introduÇÃo aos motores de combustÃo...

INTRODUÇÃO AOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA

CAPITULO 1

Eng. Julio Cesar Lodetti

Volvo Powertrain

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Volvo PowertrainEng. Julio Lodetti

HISTORICO DOS MOTORES

• 1824: Sadi CARNOT escreve “Reflexões sobre a potência motriz do fogo”;• 1860: Jean Joseph Etienne LENOIR escreve na Bélgica: “O motor sem

compressão”. No mesmo ano, ele desenvolve o primeiro motor a pistão equipado com ignição por centelha.

• 1862: França. Alphonse BEAU du ROCHAS define teoricamente o ciclo do motor a 4 tempos;

• 1867: Nicolas August OTTO patenteia o primeiro motor a gasolina a aspiração natural.

• 1876: OTTO, funcionário da DEUTZ, constrói o primeiro motor a combustão, seguindo a teoria de BEAU du ROCHAS;

• Taxa de compressão: 2,5:1 e rendimento de 15%.• 1884: Primeiro automóvel em 12/12/1884 na França• 1886: Primeiros automóveis na Alemanha – Carl Benz, Gottlieb Daimler e

Wilhelm Maybach. Este, inventou o carburador em 1893, antes, usava-se “dispositivos evaporadores”.

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• 1894: Primeira corrida de automóvel entre as cidades de Paris e Rouen;• 1897: Surge o primeiro motor DIESEL, construído por.....Rudolf DIESEL, em

Augsburg na Alemanha.– 20cv a 172 rpm, η~26%

• 1898: Primeiro salão do automóvel, Paris.• 1904: Primeiro navio a Diesel;• 1909: Motor diesel injeção Indireta pronto para entrar em produção;• 1912: Primeira locomotiva a Diesel;• 1936: Primeiro veículo de passeio Diesel, Mercedes 260D;• 1954: Surge o motor rotativo (Wankel);• 1989: Primeiro veículo de passeio Diesel a injeção direta (Audi);• 1997: Primeiro veículo de passeio com injeção direta a gasolina (Mitsubishi GDI);

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• E antes deles, em 1712, o inglês Thomas Newcomen, desenvolveu o primeiro motor a vapor...com sucesso...mas ainda era a combustão externa

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• E antes dele, em 1673, o físico alemão Christian Huygens, a mando do rei Louis XIV, da França, desenvolveu o primeiro motor a combustão interna. A pólvora, mas a combustão interna.

• Objetivo do motor: bombear mais de 3000 m3 de água para abastecer as fontes do palácio de Versailles.

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Os ban-ban-bans 2010

Brand Displacement Fuel RemarkInternational Engine of the year 2010 VW 1.4 liter Gas TSI twincharger, 178hp

Best New Engine FIAT 1.4 liter Gas AspiratedBest Green Engine Toyota 1.8 liter Gas HybridBest Performance AMG-Mercedes 6.3 liter Gas Aspirated, 630 Nm

Best Sub 1 liter Toyota 0.99 liter Gas 3 cyl, aspro, 25 km/lBest 1 to 1.4 liter VW 1.4 liter Gas TSI, twincharger, 178hp

Best 1.4 to 1.8 liter BMW-PSA 1.6 liter Gas Turbo, direct injection, 178hp, 260 NmBest 1.8 to 2 liter BMW-PSA 2 liter Diesel Twin-Turbo, 204 hp, 18 km/lBest 2 to 2.5 Liter AUDI 2.5 liter Gas 5 cyl, 340hp, Direct InjectionBest 2.5 to 3 liter BMW-PSA 3 liter Gas Twin-Turbo, Direct Injection, 306 hp, 400 NmBest 3 to 4 Liter BMW 4 liter Gas V8, 420hp @ 8250 rpm (M3)

Best above 4 Liter AMG-Mercedes 6.3 liter Gas Aspirated, 525hp @ 7200 rpm

Fonte: Engine Technology International Magazine

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Os ban-ban-bans

Fonte: Engine Technology International Magazine

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Desde então, cada pessoa percorre por dia....

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Desde então, a produção de veículos aumenta a cada dia....

