTRONIC

O sistema de gerenciamento de motor Motronic submeteu-se ao desenvolvimento substancial desde a sua introdução em 1979. Inicialmente, a integração foi baseada nos sistemas básicos de injeção de gasolina, em combinação com o semicondutor de ignição de baixo consumo, como eram disponíveis nos seguintes sistemas:

KE-Motronic, baseada na injeção contínua de gasolina KE. Mono-Motronic, baseada na injeção intermitente monoponto. M-Motronic, baseada na injeção intermitente multiponto.

Baseada na M-Motronic, e pela aplicação de etapas adicionais de integração, o sistema Motronic assume o controle de todas as variáveis manipuladas de um motor de ignição por centelha que influenciam o torque:

ME-Motronic com pedal do acelerador eletrônico (ETC) para controle da injeção da gasolina, ignição e carga de ar para a injeção de admissão.

MED-Motronic com funções adicionais de controle de circuito aberto e fechado integradas ao circuito de alta pressão do combustível. Com injeção direta e realização de vários modos de operação deste tipo de motor.

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O sistema Motronic compreende todos os sensores para gravar os dados momentâneos de operação do motor e do veículo e todos os atuadores para que os ajustes sejam realizados no motor SI.

O ECU emprega sensores para monitorar o status relevante do motor e do veículo em intervalos extremamente curtos (milissegundos).

Os circuitos de entrada anulam a interferência do sinal do sensor e convertem os sinais a uma escala unificada de tensão. Um conversor analógico-digital converte então os sinais condicionados a valores digitais. Sinais adicionais são recebidos por uma interface digital. Usando esta informação, o microprocessador identifica o estado de operação desejado pelo motorista e dele calcula, por exemplo:

Torque requerido Carga do cilindro com a quantidade de combustível injetada associada Tempo de ignição correto

Os dados de sinal de baixo nível das saídas do microprocessador são adaptados pelos estágios do motorista para os níveis requeridos pelos vários atuadores. Um chip de memória de semicondutor armazena todos os programas e mapas de desempenho, assegurando a consistência do sistema que se mantém completamente lacrado às flutuações resultantes das tolerâncias dos componentes e nível de sinal.

A acuracidade digital é em função do comprimento do código, assim como da consistência da freqüência de pulso básico de quartzo e dos tipos de algoritmos usados para os cálculos. A consistência e a precisão das tensões de referência e dos componentes instalados nos circuitos analógicos de entrada influenciam a exatidão analógica.

O projeto do programa deve satisfazer as demandas severas de real-time do motor: num motor de 8 cilindros em velocidade máxima, menos de 2.5 ms é disponível entre duas ignições. Todos os cálculos essenciais devem ser terminados dentro deste período. Além destes processos sincronizados do virabrequim, há também operações sincronizadas de tempo. Ambos os tipos podem ser suspensos por interrupções.

6.1. ME-MOTRONIC

O desejo do motorista é captado através do pedal do acelerador eletrônico. A unidade de comando determina então o torque desejado e, através da análise do regime de funcionamento do motor e exigências dos demais sistemas (ar-condicionado, controle de tração, sistema de freios ABS e ventilador do radiador), define a estratégia de torque, resultando em ângulo de ignição, volume de injeção e abertura da borboleta. Características:

Borboleta com comando eletrônico de aceleração. Gerenciamento de motor baseado em torque através do qual são ajustados os parâmetros e

funções do sistema de injeção e ignição.

Benefícios:

Estrutura modular de SW e HW, proporcionando configurações específicas para cada veículo. Comando eletrônico de borboleta, proporcionando maior precisão, reduzindo consumo e

melhorando dirigibilidade.

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Sistema baseado em torque, o que proporciona maior integração com demais sistemas do veículo.

Sistema com redundância de sensores, garantindo total segurança de funcionamento.

1 - Canister 2 - Válvula de purga do canister 3 - Sensor de pressão 4 - Galeria de combustível / Válvula de Injeção 5 - Bobina / Vela de ignição 6 - Sensor de fases 7 - Pedal do acelerador eletrônico 8 - Medidor de massa de ar com sensor 9 - Acelerador eletrônico 10 - Válvula de recirculação de gases11 - Sensor de detonação 12 - Sensor de temperatura 13 - Sonda lambda 14 - Sensor de rotação 15 - Módulo bomba de combustível 16 - Módulo eletrônico de comando 17 - Interface para diagnose 18 - Lâmpada para diagnose 19 - Imobilizador 20 – CAN

Figura 6.1.1 – Esquema do sistema ME-Motronic

6.2. MED-MOTRONIC (SISTEMA DE INJEÇÃO DIRETA)

A injeção direta demanda altas pressões na linha de combustível, para otimização da combustão. Uma bomba de alta pressão, instalada no eixo de comando do motor, comprime o combustível em até 120 bar. A pressão é acumulada no distribuidor de combustível e livremente regulada pela unidade eletrônica de controle.

Válvulas injetoras com projetos especiais de pulverização permitem a definição do início e do tempo de injeção, para as diversas condições de funcionamento do motor. A injeção de combustível é processada em sincronismo com o movimento do pistão, de forma a utilizar eficientemente o movimento do ar.

Dois modos de funcionamento são empregados: mistura estratificada e homogênea. O primeiro modo permite o funcionamento com a borboleta totalmente aberta e mistura pobre, diminuindo perdas e aumentando a economia de combustível. Nos momentos de solicitação de maior torque utiliza-se a mistura homogênea, que permite melhor eficiência termodinâmica e menores perdas de calor nas paredes.

Melhor eficiência termodinâmica e refrigeração, proporcionadas pela injeção direta, permitem projetos de motores com maiores taxas de compressão e, consequentemente, melhor torque. O controle otimizado da borboleta, da pressão de injeção, das válvulas injetoras e da ignição, bem como a interligação com diferentes unidades eletrônicas do veículo, é desempenhado por complexos algoritmos baseados em torque, da mais moderna geração de unidades de controle: a DI - Motronic.

Características

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Conceito de mistura pobre para cargas parciais. Injeção de combustível diretamente na câmara de combustão. Controle eletrônico da borboleta (drive-by-drive). Software estruturado por torque. Funções especiais para pós-tratamento dos gases de escape.

Benefícios

15% a 20% de economia de combustível. Redução na emissão de poluentes. Melhoria na performance do motor.

