UNIVERSIDADE
CATÓLICA DE
BRASÍLIA
PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Curso de Física
ESTUDO DOS PROCESSOS FÍSICOS
ENVOLVIDOS NOS MOTORES QUE UTILIZAM
COMO COMBUSTÍVEL ÁLCOOL E GASOLINA
(CICLO OTTO)
Autor: Joel Henrique Silva do Nascimento
Orientador: Prof. Dr. Paulo Henrique Alves Guimarães
BRASÍLIA
2008
JOEL HENRIQUE SILVA DO NASCIMENTO
ESTUDO DOS PROCESSOS FÍSICOS ENVOLVIDOS NOS MOTORES QUE
UTILIZAM COMO COMBUSTÍVEL ÁLCOOL E GASOLINA (CICLO OTTO)
Trabalho de Conclusão de Curso
submetido à Universidade Católica de
Brasília para obtenção do Grau de
Licenciado em Física.
Orientador:
Guimarães
BRASÍLIA
NOVEMBRO DE 2008
Dr.
Paulo
Henrique
Alves
ÍNDICE
ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................................3
RESUMO ...................................................................................................................................4
1. INTRODUÇÃO......................................................................................................................5
2. REFERENCIAL TEÓRICO...................................................................................................6
2.1 GASOLINA..........................................................................................................................6
2.1.2 GASOLINA E O MEIO AMBIENTE...............................................................................7
2.2 ÁLCOOL..............................................................................................................................8
2.2.1 PROPRIEDADES CORROSIVAS DO ÁLCOOL ...........................................................9
2.2.2 DESENVOLVIMENTO DO ÁLCOOL NO BRASIL......................................................9
2.2.3 ETANOL COMO COMBUSTÍVEL...............................................................................11
2.2.4 PROBLEMAS AMBIENTAIS E HUMANOS COM O CULTIVO DA CANA-DEAÇÚCAR .................................................................................................................................12
2.2.5 PRODUÇÃO BRASILEIRA DE CANA-DE-AÇÚCAR ...............................................13
2.3 OCTANAGEM OU ÍNDICE DE OCTANAS ...................................................................14
2.4 COMBUSTÃO ...................................................................................................................15
2.5 MÁQUINAS TÉRMICAS .................................................................................................17
2.6 MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA DE 4 TEMPOS ...................................................17
2.7 CICLO OTTO ....................................................................................................................18
2.8 TRABALHO REALIZADO NO MOTOR ........................................................................22
2.9 O RENDIMENTO DAS MÁQUINAS TÉRMICAS .........................................................22
2.10 RELAÇÃO ESTEQUIOMÉTRICA.................................................................................24
2.10.1 MISTURA DE AR E COMBUSTÍVEL .......................................................................24
2.10.2 FATOR LAMBDA........................................................................................................24
2.11 CARBURADOR ..............................................................................................................26
2.11.1 OS PRINCÍPIOS FÍSICOS NO CARBURADOR........................................................27
2.11.2 O CARBURADOR SIMPLES ......................................................................................28
2.11.3 O DELCÍNIO DO CARBURADOR.............................................................................30
2.12 SISTEMA DE INJEÇÃO .................................................................................................31
2.13 INJEÇÃO ELETRÔNICA ...............................................................................................33
2.13.1 COMPONENTES BÁSICOS DO SISTEMA DE INJEÇÃO ELETRÔNICA.............33
2.13.2 SENSOR DE OXIGÊNIO OU SONDA LAMBDA .....................................................36
2.14 MOTOR FLEX................................................................................................................40
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS ...............................................................................................45
4. AGRADECIMENTOS .........................................................................................................48
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................49
6. ANEXO ................................................................................................................................52
2
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Estrutura química e tridimensional do etanol ..............................................8
Figura 2: Estrutura de um motor de 4 tempos ..........................................................18
Figura 3: Admissão da mistura, 1º tempo.................................................................19
Figura 4: Compressão da mistura, 2º tempo ............................................................19
Figura 5: Explosão da mistura, 3º tempo..................................................................20
Figura 6: Exaustão dos gases, 4º tempo..................................................................20
Figura 7: Gráfico que representa o Ciclo Otto ideal completo ..................................21
Figura 8: Gráfico que representa o Ciclo Otto real completo ...................................22
Figura 9: Gráfico que representa o Ciclo de Carnot .................................................23
Figura 10: Exemplo da aplicação do princípio do efeito Venturi, Bomba de
vaporização ...............................................................................................................27
Figura 11: Aceleração da mistura de combustível....................................................28
Figura 12: Esquema do carburador..........................................................................28
Figura 13: Borboleta do acelerador ..........................................................................29
Figura 14: Esquema de funcionamento da borboleta do acelerador ........................29
Figura 15: Esquema de um motor com um sistema carburado ................................31
Figura 16: UCE aberta de um Ford Ranger .............................................................34
Figura 17: Esquema elétrico com a ligação dos sensores à UCE do sistema G7....35
Figura 18: Esquema elétrico com a ligação dos atuadores à UCE do sistema G7 ..36
Figura 19: Aparência real da sonda lambda.............................................................37
Figura 20: UCE recebe as informações dos sensores e as utiliza para controlar os
atuadores ..................................................................................................................38
Figura 21: Esquema do motor flex ...........................................................................40
Figura 22: Localização do Software em um chip no centro da UCE ........................43
Figura 23: Estrutura interna de um carburador de automóvel ..................................56
Figura 24: O interior de um bico injetor de combustível (válvula injetora) ................57
Figura 25: Injetores de combustível montados no coletor de admissão do motor
(sistema de injeção multiponto).................................................................................58
Figura 26: Comparação entre o carburador e o corpo de borboleta.........................58
Figura 27: Injetores aplicados ao tubo de distribuição .............................................59
Figura 28: Representação de um sistema de injeção unitário com controle em malha
aberta ........................................................................................................................60
Figura 29: Representação de um sistema de injeção unitário com controle de malha
fechada .....................................................................................................................60
Figura 30: Representação da estrutura de sistema de injeção completo.................61
Figura 31: Exemplo de ligação dos injetores em um sistema seqüêncial ................63
Figura 32: Exemplo de ligação dos injetores em um sistema semi-seqüêncial........63
Figura 33: Exemplo de ligação dos injetores em um sistema simultâneo ................64
Figura 34: Representação da estrutura básica de uma UCE. ..................................64
3
ESTUDO DOS PROCESSOS FÍSICOS ENVOLVIDOS NOS MOTORES QUE
UTILIZAM COMO COMBUSTÍVEL ÁLCOOL E GASOLINA (CICLO OTTO)
RESUMO
Este trabalho tem o intuito de demonstrar quais os princípios físicos que permitem que um
motor flex funcione tanto com combustível fóssil como combustível alternativo, neste último caso uma
fonte renovável; o álcool. A abordagem desse tema apresenta não só a importância dos processos
físicos, mas questões geográficas, climáticas, culturais, econômicas e tecnológicas. O aumento da
frota de veículos no trânsito, da poluição e a escassez do combustível fóssil no futuro é uma grande
preocupação vigente no mundo. A utilização de um motor ciclo Otto capaz de usar dois tipos
diferentes de combustíveis traz mais benefícios ao país, ao consumidor e ao meio ambiente.
Palavras chave: Princípios físicos, Motor flex, Combustível Alternativo, Meio Ambiente.
4
1. INTRODUÇÃO
A pesquisa realizada neste trabalho se baseia em uma estrutura predominantemente
bibliográfica em que são retiradas informações de fontes, tais como, internet, periódicos e
livros para entender como funciona e quais as vantagens e desvantagens em se utilizar um
carro que possui um motor flex. O trabalho é baseado inicialmente em uma abordagem
histórica sobre como surgiu o carro flex, o porquê da utilização do álcool como uma fonte
alternativa de combustível mais viável no Brasil e como ocorreu a evolução de alguns
componentes dos automóveis ao longo dos anos para se chegar à tecnologia que envolve
esse processo. Os aspectos mais preponderantes neste trabalho estão voltados para os
princípios físicos envolvidos no decurso que ocorre no motor de um veículo com relação à
utilização do combustível1.
O primeiro protótipo do carro flex surgiu na década retrasada, especificamente em
1988, no país que mais consome combustíveis derivados do petróleo (Estados Unidos da
América) com o intuito de amenizar a enorme dependência do petróleo fornecido pelos
países que formam a Organização dos Países Exportadores de Petróleo (Opep)2. Os
principais fabricantes de automóvel dos Estados Unidos passaram a fornecer veículos,
chamados de flexible-fuel vehicles (FFV - veículos flexíveis), com capacidade de transitar
com gasolina ou uma mistura contendo 15% de gasolina e 85% de etanol (E85). Nesse caso
o motorista tinha a liberdade de abastecer seu veículo com gasolina ou com E85.