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Produção de veículos no Brasil

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Previsão para o mercado americano

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Carros por 1000 habitantes

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NORMAS DE EMISSÕES

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Evolução

Fonte: Corning, forum SAE Diesel 2008

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Legislação Brasileira

LIMITES

POLUENTES

Desde1º/1/2005(1)(2)

monóxido de carbono (CO em g/km) 1,0

hidrocarbonetos + óxidos de nitrogênio (HC + NOx em g/km) 1,2

(1) a produção ou importação de até 50 unidades de um modelo por ano, num total máximo da 100 unidades de diferentes modelos por importador ou fabricante, poderá ser isenta da apresentação do atendimento aos limites;(2) - em 1º/1/2005 -> iniciou para todos os novos lançamentos de modelos.

- em 1º/1/2006 -> exigido para todos os modelos.

(1) a produção ou importação de até 50 unidades de um modelo por ano, num total máximo da 100 unidades de diferentes modelos por importador ou fabricante, poderá ser isenta da apresentação do atendimento aos limites;(2) - em 1º/1/2005 -> iniciou para todos os novos lançamentos de modelos.

- em 1º/1/2006 -> exigido para todos os modelos.

4,5%> 250 cc

6,0%≤ 250 ccmonóxido de carbono em marcha lenta(COMarcha Lenta)

0,150,150,30,3óxidos de nitrogênio (NOx em g/km)

0,30,81,01,2hidrocarbonetos (HC em g/km)

2,02,05,55,5monóxido de carbono (CO em g/km)

≥ 150 cc< 150 cc≥ 150 cc< 150 cc

Motorização

a partir de1º/1/2009(1)

Desde1º/1/2005(1)(2)

LIMITES

POLUENTES

Ciclomotores

Motocicletas

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Legislação Brasileira

–

Veículos leves

Fonte: CETESB

Ano CO HC NOx RCHO Emissão

Modelo (g/km) (g/km) (g/km) (g/km) Evaporativa de

Combustível (g/teste)

PRÉ - 1980 Gasolina 54,0 4,7 1,2 0,05 nd1980 - 1983 Gasolina C 33,0 3,0 1,4 0,05 nd

Álcool 18,0 1,6 1,0 0,16 nd1984 - 1985 Gasolina C 28,0 2,4 1,6 0,05 23

Álcool 16,9 1,6 1,2 0,18 10

1990 Gasolina C 13,3 (-53%) 1,4 (-42%) 1,4 (-13%) 0,040 (-20%) 2,7 (-88%)

Álcool 10,8 (-36%) 1,3 (-19%) 1,2 (0%) 0,110 (-39%) 1,8 (-82%)

1995 Gasolina C 4,7 (-83%) 0,6 (-75%) 0,6 (-62%) 0,025 (-50%) 1,6 (-93%)

Álcool 4,6 (-73%) 0,7 (-56%) 0,7 (-42%) 0,042 (-77%) 0,9 (-91%)

2000 Gasolina C 0,73 (-97%) 0,13 (-95%) 0,21 (-87%) 0,004 (-92%) 0,73 (-97%)

Álcool 0,63 (-96%) 0,18 (-89%) 0,21 (-83%) 0,014 (-92%) 1,35 (-87%)

Gasolina C 0,34 (-99%) 0,10 (-96%) 0,09 (-94%) 0,004 (-92%) 0,90 (-96%)

Álcool 0,82 (-95%) 0,17 (-89%) 0,08 (-93%) 0,016 (-91%) nd

Flex-Gasolina C 0,45 (-98%) 0,11 (-95%) 0,05 (-97%) 0,003 (-94%) nd

Flex-Álcool 0,39 (-98%) 0,14 (-91%) 0,10 (-92%) 0,014 (-92%) nd

Gasolina C 0,37 (-99%) 0,042 (98%) 0,039 (98%) 0,0014 (-97%) 0,66 (-97%)

Álcool (8) nd nd nd) nd nd

Flex-Gasolina C 0,51 (-98%) 0,069 (97%) 0,041 (97%) 0,0020 (-96%) 0,42 (-98%)

Flex-Álcool 0,71 (-96%) 0,052 (97%) 0,048 (96%) 0,01524 (92%) 1,10 (-89%)

Diesel (9) 0,30 0,06 0,75 nd nd

A tabela 7 permite uma comparação mais detalhada dos resultados obtidos nos diversos estágios de desenvolvimento tecnológico exigidos pelo PROCONVE em relação aos veículos ano-modelo 1985, que

representam a situação sem controle de emissão. O termo "Gasolina C" caracteriza a gasolina com 22% de álcool, que é o combustível adequado aos veículos fabricados a partir de 1982.