1 - Canister 2 - Medidor de Massa de Ar com Sensor de Temperatura 3 - Módulo Eletrônico de Controle 4 - Interface para Diagnose 5 - Lâmpada de Diagnose 6 - Imobilizador 7 - CAN 8 - Válvula de Purga do Canister 9 - Acelerador Eletrônico 10 - Sensor de Pressão 11 - Válvula de Recirculação de Gases (EGR) 12 - Sensor de Pressão do Tanque 13 - Bomba de Alta Pressão 14 - Galeria de Combustível 15 - Válvula Reguladora de Pressão 16 - Sensor de Fase 17 - Sensor de Detonação 18 - Sensor de Rotação 19 - Válvula de Injeção20 - Bobina de Ignição 21 - Sensor de Temperatura de Água 22 - Pedal do Acelerador Eletrônico 23 - Sonda Lambda 24 - Catalisador 25 - Sonda Lambda 26 - Módulo de Pré-Bomba de Combustível

Figura 6.2.1 – Esquema do sistema MED-Motronic

6.3. MOTRONIC FLEX FUEL

Através de um sensor de oxigênio é feito o reconhecimento do álcool presente no combustível e esta informação é enviada para a unidade de comando que realiza de forma automática a auto-adaptação de todas as funções de gerenciamento do motor, como injeção, ignição, regulagem de detonação e controle da mistura ar / combustível para qualquer proporção de álcool e gasolina. Características:

Reconhecimento automático do teor de álcool no combustível. Desempenho igual aos dos sistemas específicos para álcool e gasolina.

Benefícios:

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Baixa emissão de poluentes. Baixo consumo de combustível. Flexibilidade de abastecimento.

1 - Canister 2 - Válvula de Purga do Canister 3 - Sensor de Pressão / Temperatura do ar 4 - Galeria de Conbustível / Válvula de injeção 5 - Bobina / vela de ignição 6 - Sensor de fase 7 - Pedal de Acelerador Eletrônico 8 - Acelerador Eletrônico 9 - Válvula de Recirculação de Gases (EGR) 10 - Sensor de Detonação

11 - Sensor de Temperatura de Água 12 - Sonda Lambda 13 - Sensor de Rotação 14 - Módulo de Bomba de Combustível em Tanque 15 - Módulo de Controle 16 - Reservatório de Gasolina para Partidas a Frio17 - Bomba Elétrica de Combustível 18 - Válvula Solenóide 19 – Relé

Figura 6.3.1 – Esquema do sistema Motronic Flex Fuel

7. INJEÇÃO DIRETA DE COMBUSTÍVEL – GDI

A história da injeção direta de combustível em motores do ciclo Otto é tão velha quanto o próprio motor de ignição por centelha. Dados históricos revelam que m 1884, um motor ‘Spiele” funcionou com injeção direta no cilindro de combustível leve. Com o desenvolvimento mais tarde do carburador, este método foi abandonado, ressurgindo tempos depois com a finalidade de prevenir a detonação.

A injeção direta de combustíveis em motores ICE, foi muito utilizada em aviões e tanques de guerra durante a II Guerra Mundial, em virtude das altas pressões médias efetivas e altas velocidades do motor que este método de injeção proporcionava.

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A Mercedes-Benz 300SL, foi o primeiro carro movido a gasolina com injeção de combustível a utilizar a injeção direta. Os injetores de combustível da Bosch foram colocados nos orifícios da parede do cilindro usados para a fixação das velas em outros motores Mercedes-Benz de 6 cilindros (as velas foram re-alocadas na cabeça do cilindro). Mais tarde, a maioria dos veículos optou por métodos de injeção indireta, por serem mais baratos.

Após esta experiência, outra versão comercial deste motor só foi aparecer em 1996. A Mitsubishi Motors foi a primeira a utilizar o sistema GDI no Japão, o Galant/Legnum’s 4G93, o qual foi levado a Europa em 1998. A Mitsubishi aplicou largamente esta tecnologia produzindo mais de 400.000 unidades deste tipo de motor em quatro famílias de veículos antes de 1999, mas com combustível de alto índice de enxofre o que causou problemas de emissão, e apresentou eficiência menor que a esperada. A PSA Peugeot Citroen também lançou um motor GDI (com licença da Mitsubishi) em 1999, mas ambos retirados do mercado em 2001. Daimler Chrysler produziu um motor especial para 2000, oferecendo-o somente em mercados com combustível com baixo teor de enxofre.

Posteriormente, os motores GDI foram ajustados e introduzidos no mercado pelo seu alto desempenho. Volkswagen/Audi seguiram a tendência com seu motor GDI 2001, sob o nome de Fuel Stratified Injection (FSI). A tecnologia, desenvolvida nos carros de corrida de Le Mans pela Audi e adaptada para este motor. A BMW seguiu a tendência com um V12. Este sistema da BMW usa injetores de baixa pressão e não pode operar no modo mistura pobre, mas a companhia introduziu uma segunda geração com sistema de Injeção de Alta Precisão (High Precision Injection) melhorado no motor 6 cilindros em linha N52 de 2006. Este sistema supera vários outros com uma gama mais larga de tempo de queima pobre, aumentado a eficiência global. PSA está cooperando com a BMW numa nova linha de motores que deverá aparecer nos MINI Cooper’s em 2007.

A General Motors planejou produzir uma longa gama de motores GDI a partir de 2002, mas somente 2 foram feitos – em 2004, a versão 2.2L Ecotec usada pelo Opel Vectra e em 2005 o 2.0L com a tecnologia VVT para o Pontia Solstice GXP.

Em 2004 a Isuzu Motors produziram o primeiro motor GDI utilizado num veículo largamente vendido nos EUA. De série no Axiom 2004 e opcional no Rodeo 2004. Isuzu evidenciou o maior beneficio do motor GDI como sendo o efeito refrigerante da vaporização do combustível, permitindo uma maior taxa de compressão (10.3 para 1 ante o 9.1 para 1) o que aumentou a potência em 20 Hp e a aceleração de 0-100km/h (de 8.9 para 7.5).

O 2GR-FSE V6 da Toyota utiliza uma combinação de injeção direta e indireta. Ele usa dois injetores por cilindro, a injeção na cabeça da válvula de admissão tradicional e o novo injetor direto.

A Mazda utiliza sua própria versão da injeção direta no Mazdaspeed 6 / Mazda 6 MPS, o utilitário esporte CX-7 e o novo Mazdaspeed 3. Isto está relacionado com a Injeção direta por ignição de centelha.