Atualmente a tecnologia envolvida no motor flex se baseia em alguns componentes
essenciais de um veículo. O sensor de oxigênio, que se localiza no escapamento bem antes
do catalisador, também conhecido como sonda lambda, responsabiliza-se por controlar a
relação estequiométrica ar-combustível. Aquele componente informa os desvios ocorridos
nessa relação a um computador chamado de unidade de controle eletrônica (UCE)
introduzido no motor ciclo Otto na década de 80. Com isso a sonda lambda colhe a
informação da mistura ar-combustível que está sendo queimada em função da presença de
oxigênio, transpassa a informação a UCE e esta providencia o ajuste necessário, em alguns
segundos. Há outros dispositivos que são abordados mais especificamente na seção 2.14
do motor flex.
O primeiro carro flex fabricado antes de conquistar o mercado nacional foi lançado
em março de 2003; o Volkswagen Gol Total Fex. Após esse fato, a produção dessas
versões cresceu vertiginosamente, representando hoje cerca de 86% das vendas de
automóveis no mercado interno. De acordo com a Associação Nacional dos Fabricantes de
Veículos Automotores (ANFAVEA) em junho de 2007 as vendas totais desses veículos já
alcançava 3,2 milhões1.
5
Apesar de não apresentar problemas econômicos com relação ao comércio
(importação de petróleo) para o grande consumo de combustível derivado de petróleo como
os EUA (Estados Unidos da América), o Brasil não tinha uma necessidade em fabricar
veículos flex. Entretanto houve uma preocupação, principalmente com relação a poluição,
aos problemas climáticos (o efeito estufa) e a subsistência do mercado interno.
O carro flex fabricado hoje no Brasil pode utilizar o combustível E100 (é
acrescentado ao álcool 1% de gasolina para descaracterizá-lo como álcool, pois caso
contrário poderia ser ingerido como bebida). Esse álcool é do tipo hidratado, com 7% de
água obtida pelo processo de destilação. Nos EUA o álcool utilizado é o anidro (com 0,5%
de água). Este álcool também é empregado no Brasil, mas para misturar com a gasolina
unicamente, de 20% a 25%, por força de lei1.
Neste trabalho são abordadas primeiramente questões relacionadas sobre a
estrutura química dos combustíveis utilizados no motor flex e logo após o impacto de cada
um no meio ambiente. Posteriormente é tratado o desenvolvimento do álcool no Brasil nos
quesitos relacionados a leis, decretos, a criação do carro movido a etanol hidratado, as
propriedades corrosivas do mesmo e as perspectivas de produção desse combustível
futuramente. Logo após é explanado os fenômenos básicos ocorridos no motor a combustão
interna demonstrando a evolução dos componentes essenciais dessa máquina térmica ao
longo do projeto, desde o carburador até o sistema de injeção eletrônico, dispositivo
fundamental que possibilitou a criação do motor flex 100% brasileiro.
Finalmente é
explicado o funcionamento dessa tecnologia no último tópico demonstrando suas vantagens
e desvantagens.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 GASOLINA
A maior parte dos combustíveis comuns é formada por combinações de carbono e
hidrogênio,
também
conhecidas
como
hidrocarbonetos.
O
gás
natural
consiste
principalmente de metano (CH4), com algum etano (C2H6) e propano (C3H8). O gás de
botijão é geralmente butano ou propano (C4H10). A gasolina é uma mistura de
hidrocarbonetos com cinco, seis, sete, oito e até nove átomos de carbono3. Sua molécula
possui de 7 a 11 carbonos em cada cadeia.
Esse fluido derivado do petróleo e responsável por movimentar grande parte da frota
de veículos existentes hoje no mundo é um hidrocarboneto alifático, ou seja, formado por
moléculas de hidrogênio e carbono dispostos em cadeias. Para se ter uma idéia os EUA
consomem aproximadamente 500 bilhões de litros por ano3.
6
As moléculas de hidrocarbonetos da gasolina apresentam discrepâncias com relação
aos comprimentos de suas cadeias, de suas propriedades e seus comportamentos. A
cadeia que forma o metano (CH4), por exemplo, apresenta somente um átomo com uma
densidade baixa, bem próximo do hélio. As cadeias ficam mais densas na proporção que
ficam maiores.
As cadeias CH4 (metano), C2H6 (etano), C3H8 (propano) e C4H10 (butano), são gases
e evaporam a temperatura de -107°C, -67°C, -43°C e -18°C, respectivamente. As cadeias do
intervalo C5, C6 e C7 se encontram no estado líquido em temperatura ambiente, possuem
uma baixa densidade e passam para o estado de vapor facilmente. Estes são denominados
naftas e são utilizados como solventes para tintas e outros produtos de secagem rápida.
As cadeias de C7H16 até C11H24 são mescladas e utilizadas na confecção da gasolina.
Todas aquelas possuem ponto de ebulição inferior ao da água. Esta é a razão da gasolina
evaporar mais facilmente, quando está em recipiente aberto4.
2.1.2 GASOLINA E O MEIO AMBIENTE
O uso da gasolina como combustível traz algumas conseqüências ao meio ambiente,
como a formação de uma névoa fotoquímica mais conhecida como “smog” e o efeito estufa
artificial, fenômeno que aumenta a temperatura do planeta. Aquele primeiro fato ocorre, pois
os motores a combustão interna não queimam a gasolina de uma forma ideal a ponto de
eliminar apenas dióxido de carbono, causador do efeito estufa, e água pelo escapamento.
Por não ser perfeito, o motor produz durante a combustão um gás conhecido como
monóxido de carbono (gás venenoso), óxidos de nitrogênio (as fontes principais da névoa
fotoquímica) e hidrocarbonetos não queimados (a fonte principal de ozônio urbano, processo
fotoquímico que leva a formação do smog). Apesar de todos os carros produzidos
atualmente possuírem catalisadores, estes não trazem solução aos problemas expostos
logo acima, pois não são perfeitos.
A produção desses elementos descritos acima traz conseqüências desastrosas para
o meio ambiente. Para se ter uma idéia, em um litro de gasolina é possível liberar 0,7 kg de
carbono na atmosfera. Os EUA são responsáveis por lançar diariamente cerca de 900
milhões de quilogramas de carbono. Analogamente se o carbono fosse sólido, de forma que
pudéssemos vê-lo, observaríamos um carro lançando pelo seu escapamento 700g desse
elemento. As conseqüências conhecidas decorridas desse fato são atualmente o aumento
do efeito estufa e possivelmente mudanças climáticas extremas que podem afetar todo o
planeta, como o derretimento das calotas polares. Devido a esse fenômeno, há esforços
crescentes para substituir a gasolina por fontes alternativas como o hidrogênio e renováveis
como o álcool5.
7
2.2 ÁLCOOL
O etanol ou álcool etílico é um composto orgânico e o
mais comum dos alcoóis. Aquele é obtido através da
fermentação de amido, sacarose da cana-de-açúcar, da uva e
cevada (por processo bioquímico) e em processos sintéticos
pela via química de síntese, a partir da hidratação de etileno. Sua estrutura molecular é
C2H5OH (ver a figura 1) sendo um líquido incolor, inflamável, volátil e que se mistura
facilmente em líquidos, tais como água e gasolina. Esse álcool é um solvente fortemente
polar, pois apresenta em sua estrutura molecular o oxigênio, que é um elemento
eletronegativo6.
Figura 1: Estrutura química e tridimensional do etanol
Fonte: HowStuffWorks Brasil, 2007.
Os átomos de carbono podem ligar-se não somente com outros átomos de carbono,
mas a vários outros átomos. A molécula OH (hidroxila) é evidenciada neste trabalho para
melhor entendimento sobre a molécula do etanol e suas propriedades corrosivas, que ao se
ligar uma cadeia com os átomos de carbono e hidrogênio, podem ocasionar danos em um
motor de um veículo, caso este não esteja devidamente adaptado.
Se um hidrogênio e um oxigênio possuem uma ligação covalente entre si, existe um
elétron disponível para partilha. Caso um grupamento hidroxila substitua um átomo de
hidrogênio em um hidrocarboneto, o composto adquire as propriedades de um álcool. Nesse
caso, a metana torna-se álcool metílico, ou álcool da madeira (CH3OH), substância de cheiro
agradável, mas capaz de provocar cegueira e morte. A etana torna-se álcool etílico
(C2H5OH), presente em todas as bebidas alcoólicas. A hidroxila é um exemplo de grupo
funcional, ou seja, o elemento OH se apresentam de forma repetitiva nos compostos que os
contêm dando uma característica semelhante a esses mesmos compostos7.
Logo após ser produzido e entrar em contato com o ar, o álcool passa por um
processo químico e espontâneo com o oxigênio, o que leva a formação do grupamento
funcional carboxila (COOH), que confere ao composto as características de um ácido. Cabe
ressaltar que o OH é o grupamento funcional dos alcoóis9.
8
2.2.1 PROPRIEDADES CORROSIVAS DO ÁLCOOL
O álcool é um composto que apresenta características corrosivas, ou seja, é um
ácido orgânico fraco, porque possui o grupo carboxila em sua estrutura
. O grupo
carboxila dissocia-se e produz íons de hidrogênio quando dissolvido em água:
(1)
Desta forma qualquer composto que possua esse grupamento é um doador de
hidrogênio (é um ácido). Todavia, trata-se de um ácido fraco, porque, como é uma reação
reversível, a carboxila ioniza-se pouco.