Tabela 7 - Fatores médios de emissão de veículos leves novos (1)

2008

2005 (5)

Combustível

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Emissões no Brasil

Fonte: CETESB

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Data Fase do

PROCONVE Aplicação100% ônibus urbanos ou60% ônibus urbanos (2)

100% microônibus100% ônibus urbanos (3)40% demais veículos ou60% demais veículos (3)

6-Jan P - 5100% demais

veículos

9-Jan P - 6 (4)Todos os veículos

12-Jan P - 7 (5) Todos os veículos

1 - Conforme a Resolução CONAMA nº 315/02. "P" = veículos pesados.2 - O fabricante poderá optar por 60% desta data, a ser integralizado em jan/05 e, neste caso, deverá atender 3 - No caso da opção 2.

4 - Fase não implantada por problemas de diponibilidade nacional do óleo diesel adequado a essa 5 - Conforme a Resolução CONAMA nº 403/08.

4-Jan P - 5

5-Jan P - 5

Tabela 6 - Datas de implantação dos novos limites de emissões para veículos pesados (1)

Legislação Brasileira–

Veículos pesados

Fonte: CETESB

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Legislação Brasileira–

Veículos pesadosVeículos Pesados – Ciclo Diesel – Convencional e com Pós-tratamento(Ciclo de testes ESC/ELR) – Resolução 403 de 11 de novembro 2008

Fonte: CETESB

LIMITES

Fase P-5(1) Fase P-6 Fase P-7

desde1º/1/2004

a partir de1º/1/2009

a partir de1º/1/2012

monóxido de carbono (CO em g/kW.h) 2,10 1,50 1,50

hidrocarbonetos (HC em g/kW.h) 0,66 0,46 0,46

óxidos de nitrogênio (NOx em g/kw.h) 5,00 3,50 2,00

material particulado (MP em g/kW.h) 0,10 ou 0,13(2) 0,02 0,02

opacidade ELR (m-1) 0,80 0,50 0,50

(1) Permanece em vigor nos anos de 2009, 2010, e 2011 por força de Termo de Ajustamento homologadopelo Juízo Federal no estado de São Paulo(2) Aplicável somente a motores de cilindrada unitária inferior a 0,75 dm³ e rotação à potência nominalsuperior a 3000 m-1;

POLUENTES

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A legislação no “primeiro” mundo

Fonte: BOSCH/MTZ

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Source: Dieselnet

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Evolução

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Legislação nos USACarros de passeio

Fonte: FEV

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Ciclos normalizados Veículos de Passeio

• Ciclo FTP 75 (USA, Brasil)

Fonte: Dieselnet

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Legislação na Europa –Veículos de Passeio

• Ciclo NMVEG (Europa)

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CLASSES DE MOTORES

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CLASSES DE MOTORES

• A combustão interna: São os motores onde os produtos da combustão constituem eles mesmos o fluido de trabalho.

• A combustão externa: São aqueles aonde o calor dissipado por uma combustão é transferido a um fluido intermediário (ar, hidrogênio, vapor d`água etc). Este fluido intermediário que é o gerador do trabalho mecânico.

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CLASSES DE MOTORES

No caso dos motores a combustão interna podemos distinguir ainda:

• Motores alternativos do tipo a “ignição por centelha” e motores a ignição por compressão ou “Diesel”.

• Motores axiais: No caso das turbinas de avião e a gás.

– Nestes últimos, as diferentes evoluções do fluido motor acontecem em espaços sucessivos e justapostos. Ao contrário dos motores alternativos onde as transformações acontecem todas no mesmo espaço, a câmara de combustão.