Outras linhas de pesquisa de motores são: a utilização de gás natural como combustível e a utilização em motores dois tempos a gasolina. Neste ultimo os resultados obtido mostram uma melhor eficiência térmica e menores emissões de NOX do motor 2 tempos operando com injeção direta.

Os primeiros modelos de injeção direta de combustível foram desenvolvidos pelo Knut J. E. Hesselman, engenheiro sueco, com a utilização de patentes Suecas, Européias e Americanas para motores de combustão interna desenvolvida nos anos de 1925-1938.

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Figura 7.1 - Sistema de combustão Hesselman.

A injeção direta de combustível é atrativa porque possibilita uma ótima operação com carga estratificada, comparado com o que é possível num motor com injeção indireta, o que pode ser um pouco atrasado no tempo de compressão, e pelo projeto do injetor (na combustão com o fluxo de fluído dentro do cilindro) pode ser eficientemente isolada do combustível pulverizado.

A melhor operação com carga estratificada, permite ao motor uma maior economia de combustível. A constante busca por uma melhora na economia dos motores a combustão interna, possibilitou a recuperação do desenvolvimento de motores com esta configuração. Isso pode ser constatado observando que somente nos últimos onze anos, três grandes programas para desenvolvimento deste tipo de motor já foram iniciados pelas grandes montadoras. Dentre os principais projetos podemos destacar os motores 4 tempos do final da década de 70 até o início dos anos 80, os 2 tempo no final dos anos 80 até o começo dos 90 e atualmente a retomada do desenvolvimento do sistema para motores 4 tempos.

Apesar da grande vantagem na operação com carga estratificada, este sistema apresenta grande dificuldade com relação à emissão de poluentes. A menos que se utilize EGR, a operação desses motores com mistura muito pobre (carga parcial) compromete a eficiência do catalisador de 3 vias. Nenhum destes motores consegue alcançar a norma 50-State U.S. pollution requirements atual.

Os motores GDI têm um grande número de vantagens: não necessita de borboleta de aceleração (muito embora as maiorias dos motores atuais deste tipo ainda a utilizem), o que reduz as perdas de carga na admissão de ar do motor. Outra vantagem é que num motor sem borboleta de carga estratificada a mesma quantidade de energia é liberada numa massa maior de gás, produzindo um menor aquecimento e uma menor perda de calor. A injeção de combustível dentro do cilindro e sua evaporação, resultam num resfriamento da mistura, e consequentemente numa maior eficiência volumétrica. Além disso, também permite a opção pela utilização de combustível com menor octanagem ou taxas de compressão maiores para a mesma octanagem. (Este maior resfriamento é notado quando comparado com um motor de injeção indireta, onde a evaporação da mistura rouba calor das paredes do injetor e da válvula de admissão; nos motores carburados, a maioria da energia para a evaporação do combustível vem da estrutura do carburador e do coletor de admissão). Todas essas vantagens propiciam um aumento em mais de 30% na eficiência térmica deste tipo de motor.

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Além do mais, com operação a pouca carga a mistura é preparada imediatamente antes da ignição, e dessa maneira o tempo disponível para a auto-ignição é muito curto. Como disse anteriormente, este fato permite a redução da octanagem do combustível ou aumento da taxa de compressão.

Em operação à pouca carga, o GDI opera injetando uma pequena quantidade de combustível atrasada (late in) no tempo de compressão, e pelo gerenciamento do fluxo no cilindro e pelo projeto do bico injetor (bocal pulverizador), o motor consegue manter a quantidade de combustível separada da maioria do ar dentro do cilindro. Isto às vezes envolve um projeto complexo da câmara de combustão, envolvendo uma zona de squish e bowl (bacia) no topo do pistão ou na cabeça do cilindro. Na medida em que a carga aumenta, o tempo da injeção é antecipado cada vez mais na fase de admissão, e o combustível é misturado cada vez mais com o ar no cilindro, até que toda a mistura torna-se homogênea. O fato é que da nuvem de combustível ocupar um volume e localização que variam de acordo com a variação da carga do motor e a localização da vela de ignição ser fixa, causam um problema. Para resolvê-lo a pulverização do combustível e o movimento do ar devem ser controlados para garantir a manutenção da mistura pulverizada próxima à vela, não importando a carga do motor. Em alguns projetos, a mudança da injeção de combustível com atraso para injeção adiantada não é gradual, e em outros como a dupla injeção, só apresentam eficácia para uma carga intermediária.

O controle mecânico existente na época em que este motor foi idealizado foi provavelmente a responsável pela aplicação limitada dos motores de Hesselman, tipicamente em situação de carga constante. Com o advento do controle computadorizado do tempo e do volume da injeção, o desenvolvimento dos motores Hesselman pode ser retomado.

Os motores GDI apresentam vantagens no regime de operação transiente, pois necessitam de uma menor velocidade de enriquecimento da mistura; partida mais rápida, com uma menor necessidade de enriquecimento a frio, reduzindo as emissões de hidrocarbonetos e CO2 na partida à frio.

Entretanto em regime, as emissões de hidrocarbonetos são geralmente excessivas. O GDI tende a emitir partículas como nos motores a Diesel, ou seja, o combustível contém uma faixa grande de tamanho de gotículas. As gotinhas maiores não têm tempo de evaporar e, por essa razão, não são completamente queimadas, saindo partículas de carbono.

Convencionalmente, a queima de uma mistura pobre e homogênea num motor PFI, produz menores níveis de NOx a medida que a mistura empobrece, o que ocorre devido a redução da temperatura na zona de reação. Entretanto num GDI de carga estratificada, a temperatura da zona de reação permanece alta, devido a algumas áreas onde a queima é estequiométrica ou ligeiramente rica, produzindo nelas, grande quantidade de NOx. Como resultado global, a produção de NOx num motor GDI sem EGR é similar aquela do PFI, mesmo que o GDI possa ter uma razão ar/combustível perto de 50 na geração a baixa carga.