Resumindo, o álcool hidratado possui características mais corrosivas do que o álcool
anidro devido à dissociação de íons de hidrogênio quando dissolvido em água fazendo com
que a substância detenha mais H+ do que OH- em sua composição, apresentando um pH
abaixo de 7, características de ácido7.
2.2.2 DESENVOLVIMENTO DO ÁLCOOL NO BRASIL
Antes de se dedicar à produção do motor flex, o Brasil se devotou ao
desenvolvimento do carro a álcool na década de 70. Entretanto esse mesmo país já possuía
um programa pioneiro com o intuito de produzir e consumir álcool para a utilização em
motores automotivos desde a década de 20. Logo a seguir estão os fatores que
incentivaram o uso do álcool até o início do Proálcool:
•
Decreto-lei 19.317 – criado em 1931 e oficialmente nomeado como Álcool
Motor, ano em que bombas de álcool foram instaladas por todo o país.
•
Decreto 22.789 – criava o Instituto do Açúcar e do Álcool (IAA), onde era
estimulada a produção de etanol de fontes além da cana-de-açúcar.
O ITA foi a primeira instituição de pesquisa a desenvolver verdadeiramente o motor a
álcool nacional. O responsável por tal pesquisa foi o coronel aviador, engenheiro e professor
Urbano Ernesto Stumpf em 1953. Este profissional iniciou seus testes com veículos da
TELESP (telecomunicações de São Paulo) e chefiava o laboratório de pesquisas de motores
do CTA (Centro de Tecnologia Aeroespacial de São José dos Campos). Em 1974 a
empresa pertencente e chefiada pelo próprio Stumpf foi encarregada de desenvolver e
adaptar motores movidos a álcool, que logrou grande êxito naquela época. Este engenheiro
também desenvolveu estudos sobre motores movidos a óleos vegetais8.
9
No ano de 1975, foi desenvolvido o primeiro carro movido a álcool, um Dodge 1800.
Logo após um ano, este mesmo veículo, um fusca e um Gurgel Xavante rodaram 8000 km
por nove estados para demonstrar a viabilidade técnica do carro movido a álcool. Esse fato
foi possível graças à adaptação, por partes dos engenheiros do CTA, de um motor a
gasolina às propriedades do álcool.
Em 14 de novembro de 1975 foi criado o Proálcool intitulado pelo Decreto 76.593
pelo presidente Geisel e idealizado pelo secretário de Tecnologia Industrial José Walter
Bautista Vidal8. Este programa visava o incentivo ao cultivo de cana-de-açúcar, provia
recursos para a construção de usinas e tinha como forte argumentação o fato deste tipo de
energia ser renovável e poluir em menor escala, fator que favoreceu o desenvolvimento de
uma tecnologia 100% nacional6. Outro aspecto que fortaleceu a justificativa desse estudo foi
a crise do petróleo ocorrida em 1973 e agravada em 1979 devido aos conflitos entre os
países do Oriente Médio, causa do aumento do preço do barril petróleo em todo o mundo9.
Em 1979 foi lançado comercialmente o primeiro veículo movido a álcool, o Fiat 1472.
Este carro se tornou popular juntamente com outros carros nacionais no ano de 19866 em
que mais de 90% dos carros fabricados nacionalmente eram movidos a álcool8.
O Proálcool começou a entrar em crise a partir de 1987 – momento que o Estado
aplicou apenas 3% dos investimentos totais do Programa – dando fim a paridade de preço
de 64% entre o álcool e a gasolina6, fator que desestimulou a expansão e a renovação dos
canaviais8. Outro aspecto que influenciou na queda do Programa foi a baixa do preço de
petróleo juntamente com o aumento do valor do açúcar no mercado internacional. Devido a
este último acontecimento, grande parte dos usineiros produtores de álcool passou a vender
sua matéria-prima para a produção de açúcar no lugar do álcool, pois visava a exportação9.
No final da década de 80 o Brasil estava importando metanol para abastecer a frota
de veículos que formavam grandes filas nos postos de abastecimento em todas as cidades
brasileiras. O etanol anidro adicionado à gasolina estava em torno de 5%. O preço do barril
de petróleo caía no cenário nacional do patamar de US $ 30,00 o barril para o patamar de
US $ 20,00 o barril8 e as montadoras juntamente com os consumidores passaram a descrer
no Proálcool, fato que favoreceu a queda brusca da produção deste automóvel a patamares
bastante desestimulantes.
No ano de 1989 o abastecimento de álcool entrou em crise. Ademais, o presidente
Fernando Collor vetou os subsídios do setor açucareiro, o que levou muitos proprietários de
automóveis movidos a álcool a converter estes à gasolina2. O Programa do Álcool foi
oficialmente encerrado em 1990 com a extinção do IAA, e a substituição pela Secretaria de
Desenvolvimento Regional da Presidência da República e o Departamento de Assuntos
Sucroacooleiro apoiada pela empresa pública federal denominada Banco Nacional de
Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES)6. Atualmente não há subsídios aos
10
produtores de álcool, mas sim uma tributação diferenciada, que é maior para a gasolina do
que para o álcool por suas qualidades ambientais10.
2.2.3 ETANOL COMO COMBUSTÍVEL
Recentemente os problemas ambientais afligem a comunidade de muitos países.
Nesse cenário, o Brasil desenvolve um carro versátil que pode utilizar tanto gasolina como o
álcool. A razão está focada principalmente na questão da poluição, já que o Brasil é autosuficiente em petróleo devido, principalmente, as reservas do pré-sal e Bacia de Campos.
Atualmente o Brasil é auto-suficiente na produção de petróleo devido à descoberta
desse elemento na região denominada de pré-sal (local com a extensão de 800 quilômetros,
de Santa Catarina ao Espírito Santo, guardando um valor estimado de 80 bilhões de barris
de petróleo e gás). Com isso o Brasil sai da décima quinta e passa a ocupar a sexta maior
detentora de reservas de petróleo, atrás somente da Arábia Saudita, Irã, Iraque Kuait e
emirados árabes11, em suas respectivas ordem de reservas em número de barris de
petróleo12.
O etanol é menos poluente do que os derivados de petróleo e pode ser gerado a
partir da biomassa. Os dois maiores produtores de etanol no mundo são os EUA, utilizando
em grande parte o milho como matéria prima, e o Brasil produzindo o álcool etílico provindo
principalmente da cana-de-açúcar.
O Brasil possui uma boa vantagem na produção do bicombustível, comparado com
os países da Europa e com os Estados Unidos. No maior país da América do Sul, o etanol é
100% de cana e o valor atual da produção desse álcool é bem menor do que nos EUA e
Europa (que utiliza a beterraba como matéria prima do etanol).
Além de ser utilizado como combustível E100, que possui um valor próximo de 7%
de água na sua composição e sem acréscimos de qualquer substância (exceto o valor de
1% para descaracterizá-lo como bebida alcoólica6, o etanol é adicionado à gasolina como
aditivo. A quantidade gira em torno de 20% a 25%, obrigatório por lei. Neste caso o etanol é
anidro (possui aproximadamente 0,5% de água em sua composição)13. Nos Estados Unidos
a mistura desse álcool na gasolina gira em torno de 10%.
Cabe ressaltar que a água encontrada nesses alcoóis é originada pelo próprio
processo de destilação. Convencionalmente não se acrescenta água no álcool, ao menos
que se queira adulterá-lo. Para maiores informações consultar o anexo seção 1.
O Brasil utiliza esse combustível renovável atualmente graças às pesquisas de
empresas privadas e instituições de ensino. Os projetos abordados e desenvolvidos por
estes apresentam assuntos variados, como os impactos ambientais, melhoramento genético
da cana, combate as pragas, técnicas de colheita e fabricação (hidrólise e fermentação)6.
11
2.2.4 PROBLEMAS AMBIENTAIS E HUMANOS COM O CULTIVO DA CANA-DEAÇÚCAR
Apesar de apresentar muitas vantagens, o álcool manifesta alguns problemas.
Dentre estes o método empregado pela colheita, que é majoritariamente primitivo (sem o
uso de máquinas) o que leva a queima da palha da cana para facilitar e abaixar o custo do
corte manual, apesar dessas queimadas serem proibidas por lei há muitos anos6. Esse
recurso ainda é utilizado, pois a intenção dos agricultores é aumentar de duas a cinco
toneladas diárias. Entretanto, essa prática será definitivamente abolida pelo menos no
Estado de São Paulo até 201710.
O resultado daquela queima é a liberação de gás carbônico, nitrogênio, enxofre e
também elementos cancerígenos. Essa prática faz também com que as plantas percam
alguns nutrientes, fator que facilita a erosão e o aparecimento de ervas daninhas, por causa
da redução da proteção do solo.
Outro problema que aflige o meio ambiente é o consumo de água de mananciais na
produção do combustível verde chegando a 21 000 litros de água por tonelada de cana em
indústrias antigas e 5000 a 1000 em indústrias mais novas, sendo estas a maioria no país10.
