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Combustíveis convencionais Carlos Sousa AGENEAL, Agência Municipal de Energia de Almada. MOTORES A DIESEL E GASOLINA. Motores a 4 tempos Principais componentes Sistemas auxiliares. Admissão. O ar entra na câmara de combustão. Ciclo a 4 tempos DIESEL. COMPRESSÃO. - PowerPoint PPT Presentation
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ALTERNATIVE FUELS AND VEHICLES
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Combustíveis convencionais
Carlos Sousa
AGENEAL, Agência Municipal de Energia de Almada
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MOTORES A DIESEL E GASOLINA
• Motores a 4 tempos
• Principais componentes
• Sistemas auxiliares
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Ciclo a 4 tempos DIESEL
Admissão
O ar entra na câmara de combustão
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COMPRESSÃO
Com todas as válvulas fechadas o pistão inicia a subida comprimindo o ar
Aumento da temperatura e pressão
Ciclo a 4 tempos DIESEL
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INJECÇÃO
Com o ar comprimido o gasóleo é injectado a alta pressão
Ciclo a 4 tempos DIESEL
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EXPANSÃO
O gasóleo ao entrar em contacto com o ar quente auto inflama-se. É nesta altura que se gera a potência mecânica debitada pelo motor.
Ciclo a 4 tempos DIESEL
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ESCAPE
Com toda a mistura queimada os gases de escape abandonam os cilindros pelas válvulas de escape
Ciclo a 4 tempos DIESEL
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COMBUSTÃO
Ciclo a 4 tempos DIESEL
ADMISSÃO
COMPRESSÃO EXPANSÃO
ESCAPEINJECÇÃO
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Razão de Compressão = resV
Vmax
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PRINCIPAIS COMPONENTES DO MOTOR
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• Pistão – Transmite o movimento à biela
• Biela – Transmite o movimento à
cambota
• Cambota – Transforma o movimento
alternativo em movimento circular
PRINCIPAIS COMPONENTES DO MOTOR
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• Distribuição (abertura e fecho de válvulas)
• Sistema de arrefecimento (previne o sobre aquecimento dos
componentes do motor)
• Sistema de Lubrificação (reduz atrito, limpa componentes, etc.)
• Combustível (admissão de combustível)
PRINCIPAIS SISTEMAS AUXILIARES
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Dupla árvore de cames à cabeça, DOHC
Came Lateral
DISTRIBUIÇÃO
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DISTRIBUIÇÃO
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Objectivos
SISTEMAS DE ARREFECIMENTO
1. Arrefecer os componentes do motor:
Manter o motor a uma temperatura de operação adequada
(prevenindo que estes derretam)
Manter as propriedades físicas e químicas do óleo lubrificante
(que se deteriora com temperaturas excessivas)
2. Proporcionar calor para o sistema de climatização do habitáculo
3. Melhorar o arranque a frio
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• Bomba de água
• Termóstato
• Radiador
• Ventoinha
• Sistema de
aquecimento
SISTEMAS DE ARREFECIMENTO
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A função do óleo lubrificante é muito mais lata do que lubrificar.
O óleo tem de ter:
•Elevado poder detergente e dispersante
•Elevado poder antioxidante
•Boa capacidade de arrefecimento (contribui para o arrefecimento do motor)
•Boa capacidade de neutralizar ácidos
•Capacidade de manter as suas características com a variação de temperatura (aquecimento e arrefecimento)
SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO
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SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO
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SISTEMA DE COMBUSTÍVEL
Objectivo:
• Introduzir combustível no motor, que se misturará com o ar quente dentro do cilindro, para que se dê a evaporação, auto inflamação e queima
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1. Injecção indirecta
2. INJECÇÃO DIRECTA
• Injecção directa nos cilindros
• Elevada pressão de injecção
• Tecnologia mais cara e mais
exigente
• Injectores multi-jacto
SISTEMA DE COMBUSTÍVEL
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Directa Indirecta
Perdas Perdas térmicas menoresPerdas térmicas maiores
entre câmaras
Performance Melhor Pior
Velocidade Baixa velocidade de motorVelocidade de motor mais
elevada
CombustívelExige combustíveis de
qualidade maior
Trabalha com combustíveis de menor qualidade
(viscosidade, numero de cetano)
InjecçãoMulti-jato (elevada pressão
de injecção)
Jacto simples(menores pressões de
injecção)
INJECÇÃO DIRECTA vs. INJECÇÃO INDIRECTA
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Vantagens Desvantagens
Baixo consumo de combustível