O fato do catalisador convencional de 3 vias não poder ser usado para um motor que opera muito pobre, como o GDI, forçou os engenheiros a buscas novas técnicas para a remoção do NO x que seria liberado a atmosfera. Desta maneira, desenvolveu-se a recirculação dos gases de escape, ou EGR. Este produto é largamente utilizado para reduzir a produção de NOx dentro do cilindro. Ele opera como um diluente parecido com o ar, reduzindo a temperatura de combustão. Entretanto, isto degrada um pouco a eficiência térmica, devido à presença de moléculas de CO2 e H20, as quais têm um alto calor especifico e produzem um baixo índice politrópico. Num motor GDI, a combustão estável é possível com uma taxa muito maior de EGR do que no PFI. (Homogênea ou levemente homogênea), porque a mistura na vizinhança da vela é próxima à estequiométrica. O motor homogêneo PFI, é limitado a algo em torno de 15% de EGR, enquanto que um motor GDI de carga estratificada pode operar com EGR de em torno de 30%.

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Além do cuidado no gerenciamento do fluxo dentro do cilindro, o motor GDI requer cuidado no projeto do injetor. O tamanho e a velocidade das gotículas determinarão à taxa de evaporação e a penetração da gotícula. Isto é, o quão longe as gotículas viajarão dentro do cilindro. No PFI, grande parte da carga de combustível é depositada nas paredes da entrada e na parte de trás da válvula de admissão, onde devem ser evaporadas. Para se alcançar todas as vantagens do GDI, o spray de combustível não deve atingir a parede do cilindro para não formar um filme de líquido no local. GDI geralmente utiliza um sistema de injeção common rail, ou seja, um canal de injeção de alta pressão que alimenta os injetores, os quais são eletronicamente controlados pelo ECU do motor. A pressão no coletor é de 5-7MPa, pois, alta pressão produz menores gotículas, mas com maior penetração. A pressão durante o ciclo de partida é muito menor, em torno de 500 kPa. O injetor típico produz uma injeção cônica de combustível rotacional. Este jato quebra-se em gotículas muito rapidamente alcançando o tamanho de 20 μm. As vantagens deste bocal rotacional é que isso produz uma faixa relativamente estreita de tamanho de gotículas (tamanho médio de 20 μm, e gotículas de no máximo 50 μm). Já um bocal convencional, produz uma faixa de variação do tamanho das partículas maior.

O gerenciamento do fluxo no cilindro, juntamente com o padrão de injeção apresentam um grande número de possibilidade para o desenvolvimento deste motor.

7.1. MOTORES ATUAIS – ABORDAGEM MAIS DETALHADA

7.1.1. GDI – Mitsubishi

Atualmente o líder no uso da tecnologia GDI (Gasoline Direct Injection) é a Mistubishi. Ela já aplicou esta tecnologia em diversos motores 4 cilindros com 1.5 litro até V8 de 4.5 litros. Agora, a maioria dos motores que a empresa produz, são dotados do sistema GDI.

O marketing principal da montadora era a redução no consumo de combustível de 20 a 35% apresentada pelos seus novos motores, além de redução nas emissões de CO2 em 20% e do aumento de potência de 10%.

Figura 7.1.1 – Esquema de funcionamento do motor GDI da Mitsubishi.

Ao contrário dos motores convencionais, GDI utilizam tem o canal de admissão de ar deslocado para cima e para direita, acompanhando a seção côncava da superfície do pistão, gerando um fluxo de ar (swirl) diferente durante o tempo de compressão. Quando o combustível injetado dentro da câmara de combustão, a maneira como o ar é injetado, ajuda a misturar o ar com o combustível.

O injetor de combustível é uma nova característica deste motor. Ele injeta combustível a alta pressão (150 até 200 bars em alguns modelos em teste) melhorando a pulverização e a uniformidade do jato.

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A injeção de combustível acontece em duas fases. Durante a admissão, uma certa quantidade de combustível é pré-injetada dentro da câmara de combustão esfriando do ar e aumentando assim a eficiência volumétrica e garantindo uma mistura ar/combustível uniforme em toda câmara.

Figura 7.1.1.2 – Esquema da queima do combustível.

A injeção principal acontece quando o pistão aproxima-se do ponto morto superior, um pouco antes do início da ignição. Como visto na figura 8.1.2, a seção côncava do pistão concentra mais combustível ao redor da faísca da vela, permitindo uma ignição ideal, sem deixar mistura sem queimar, mesmo aquelas que estejam com a razão ar/combustível bem pobre. Isto explica porque o GDI pode operar com razão ar/combustível da ordem de 1:40 sobre uma carga pequena, o que é mais pobre do que os motores de queima pobre Lean Burn Engines. Como resultado, uma queima mais completa é conseguida.

O motor GDI da Mistubishi opera com uma extraordinária taxa de compressão de 12,5:1, talvez a mais alta taxa de compressão de um motor a gasolina já produzido em série. Isto resulta em mais potência.

O segredo deste motor para evitar a detonação é o processo de pré-injeção. Durante a compressão, o ar quente é refrigerado pelo jato de combustível, e desta maneira a detonação fica mais difícil de ocorrer.

Uma das desvantagens dos motores GDI é o alto nível do NOx produzido. Entretanto uma nova tecnologia de catalisador esta conseguindo lidar confortavelmente com este problema. Infelizmente, EUA e outros muitos países desenvolvidos não podem se beneficiar dela porque apresentam gasolina com altos teores e enxofre, o que causa danos a este novo catalisador.

7.1.2. IDE – Renault (Injection Direct Essence)

A Renault foi à primeira montadora européia a lançar um motor à gasolina utilizando a injeção indireta. Ela evitou os problemas encontrados nos motores Mitsubishi mudando completamente o modo de utilização do conceito.

Ao invés de adotarem a mistura ar/combustível muito pobre, eles utilizam altos índices de EGR (Exhaust Gas Recirculation). O EGR reduz o consumo de combustível pela redução das perdas no bombeamento, assim como a redução da capacidade efetiva do motor durante a operação com carga pequena ou média. Na operação com carga baixíssima, o motor IDE da Renault permite uma quantidade de 25% de EGR, muito maior que os 10-15% dos motores convencionais.

O motor IDE consegue trabalhar com 25% de EGR sem falhar na combustão, graças a injeção direta de combustível, estando o injetor localizado no centro da cabeça do cilindro, no lugar tradicionalmente ocupado pela vela de ignição. Nesta configuração, a vela é colocada ao lado, muito próxima a saída do injetor de combustível. O injetor Siemmens injeta combustível a alta pressão (à 100 bar ou 1450psi) diretamente na câmara de combustão. Como a vela de ignição está inclinada e

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localizada no trajeto do combustível pulverizado, o sucesso da combustão está garantido mesmo utilizando-se 25% de gás de combustão na câmara.