O efluente vindo do processo industrial da cana, a vinhaça, também é outra preocupação
para os ambientalistas6. Entretanto, para os dois casos há uma solução; reciclar a água
utilizada e utilizar a vinhaça como fertilizante do solo. Se for lançado sem o devido
tratamento em rios ou no solo, aqueles dejetos prejudicam os seres aquáticos, terrestres e
podem contaminar os lençóis freáticos10.
Outro ponto bastante discutido é a redução da fertilidade do solo devido ao uso
exclusivo para o plantio da cana. Contudo, o rodízio com a cultura de leguminosas, como
feijão, amendoim e soja durante o período de seis meses entre a retirada da cana e o
replantio impede a redução da fecundidade da terra. Há também uma especulação de que a
produção de etanol pode prejudicar a produção de alimentos no mundo, com o forte
embasamento na expansão da lavoura de milho nos EUA. Entretanto, segundo muitos
especialistas brasileiros, o mundo produz mais alimentos do que consome. Ademais, no
caso do Brasil, o aumento do cultivo de cana está sendo feita pelo método de substituição
de pastagens, sem alterar a produção de carne bovina e o cultivo de alimentos10.
Alternativa – Além do etanol e do açúcar, o processo de fermentação da cana-deaçúcar
gera
co-produtos
que
também
são
importantes.
O
bagaço
encontra-se
aproximadamente 40% de resíduo em forma de celulose, 20% de hemicelulose, 30% de
lignina e outros elementos como enxofre (0,20%) e potássio (1%). As folhas, os bagaços,
assim como outros restos do cultivo, estão sendo utilizados na geração de energia elétrica,
bioeletricidade. Grande parte das destilarias tem aproveitado parcelas daqueles elementos
12
para aquecer suas caldeiras, e a sobra para as mais diferentes finalidades. Outra vantagem
da utilização desses dejetos é que na época em que as hidrelétricas diminuem sua
produção de energia devido à seca é o momento da colheita da cana (esta colheita é
realizada principalmente nas estações de seca) sendo parte dos bagaços e folhas utilizadas
na produção de energia elétrica6.
Questão social – A sobrecarga dos trabalhadores rurais é um grande problema
apontado pelos especialistas, de acordo com a Pesquisa Nacional de Amostragem de
Domicílios (Pnad) do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) realizada no ano
de 2005. De acordo com essa pesquisa o setor rural possuía 982 mil empregados diretos e
formais no ramo. Entretanto o problema maior está nos trabalhos temporários e nas
péssimas condições de trabalho, incluindo a sobrecarga de trabalho. Em duas safras vinte
trabalhadores faleceram, provavelmente por estafa6.
2.2.5 PRODUÇÃO BRASILEIRA DE CANA-DE-AÇÚCAR
O Brasil possui uma área total para o cultivo em geral de 851 milhões de hectares
dois quais 6 milhões de hectares estão disponibilizados para o plantio de cana-de-açúcar.
As regiões em que se cultiva esta planta em larga escala são sudoeste e nordeste. O
governo prevê para os próximos anos a substituição dos pastos, que ocupam cerca de 220
milhões de hectares por cana. A Amazônia já faz parte da produção de etanol. O cultivo
nessas terras aumenta aproximadamente em 300 mil hectares em 2007 pelo programa
Amazônia Legal. Entretanto, há um projeto sendo elaborado com o término previsto para o
segundo semestre de 2008, que proíbe o cultivo no Pantanal e na Amazônia.
Segundo alguns perquiridores do Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético
(Nipe) da Universidade de Campinas (Unicamp) o Brasil vai aumentar doze vezes mais a
produção de cana para substituir 10% do consumo mundial atual de gasolina. Dois anos
atrás cerca de 70 mil produtores estiveram ligados a um valor superior a 370 mil destilarias e
1 milhão de pessoas estavam relacionadas ao processo de produção de álcool6. Para se ter
uma melhor noção desses dados, no ano de 2007 o mundo utilizou 54 bilhões de litros de
etanol. O Brasil produziu na última safra 21,5 bilhões de litros. Desse valor 3 bilhões devem
ser exportados até o final de 200810.
De acordo com a projeção divulgada pela ANFAVEA, futuramente a quantidade de
veículos flex em circulação aumentará em 500% até o ano de 2013. Aquela associação
estima que há um valor de 6,5 milhões desses veículos trafegando atualmente.
Nos últimos dez anos, a produção canavieira do Brasil aumentou de uma forma
significativa. Em 1975 a produção girava em torno de 90 milhões de toneladas e em 2006
ultrapassou 400 milhões. A produtividade também teve uma melhora. A produção saltou de
13
3 mil para 7 mil litros por hectare e o processo de fermentação é cerca de 15 horas,
dependendo exclusivamente da linhagem de levedura utilizada6.
2.3 OCTANAGEM OU ÍNDICE DE OCTANAS
O índice de octanas é a uma forma de expressar e quantificar a “resistência” à
detonação de um determinado combustível, ou seja, o quanto o combustível pode suportar
uma dada compressão sem que exploda espontaneamente.
A gasolina possui extensas cadeias de hidrocarbonetos. As mais conhecidas são as
de heptano, que entra em combustão espontânea a uma baixa compressão, e octano, que
resiste à compressão muito bem sem que ocorra a pré-ignição (para maiores informações
sobre a pré-ignição, auto-ignição e detonação consultar o anexo n° 2). A gasolina comum
possui 87 octanas, ou seja, 87% de octano e 13% de heptano (ou alguma outra combinação
de combustíveis que apresente o mesmo rendimento que a combinação 87/13 de
octano/heptano). O ponto de ignição ocorre espontaneamente neste fluído em um nível de
compressão específico e só pode ser utilizada em motores que não ultrapassem essa taxa14.
Uma gasolina que possui uma baixa octanagem, por exemplo, não resiste a uma alta
compressão, ocorrendo a auto-ignição. Esse fato pode prejudicar e diminuir a vida útil do
motor, pois a explosão ocorre antes do pistão alcançar o ponto morto superior (PMS)
demonstrado na figura 2 da seção 2.6, causando um contragolpe no eixo de manivelas
(gases decorrentes da combustão manifestam-se contra o movimento do pistão
desacelerando-o, às vezes freando por completo, antes que ele chegue ao fim do seu
curso). A centelha gerada pela vela de ignição não deve saltar com muito atraso, tampouco
muito adiantado com relação ao PMS.
Caso ocorra a combustão sem essa centelha dizemos que ocorre a detonação. Esse
fenômeno causa danos no motor. A compressão da mistura estequiométrica ocorre no
segundo tempo em um motor de quatro tempos (o funcionamento de um motor de quatro
tempos é explicado na seção 2.7 do ciclo Otto). Esse segundo tempo é o instante em que o
pistão comprime a mistura ar-combustível a um volume limite, que precede o ponto de
ignição (momento em que a vela lança uma centelha dentro do cilindro para que ocorra a
combustão). A gasolina que possui uma quantidade igual ou superior a 87 de octanas (valor
encontrado na gasolina comum) suporta a compressão no segundo tempo do
funcionamento do motor antes de entrar em combustão.
O uso de combustíveis como o etanol e metanol não propiciam a auto-ignição,
porque esses suportam a alta compressão. A gasolina “comum” tem o índice de octanas
considerada normal por volta de 87 (72 para carros antigos a carburador e 87 para carros
modernos a injeção eletrônica) e taxa de compressão 9:1 a 10:1. O álcool etílico possui uma
14
octanagem maior, em torno de 11015 (o termo octanagem citado só é utilizado aqui para
estabelecer comparações com a gasolina, já que o álcool não possui octanas). Este
carburante possui uma taxa de compressão de 10,5:1 a 13:1. Nos antigos motores a
gasolina essa taxa fica entre 7:1 e 8,5:1 devido o uso dos antigos carburadores (ver a
sessão 13 o sistema de injeção). A gasolina que apresenta octanagem considerada normal
resiste à alta compressão a que é submetida na câmara de compressão, cuja explosão
acontece com a faísca da vela. Portanto, não há neste caso, o fator auto-ignição. O baixo
índice de octanas da gasolina se deve a mistura de outros combustíveis, fazendo com que
essa possua índices inferiores a 87 octanas14.
A gasolina de alta octanagem é freqüentemente utilizada em motores de alto
desempenho, pois a taxa de compressão dentro do cilindro desses motores é elevada. Esse
fator possui a vantagem de aumentar a potência do motor, mas a desvantagem é o alto
preço desse tipo de gasolina.
2.4 COMBUSTÃO
A combustão é uma reação química conhecida também como uma reação de
oxirredução na presença de oxigênio (O2). Entende-se por reação de oxirredução a
passagem de elétrons de um átomo para outro ou de uma molécula para outra. A perda de
um elétron chama-se oxidação e o ganho de elétron é caracterizado como redução16.
Na combustão, algumas moléculas de oxigênio ligam-se a moléculas de carbono e
formam monóxido de carbono. Com isso, o oxigênio e o carbono se unem com extrema
violência produzindo uma grande quantidade de calor num processo de reação em cadeia.
