Energy in Transports Fuel consumption and emissions from road vehicles. Tiago Lopes Farias

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1 Energy in Transports Fuel consumption and emissions from road vehicles Tiago Lopes Farias Instituto Superior Técnico

2 Otto Engine: : 4 stroke cycle ADMISSÃO COMPRESSÃO EXPANSÃO ESCAPE

3 Main variables curso (l) = 2 x raio manivela (a) V c = π d 4 2 l cilindrada = nº n cilindros x V c razão de compressão = V V max res

4 Main Components

5 Type of engines

6 ARQUITECTURA

7 Main Components

8 DISTRIBTUTION ÁRVORE DE CAMES LATERAL DOHC

9 DISTRIBUITION

10 LUBRICATION

11 Engine Cooling System Water pump Thermostat Radiator Vent Chauffage

12 Fuel injection Air + gasoline 14,6 kg of air per kg of fuel Systems: Carburetor Injection: - Mono point - Multi point Direct Injection

13 2 Emissions: Spark ignition engines

14 4 STROKE CYCLE ADMISSÃO COMPRESSÃO EXPANSÃO ESCAPE

15 Engine efficiency

16 Pollutant emissions (λ= = 1 => AF = 14,6) Main pollutants: CO 2, HC, CO, NO x (90 a 98% NO)

17 Emissions control 3 way catalyst converter

18 Catalyst efficiency η cat, Temperature Exhaust gases Age of the catalysts (kms)

19 ENSAIOS E NORMAS Normas europeias determinam a emissão de poluentes tóxicost Veículos ligeiros de peso bruto 2.5t (valores em g/km) Norma Ano CO HC HC + NO x NO x Euro Euro Euro 3* 1/ Euro 4* 1/ *Gasolina, GPL e gás g s natural

20 CONTROLE DE EMISSÕES

21 CONTROLE DE EMISSÕES

22 Motores Diesel Divisão de Transportes, Energia e Ambiente Instituto Superior TécnicoT

23 MOTORES DIESEL Funcionamento do motor: ciclo a 4 tempos (Diesel) Principais componentes Sistemas auxiliares

24 MOTORES DIESEL Ciclo a 4 tempos

25 CICLO A 4 TEMPOS DIESEL ADMISSÃO O ar entra para a câmara de combustão.

26 CICLO A 4 TEMPOS DIESEL COMPRESSÃO Com todas as válvulas v fechadas o pistão inicia a subida comprimindo o ar.

27 CICLO A 4 TEMPOS DIESEL INJECÇÃO Com o ar comprimido o gasóleo é injectado a alta pressão.

28 CICLO A 4 TEMPOS DIESEL EXPANSÃO O gasóleo ao entrar em contacto com o ar quente auto-inflama inflama-se. É nesta altura que se gera a potência mecânica debitada pelo motor.

29 CICLO A 4 TEMPOS DIESEL ESCAPE Com toda a mistura queimada os gases de escape abandonam os cilindros pelas válvulas v de escape

30 CICLO A 4 TEMPOS COMBUSTÃO ADMISSÃO COMPRESSÃO INJECÇÃO EXPANSÃO ESCAPE

31 NOÇÕES BÁSICASB ciclo teórico (Misto) ciclo real

32 PRINCIPAIS COMPONENTES

33 DISPOSIÇÕES POSSÍVEIS DOS CILINDROS

34 SISTEMAS AUXILIARES PRINCIPAIS Distribuição (abertura / fecho das válvulas) v Refrigeração (garantir que as peças não fundem) Lubrificação (reduzir atritos, lavar componentes etc.) Alimentação (introdução de combustível)

35 MOTORES DIESEL Sistema de Alimentação em motores Diesel

36 SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO Objectivo: introduzir combustível no motor para que, após s evaporado e misturado com o ar quente, se auto- inflame e seja queimado. Componentes: : reservatório, rio, tubagens, filtro, bomba injectora, injectores (central electrónica com sensores).

37 SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO Combustível injectado perto do PMS (quantidade variável vel conforme acelerador) Sistemas utilizados: Injecção indirecta: - pré câmara de combustão Injecção directa

38 INJECÇÃO INDIRECTA Injecção para uma pré-câmara 1- Depósito 3 filtro 4 bomba injectora em linha 7 injector 9 vela de incandescência

39 SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO INJECÇÃO DIRECTA Injecção directa para dentro dos cilindros Maiores pressões de injecção Tecnologia mais cara e exigente Injectores de jactos múltiplos

40 INJECÇÃO DIRECTA versus INDIRECTA Perdas Rendimento Regime Combustível Injecção Directa Menores perdas térmicas Superior Eram pouco rotativos Mais exigente face à qualidade Multijacto ( maiores pressões) Indirecta Elevadas perdas entre câmaras Inferior Mais rotativos Menos exigente na qualidade (viscosidade, índice de cetano) Unijacto (menos exigente)

41 MOTORES DIESEL Combustão em motores DIESEL

42 Combustão em motores Diesel Combustão das gotas: Injecção Dispersão / mistura com ar Evaporação Auto-inflama inflamação Queima Tem de haver tempo!

43 COMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL Atraso à inflamação = atraso físico f (vaporização do combustível e mistura com o ar) + atraso químico (auto- inflamação) Combustível injectado em pequenas gotículas líquidas l antes de se atingir o PMS

44 Objectivo do Injector Dispersar o gasóleo em pequenas gotas para que permita: a fácil f vaporização das gotas mistura com o ar disponível Aumentar número n de jactos e a pressão de injecção

45 COMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL Reduzir atraso químico: a qualidade do combustível Número de cetano : (> > capacidade do combustível se auto- inflamar menor atraso à inflamação) 15 baixa facilidade de auto ignição iso-cetano 100 elevada facilidade de auto ignição cetano número cetano mínimo actualmente exigido: 51 O caso do BP Diesel Ultra: N.º Cetano é de 54!

46 COMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL BP Diesel Ultra

47 COMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL BP Diesel Ultra

48 COMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL Movimentos organizados do gás g s dentro do cilindro Swirl e Squish ajudam a aumentar a turbulência. Swirl: : permite alimentar a zona em combustão com oxigénio e remover os produtos de combustão. Swirl

49 COMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL Squish

50 Swirl COMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL

51 COMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL Squish e Swirl

52 Resumindo Os investimentos nos motores Diesel têm sido no sentido de: melhorar a pulverização do combustível (pressões mais altas) melhorar escoamento dentro dos cilindros optimizar a injecção para reduzir ruído e vibrações maximizar potência e binário sem sacrificar consumos (optimização de sobrealimentação) optimizar a injecção para reduzir consumos Do ponto de vista das petrolíferas os investimentos terão de ser no sentido de reduzir o teor de enxofre e aumentar o número n de cetano

53 TIPOS DE SISTEMAS DE INJECÇÃO Bomba radial e em linha Injector - bomba Common Rail

54 TIPO DE SISTEMAS DE INJECÇÃO Bomba em linha

55 TIPO DE SISTEMAS DE INJECÇÃO bar 1000 bar no bico do injector

56 TIPO DE SISTEMAS DE INJECÇÃO Bomba radial VP 44

57 TIPO DE SISTEMAS DE INJECÇÃO 1000 bar; 1500 bar no bico do injector

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