Sem uma injeção direta precisa, motores convencionais pulverizam o spray de combustível na porta de indução, assim entrando na câmara de combustão uniformemente. Com esse arranjo fica impossível concentrar maior quantidade de combustível ao redor da vela de ignição.

Dependendo da carga do motor, o IDE roda com uma das 3 pré-configurações de razão de EGR, sendo que para operação com carga total, não há EGR, já que o motor necessita da potência. Consequentemente, como no GDI, quando o motor opera a plena carga, não há economia de combustível. Entretanto a Renault afirma que o motor apresenta uma economia de combustível de 16%, de acordo com o método de teste europeu. O que é ótimo.

Outro ponto de destaque é o desempenho. O motor 1998 c.c. gera 140 hp e um torque de 148 lbft. Em comparação, a configuração convencional (não IDE), mas na versão com comando de válvulas variável, gera os mesmo 140 hp, porém tem um torque de 139 lbft. Nem mesmo o VVT é melhor o IDE.

O ganho de performance é conseguido através do aumento na taxa de compressão, para não usais 11,5:1 (no GDI ela é 12,5:1). Como a Mitsubishi, a pré-injeção ajuda o resfriamento na câmara de combustão, permitindo assim uma maior resistência a detonação e uma taxa de compressão mais alta.

7.1.3. Toyota D4

A Toyota lançou no mercado um motor de carga estratificada com injeção direta de gasolina. Neste motor há 4 válvulas por cilindro, com sistema de regulação de gases de combustão (EGR) e a injeção de gasolina é feita a uma pressão de 12 Mpa. A estratificação da carga é proporcionada pela alta pressão de injeção, pelo formado na câmara de combustão e disposição das válvulas, especialmente projetadas com esta finalidade. O injetor é especialmente tratado para evitar acumulo de depósitos. Comparado com os motores convencionais, apresenta uma econômica de combustível da ordem de 30% e reduções nas emissões da ordem de 95%. Vale ressaltar que estes são dados divulgados pela Toyota em 1996, sendo que os testes práticos mostraram excesso de otimismo nestas considerações.

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7.1.4. Sistema de combustão controlado TCCS da TEXACO e Sistema FM da MAN

Figura 7.1.4.1 – Motores de carga estratificada de produção comercial TCCS TEXACO e FM da MAN.

A câmara de combustão desses motores apresenta um formato côncavo, proporcionado um alto grau de redemoinhos ao ar aspirado, fundamental para uma combustão rápida da mistura.

O combustível é injetado tangencialmente e direcionado para a concavidade do pistão, durante os últimos estágios da compressão. Uma descarga elétrica de longa duração inflama o jato em desenvolvimento nas vizinhanças da vela de ignição. A partir daí, a frente de chama se expande consumindo a mistura ar/combustível até os estágios finais da combustão que são completados durantes o curso de expansão. Estes motores são usualmente denominados de motor de carga estratificada com injeção direta.

7.1.5. Motor de Carga Estratificada – RICARDO

Um outro conceito de motor GDI, proposto em 1918 por Ricardo, tem sido extensivamente desenvolvido e produzido na Ex-União Soviética e no Japão. Este motor também é frequentemente denominado de motor de ignição a jato “jet-ignitionI” ou de ignição por tocha “toch-ignition”. A figura 8.5.1 apresenta uma versão deste motor de 3 válvulas.

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Figura 7.1.5.1 – Esquema de um motor ciclo Otto de carga estratificada e ignição por tocha.

O volume de uma pequena pré-câmara, onde está inserida a vela de ignição, é preenchido completamente com uma mistura muito rica através de uma válvula auxiliar.

Ao mesmo tempo, a mistura principal, muito pobre, é introduzida na câmara principal do motor através da válvula de admissão e preparada de forma convencional por um sistema de carburação ou injeção indireta.

Após o fechamento da válvula de admissão, as pressões no cilindro crescem e a mistura pobre é comprimida para dentro da pré-câmara tornando a mistura nas vizinhanças da vela de ignição facilmente inflamável e levemente rica. Depois que esta mistura levemente rica é inflamada na pré-câmara, um jato de mistura em combustão é lançado através do orifício para a câmara de combustão principal, inflamando a carga principal de mistura pobre ali existente.

A finalidade da pré-câmara é transformar a frente de chama iniciada ao redor da vela de ignição em um ou mais jatos de chama na câmara de combustão principal, os quais apresentam uma maior superfície, com maior capacidade de diluição e maior pode de inflamação da mistura pobre.

Apesar de ser considerado de carga estratificada, ele é realmente um motor de ignição por jato, cuja função básica é ampliar o limite de operação dos motores de ignição por centelha convencional para misturas mais pobres.

8. SISTEMAS DE INJEÇÃO COM COMBUSTÍVEIS ALTERNATIVOS

8.2. OPERAÇÃO POR HIDROGÊNIO (MOTOR DE COMBUSTÃO POR CENTELHA)

Embora a produção do hidrogênio, a infra-estrutura requerida e o reabastecimento sejam problemas difíceis, há soluções praticáveis tecnicamente no horizonte. Produção de o hidrogênio por meio da eletrólise requer quantidade enorme de energia elétrica em forma de energia solar ou energia nuclear.

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Figura 8.2.1 - Carro de passeio movido a hidrogênio com motor de combustão por centelha (BMW 735i)

8.1.1. Armazenando o hidrogênio no veículo

Gases pressurizados armazenados em tanques: Pressões elevadas (300 bar) são requeridas para o armazenamento na forma gasosa. Isto resulta em peso elevado junto com riscos de segurança.

Armazenamento líquido (tanque criogênico): O armazenamento líquido representa a melhor alternativa no que diz respeito ao peso e à densidade da energia (alcance atual aproximado de 300 quilômetros). A temperatura extremamente baixa requer (-253 ºC) isolamento térmico. O calor residual causa a perda de hidrogênio através das válvulas de segurança em uma taxa de aproximadamente 2% por dia em que o veículo fica estacionado. Um evaporador elétrico mantém a pressão especificada do tanque durante a operação.

Tanques de Metal-hidreto: Os hidretos são produzidos enquanto o hidrogênio é absorvido por um pó metálico. Este é um processo exotérmico, ou seja, o calor deve ser dissipado durante o abastecimento. Não há nenhuma perda de armazenamento. As desvantagens associadas com a densidade baixa da energia (alcance de 120 quilômetros) e os custos elevados dos materiais são empecilhos à tecnologia segura e descomplicada.