Ademais, o monóxido de carbono pode atrair outro oxigênio, de modo que possa
obter uma reação mais complicada. Nesta situação ocorre em uma combustão na qual outro
átomo de oxigênio pode se ligar ao CO e acabar formando uma molécula de dióxido de
carbono (CO2), conhecida como gás carbônico.
Se o carbono for queimado com pouquíssimo oxigênio em uma reação muito rápida
no motor de um automóvel, mistura estequiométrica muito rica, a explosão é tão rápida que
não dá tempo para formar dióxido de carbono. Nesta situação, uma quantidade considerável
de monóxido de carbono e fuligem se formam17 (cabe ressaltar que os veículos mais
modernos dispõem de sensores como o sensor de oxigênio que auxilia a regular a medida
ideal da mistura de ar/combustível, fator que inibe a produção de CO e fuligem). Para
maiores detalhes ver sobre a relação estequiométrica ver a seção 11.
Em uma combustão ocorrida em motores a combustão interna a resultante da
queima pode ser CO2 e H2O (reação completa com a quantidade ideal ou excessiva de O2) e
CO e H2O (reação incompleta devido a pouca quantidade de O2) devido a mistura
15
estequiométrica rica e pobre respectivamente. Nestes casos a energia de ligação total dos
produtos é consideravelmente menor que a energia de ligação total dos reagentes, ou seja,
essas reações são altamente exergônicas18. A reação de uma forma geral pode ser
expressa pela equação 2. Os casos mais específicos são apresentados nas equações 3, 4,
5 e 6:
Moléculas de combustível + O2 CO2 + H2O + energia
(2)
Reação de uma combustão
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
(3)
Reação de combustão ideal (completa)
CH4 + 1,5O2 CO + 2H2O
(4)
Reação de combustão incompleta
CH4 + O2 C + 2H2O
(5)
Reação de combustão onde se obtém fuligem
C2H5OH + 3O2 2CO2 + 3H2O
(6)
Reação de combustão do etanol36
O ar que é misturado na gasolina antes de entrar na câmara de combustão possui
alguns outros elementos além do oxigênio, tais como, nitrogênio, oxigênio, algum vapor
d’água e quantidades menores de dióxido de carbono, argônio e outras substâncias17.
Com isso, os gases que saem pelo escapamento do automóvel contêm outras
substâncias além do dióxido de carbono ou monóxido de carbono e água. Os poluentes que
saem de um escapamento de carro e possuem maior relevância são:
•
Monóxido de carbono (CO) – formado porque a combustão é incompleta.
Este fato é decorrente da quantidade insuficiente de oxigênio disponível para reagir de
forma rápida e completamente com todo o carbono disponível5.
•
Dióxido de carbono – responsável pelo aquecimento global que dificulta a
saída do calor para o espaço19
•
Óxidos de nitrogênio (NOx) – devido o aumento da pressão e temperatura
dentro do cilindro. O nitrogênio e o oxigênio contidos no ar se combinam de várias formas,
reação que gera uma névoa fotoquímica conhecida como smog5;
16
Hidrocarbonetos não queimados (HC) – em decorrência do pouco tempo
•
disponível durante a fase de combustão, não são todos os hidrocarbonetos que participam
da reação, formando o ozônio urbano5.
Pode haver também algumas impurezas na gasolina, como enxofre, formando óxidos
de enxofre que acaba contribuindo para a poluição do meio ambiente14.
Uma maneira de amenizar a emissão desses gases poluentes é a utilização de
catalisadores, que diminuem a quantidade de CO2, NOX e hidrocarbonetos5.
2.5 MÁQUINAS TÉRMICAS
Uma máquina térmica, também conhecida como um motor é um dispositivo que
extrai energia do ambiente na forma de calor e realiza trabalho útil. No caso do motor a
combustão, o ambiente em que o motor extrai energia é na câmara de combustão, a partir
da explosão da mistura ar-combustível, também considerado como substância de trabalho
na perspectiva do estudo de máquinas térmicas. Para que um motor realize trabalho de
forma intermitente ou interruptamente, a substância de trabalho passa por uma série
fechada de processos termodinâmicos, chamados de tempos, voltando repetidamente a
cada estado neste ciclo (cabe ressaltar que no motor real o ciclo não é totalmente
fechado20).
2.6 MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA DE 4 TEMPOS
A maioria dos veículos atualmente usa motores que possuem o ciclo de combustão
de 4 tempos para converter a energia concentrada na gasolina em movimento. Este tipo de
veículo recebe o nome ciclo Otto em homenagem a Nikolaus Otto que o inventou em 1867.
A estrutura básica desse motor é demonstrada na figura 2.
17
Figura 2: Estrutura de um motor de 4 tempos
Fonte: Uol educação, Física do automóvel, adaptado.
Os motores de antigamente, fabricados na década de 80, eram feitos geralmente de
aço e ferro fundido. Contudo, atualmente, por motivos de economia e durabilidade, esses
mesmos motores estão sendo desenvolvidos com aço e alumínio, por ser um material mais
leve e de difícil oxidação21.
2.7 CICLO OTTO
Os processos que ocorrem nos motores a álcool, a gasolina ou flex de 4 tempos
são representados logo a seguir por meio de diagramas que representam o ciclo do motor a
combustão interna: ciclo Otto. As figuras 3, 4, 5 e 6 demonstram o funcionamento de um
ciclo em etapas por meio de diagramas de pressão por volume. A figura 7 apresenta o ciclo
ideal completo e a figura 8 apresenta um ciclo real completo.
Admissão da mistura: 1° tempo
Abertura da válvula de admissão: nesta situação a velocidade de avanço da mistura
dos fluidos é praticamente igual à velocidade do pistão. Em conseqüência desse fato, a
pressão fica praticamente constante e o volume aumenta: processo isobárico
,
conforme mostra a figura 3:
18
Figura 3: Admissão da mistura, 1º tempo
Fonte: Uol Educação, Física do automóvel e GREF, com adaptações.
Compressão da mistura: 2° tempo
Nesta situação o trabalho do pistão é convertido totalmente em energia interna da
mescla dos fluidos que possuem a pressão e temperaturas elevadas. Essa condição produz
uma compressão adiabática, pois o processo é muito rápido e praticamente não há trocas
de calor. O volume diminui à medida que a pressão e a temperatura aumentam
,
conforme esboça a figura 4:
Figura 4: Compressão da mistura, 2º tempo
Fonte: Uol Educação, Física do automóvel e GREF, com adaptações.
Explosão da mistura: 3° tempo
Neste trecho ocorre a explosão e não há variação de volume, já que a reação
química é muito rápida (não há conseqüentemente o movimento do pistão). Também ocorre
19
um grande aumento da temperatura e pressão
explosão
(figura 5); Na segunda parte da
, o pistão desce com extrema rapidez, não havendo assim trocas de calor.
Por esse motivo a expansão é considerada adiabática conforme mostra a figura 5.
Figura 5: Explosão da mistura, 3º tempo
Fonte: Uol Educação, Física do automóvel e GREF, com adaptações.
Escape dos gases: 4° tempo
Com a abertura da válvula no motor
ocorre a variação da pressão e da
massa da mistura, não havendo assim tempo para a mudança de curso do pistão e,
portanto, a não variação do volume. Essa descompressão é considerada isométrica
(conforme mostra a figura 6).
A exaustão dos gases ocorre no trecho
. Neste processo a massa do gás
presente no cilindro diminui na mesma proporção que o volume e é considerado isobárico,
conforme demonstra a figura 6.
Figura 6: Exaustão dos gases, 4º tempo
Fonte: Uol Educação, Física do automóvel e GREF, com adaptações.
20
Os processos descritos logo acima são representados de forma conjunta no
diagrama P x V (figura 7) para o ciclo completo do motor a combustão interna, que é
denominado ciclo Otto.
Figura 7: Gráfico que representa o Ciclo Otto ideal completo
Fonte: Uol Educação, Física do automóvel e GREF, com adaptações.
Os processos descritos acima são situações bem próximas do real. Dessa forma, o
diagrama das variações da pressão e do volume em um motor real manifesta alguma
diferença em relação ao analisado precedentemente. Na admissão a pressão não
permanece constante (o processo não é perfeitamente isobárico), pois o volume da mistura
ar/combustível não acompanha o movimento do pistão, havendo, portanto certa diminuição
de pressão. Na explosão, o processo não é perfeitamente isovolumétrico (isométrico)
porque não acontece instantaneamente e ocorre com certa velocidade do pistão.
A exaustão isométrica vista no ciclo Otto ideal não chega a ocorrer no ciclo real,
porque o cilindro inverte bruscamente sua velocidade (transmitida pelo eixo) e já empurra a
mistura queimada para fora. A exaustão real não é de fato isobárica porque o pistão tem
velocidade inferior com relação à velocidade de escape do gás.
O diagrama P x V da figura abaixo apresenta o ciclo completo de um motor real22.
21
Figura 8: Gráfico que representa o Ciclo Otto real completo
Fonte: Uol Educação, Física do automóvel e GREF, com adaptações.