Preço
Potência Barulho
Arranque a frio Vibração
INJECÇÃO DIRECTA vs. INJECÇÃO INDIRECTA
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INJECÇÃO DIRECTA
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Squish e Swirl
INJECÇÃO DIRECTA
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TIPOS DE SISTEMAS DE INJECÇÃO
• Bombas radiais e em linha
• Bomba-injector
• Common Rail
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Bomba em linha
600...700 bar 1 000 bar na ponta do injector
TIPOS DE SISTEMAS DE INJECÇÃO
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Bomba radial
1 000 to 1 500 bar na ponta do injector
TIPOS DE SISTEMAS DE INJECÇÃO
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Vantagens
• No high-pressure fuel lines
• Elevadas pressões de injecção
• Consumos de combustível baixos
• Melhor potência e binário a baixas velocidades de motor
Bomba de injecção
2000 bar
TIPOS DE SISTEMAS DE INJECÇÃO
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Pressão máx. 1350 – 1500 bar
Common-Rail
1 800 2 000 bar
Vantagens• Melhor controlo da injecção
• Redução do ruído e vibrações
• Bons consumos
• Boa potência e binário
• Redução de emissões poluentes
SISTEMAS DE INJECÇÃO
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ADMISSÃO NOS MOTORES A GASOLINA
Um motor a gasolina admite:
• Mistura de ar e gasolina
• Ar, com a gasolina a ser injectada directamente no cilindro - motores de injecção directa
Source: Total
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SOBREALIMENTAÇÃO (TURBO)
Objectivo: Aumentar a razão potência/peso
Necessidade de accionar um compressor que aumenta a densidade do ar antes de este ser admitido para dentro dos cilindros
Desvantagens relativamente ao naturalmente aspirado:
• Maior complexidade do motor e custo
• Motor sujeito a maiores esforços e cargas térmicas
Vantagens:
• mais potência e binário
• melhores consumos
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SOBREALIMENTAÇÃO
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SOBREALIMENTAÇÃO
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Turbocompressor com pás variáveis
• maior binário (gama de rotação)
• melhores consumos
• mais potência
SOBREALIMENTAÇÃO
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SOBREALIMENTAÇÃO INTERCOOLER
Objectivo: Aumentar a relação potência/peso
• Baixa a temperatura do ar
após a compressão
aumentando a sua
densidade
• Maior massa de ar dentro
dos cilindros
• => Mais entrada de
combustível
• => Mais Potência
• => Mais Binário
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FORMAÇÃO E CONTROLO DE POLUENTESA combustão nos motores Diesel caracteriza-se por uma elevada concentração de gotas (atomização pobre/vaporização do combustível).
Principais poluentes:
• Matéria particulada (PM)
• Hidrocarbonetos não queimados, HC
• Monóxido de Carbono, CO
• Óxidos de Azoto, NOx
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FORMAÇÃO E CONTROLO DE POLUENTESControlo de emissões:
• EGR (Recirculação dos gases de escape)
• Filtros de Partículas
• Catalisadores de NOx e partículas
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FORMAÇÃO E CONTROLO DE POLUENTESControlo de emissões
Diesel:
• Recirculação dos Gases de Escape, EGR (previne a formação de NOx)
• Filtros de Partículas, activos e passivos (PM)
• Conversores Catalíticos de Oxidação (HC e CO)
• Redução Catalítica Selectiva, SCR (NOx em N2 e H2O)
Gasolina:
• Conversores catalíticos de 3 vias
• Catalizadores de oxidação (CO e HC em CO2 e H2O)
• Catalizadores de redução (NO em N2 e O2)
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QUALIDADE DO COMBUSTÍVEL, DIESEL:
• Diesel é derivado do cetano (C10H22)
• Número de Cetano: É um indicador da maior ou menor capacidade de um combustível sofrer auto-ignição ( menor atraso à auto-ignição)
• 15: Baixa capacidade de auto-ignição: isocetano
• 100: Alta capacidade de auto-ignição : cetano
• Valor de cetano mínimo necessário: 51
• Conteúdo de Enxofre: Menos de 50 ppm Combustível com baixo conteúdo de Enxofre
• Eliminar emissões de dióxido de enxofre (SO2)
• Reduzir emissões de PM
• Menos de 10 pmm: Combustível sem enxofre (desde 2009)
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HC CO NOx PM
Diesel
Gasolina
FORMAÇÃO E CONTROLO DE POLUENTES
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STANDARDS DAS EMISSÕES EUROPEIAS
Standard Ano CO HC HC + NOx NOx PM
Euro 1 1992 2.72 - 0.97 - 0.14
Euro 2 - IDI 1996 1.00 - 0.70 - 0.08
Euro 2 - DI 1999 1.00 - 0.90 - 0.10
Euro 3 2001 0.64 - 0.56 0.50 0.05
Euro 4 2005 0.50 - 0.30 0.25 0.025
Veículos de passageiros a Diesel 2.5t (values in g/km)
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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Binário
Energia gerada numa rotação do motor, resultante da combustão do combustível [kg.m ou N.m].