Armazenamento de Metilciclohexanol: Este tipo de armazenamento emprega um catalisador para desidratar o metilciclohexanol hidrogenado em 500 °C. Os subprodutos são hidrogênio e tolueno reciclável.

8.1.2. Formação da Mistura

Não obstante do modo de armazenamento, até agora todos os sistemas injetam o hidrogênio gasoso no distribuidor de entrada. Embora um número de vantagens pudesse ser ganha injetando o hidrogênio extremamente a baixa temperatura diretamente na câmara de combustão (carga melhorada

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LH2 = Hidrogênio LíquidoGH2 = Hidrogênio Gasoso.

1 - Válvula de bloqueio para abastecimento de LH2 e suprimento de GH2 (admissão a vácuo),2 - Linhas de hidrogênio,3 - Evaporador de LH2,4 - Válvula para regular a potência por controle eletrônico,5 - Injetores de hidrogênio,6 - Válvulas de alívio e de segurança,7 - Tanque de hidrogênio líquido com sucção a vácuo,8 - Sensores de hidrogênio paramonitoramento automático de dosagem,9 - Válvula borboleta para operação agasolina com controle eletrônico,10 - Supercharger centrífugo com velocidade variável.

para maior saída, mistura fria para baixas emissões de NOX, sem perigo de refluxo), a curta vida da válvula injetora significa que não é provável este tipo de sistema ser produzido num futuro próximo.

Os conceitos de formação da mistura exterior a corrente confiam em um sistema de injeção contínua em que uma válvula de leitura elétrica central e um distribuidor de hidrogênio conduzem o hidrogênio vaporizado as entradas individuais da admissão.Refluxo na passagem pela admissão é impedido por misturas pobres ou pela injeção suplementar da água. Um dispositivo de supercharger pode ser usado para compensar uma parcela de perda de energia associada com a operação pobre.

Uma alternativa baseada na injeção seqüencial intermitente do hidrogênio na entrada do coletor de admissão está atualmente em estágio do desenvolvimento.

A escala ilimitada de opções deste sistema para o sincronismo da injeção permite que iniba o refluxo quase completamente, mesmo com as misturas ricas.

A válvula injetora e o sistema de controle eletrônico devem operar com extrema precisão e curtos tempos de abertura da válvula; as exigências técnicas são assim substanciais.

8.1.3. Emissões

Durante a combustão, hidrogênio puro (H2) oxida para forma água (H2O). Nenhum CO2 é produzido pelo processo de combustão. Como nenhum combustível fóssil é usado em sua produção, H2 é assim o único combustível que pode ser usado para evitar totalmente o CO2.

A única alternativa que pode ter efeito similar são veículos movidos à eletricidade. Os limites futuros de emissão de NOX podem ser encontrados com por misturas pobres ou por um sistema para o controle catalítico das emissões (ainda a ser desenvolvido).

8.2. OPERAÇÃO POR ÁLCOOL (MOTOR DE COMBUSTÃO POR CENTELHA)

A disponibilidade limitada de combustíveis fóssil tem conduzido a um crescente esforço para desenvolver motores e sistemas de injeção capazes de usar álcool tais como o etanol e o metanol, porque são combustíveis alternativos. Devido a sua baixa disponibilidade, virtualmente o único lugar onde o etanol é usado é Brasil. Nos Estados Unidos (especialmente na Califórnia), a atenção crescente está sendo focalizada no metanol, que gera em emissões mais baixas: NOX reduzido e CO2 junto com a formação reduzida de ozônio e de fumaça.

Na ausência de redes de distribuição de metanol para assegurar a disponibilidade universal, os motores e os sistemas de controle de motor devem ser projetados para a operação flexível de duplo-combustível (que varia de gasolina pura a 85% de metanol). O álcool é especialmente crítico em cima dos motores e dos componentes de alimentação de combustível. A umidade, os ácidos e a goma contidos no combustível é um perigo aos metais, aos plásticos e à borracha. Graças à qualidade que o metanol tem de elevada resistência a explosão, os motores projetados a funcionar exclusivamente com metanol têm taxas de compressão substancialmente mais elevadas do que os motores a gasolina, sendo mais eficientes. Por outro lado, o baixo valor calorífico do metanol significa que o consumo de combustível é quase o dobro, necessitando taxas mais elevadas de suprimento de combustível, maior volume do tanque e injetores especiais.

Sondas Lambda (O2) apropriadas podem ser empregadas para otimizar o controle de emissões com um conversor catalítico. Os lubrificantes especiais podem manter a estabilidade a longo prazo perante a este combustível agressivo e de seus produtos de combustão.

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O controle piloto da mistura de combustível é facilitado por um sensor do combustível que emite um sinal ao ECU que reflete a proporção do metanol no combustível. Os programas apropriados implementam as correções necessárias da mistura e da ignição aplicáveis a um conjunto particular de características de operação do motor.

8.3. SISTEMAS GLP (GÁS LIQUEFEITO DO PETRÓLEO)

O gás liquefeito do petróleo assume um estado líquido em pressões de 2 a 20 bar, dependendo da relação de propano/butano e da temperatura.

No fim da década de 1990, o GLP era consumido pelos motores de combustão interna numa taxa de aproximadamente 10.3 milhão toneladas métricas anualmente (sendo que 2.6 milhão toneladas eram consumidas na Europa). Devido aos esforços de utilizar o gás contido no petróleo, poderá haver um aumento exponencial de seu uso. O imposto de óleo mineral é um fator decisivo para determinar a lucratividade do gás liquefeito do petróleo.

8.3.1. Gás Natural como Combustível

Pelo fato de existirem reservas imensas, o gás natural é uma alternativa muito interessante para aplicações automotivas. As configurações de equipamento do gás natural e as emissões produzidas seriam similares àquelas a combinação de propano e butano conhecidos como GLP. O gás natural pode ser transportado no veículo tanto como um gás de alta pressão (160 a 200 bar) ou na forma liquefeita (a -160 ºC) em um tanque isolado; a desvantagem do modo anterior encontra-se em sua escala de operação limitada.

A única diferença real entre os conceitos praticados pelo gás natural e GLP é a maneira que o gás é transportado no veículo; as diferenças reais em princípios de operação são mínimas.