2.8 TRABALHO REALIZADO NO MOTOR
O trabalho é realizado somente no terceiro tempo. Nos demais, onde ocorre a
admissão, compressão e escape, o movimento contínuo do pistão ocorre por meio de um
trabalho externo por causa da inércia do volante ou do conjunto do sistema em que estão
acoplados vários pistões à árvore de manivelas. Ademais, uma parcela do calor de
combustão é eliminada na forma de energia interna dos gases, levando em consideração
também, a troca contínua de calor entre o corpo do motor e o ambiente. A parte restante do
calor de combustão está relacionada à energia de movimento do pistão – realização de
trabalho – fechando dessa forma o balanço energético.
A realização de trabalho W e o aumento da energia interna
quantidade de calor
devido à
estão de acordo com o princípio de conservação de energia
denominada Primeira Lei da Termodinâmica, expressa matematicamente pela equação 722:
(7)
2.9 O RENDIMENTO DAS MÁQUINAS TÉRMICAS
O rendimento real de um motor, em que a energia liberada na combustão faz os
pistões se movimentarem em um motor ciclo Otto, está próximo de 21% a 25%. A energia
restante é perdida de forma mecânica (
por meio do atrito das superfícies metálicas do
veículo, da inércia do pistão e em energia sonora) e térmica (
motor com o ambiente por meio do sistema de refrigeração e
em troca de calor do
em energia interna dos
22
gases provindos da combustão e exauridos pelo escapamento). No total, a perda de energia
gira em torno de 75% a 80%.
O rendimento de uma máquina é determinado como a razão entre o trabalho
produzido e a energia fornecida conforme demonstra a equação 8:
(8)
Cujo
é o rendimento da máquina,
é o trabalho realizado pela mesma e
éa
quantidade de calor. Caso toda energia do carburante fosse convertida em trabalho
mecânico, o rendimento seria 1 ou 100%23. Situação que na realidade nunca ocorre de
acordo com o engenheiro francês N. L. Sadi Carnot, pioneiro nos estudo de motores em
182420. Segundo este estudioso, o motor pode ter um rendimento máximo de
aproximadamente 50% independente da substância de trabalho usada e desconsiderando
as questões técnicas24. Com isso foi formulado um ciclo ideal construído devido à
necessidade de aperfeiçoar o rendimento das máquinas térmicas reais. Esse ciclo foi
denominado ciclo de Carnot (demonstrado na figura 9).
Nos motores reais o aumento de rendimento é obtido por meio de regulagens que
admite a ampliação da área do gráfico apresentado na figura 8. Essa ampliação deve se
aproximar a área do ciclo de Carnot, apresentado na figura 9. O registro dessa área é
realizado por um sistema específico conhecido como registrador. Os registradores mais
atuais detêm circuitos eletrônicos23.
Figura 9: Gráfico que representa o Ciclo de Carnot.
Fonte: GREF, com adaptações.
23
2.10 RELAÇÃO ESTEQUIOMÉTRICA
2.10.1 MISTURA DE AR E COMBUSTÍVEL
Para que haja uma mistura ideal de carburante e comburente não basta apenas
mesclar o ar e o combustível. Há uma necessidade de se conseguir uma boa vaporização
desse carburante de forma que ele se misture muito bem com o ar, conforme o princípio
básico do funcionamento do carburador que será explicado seção 2.11.
Na combustão do carburante, se utilizam 12 partes de ar para 1 parte de
combustível. Cabe lembrar que 1 quilo de ar ocupa um volume de 1 metro cúbico. Com isso
chega-se a conclusão, com base na relação estequiométrica, que para queimar 1 quilo de
combustível são necessários 12 quilos de ar (12:1)25.
Na verdade existe uma proporção específica de comburente e combustível ideal,
para cada tipo de motor. No caso do motor a gasolina a relação estequiométrica ideal está
entre 9:1 e 10:1 (9 partes de ar para 1 quilo de combustível, no primeiro caso). Para o álcool
etílico (etanol), a relação está entre 12:1 e 13:1 (12 partes de ar para 1 de combustível, para
o primeiro caso). Essa proporção está intimamente ligada à quantidade de hidrogênio e
carbono presente em uma determinada quantia de carburante. Caso haja menos ar do que a
proporção ideal, há sobra de combustível, que indica riqueza da mistura. Isso não é um bom
sinal, pois além do gasto excessivo de combustível, há também um lançamento maior de
poluição no meio ambiente e o motor pode funcionar de forma irregular (“afoga”), desliga
(“apaga”) ou pode não dar a partida. Se ocorrer o contrário, a mistura obtiver mais ar do que
a proporção ideal (excesso de oxigênio), essa mescla é considerada pobre. Esta possui
mais desvantagens, pois além de gerar mais poluentes de óxido de nitrogênio (óxido e o
dióxido de nitrogênio), pode provocar também um desempenho inferior ao normal, não dar a
partida e até danificar o motor14.
2.10.2 FATOR LAMBDA
Para medir a relação estequiométrica utiliza-se o fator lambda, que é o quociente da
mistura ar/combustível real pela ideal. O valor ideal do fator λ é igual a 1.
(9)
24
Note que esta é uma situação que varia de acordo com o combustível utilizado no
motor. Logo abaixo são apresentados os valores ideais de cada combustível para cada
parte de ar utilizado no motor ciclo Otto:
Gasolina com 20% de álcool: 9:1;
Álcool 12:1
Em um motor a gasolina, por exemplo, que recebe uma mistura de 10:1 (pobre) é
possível encontrar o valor do fator lambda. Basta dividir aquele valor por 9:1 (ideal para
gasolina), conforme demonstrado logo abaixo:
Na partida a frio e nas acelerações o motor necessita de uma mistura admitida mais
rica, sendo, portanto, necessário um fator lambda abaixo de 1 (λ<1). Entretanto, em casos a
parte a esses, o conjunto admite uma mistura que se aproxima do fator lambda igual 1 (λ=1),
onde há uma economia significativa e uma combustão próxima da ideal (queima total do
combustível e a melhor marcha lenta).
Em outra situação, como a demonstrada anteriormente, o motor pode consumir
pouco combustível e gerar potência reduzida. Este é o caso em que se obtém mistura
pobre, isto é, um lambda maior que 1 (λ>1).
A tabela 1 esquematiza de maneira simples e reduzida o que foi apresentado.
Tabela 1: Relação do fator lambda e o tipo de mistura
Fator lambda
λ
>1
Tabela 1
Tipo de
mistura
Pobre
Quantidade de ar
=1
Ideal
Ideal
<1
Rica
Falta
Excesso
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 1.
Os motores que utilizam álcool ou gasolina atuam melhor com o fator lambda
próximo a λ=1, pois este é o ponto em que se obtém o maior torque associado ao menor
consumo e menor emissão de poluentes. A tabela 2 expressa esta situação de forma a
resumida14:
25
Tabela 2: Relação do desempenho do motor e o fator lambda
Tabela 2
Desempenho
λ=1
Quantidade de ar
Plena carga
0,9
Excesso
Carga parcial
1
Ideal
do motor
Marcha lenta 0,9 a 1,05
Variável
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis 6 do Instituto Universal Brasileiro
2.11 CARBURADOR
O carburador tem a função de vaporizar o máximo possível o combustível e mesclálo, na quantidade correta, com o ar antes de entrarem na câmara de combustão, de forma
que o motor funcione adequadamente. Os combustíveis que fazem parte do processo ciclo
Otto são mais voláteis, isto é, vaporizam com grande facilidade e entram em combustão
sem dificuldade. Essa é a razão de a gasolina e o álcool queimarem mais facilmente que o
querosene, por exemplo. Aqueles combustíveis devem estar vaporizados ao adentrar no
motor, pois se fossem colocados no estado líquido dentro do cilindro, somente uma parcela
dele queimaria e a grande parte seria desperdiçada fluindo pelo escapamento, havendo
assim um baixo aproveitamento. Dessa forma, o motor deve queimar todo o conteúdo de
combustível e ar dentro do cilindro, para obter melhor rendimento possível.
O tempo em que o combustível queima dentro do motor é bastante pequeno, cerca
de uma fração de segundo. Em um motor de quatro tempos que gira 6000 rotações por
minuto, cerca de 100 rotações por segundo, para cada duas voltas do eixo de manivelas,
em um segundo, corresponde a 50 combustões. Portanto a combustão dura menos que
1/50 segundo.
A quantidade de combustível e ar varia de acordo com as condições de
funcionamento do motor. Quando este trabalha em alta rotação é preciso fornecê-lo mais
carburante e comburente. Entretanto, se o motor trabalha em uma baixa rotação, então este
precisará de menos combustível e ar.
A idéia anterior é fundamental para queimar gasolina, criar uma situação em que
haja uma condição para movimentar os pistões. Essa condição é o aumento da temperatura
da câmara de combustão favorecendo-se a elevação da pressão, propiciando um
movimento dos pistões e conseqüentemente o movimento das rodas, quando a marcha do
veículo está engatada. Para ocorrer o funcionamento do motor é necessária uma quantidade
de combustível muito pequena durante cada ciclo de combustão. O motor precisa de um
valor aproximado de 10 miligramas por curso de combustão.