1 kg.m = 9.8 N.m
Quanto maior o binário, mais eficiente é o motor para uma determinada velocidade.
POTÊNCIA
Energia gerada por unidade de tempo [W ou CV].
1kW = 1,36 CV
1 CV = 0,736 kW
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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Curva de Binário
• Mostra a distribuição de binário ao longo do regime de funcionamento do motor à carga máxima.
• Interessa que seja o mais planas possível, significando grande elasticidade a muitos regimes
• RPM x N.m (ou kg.m)
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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Curva de Potência
• Mostra a distribuição de potência em função do regime de funcionamento do motor à carga máxima
• RPM x kW (ou CV)
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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
• Emissões de CO2 por litro: gasolina um pouco mais baixas que as de Diesel
• Emissões de CO2 por km: veículos Diesel consomem menos... …emitem menos CO2
• Eficiencia energética é função da razão de compressão
• Motores Diesel usam estequiometrias variáveis (relações entre combustível e ar)
• Motores a gasolina usam estequiometrias constantes (14.7 para 1), independentemente das velocidades e cargas
• Diesel engines have an unthrottled intake and the air to fuel ratio at idle speed can go as low as 100 to 1, thus giving a much greater partial load fuel efficiency than petrol engines
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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
resV
Vmax
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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
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DIESEL vs. GASOLINA
DIESELDIESEL EXPLOSÃO
AdmissãoAdmissão Ar Ar + Combustível
CombustãoCombustãoAuto Inflamação devido a
altas pressões etemperaturas
Faísca da vela
CombustívelCombustívelEvapora-se facilmente e
auto- inflama-se(Elevado índice de cetano)
Deve ser resistente àauto- inflamação
Elevado índice de octano
Razão deRazão decompressão (rcompressão (r cc))
O mais elevada possível(15-24)
Limitada pelas capacidades docombustível (9-11)
Rendimento (Rendimento ( )) 35% devido à elevada r c < 30%
SobrealimentaçãoSobrealimentaçãoSempre que possível, poisaumenta o e melhora a
combustão
Solução “forçada” quando seprocura para a mesma potência
motores mais compactos
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DIESEL vs. GASOLINA
DIESEL EXPLOSÃO
Consumos inferior Mais elevados
Preço do Combustível Muito inferior elevado
Peso Mais pesados Mais leves e compactos
Arranque Praticamente imediato Imediato
Ruídos e Vibrações Elevados Reduzidos
Elasticidade (rotação) Limitada Elevada
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INDUSTRIA AUTOMÓVEL – UMA CURIOSIDADE
Em 1976, a Volkswagen inventou a designação “GTI” mas não a registou.
Hoje, quase todos os fabricantes a usam!!
Mas em 1991, a Volkswagen inventou a designação “TDI” e registou-a. O resultado foi…
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INDUSTRIA AUTOMÓVEL – UMA CURIOSIDADETDI – VAG Group TiD - Saab
JTD - Alfa, Fiat, Lancia D- 4D - Toyota
d - BMW D5- Volvo
CRD - Chrysler, Jeep HDI - Peugeot, Citroën
TDdi - Ford Di-D – Mitsubishi
TDCi - Ford dTi - Renault
CDTi - Honda dCi - Renault
CRDi - Hyundai CDT – Rover
DvTdi – Mazda DTI – Opel
DiTD – Mazda
CDI – Mercedes
DDTi – Nissan
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SUMÁRIO
Vantagens dos motores Diesel:
•Melhor rendimento: gastam menos (trabalham com maiores taxas de compressão)
Vantagens dos motores a Gasolina:
•Melhor arranque a frio
•Menores ruídos e vibrações
•Maior elasticidade (gama mais larga de regimes)
•Mais leves
•Maiores potências para as mesmas cilindradas
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Os investimentos na tecnologia Diesel pretende:
• Melhorar a atomização do combustível (maiores pressões de injecção)
• Melhorar o escoamento dentro do cilindro
• Optimizar a injecção para reduzir ruídos e vibrações
• Maximizar a potência e o binário sem sacrificar o consumo (optimizar a sobrealimentação)
• Optimizar a injecção de combustível para reduzir o consumo (e.g.: tecnologias de injecção)
SUMÁRIO
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As companhias petrolíferas estão a trabalhar em:
• Aumentar o número de cetano
• Baixar o conteúdo de enxofre
SUMÁRIO
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Agradecimentos ao Prof. Tiago Farias
Instituto Superior Técnico
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Obrigado pela Vossa atenção!