8.3.2. Operação com GLP

Todo o veículo equipado com um motor do IC pode ser convertido para a operação no GLP. Para a maioria das peças, os motores de centelha são reequipados para a operação bi-combustível (o sistema pode ser comutado entre a gasolina e o GLP). Os táxis e os ônibus movidos a GLP geralmente são configurados para operar apenas com um combustível (GLP somente), enquanto os regulamentos obrigam esta configuração nos caminhões industriais movidos a gás para o uso em ambiente fechado. Quando os motores são convertidos, deve-se recordar que eles operam naturalmente como motores aspirados ao funcionar com GLP (o consumo em litros aumenta aproximadamente em 25% em relação à gasolina).

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1 Linha da ventilação para os acessórios do tanque2 Tanque de GLP3 Carcaça com acessórios do tanque4 Válvula de enchimento externo (projetada para interromper o reabastecimento ao atingir 80% da capacidade do tanque)5 Válvula de fechamento de gás6 Regulador de pressão do evaporador7 Servo-motor para controle do gás, 8 ECU9 Chave seletora gás/gasolina10 Dispositivo misturador Venturi11 Sonda Lambda12 Sonda de Vácuo13 Bateria14 Interruptor de ignição/partida switch15 Relé

Figura 8.4.2.1 – Diagrama esquemático do sistema GLP (principio carburador)

8.3.3. Emissões de Escape

Como o GLP mistura bem com o ar, as emissões (do CO2 e dos outros componentes tais como hidrocarbonetos de anéis aromáticos) são substancialmente menores do que aquelas produzidas por motores que queimam gasolina, e são mais baixo uniformes do que aquelas produzidas por motores com injeção de combustível equipados com os conversores catalíticos de três vias com realimentação.

O GLP não contém nenhuma ligação ou composto de enxofre. As características muito boas de combustão são complementadas pelas propriedades excelentes da formação e distribuição da mistura. Estas características ainda são mais significativas em temperaturas baixas.

A figura 8.4.3.1 mostra valores empíricos para fazer um comparativo de emissões de poluentes (a) e efeito dos poluentes (b) entre os diversos tipos de combustível.

Figura 8.4.3.1 – Emissões de escape e os efeitos com gasolina, GLP, gás natural e diesel.Vantagens:

Extremamente vantajoso para motoristas que percorrem grandes distancias.

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Supondo o mesmo nível de tecnologia (sistemas de controle eletrônico, etc.), as emissões de um motor do LPG são substancialmente mais baixas do que aquelas obtidas com gasolina ou diesel.

Desvantagens:

Escalas de cruzamento mais baixas (Lower cruising ranges) e aumento de consumo volumétrico de combustível se comparado à gasolina (embora o uso real de energia não seja mais elevado do que com gasolina, e mais baixa do que com o motor diesel).

Precauções especiais de segurança são necessárias, já que o GLP é pressurizado. Os cilindros de gás pressurizado requerem muito espaço, porque a capacidade real é somente

80% do volume do cilindro (o restante serve como quarto de expansão para o gás).

8.3.4. Sistema GLP

Um moderno sistema de GLP incorpora os seguintes componentes:

Tanque para o GLP Válvula de enchimento externo projetada para interromper o reabastecimento ao atingir 80% da

capacidade do tanque Válvula de interrupção do fluxo Regulador de pressão do evaporador com sistema de refrigeração Unidade misturadora de Venturi/injetor Unidade de controle eletrônico (ECU) Servo-motor para controlar o fluxo de gás Chave para alternar entre a operação a GLP ou a gasolina

O GLP flui do tanque ao regulador de pressão do evaporador, onde é vaporizado e sua pressão é reduzida. O ECU processa os sinais das sondas Lambda (O2) e do vácuo, que servem como referências para controlar o servo-motor usado para regular o fluxo de gás liquefeito à unidade misturadora de venturi.

A válvula de interrupção do fluxo fecha imediatamente quando a ignição é desligada. Uma chave Gasolina/GLP é instalada no painel de instrumentos permite que o operador alterne entre os dois combustíveis.

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Figura 8.4.4.1 – Diagrama esquemático do sistema GLP (principio injeção)

8.3.5. Tanque de GLP

Os tanques de GLP armazenam o gás pressurizado, são sujeitos às regulamentos técnicos e na fábrica, cada tanque recebe a aprovação técnica oficial com certificação.

São equipados com uma válvula de enchimento externa (projetada para interromper o reabastecimento ao atingir 80% da capacidade do tanque), bem como uma válvula de descarga eletromagnética, e têm uma capacidade de 40 a 128 litros para carros de passageiro.

8.4. OPERAÇÃO COM GÁS NATURAL DE MOTORES DE IGNIÇÃO A CENTELHA

O cenário mundial esforça para reduzir as emissões do CO2 e cumprir com os limites cada vez mais restritos de emissão de gases, o gás natural está obtendo um crescimento significado como um combustível alternativo.

8.4.1. Propriedades e Armazenamento de Gás Natural

O componente principal do gás natural é o metano (CH4), compondo de 80 a 99%. O restante consiste em gases inertes tais como o dióxido de carbono, o nitrogênio e outros hidrocarbonetos de baixa ordem. Uma diferenciação é feita entre o L-gás (de 80 a 90 % de metano) e o H-gás (> 90%) dependendo da qualidade do gás.

O gás natural pode ser armazenado na forma líquida a -162 ºC como o GNL (gás natural liquefeito) ou na forma comprimida a pressões de até 200 bar como GNC (gás natural comprimido). Em vista do grande custo envolvido para armazenar o gás na forma líquida, o gás natural é usado em

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1 ECU2 Tomada de diagnóstico3 Chave de seleção de combustível4 Relé5 Sensor da pressão de admissão, 6 Regulador de pressão do evaporador7 Válvula de interrupção do fluxo8 Distribuidor de fase do motor9 indicador de RPM10 Sonda Lambda (O2)11 Bico injetor de gás.

forma comprimida em quase todas as aplicações. A baixa densidade de energia do gás natural é uma desvantagem particular, sendo necessários tanques grandes de armazenamento. Os tanques de armazenamento de Metal-hidreto representam uma opção a mais de armazenamento, embora não sejam usados para razões de custo.