26
O carburador de um carro é uma peça bem complexa. Entretanto este trabalho
demonstra logo adiante o princípio básico do carburador (carburador simples)25 para logo
após apresentar um carburador padrão de automóvel (em anexo na seção 3).
2.11.1 OS PRINCÍPIOS FÍSICOS NO CARBURADOR
Antes de adentrar no motor, o ar é obrigado a passar por um orifício, sendo logo
após forçado a passar por um cano bem estreito, fator que aumenta a velocidade daquele
fluido. A figura 10 demonstra um exemplo de como ocorre à vaporização do combustível
dentro do carburador. Quando uma seringa é comprimida, cria-se uma de corrente de ar no
tubo A, que ao passar pela extremidade superior do tubo B, imerso em um líquido, reduz o
valor da pressão atmosférica25. Devido à diferença de pressão resultante, o líquido do copo
sobe pelo tubo vertical, entra em contato com a corrente de ar e é vaporizado, ou seja, se
divide em gotículas que se misturam ao ar, formando uma mistura pulverizada. Esse
mecanismo descrito logo abaixo opera de acordo com o princípio do efeito Venturi26.
Figura 10: Exemplo da aplicação do princípio do efeito Venturi, Bomba de vaporização
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis 6 do Instituto Universal Brasileiro.
O mesmo fenômeno ocorre no carburador, mas observe que há uma discrepância
singela entre a figura 10 e 11 a seguir; a velocidade do ar é bem superior do que a do
atomizador e a localização de um pistão que fica à esquerda que comprime a mistura arcombustível.
A figura 11 representa o mesmo fenômeno demonstrado na situação da figura 10.
Entretanto aquela apresenta uma redução, de forma que o ar não encontre fortes obstáculos
a ponto de ter perdas. O carburador é uma peça muito cara, importante e sensível. Esse
equipamento apresenta uma redução para que o ar não entre de forma tão brusca e venha
danificá-lo. Esse equipamento possui uma redução suave, aerodinâmica, que faz o mesmo
efeito. O princípio físico é o mesmo ocorrido na figura 10, mas neste caso a situação é
diferente: o ar é forçado pelo estrangulamento do tubo horizontal, que aumenta o valor da
velocidade do fluido e reduz a pressão a um valor inferior à pressão atmosférica na região
27
superior do tubo B. Devido à diferença de pressão resultante, o combustível é bombeado
pelo tubo vertical B, entra na corrente de ar, e emerge do bocal26.
Figura 11: Aceleração da mistura de combustível
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis 6 do Instituto Universal Brasileiro.
2.11.2 O CARBURADOR SIMPLES
O carburador demonstrado anteriormente, figura 11, apresenta a construção de um
carburador simples. Este é usado apenas em motores pequenos, de um só cilindro, mas o
princípio envolvido é o mesmo para todos os carburadores. Veículos de grande porte
necessitam de um atendimento especial, em que envolva dispositivos mais aperfeiçoados.
Logo abaixo, na figura 12, há um carburador desse tipo, mas apresenta elementos
configurados de outra forma.
Figura 12: Esquema do carburador
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis 6 do Instituto Universal Brasileiro.
O combustível provém de um reservatório próximo e, por meio de um tubo, alcança a
região mais estreita do carburador. Ao passar pela parte mais estreita, o ar aumenta a sua
28
velocidade. Com isso há sucção do carburante por parte do motor devido à diferença de
pressão. O resultado final é a conversão do combustível líquido em estado de vapor
mesclado com o ar.
No percurso da mistura, existe uma particularidade na figura 13; um disco de aço,
denominado acelerador, ou borboleta do acelerador, por apresentar duas abas com relação
ao eixo.
Figura 13: Borboleta do acelerador
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis 6 do Instituto Universal Brasileiro.
A função da borboleta do acelerador é abrir ou fechar possibilitando a passagem ou
obstrução parcial da mistura. Cabe ressaltar que a borboleta não fecha por completo, pois
caso isso ocorresse o motor deixaria de ser alimentado pela mescla de ar/combustível, e
não mais funcionaria.
Quando a passagem da mistura é fechada, menos carburante chega ao cilindro e,
conseqüentemente, o motor proporciona menos energia para seu funcionamento. Quando a
borboleta do acelerador abre, maior quantidade de mistura de ar e combustível perpassa até
a câmara de combustão, fornecendo assim mais energia a essa máquina térmica.
Figura 14: Esquema de funcionamento da borboleta do acelerador
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis 6 do Instituto Universal Brasileiro.
29
Nos motores mais antigos a borboleta do acelerador é ligada a um cabo de aço que
a interliga com o pedal do acelerador. Atualmente não se usa tal mecanismo em carros mais
modernos, pois o funcionamento desse sistema é eletrônico.
O funcionamento do mecanismo borboleta e o pedal do acelerador se dão da
seguinte forma:
•
No momento em que se pisa no pedal, a borboleta abre e permite a
passagem da mescla ar/combustível. À medida que se pressiona o pedal maior será a
abertura daquela válvula e conseqüentemente maior quantidade da mistura.
•
No momento em que se solta o pedal do acelerador, uma mola obriga a
borboleta a fechar em motores antigos. Portanto, regulando a posição do pedal com o
pé, regula-se a posição da borboleta e, por conseguinte, a quantidade de combustível
e ar que perpassa para o motor. Em resumo, regula-se a energia que o motor
fornece25.
2.11.3 O DELCÍNIO DO CARBURADOR
Antes da utilização do sistema de injeção em veículos automotores, o carburador foi
largamente utilizado em quase toda a existência do motor de combustão interna. Entretanto,
no decorrer do tempo, o automóvel foi sendo desenvolvido e o uso do carburador se tornou
tão complexo que foi necessário substituí-lo por um sistema mais simples, o sistema de
injeção.
Outro fator que contribuiu para o declínio do carburador foi as exigências de
conservação do meio ambiente estabelecidas por meio de leis para diminuir a poluição da
forma mais eficiente possível. Contudo, foi necessário um controle por retroalimentação de
sinal, ou seja, para o bom funcionamento dos catalisadores era preciso controlar a relação
estequiométrica, com um sensor capaz de enviar informações sobre a quantidade de
oxigênio a um computador, para que este ajustasse a relação ar/combustível em tempo real.
Com os carburadores esse recurso era inviável, apesar de existir carburadores eletrônicos.
Estes últimos apresentavam uma complexidade muito alta com relação aos carburadores
mecânicos (ver figura 15 – representação de um carburador mecânico).
Com isso os carburadores foram substituídos por sistemas de injeção de
combustível no corpo acelerador que incorporava válvulas de injeção de combustível
controladas de forma eletrônica dentro do corpo acelerador14. Isso era uma vantagem, pois
já não necessitava montar carburadores no coletor de admissão, de forma que os
fabricantes de veículos não tinham que fazer mudanças extremas nos projetos de motor.
30
Com o passar dos anos, a injeção central de combustível foi substituída por injeção
de combustível multiponto27 (para maiores informações sobre a classificação de sistemas de
injeção eletrônica consultar o anexo seção 4).
Figura 15: Esquema de um motor com um sistema carburado
Fonte: Imagens quebarato e apostila mecânica de automóveis 6 do Instituto Universal Brasileiro, com
adaptações.
Para maiores informações sobre a estrutura interna do carburador consultar o anexo
seção 3.
2.12 SISTEMA DE INJEÇÃO
O sistema de injeção foi utilizado primeiramente na Segunda Guerra Mundial. A
injeção substituiu definitivamente o carburador, pois a bomba de injeção foi, e atualmente
continua sendo, um aparelho que possui um mecanismo muito preciso, não possuindo uma
complexidade tão ampla como os inovadores e sofisticados carburadores eletrônicos da
época.
A alimentação dos cilindros por meio do carburador é bem satisfatória. Entretanto, o
uso do sistema de injeção em um mesmo motor que utiliza o carburador é possível
aumentar a potência do mesmo de 10% a 20%, dando mais elasticidade e uma maior
autonomia (menor consumo em torno de 10%), proporcionando acelerações mais rápidas e
desempenho mais suave sem mudança de marcha25.
Logo abaixo se apresentam as principais vantagens do sistema de injeção com
relação ao carburador:
31
Nos carburadores a entrada do ar deve ser sempre rápida, principalmente na
•
marcha lenta quando o motor gira lentamente, para manter a sucção nos calibres e para
evitar que as gotículas de gasolina, mais densas que o ar, separarem-se e caíam no interior
dos coletores (estes não devem ser amplos). No sistema de injeção os bicos injetores se
localizam após o coletor de admissão permitindo que este fique tão grande como convenha.
Como não há uma necessidade da existência de locais quentes no coletor para vaporizar a
gasolina, o ar pode entrar mais frio (mais denso) e, conseqüentemente, em maior
quantidade a cada admissão nos cilindros melhorando a alimentação destes. Observação:
com a entrada de ar mais frio (mais denso) é possível se obter maior quantidade de oxigênio
(as moléculas estão mais próximas) e conseqüentemente se obter uma explosão mais
eficiente.
