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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

Engenharia Mecânica

Laboratório de Sistemas Térmicos

Sistemas de Ignição

Pedro Henrique Araujo Maciel

Belo Horizonte

2015

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Pedro Henrique Araujo Maciel

Sistemas de Ignição

Relatório apresentado ao programa de graduação em Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

Professor: Leonardo Vinícius

Belo Horizonte

2015

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SUMÁRIO

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

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA............................................................................. 4

2.1 Ignição por compressão (ICO) .................................................................... 4

2.2 Ignição por centelha (ICE)............................................................................ 5

2.3 Partes componentes ..................................................................................... 8

3 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................. 9

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1 INTRODUÇÃO

Rudolf Diesel, em 1900, apresentou ao público a sua fantástica invenção: um protótipo de motor de ignicao por compressão. Fez funcionar o seu motor com óleo de amendoim, durante algumas horas, nos vários momentos de demonstração.Tratava-se de um motor de baixa rotação, de injeção indireta que poderia queimar óleos vegetais in natura e ate outros combustíveis mais pesados. Após a Segunda Guerra Mundial, teve inicio efetivamente a produção dos motores de ignição por compressão “motor Diesel” como foi chamado em homenagem a seu inventor. O motor Diesel foi lançado comercialmente, funcionando com óleo cru, isto e, o petróleo simplesmente filtrado. Naquela ocasião, já havia a constatação de que o funcionamento prolongado com óleo vegetal produzia resíduos de carbono no interior dos cilindros, alem de outros danos aos motores.Os motores de combustão abastecidos a diesel e a gasolina multiplicaram-se aos milhões, evidenciando uma clara dependência ao petróleo e, consequentemente, a constatação de sua finitude como importante fonte de energia.Com as crises do petróleo, a humanidade percebeu que poderia haver limites nos estoques, que se tratava de uma fonte esgotável e que essa dependência comprometeria o futuro energético do planeta.Muitos esforços foram dispensados em busca de soluções que economizassem energia substituindo-a por formas alternativas. Alguns desses esforços permitiram a concepção dos biocombustíveis. Entre outras, era uma opção com origem biológica não fóssil, um combustível renovável produzido a partir de produtos agrícolas e de gorduras residuais, uma possibilidade futura de minimizar os sérios problemas agravados pelo consumo de energia.Nesse cenário surgem grandes desafios a indústria automobilística: acompanhar todo o desenvolvimento de inovações tecnológicas, visando a obtenção de novas tecnologias de propulsores veiculares capazes de atender com rendimento e eficiência ao desenvolvimento desses novos combustíveis que substituem os derivados de petróleo.Embora os motores de combustão, ignição por compressão (ICO) ou ignição por centelha (ICE) tenham sido projetados para uso com óleo diesel mineral e gasolina respectivamente, a possibilidade da entrada na matriz energética dos biocombustíveis, o etanol e do biodiesel, torna eminente a necessidade de estudos do comportamento dos motores ante esses novos combustíveis.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Ignição por compressão (ICO)

Diesel:

Operação:

Nos motores de ignição por compressão, apenas ar é induzido para dentro do cilindro no tempo de admissão. O combustível é injetado diretamente dentro do cilindro justamente antes de iniciar a combustão. O controle de carga (aceleração) é obtido pela variação da quantidade de combustível injetado a cada ciclo; o fluxo de ar a uma dada velocidade essencialmente não varia.

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São comuns os motores naturalmente aspirados onde o ar atmosférico é induzido para dentro do cilindro; os turbo-comprimidos e os superalimentados onde o ar é comprimido por uma bomba ou soprador mecanicamente acionado. Nestes dois últimos consegue-se um aumento da potência aumentando a massa de ar admitida por unidade de volume deslocado, aumentando também a quantidade de combustível a ser injetada.

A taxa de compressão nos motores Diesel (12 a 24) é muito maior do que a dos motores de ignição por centelha (ICE). Os tempos das válvulas são similares aos dos motores ICE. Ar a pressão próxima da atmosfera é induzido durante o curso de admissão e então é comprimido para pressão de cerca de 4 MPa e temperatura de cerca de 800 K durante o curso de compressão. O combustível injetado se dispersa em pequenas gotas e penetra no ar. O combustível então evapora misturando se com o ar. A temperatura e pressão do ar estão acima do ponto de ignição do combustível. Portanto, após um pequeno período inicia-se a ignição espontânea (auto-ignição) de partes da mistura não uniforme de ar e combustível, iniciando o processo de combustão, e a pressão no cilindro (parte C da figura) sobe acima da linha pontilhada, que corresponde à pressão sem combustão.

A chama espalha-se rapidamente através da porção de combustível injetado já misturado com ar suficiente para a combustão. Enquanto o processo de expansão acontece, a mistura entre ar, combustível e gases em queima contínua, acompanhada por mais combustão. A plena carga, a massa de combustível injetado é cerca de 5% da massa de ar no cilindro.

O aumento de emissão de fumaça preta na exaustão limita a quantidade de combustível que pode ser queimado eficientemente.

O processo de exaustão é similar ao dos motores ICE.

O sistema de injeção de combustível consiste de uma bomba injetora, tubos e bicos injetores. Vários tipos de bombas e bicos são usados. A figura mostra uma bomba injetora em linha. Neste caso, um conjunto de êmbolos (um para cada cilindro) operam dentro de cilindros, acionados por cames.