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CLASSES DE MOTORES

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CLASSES DE MOTORES

Motores axiais Motores alternativos

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Famílias de motores alternativos• Ciclo termodinâmico 2 ou 4 tempos• Modo de combustão

» Ignição por centelha;» Ignição por compressão;» Carga estratificada e/ou lean burn;» Dual-Fuel;» HCCI;» ATAC

• Natureza do combustível» Gasolina, etanol, metanol;» Diesel;» Gás liquefeito de petróleo, G.N.V, etc

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Famílias de motores alternativos

– Modo de alimentação em combustível

– Carburador;

– Injeção de gasolina indireta mono ou multi-ponto; com baixa pressão de injeção (< 5 bar)

– Injeção direta de gasolina (50-200 bar);

– Injeção indireta Diesel em pré-câmara de combustão;

– Injeção direta Diesel, com bombas de injeção em linha, rotativa, com o sistema‘Common rail’, Unidades injetoras.

• Modo de alimentação em ar

– Aspiração natural

– Sobre-alimentação

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•Especificações de um motor DIESEL pesado

• Fabricante: VOLVO Powertain• Tipo do Motor: D13A/B/C• Deslocamento volumétrico (cm3):

12.600• Diâmetro: 135 mm• Curso: 156 mm• Potência: 345-540 hp a 1800 rpm• Torque: 1750-2600 Nm a 1050 rpm• Razão de compressão: 18:1• Emissões: Euro3/4/5 , US07, US10,

JPN-NLT,

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OS CICLOS MOTOR

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OS CICLOS MOTOR• 2 TEMPOS • 4 TEMPOS

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OS CICLOS MOTOR - outros• WANKEL

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OS CICLOS MOTOR - outros

• Early Gas Turbine History• 1791 First patent for a gas turbine (John Barber, United Kingdom)• 1904 Unsuccessful gas turbine project by Franz Stolze in Berlin (first axial

compressor)• 1906 GT by Armengaud Lemale in France (centrifugal compressor, no useful

power)• 1910 First GT featuring intermittent combustion (Holzwarth, 150 kW, constant

volume combustion)• 1923 First exhaust-gas turbocharger to increase the power of diesel engines• 1939 World’s first gas turbine for power generation (Brown Boveri Company),

Neuchâtel, Switzerland(velox burner, aerodynamics by Stodola)

Fonte: M.I.T

• BRAYTON

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OS CICLOS MOTOR - outros

• BRAYTON

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OS CICLOS MOTOR - outros• Para nunca mais esquecer como

funciona ...

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ARQUITETURA DO MOTOR

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ARQUITETURA DO MOTOR

BAIXO MOTOR

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Câmaras de combustão

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• Q = vazão mássica na seção da válvula

• ρ = densidade do fluido que atravessa a seção da válvula

• V = Velocidade deste fluido

• A = Área da seção de passagem na válvula

Q = ρ . V. A

Fonte: Oficina Brasil

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Camaras de Combustão

Fonte: AutoEntusiastas.blogspot.com

5 válvulas por cilindro 4 válvulas por cilindro

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Camaras de Combustão

Fonte: BOSCH/MTZ

Fonte: Fiat Powertrain

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Sistemas de distribuição

Comando no bloco Comando no cabeçote

Fonte: livro “The Romance of Engines” - SAE

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Sistemas de distribuição

• Comando simples no cabeçote (SOHC, OHC);

• Válvulas acionadas por ataque direto;

• Pré-Câmara de combustão;

• Ignição por compressão (Diesel).

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Sistemas de distribuiçãoComando simples no bloco – motor em V

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Sistemas de injeção de combustível

• Ignição por centelha e Injeção indireta (via coletor de admissão)

– Carburador (in-memoriun)

– Mono-ponto (Ex: E.F.I)

– Multi-ponto (Ex: M.P.F.I.)

• Ignição por centelha e Injeção direta (na câmara de combustão)

– Exemplo: TSI e TFSI da VW.

• Diesel e injeção indireta (em pré-câmara)

• Diesel e injeção direta (na câmara de combustão)

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Configuração de cilindros

• I

• L

• V

• W

• X

• H

• Etc etc...

