Motores Alternativos (ENG03342) Material de apoio (parte prática)

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1 Porto Alegre - RS, Slide 1/28 /motores Material de apoio (parte prática) Turma C Porto Alegre - RS Prof. Dr. Alexandre Vagtinski de Paula depaula@ufrgs.br Porto Alegre - RS, Slide 2/28 AULA PRÁTICA 7 Tópicos a serem abordados nesta aula 1. Classificação de óleos lubrificantes para motores de combustão interna 1.1. API 1.2. SAE 1.3. SAE/API/ASTM 2. Sistema de admissão de combustível 2.1. Razões de mistura ar/combustível 2.2. Curva de razão de mistura ar/combustível em função da carga 2.3. O carburador elementar 1

2 Porto Alegre - RS, Slide 3/28 1. Classificação de óleos lubrificantes para motores de combustão interna - Na década de 1950 a classificação dos óleos lubrificantes dependia principalmente da resistência do óleo ao serviço. - Basicamente o processo de obtenção dos óleos até esta época era puramente de destilação, com poucos aditivos, o que conferia baixa qualidade aos produtos. - Logo em seguida, a obtenção se dava por crackeamento e maior quantidade de aditivos, o que aumentava a qualidade e a bombeabilidade dos óleos lubrificantes Classificação API - É uma classificação antiga. (American Petroleum Institute) ou Instituto do Petróleo Americano Porto Alegre - RS, Slide 4/28 - Tem 3 tipos: - Regular: para motores a gasolina em serviço leve. - Premium: para motores a gasolina em serviço normal. É mais elaborado, pois contém aditivos antioxidantes, anticorrosivos e antiespumantes. - Heavy Duty: para motores a gasolina em serviço pesado e obrigatório para motores Diesel. Além dos aditivos citados acima, ainda tinha detergentedispersante. - Esta classificação não informava a bombeabilidade do óleo (que é muito importante), principalmente a frio. Capacidade de fluidez (principal característica do óleo) 2

3 A série indica: A série indica: Porto Alegre - RS, Slide 5/28 - Com o tempo, esta classificação tornou-se obsoleta., devido à necessidade de caracterização de óleos com multiviscosos e de informação da bombeabilidade. - Óleos multiviscosos: tem características não newtonianas. São usados em regiões com grandes amplitudes térmicas Classificação SAE - Foi utilizada em meados de (Society of Automotive Engineers) ou Sociedade de Engenheiros Automotivos - Esta classificação informava principalmente a viscosidade e a bombeabilidade dos óleos lubrificantes, mas nada era dito sobre o serviço! - Ela possuía duas séries: uma com um W (de winter = inverno, ou viscosidade expandida) e uma sem o W. Série com W 0W 5W 10W 15W 20W 25W Série sem W Porto Alegre - RS, Slide 6/28 1) Qual deve ser a máxima viscosidade à baixa temperatura (0ºF). 2) Qual deve ser a temperatura limite de bombeabilidade. 3) Qual deve ser a mínima viscosidade a alta temperatura (210ºF). 1) Qual deve ser a máxima e mínima viscosidades a 210ºF. - Muito frio óleo muito viscoso! - Tem que ter viscosidade e bombeabilidade a baixas temperaturas! 3

4 Porto Alegre - RS, Slide 7/ Classificação conjunta SAE-API-ASTM - É a empregada atualmente! - Tem duas séries: (American Society for Testing and Materials) ou Sociedade Americana para Testes e Materiais - 1ª série: S (Spark ignition) ou ignição por centelha. C (Compression ignition) ou ignição por compressão. - 2ª série: A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M... - Conforme avança no alfabeto, mais são incorporados aditivos, possuindo melhor qualidade. - Exemplo de classificação conjunta: API SJ SAE 20W-50 Porto Alegre - RS, Slide 8/28 - O projetista de um motor é quem especifica o óleo correto que deve ser utilizado! - Como atualmente os motores trabalham com rotações mais elevadas, a viscosidade necessária é menor. - Via de regra: - Maiores velocidades, menores viscosidades. - Maiores cargas, maiores viscosidades. - Maiores folgas, maiores viscosidades. - Também tem que ser considerados: Temperatura de operação. Acabamento superficial (rugosidade). - Ao utilizar uma viscosidade maior que a necessária, o motor fica mais pesado, pois os óleos muito viscosos forçam muito o trabalho de bombeio, o que acaba se traduzindo em perda de potência e aumento de consumo do motor. 4

5 Porto Alegre - RS, Slide 9/28 - Ao contrário, se utilizarmos uma viscosidade menor que a necessária, o motor começará a consumir mais óleo. - Geralmente o aumento do consumo de óleo é ocasionado pela queima da vedação (o-ring) ou pelo desgaste dos anéis. - É possível trocar de marca de óleo lubrificante, desde que sua especificação seja idêntica à recomendada pelo fabricante do motor. Contudo, nunca se deve misturar marcas diferentes quando se pretende completar o nível de óleo, pois diferentes fabricantes utilizam diferentes aditivos, com composições químicas que podem causar reações indesejadas! - Em geral: óleo sintético semi-sintético mineral melhor melhor - Isso porque o óleo sintético tem mais aditivos e é mais resistente para trabalhar a altas temperaturas. Porto Alegre - RS, Slide 10/28 2. Sistema de admissão de combustível - Combustível: C n H 2n+2 Ex.: gasolina (C 8 H 18 ) - Comburente: O 2 do ar atmosférico - Assim, tem-se uma mistura de combustível com comburente. - Como subprodutos desta queima, teremos, por exemplo, CO 2 e H 2 O. - Quando queima-se toda a mistura, temos uma combustão completa (caso ideal). 5

