Introdução ao gerenciamento eletrônico dos motores de combustão interna ciclo Otto

Figura 1 - Ciclo de trabalho de um motor de combustão interna ciclo Otto.
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Historicamente, dois tipos de sistemas de dosagem de combustível foram empregados com sucesso em motores de ciclo Otto: os carburadores, baseados na sucção de combustível, e os sistemas de injeção eletrônica, baseados na injeção de combustível. Os sistemas de gerenciamento eletrônico possibilitam o fornecimento do torque demandado pelo condutor enquanto asseguram economia de combustível, maximizam a vida útil do motor e reduzem a emissão de poluentes.

 

De uma forma geral, o motor Otto opera essencialmente com três parâmetros básicos para gerar torque de combustão, sendo eles: a massa de ar, a massa de combustível e a centelha elétrica da vela de ignição no momento correto, conforme o ciclo de operação do motor.

 

Os motores operam em quatro ciclos em diferentes etapas que ocorrem pelo deslocamento repetitivo do pistão. Tais máquinas são classificadas como motores de quatro tempos: admissão, compressão, combustão e exaustão, como ilustra a Figura 1.

 

Ciclo de trabalho de um motor de combustão interna ciclo Otto.
Figura 1 - Ciclo de trabalho de um motor de combustão interna ciclo Otto.

 

Um ciclo completo de um motor de combustão interna ciclo Otto corresponde a uma revolução de 720º da árvore de manivelas. Conforme a Figura 1, para um único cilindro do sistema, o ciclo Otto começa pela etapa de admissão. Nessa etapa, a válvula de exaustão retorna a sua posição inicial através da força de retorno da mola e a válvula de admissão é deslocada de seu alojamento inicial pelo comando de válvulas, permitindo que a mistura carburante seja aspirada para dentro do cilindro, através do deslocamento do êmbolo desde o Ponto Morto Superior (PMS) até o Ponto Morto Inferior (PMI) do cilindro.

 

Na etapa de compressão, a válvula de admissão retorna à sua posição inicial, através da força de retorno da mola da válvula, vedando totalmente a câmara de combustão. Com ambas as válvulas fechadas, o deslocamento do êmbolo desde o PMI até o PMS comprime a mistura carburante com objetivo de aumentar significativamente a pressão dentro do cilindro. Este ciclo aumenta a economia, a eficiência e o rendimento da próxima etapa.

 

Na combustão, a vela de ignição produz uma centelha elétrica que reage com a mistura carburante já previamente comprimida. Nesse instante, ocorre um aumento abrupto da pressão dentro da câmara de combustão, impulsionando o êmbolo do PMS para o PMI. Finalmente, a última etapa do ciclo é denominada exaustão. Nessa etapa, a válvula de exaustão é deslocada de seu alojamento inicial pelo comando de válvulas permitindo que os gases, que são o produto da combustão, sejam expelidos da câmara de combustão pelo êmbolo que se desloca do PMI para o PMS.

 

Na maioria dos motores ciclo Otto, a mistura carburante é formada no coletor de admissão entre as válvulas borboleta e de admissão. Já em motores mais modernos, esta mistura é formada dentro da própria câmara de combustão. A relação entre o ar atmosférico e o combustível admitido para dentro da câmara de combustão denomina-se mistura carburante. Esta mistura deve ser a mais homogenia possível. A presença de outros elementos no ar atmosférico além do oxigênio, principalmente nitrogênio, dificulta a reação química da gasolina na combustão. A relação ar/combustível admitida pelo motor não é constante e depende de diversos fatores.

 

Quando a mistura carburante admitida resulta em uma combustão perfeita, ou seja, todo o hidrogênio e carbono presente no combustível são convertidos em dióxido de carbono e água, esta mistura passa a ser denominada uma mistura estequiométrica.

 

A relação entre a mistura carburante empregada e mistura carburante estequiométrica é definida pelo coeficiente de ar lambda (λ), conforme a equação abaixo.