Exemplos:

Motor Diesel de 6 cilindros em linha;

Motor de automóvel Diesel de 4 cilindros em linha;

Motor turbo de injeção direta, quatro tempos, Caterpillar, 6 cilindros em linha;

2.2 Ignição por centelha (ICE)

Quando a mistura ar-combustível é comprimida no cilindro de um motor, sua queima ou ignição não ocorre espontaneamente. É preciso que haja uma excitação externa para que isso ocorra. Esta excitação é uma faísca elétrica de alta tensão. Para que

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ocorra a ignição precisamos de uma faísca de pelo menos 12 000 volts com correntes de pelo menos 40 a 60 mA. Essa faísca deve ser produzida por uma vela. A produção da faísca se deve ao que denominamos "rigidez dielétrica do ar". Os isolantes só podem deter a circulação de uma corrente até uma determinada tensão.

Se aplicarmos uma tensão maior do que um determinado valor, o material deixa de ser isolante podendo conduzir a corrente. Salta uma faísca. Para o ar isso ocorre com uma tensão de 10 000 volts por centímetro. Isso significa que duas esferas separadas de uma distância de 1 cm só podem impedir a circulação da corrente se a tensão entre elas for menor do que 10 000 volts.

O componente principal do sistema de ignição convencional é a bobina de ignição cuja finalidade é justamente aumentar a tensão de 12 V da bateria para um valor suficientemente elevado que produza a faísca desejada nas velas.

Esta bobina é na realidade um "auto-transformador" que gera de 12 000 a 40 000 volts, dependendo do tipo do carro, e tem seu princípio de funcionamento analisado a seguir. Conforme mostra a figura 3, a bobina é formada por dois enrolamentos: primário e secundário.

Motores pequenos:

São usados em muitas aplicações, como: cortador de grama e moto-serra, em geradores portáteis de eletricidade, motores de popa e motocicletas. São geralmente monocilíndros.

Os monocilíndros fornecem apenas um tempo útil por revolução (dois tempos) ou por duas revoluções (quatro tempos) e os pulsos de torque são bem espaçados complicando o problema de vibração.

Multicilindros:

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À medida que a potência aumenta, é bem melhor aumentar o número de cilindros para otimizar os seguintes pontos: tamanho; peso e um melhor balanceamento e suavidade de funcionamento do motor.

A limitação no tamanho de um cilindro é ditada por considerações dinâmicas. As forças de inércia que são criadas pela aceleração e desaceleração das massas do pistão e da biela em seu movimento alternativo impõem limite à máxima velocidade do motor. A alternativa é distribuir o volume deslocado por vários cilindros menores.

O aumento na freqüência de tempos úteis com o aumento do número de cilindros proporciona características de torque muito mais suaves. E é muito mais fácil conseguir um melhor balanceamento do que nos motores monocilíndricos.

Quatro cilindros em linha formam o arranjo mais comum para motores de automóveis de até 2.5 litros. Ele é compacto, uma importante consideração para pequenos automóveis. Fornece dois pulsos de torque por revolução do virabrequim.

Motores em V:

O arranjo em V, com 2 bancos de cilindros colocados a 90º ou com um ângulo mais agudo entre seus planos, proporciona um bloco compacto e é largamente usado em motores entre 2,5 e 4,5 litros. Motores de 6 cilindros trabalham mais suavemente com três pulsos de torque por revolução. Os motores em linha resultam em um bloco mais comprido e, portanto, mais propenso a vibrações de torção e dificultando a homogênea distribuição de mistura (ar + combustível) para cada um dos cilindros. O

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arranjo em V-6 é muito mais compacto e, com ele, consegue-se um melhor balanço primário dos componentes móveis. Entretanto, nos motores em V, um momento oscilante é imposto ao virabrequim devido a forças de inércia secundárias fazendo com que os motores em V sejam menos balanceados que as versões em linha

O processo de combustão não ocorre em um volume constante (Otto) e nem a pressão constante (Diesel). A diferença entre os dois processos de combustão e que os motores com ignição por centelha normalmente possuem seus reagentes pré-misturados, enquanto nas maquinas de ignição por compressão, os reagentes são misturados já na combustão .

2.3 Partes componentes:

Para obter a centelha de ignição no momento exato em que devera ocorrer a combustão da mistura ar mais combustível, os motores de ciclo Otto dispõem de um sistema de ignição composto por:

Bateria – que transforma energia química em energia elétrica e armazena a energia elétrica gerada pelo alternador.Chave de ignição – interrompe ou não a passagem da corrente elétrica para a bobina.Bobina de ignição – possui um circuito primário e um secundaria que, a partir de uma baixa tensão, geralmente 12 V, induz uma alta tensão, da ordem de 20.000 V, que será distribuída para as velas de ignição.Distribuidor – recebe a alta tensão da bobina e a distribui através do motor para os cilindros (velas de ignição).

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Vela de ignição – emite a centelha elétrica na cabeça do pistão no momento da combustão.Ignição elétrica – transforma a corrente continua (CC) em corrente alternada(CA).

Esquema de distribuição de energia ao motor

3 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Motores de Combustão Interna – Edward F. Obert

http://www.carrosinfoco.com.br/

http://www.mecanicaonline.com.br/2005/06_junho/seu_automovel/bomba_combustivel.htm

www.eduloureiro.com.br