6 Porto Alegre - RS, Slide 11/ Razões de mistura ar-combustível - Existem três tipos de razão de mistura ar-combustível: I) No caso de combustão completa, temos a chamada razão de mistura ar-combustível estequiométrica, cujo valor dependerá do combustível utilizado. II) Quando coloca-se mais ar, sobra O 2 e falta combustível, temos a chamada razão de mistura ar-combustível pobre. III) Quando coloca-se menos ar, falta O 2 e sobra combustível, temos a chamada razão de mistura ar-combustível rica. Porto Alegre - RS, Slide 12/28 - Exemplo: a gasolina tem uma razão de mistura arcombustível estequiométrica, de 15:1, ou seja, 15 kg de ar (~3,5 kg de O 2 ) para 1 kg de combustível. - Ar atmosférico: 78% em peso de N 2, 21% em peso de O 2 e 1% de Ar (aproximadamente). Atrapalha, pois ocupa volume e tem problemas por dissociação - Exemplo de mistura rica de gasolina: 13,5:1 - Exemplo de mistura pobre de gasolina: 17:1 - Outro exemplo é o etanol, que tem uma razão de mistura arcombustível estequiométrica de 9:1. - Exemplo de mistura rica de etanol: 8:1 - Exemplo de mistura pobre de etanol: 10:1 6

7 Porto Alegre - RS, Slide 13/28 - Como ficaria esta razão para o caso de máxima potência? - Para o caso de máxima potência, a razão de mistura arcombustível para a gasolina pura é levemente rica (~13:1). - Neste caso, o combustível líquido trocará de fase (calor de vaporização) para vapor e aumentará a massa no interior do cilindro, aumentando consigo o torque, a rotação e a potência. - Para combustíveis gasosos (ex.: gás natural), uma razão de mistura ar-combustível para máxima potência precisa obrigatoriamente ser a estequiométrica, já que ele não trocará de fase no cilindro e não terá as vantagens com a troca de calor por vaporização. Porto Alegre - RS, Slide 14/ Curva de razão de mistura ar/combustível em função da carga - O que o motor precisa para trabalhar bem (em função da carga)? - Veremos como ficará a razão de mistura ar/combustível em função da carga aplicada ao motor. - Como na admissão de ar há uma borboleta (válvula) para controlar a entrada de ar nos cilindros, podemos relacionar indiretamente a carga de um motor à abertura desta borboleta, ou então à pressão absoluta no coletor. - Em marcha lenta (carga útil zero, ou apenas a energia necessária para manter o próprio motor em funcionamento) esta borboleta deveria estar 100% fechada. 7

8 Razão de mistura ar/combustível Pobre Porto Alegre - RS, Slide 15/28 Estequiométrica B Marchas médias ou normais C A Rica D Carga % abertura borboleta Razão de mistura ar/combustível Pobre 20:1 Porto Alegre - RS, Slide 16/28 Estequiométrica 15:1 B Marchas médias ou normais C A D Rica 8: Carga % abertura borboleta Exemplo de valores para a gasolina 8

9 Razão de mistura ar/combustível Pobre 20:1 Porto Alegre - RS, Slide 17/28 Estequiométrica 15:1 B Marchas médias ou normais C A D Rica 8: Carga % abertura borboleta - Para marcha lenta (baixo giro), a inércia dos gases é pequena, o cilindro tem muitos gases residuais queimados, devendo-se utilizar mistura rica para ter energia suficiente. Razão de mistura ar/combustível Pobre 20:1 Porto Alegre - RS, Slide 18/28 Estequiométrica 15:1 B Marchas médias ou normais C A D Rica 8: Carga % abertura borboleta - Para marchas médias, tem menos gás residual nos cilindros e ainda não se está utilizando toda a potência, devendo-se utilizar uma mistura pobre. 9

10 Razão de mistura ar/combustível Pobre 20:1 Porto Alegre - RS, Slide 19/28 Estequiométrica 15:1 B Marchas médias ou normais C A D Rica Carga 8: % abertura borboleta - Para plena carga, toda a potência (alta velocidade) do motor será utilizada, onde a sobra de combustível auxiliará a resfriar a válvula de escape, devendo-se utilizar uma mistura rica para encher mais o cilindro com mistura não queimada e aumentar a eficiência volumétrica. Porto Alegre - RS, Slide 20/28 - Motores modernos utilizam sensor MAP (Manifold Absolute Pressure ou de pressão absoluta do coletor), que tem a função de informar à unidade de comando a pressão absoluta presente no coletor de admissão. Como a pressão do coletor é uma medida da carga do motor, esta informação é utilizada no cálculo da massa de ar admitida e no cálculo do avanço do ponto de ignição. - Para reduzir a quantidade de NO x, adicionam-se gases de escape (já queimados, com T ºC) na câmara de combustão através da válvula EGR (Exhaust Gas Recirculation ou recirculação do gás de escape), para diminuir a temperatura do motor. Isso diluirá a mistura ar-combustível e a temperatura média de combustão (Ex.: de 2500ºC para 2300ºC). nky/cs_egr_005.jpg 10