 

Eq.1
Eq.1

 

Desta forma, quando o coeficiente lambda (λ) for menor que 1.0 a mistura carburante está rica ou com deficiência de ar, quando λ for igual a 1.0 a mistura carburante está estequiométrica, quando λ for maior que 1.0 a mistura carburante está pobre ou com excesso de ar. O lambda é muito importante para o funcionamento do motor, pois afeta diretamente o consumo de combustível, a emissão de poluentes e o desempenho do motor, conforme ilustrado na Figura 2, que considera o avanço de ignição, a rotação e a posição da válvula borboleta constantes.

 

Potência, consumo específico em função de Lambda.
Figura 2 - Potência, consumo específico em função de Lambda.

 

A Figura 2 mostra que a potência máxima do motor é alcançada com λ aproximadamente igual a 0.85 e que o consumo específico de combustível, assim como as emissões de poluentes, possui um melhor rendimento com λ aproximadamente igual a 1. A condição estequiométrica se situa na região intermediária, proporcionando um bom desempenho com baixo consumo.

 

Uma mistura carburante estequiométrica, só ocorreria em uma situação hipotética, ou seja, em um motor “ideal”. Em um motor real, diversos fatores ocasionam uma queima incompleta, como, por exemplo, a presença de impurezas no combustível, a presença de outros elementos além do oxigênio e o tempo reduzido para a reação entre o combustível e o oxigênio do ar. A Figura 3 ilustra a relação entre o fator lambda e as emissões na exaustão.

 

Emissões e relação com fator Lambda.
Figura 3 - Emissões e relação com fator Lambda.

 

Os óxidos de nitrogênio (NOx) são formados pela oxidação do nitrogênio atmosférico em temperaturas próximas a da combustão. A Figura 3 mostra que a redução do  no catalisador é favorecida com a redução do oxigênio nos gases de exaustão, e a oxidação do HC e CO, que são respectivamente hidrocarbonetos correspondentes ao combustível não oxidado durante a combustão e o monóxido de carbono, é mais eficiente com o aumento do oxigênio nos gases de exaustão.

 

O controle correto do combustível injetado e do ar admitido, visando o fator λ igual a 1, faz com que os gases de escape do motor possuam menos poluentes. Para controlar corretamente esses fatores, é necessário compreender os sistemas que atuam no gerenciamento do motor a combustão, são eles: admissão, injeção e ignição, conforme ilustrado na Figura 4. Esses sistemas serão detalhados no próximo artigo.

 

Visão geral de um sistema de controle de um motor ciclo Otto.
Figura 4 - Visão geral de um sistema de controle de um motor ciclo Otto.

 

 

Referências

 

ALCÂNTARA DIAS, B. M. Unidade microcontroladora para gerenciamento eletrônico de um motor de combustão interna ciclo Otto. São Paulo. 2015. 269p. (Mestrado) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2015.

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Sistemas que atuam no gerenciamento dos motores de combustão interna ciclo Otto (Admissão, Injeção e Ignição) >>

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De Minas Gerais para São Paulo. Mineira, moro em São Paulo a 8 anos. Sou pesquisadora da USP e estou cursando Doutorado em Engenharia Elétrica com ênfase em veículos híbridos. Formada em Eletrônica Automotiva pela FATEC Santo André, Mestre em Engenharia Elétrica e apaixonada por tecnologia automotiva. Desenvolvi diversos projetos na área automotiva e trabalhei por 2 anos na Volkswagen no setor de pós vendas, auxiliando os concessionários na solução de diversos problemas na área elétrica e eletrônica veicular.
  • Vitor Paganini Mayer

    Parabéns pelo artigo Cynthia,
    Podemos exemplificar a sua explicação nesse video, a partir de 1min e 16seg e muitos outros sistemas relacionados a motores de combustão interna:
    https://www.youtube.com/watch?v=6YIBZmmqGwk

    • Cynthia Thamires

      Muito legal o vídeo Vitor.. um ótimo complemento para o texto..
      Obrigada por postar aqui.. =)
      Escrevi o segundo artigo dessa série, falo sobre os sistemas de admissão, injeção e ignição..
      Esta bem legal também.. da uma olhada depois =)