• V invertido

• Duplo V

• U

• Espiga de milho

• VW – VR

• Contrapostos

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V x W

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Radial de 5 cilindros

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VELOCIDADE MÉDIA DO PISTÃO

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Velocidade média do pistão

• EQUAÇÃO GERAL

6010...2)/(

3−

=NLsmVp 30

10..)/(3−

=NLsmVpou

Onde:•L = curso do pistão (mm)•N = rotação do motor (rpm)

O valor máximo da velocidade média do pistão é limitada pelos esforços de Inércia e pela garantia de um bom enchimento dos cilindros.Uma velocidade de 24 m/s nos dias de hoje, é o limite....salvo

motores F1.

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Velocidade Média do Pistão

• Para motores a ignição por centelha, os valores ficam em torno de 12 a 18 m/s;

• Existem versões esportivas que atingem a casa dos 23 m/s;• Motores de F-1 atuais, ultrapassam a barreira dos 26 m/s;• A velocidade média do pistão nos dá uma idéia da escolha

técnica do motor. Influenciando prestações e custos de produção

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• A velocidade média do pistão permite classificar os motores diesel como:

1 Rápidos (automóvel), onde Vp = 12 –14 m/s, N= 4000 a 5000 rpm. Caminhão, trem...

2 Semi-rápidos, onde Vp = 7 – 9 m/s, N < 1000 rpm

3 Lentos, onde Vp = 6 – 8 m/s, N<600 rpm

3010..)/(

3−

=NLsmVp

1

2

3

Fonte: RAYNAL,B.

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• A tendência atual para os motores DIESEL, tanto os rápidos quanto os semi-rápido, está na marca de 11 m/s de Velocidade média do pistão.

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Velocidade média do pistão• Motor Rodoviário rápido – Volvo D12D

Curso = 150 mmNPmax = 1800 rpmPot = 70 kw/cilindroCSEmin = 200 g / kw.h

Vm = 9 m/s

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Fonte: Volvo Powertrain

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Velocidade média do pistão• Motor Ferroviário rápido

D,L = 200, 300 mmN = 1000 rpmPot = 200 kw/cilindroCSEmin = 190 g / kw.h

Vm = 10 m/s

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Velocidade média do pistão• Motor Marinho SEMI-RAPIDO

D = 400 – 600 mmN = 350 – 500 rpmPot = 1000 kw/cilindroCSEmin = 190 g / kw.h

Vm ~ 8 m/s

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Velocidade média do pistão• Motor Marinho LENTO

N = 70 – 120 rpmPot = 3500 kw/cilindroCSEmin = 155 g / kw.hVm ~ 6 m/s

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Relação diâmetro x curso

• Motor QUADRADO

– Onde L = D– Ex: Automóveis “populares”

• Motor SUPER-QUADRADO

– Onde L < D– Ex: Motores de competição ou esportivos

• Motor SUB-QUADRADO

– Onde L > D e L >> D – Ex: Motores de caminhão, navio

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Relação de compressão

• Também conhecido como “taxa de compressão”, mas este termo éerrôneo;

• ONDE:– vezinho = volume da câmara de

combustão, incluindo o volume da pré-câmara, no caso de injeção indireta diesel;

• Além da espessura da junta do cabeçote...

– VEZÃO = volume do cilindro;

ε =+V v

vu

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CONTROLE ELETRÔNICO DO MOTOR

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As prestações para satisfazer o cliente

• Antes de 1970: só importava desempenho, aceleração,potência e velocidade.

– Depois, por causa das crises petróleo, o cliente desejava um carro que consumisse pouco.

– Ao fim dos anos 70, diminuir poluição viria ser a maior preocupação das industria automotiva e petrolíferas, devido a

pressão exercida pela legislação.

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• Consumo • Poluição\Emissões

• Desempenhos • Confiabilidade

• Arranque afrio / quente

• Ruídos/Vibrações

• Dirigibilidade (correção do torque)

• Agora, quando um construtor tem que ajustar um motor, deve-se combinar as diferentes prestações seguintes para seduzir o cliente :


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• Graças aos melhoramentos com a velocidade de tratamento para o calculador dos dados provenientes dos sensores, muitos fatorespodem ser ajustados durante o funcionamento do motor para adequar-se a estas prestações. Isso é o controlador do motor.


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Dimensões dos calculadores...

DIESEL

Fonte: Renault

introduÇÃo aos motores de combustÃo...

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