11 Porto Alegre - RS, Slide 21/28 - Em marcha lenta, cerca de 50% do volume do cilindro é ocupado pelos gases queimados. - Motores Diesel não trabalham com mistura rica (gera grande quantidade de fumaça espessa), pois como eles são maiores (grandes cilindros), podem trabalhar com mistura pobre. - Em motores a gasolina os cilindros são geralmente pequenos, utilizando geralmente mistura rica. Porto Alegre - RS, Slide 22/ O carburador elementar - Este tipo de sistema não satisfaz mais a legislação de emissões de gases nocivos ao meio ambiente. - Atualmente o PROCONVE (Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores), encontra-se na fase 6 para veículos leves (PROCONVE L6) e na fase 7 para veículos pesados (PROCONVE P7). Aplicado para automóveis, caminhões, ônibus e máquinas rodoviárias e agrícolas Existe também o PROMOT (Programa de Controle da Poluição do Ar por Motociclos, Ciclomotores e Similares). 11

12 Porto Alegre - RS, Slide 23/28 - O carburador elementar: Ar Cilindro Venturi ou difusor Boia Cuba de nível constante Pulverizador principal Orifício calibrado Válvula de borboleta - A medida que abre-se a borboleta, admite-se mais ar e combustível. Porto Alegre - RS, Slide 24/28 - Se acelerarmos bruscamente com um veículo carburado já em movimento (ex.: em uma rodovia), a borboleta que estava aberta (mas estática) abrirá mais um pouco, fazendo com que a razão de mistura fique pobre! Isso acontece por dois motivos: 1) O ar aumenta a velocidade e leva o combustível consigo. Porém, com o ar é mais leve, ele é arrastado primeiro; 2) A pressão após a borboleta fará com que o vapor de combustível condense, empobrecendo a mistura. - Se desacelerarmos bruscamente o mesmo veículo, a razão de mistura ficará rica no carburador! Mas como a borboleta estará fechada, o combustível se acumulará e será desperdiçado. - Resumindo: é necessário um ajuste fino do sistema! 12

13 Porto Alegre - RS, Slide 25/28 - Assim, é necessária uma bomba de aceleração para injetar mais combustível a medida que se acelera o motor. Esta bomba só funciona quando se movimenta a borboleta. - Outra solução é útil na partida de motores carburados, chamado de afogador, que é outra borboleta na entrada do carburador, que pode ser fechada para acionamento a frio /09/Carburador-Mecar-CN17049.png Porto Alegre - RS, Slide 26/28 - Sugestões de vídeos:

14 Porto Alegre - RS, Slide 27/28 - Referências: Heywood, J. B. Internal Combustion Engine - Fundamentals, Mcgraw- Hill, New York, 960 p., 1988 (ISBN: ). Taylor, C.F. Análise dos Motores de Combustão Interna, Vol. 1, Editora Edgard Blucher, São Paulo, 558 p., Taylor, C.F. Análise dos Motores de Combustão Interna, Vol. 2, Editora Edgard Blucher, São Paulo, 531 p., Giacosa, D. Motores Endotérmicos, Ediciones Omega, Barcelona, 876 p., 1988 (ISBN: ). Bosch, Manual de Tecnologia Automotiva, Editora Blucher, São Paulo, 1232 p., 2006 (ISBN: ). Bosch, Automotive Electric/Electronic Systems, SAE International, 347 p., 1988 (ISBN: ). William, B. R. e Mansour, N. P. Understanding Automotive Electronics, Newnes, Indiana, 470 p., 2003 (ISBN: ). Porto Alegre - RS, Slide 28/28 - Referências: Guibet J. C., Fuels and Engines, Vol. 1, Editions Technip, Paris, 456 p., 1999 (ISBN: ). Guibet J. C., Fuels and Engines, Vol. 2, Editions Technip, Paris, 448 p., 1999 (ISBN: ). Owen, K, Coley, T. e Weaver, C. S. Automotive Fuels Reference Book, SAE International, Warrendale, 976 p., 1995, (ISBN: ). Lenz, H. P. Mixture Formation in Spark-Ignition Engines, Springer- Verlag, New York, 400 p., 1992 (ISBN: ). Plint, M. J e Martyr, T. Engine Testing: Theory and Practice, 3 rd Edition, SAE International, Burlington, 464 p., 2007 (ISBN: ). Brunetti, F. Motores de Combustão Interna, Vol. 1, Editora Blucher, São Paulo, 553 p., 2012 (ISBN: ). Brunetti, F. Motores de Combustão Interna, Vol. 2, Editora Blucher, São Paulo, 486 p., 2012 (ISBN: ). 14