8.4.2. Formação da Mistura

Na maioria dos sistemas, o gás é injetado no distribuidor de admissão como nos sistemas multiponto convencionais de injeção de gasolina. Um trilho de baixa pressão comum fornece as válvulas do injetor que injetam intermitentemente no distribuidor de admissão. A formação da mistura é simplificada pelo fornecimento completamente gasoso do combustível, porque o gás natural não se condensa nos distribuidores de admissão e não forma uma película nas paredes. Isto tem um efeito favorável em emissões, particularmente durante a fase de aquecimento.

A saída do motor a gás natural é aproximadamente de 10 a 15% mais baixos do que aquela do motor a gasolina por causa da massa menor de combustível necessária para a combustão estequiométrica (17.2: 1 relação), bem como uma eficiência volumétrica menor devido ao gás natural injetado. Uma compressão mais elevada pode impulsionar o desempenho ao simultaneamente aumentar a eficiência. A qualidade antiknock (dificuldade a explosão) extremamente elevada do gás natural (120 RON) permite compressões muito elevadas de aproximadamente 13:1 (8: 1 para a gasolina regular).

Uma melhoria extra na eficiência pode ser conseguida pela operação de mistura pobre até o λ = 1.7. Uma mistura pobre reduz as temperaturas de combustão quando promove ao mesmo tempo desaceleração do motor.

8.4.3. Emissões

Os veículos a gás natural são caracterizados pelas baixas emissões de CO2 devido à relação favorável do hidrogênio/carbono (relação de H/C) quase de 4:1 (gasolina: 2.3:1) reduzindo os principais produtos da combustão, CO2 e H2O. Aparte da combustão de partícula livre, em conjunto com conversor catalítico de três vias em circuito fechado somente níveis muito baixos dos poluentes NOX, CO e NMHC (“non-methane hydrocarbons”: a soma de todos os hidrocarbonetos menos o metano) são emitidos. O metano é classificado como não tóxico, e conseqüentemente não é considerado como um poluente.

No modo de mistura pobre as emissões de NOX são mais elevadas do que no modo λ = 1 com um conversor catalítico de três vias. Da mesma maneira que na operação a gasolina, esta desvantagem pode ser boa parte eliminada pelo uso de métodos de tratamento mais caros de gases de escapes (por exemplo, conversor catalítico de NOX).

8.4.4. Aplicações de Motores a Gás Natural

Devido a sua escala limitada, os motores a gás natural são usados quase exclusivamente em frotas públicas de transporte locais (Ex.: ônibus e táxis). Os sistemas bicombustível facilmente que alternam a operação entre gás natural e gasolina são usados inicialmente em carros de passageiro.

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8.5. TECNOLOGIA TRICOMBUSTÍVEL

A tecnologia flex fuel, que permite a um carro rodar com dois tipos de combustível (álcool e gasolina), equipa grande parte dos veículos brasileiros lançados recentemente. Agora uma nova tecnologia está surgindo: um sistema tricombustível que associa o conceito flex fuel ao gás natural.

A principal vantagem do sistema tricombustível é sua versatilidade: o motorista pode escolher pelo uso de três combustíveis diferentes. Outro ponto importante está na economia proporcionada pelo sistema a gás. Um motorista que roda num automóvel movido a gás gasta, por quilômetro rodado, 60% a menos do que com um carro a gasolina e 45% a menos do que com um carro a álcool.

Diferente do flex fuel, que possibilita a mistura de dois combustíveis, o sistema tricombustível pode funcionar de quatro formas: alimentado só por gás natural, só por álcool, só por gasolina ou por uma mistura de álcool/gasolina. É o condutor quem escolhe o tipo de combustível: a partir de uma tecla no painel, ele faz a opção por um de dois sistemas (gás ou gasolina/álcool).

Outra vantagem do sistema tricombustível está em sua maior autonomia em relação aos sistemas atuais. Por estar equipado com dois tanques de combustível, um para gás e outro para álcool/gasolina, ele permite que o automóvel rode uma distância maior, sem que haja necessidade de abastecimento. Além disso, em caso de o gás acabar, o sistema faz automaticamente a mudança para a alimentação álcool/combustível - passando a funcionar como um veículo flex fuel normal. O contrário também acontece: se o combustível líquido acabar, o gás natural é acionado.

A perda de rendimento de gasolina para GNV se explica, principalmente, pela incompatibilidade entre taxa de compressão e octanagem dos dois combustíveis. Se aplicar turbo-compressor no motor a turbina, consegue-se quase anular esse problema de perda de potência, porém encarece o produto. Além disso, o sistema tricombustível avaliado tem como um dos seus principais benefícios potencializar a diminuição de emissão de poluentes na atmosfera - pois quando comparado à gasolina, o GNV apresenta uma menor emissão de hidrocarbonetos (HC), monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio (NO); além de reduzir a emissão de dióxido de carbono (CO2), responsável pelo efeito estufa, em aproximadamente 25%.

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EM865 – Motores de Combustão Interna Injeção de Combustível em Motores Ciclo Otto

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Konig, Axel ; Held ,Wolfgang, e Richter ,Thomas .“Lean-burn catalysts from the perspective of a car manufacturer. Early work at Volkswagen Research”. Disponível na Web:

2. <http://www.springerlink.com/content/m6g1787514gq5812/fulltext.pdf> consultado dia 08/11/2006.

3. Bosch Automotive Handbook, 6th. Edition, Robert Bosch, 2004

4. GIACOSA, Dante. “Motores Endotérmicos”. Barcelona, Cientifico Médica, 1970

5. GARRETT, T. K.; STEEDS, W.; NEWTON, K., The Motor Vehicle

6. Bosch – Fuel Injection Systems, 1ª edição, HPBooks, 2001.

7. BARBOSA FORMIGA, Cleiton Rubens. “Desempenho de um motor ciclo otto com injeção direta de gás natural”. Orientador: Prof. Dr. Samuel Washington Célere. Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Engenharia Mecânica, 1997.

8. Autozine, Green Engine Technology - Petrol Engines. Acessado em 30 de outubro de 2006, em:< http://www.autozine.org/technical_school/engine/GDI-in-Europe#GDI-in-Europe >.

9. Wikipedia, Fuel Injection. Acessado em 25 de Outubro de 2006, em: < http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_injection >.

10. Wikipedia, Carburetor. Acessado em 25 de Outubro de 2006, em: < http://en.wikipedia.org/wiki/Carburetor >.

11. Notas de aula da matéria EM-865, “Motores de combustão interna”. Prof. Paulo Zampieri.

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