•
Quando a mistura de ar/combustível é injetada diretamente no cilindro, o
período de contato entre o ar e a mistura previamente pulverizada é bem menor que na
situação com os carburadores. Assim, nesse breve período, ocorre a oxidação da mistura,
detonando-a e elevando a taxa de compressão de 1 a 1,5 para um mesmo combustível. Em
testes, a compressão elevou-se de 6,5 a 8 quando o carburador foi substituído pela bomba
de injeção, sem que houvesse a detonação (essa é a razão dos motores antigos carburados
possuíram uma taxa de compressão menor que os carros mais modernos equipados com
injeção). Embora a injeção seja indireta, fora do cilindro e dentro do coletor de admissão em
frente à válvula, há uma vantagem considerável com relação ao carburador.
•
O combustível fornecido a cada cilindro pode receber quantidades
equivalentes (iguais), ao passo que nos carburadores existe desigualdades que podem
chegar até 30%, ou seja, em alguns cilindros entra mistura muito rica e em outros casos
muito pobre devido o diferente percurso da mistura pelas ramas do coletor.
•
O motor que possui este elemento (injeção) demonstra uma maior agilidade
nas tomadas de aceleração e desaceleração, porque a quantidade de gasolina injetada
muda de forma bem rápida segundo a posição do acelerador (caso que não ocorre nos
carburadores).
•
O fornecimento de combustível pode ser cortado totalmente no momento em
que se levanta o pé do acelerador. Este fator faz com que haja uma economia considerável
de combustível que os carburadores consomem pelo sistema de marcha lenta, por onde sai
bastante combustível devido à enorme sucção que o motor faz de combustível, girando
ainda rapidamente, com a borboleta fechada.
•
O motor aumenta a sua rotação rapidamente pisando fundo, sem batidas e
vibrações excessivas, demonstrando uma grande superioridade aos carburadores25.
32
2.13 INJEÇÃO ELETRÔNICA
A injeção eletrônica existe desde a década de 50. Todavia, aquela só foi largamente
utilizada em carros europeus no início da década de 80. Hoje, todos os carros fabricados e
vendidos na Europa, Estados Unidos e Brasil possuem sistema de injeção de combustível27.
2.13.1 COMPONENTES BÁSICOS DO SISTEMA DE INJEÇÃO ELETRÔNICA
O sistema de injeção eletrônica pode ser divido em dois grupos para uma melhor
compreensão. O principal é composto pela unidade de controle, atuadores e sensores. O
secundário é formado pela bomba de combustível, regulador de pressão, corpo (ou caixa)
de borboleta, entre outros28.
a)
Unidade de comando eletrônico do sistema de injeção/ignição
A UCE possui várias denominações como central eletrônica, centralina, controlador,
entre outros. Essa peça de extrema importância recebe informações de vários sensores,
para desta forma, ter total controle sobre os comandos de maneira a melhorar o
funcionamento do sistema. Essa unidade de controle possui funções específicas como:
•
Estabelecer a quantidadde de ar necessária admitida pelo motor;
•
Indicar o valor ideal de combustível para determinadas situações de
funcionamento da máquina térmica;
•
Ordenar o momento correto do funcionamento das bobinas de ignição por
meio de impulsos elétricos (avanço da ignição);
•
Exercer controle sobre a marcha lenta do motor;
•
Operar autodiagnósticos rotineiros para averiguar se há falhas nos
componentes do sistema e, em algumas situações, seguir comandos pré-estabelecidos
armazenados em sua memória. Nessas condições os dados recebidos de um elemento
defeituoso não são considerados. Ademais, o módulo de controle aciona uma lâmpada de
advertência localizada no painel enquanto o defeito persistir29.
A figura 16 demosntra um exemplo de UCE:
33
Figura 16: UCE aberta de um Ford Ranger
Fonte:HowStuffWorks Brasil, 2001.
b)
Sensores
Este dispositivos remetem dados à UCE com relação as condições das váriaveis do
sistema, necessárias para o controle ideal do motor.
Os sensores básicos empregados em um motor são:
•
Sensor de massa do fluxo de ar – manda a informação à UCE da
quantidade de massa de ar que entra no motor;
•
Sensor de oxigênio – monitora a quantidade de oxigênio que sai pelo
escapamento para que a UCE determine se a mistura ar-combustível é pobre ou rica e faça
os ajustes necessários (maiores informações na seção 2.14);
•
Sensor
da
posição
da
borboleta
de
aceleração
–
monitora
o
posicionamento da borboleta de aceleração (que determina quanto ar passa para dentro do
motor) para que a UCE ajuste e repasse as informações corrigidas rapidamente,
aumentando ou diminuindo a quantidade de combustível conforme necessário.
•
Sensor de temperatura do motor – tem a função de enviar informações à
UCE, para que esta determine o momento que o motor atingiu sua temperatura de
funcionamento normal;
•
Sensor de pressão absoluta do coletor de admissão – mede a pressão do
ar no coletor de admissão. Por meio deste coletor é possível medir a potência do motor, já
que o valor do ar que está sendo aspirado é indicativo da potência que se está obtendo;
34
•
Sensor de rotação do motor – mede a rotação do motor, que é um dos
fatores usados para calcular a largura do pulso (tempo de abertura ou fechamento dos
injetores controlado pelo microprocessador)27.
•
Sensor de detonação – este dispositivo é capaz de detectar a detonação a
ponto de informar à UCE sobre possíveis modificações no funcionamento do motor
(regularidade do sistema).
A figura 17 demonstra a ligação elétrica entre os sensores descritos acima e a
UCE29.
Figura 17: Esquema elétrico com a ligação dos sensores à UCE do sistema G7
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 3.
c)
Atuatores
Os atuadores são dispositivos ligados ao motor de forma direta, acolhedo
informações estabelecidas pela UCE.
Os atuadores básicos empregados são:
•
Bomba elétrica de combustível – envia carburante à câmara de combustão.
Essa bomba é controlada pela UCE por meio de um relé de potência;
•
Eletroválvula de injeção (injetor) – lança o combustível na câmara de
combustão de forma pulverizada e mais fina possível27;
•
Motor de passo para controle da marcha lenta – instalado ao lado do corpo
da borboleta, controla o deslocamento de ar que passa pelo desvio desta mesma peça;
•
Bobinas de ignição – encontra-se integrada ao sistema de injeção de
combustível, cujo o instante da produção da centelha é determinado por meio de um “mapa”
que engloba as condições de carga e rotação do motor;
•
Luz indicadora de falha do painel de instrumentos – indica prováveis
falhas no sistema elétrico dos atuadores ligados à UCE;
35
•
Relé de potência – esse componente é controlado pela UCE e alimenta a
bomba de combustível, resistência de aquecimento da sonda lambda, válvula injetora e
bobinas de ignição.
A figura 19 apresenta a ligação elétrica dos atuadores à UCE3.
Figura 18: Esquema elétrico com a ligação dos atuadores à UCE do sistema G7.
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 3.
2.13.2 SENSOR DE OXIGÊNIO OU SONDA LAMBDA
Os carros fabricados depois de 1980 nos Estados Unidos e a partir de 1992 no Brasil
possuem sensor oxigênio, denominado também como sonda lambda. O sensor oxigênio
auxilia o motor a reduzir emissões de poluentes e faz com que essa máquina térmica
funcione da forma mais eficiente possível. A sonda lambda se localiza no escapamento do
carro (entre o catalisador e o coletor de escape). Aquela peça possui a finalidade de analisar
a relação estequiométrica (a quantidade oxigênio presente na queima da mistura
ar/combustível) e repassar essa informação ao módulo de controle eletrônico (UCE). Esse
mecanismo é feito por meio de uma voltagem que é gerada pela reação química no próprio
sensor, de forma que aquele módulo analise essa voltagem e providencie o ajuste
necessário para produzir a menor quantidade possível de emissões de poluentes e fazer
com que o motor funcione da forma eficiente30. Caso haja alguma falha com aquela peça,
fica inviável para o computador avaliar a relação estequiométrica. Nesta situação o carro
passa a apresentar um desempenho abaixo do normal, fator que gera um gasto excessivo
de combustível30.
A estrutura física da sonda lambda é caracterizada basicamente como um substrato
cerâmico ativo constituído por óxido de zircônio ou titânio, coberto por uma fina capa de
platina, que permite a passagem dos gases. Dois eletrodos são ligados a sonda para que
36
esta envie informações à UCE. O sensor se liga também a um tubo de proteção (com
pequenas aberturas que possibilita a passagem do ar) e um terminal elétrico28.
A sonda lambda funciona da seguinte forma: ao entrar em contato com os gases
resultantes da combustão interna do motor em funcionamento, e estes gases possuírem
uma temperatura acima de 300°C, “a cerâmica passa a ser condutora para os íons dos
átomos de oxigênio que estão em contato com os eletrodos e, se a concentração de
oxigênio nestes gases (escape e ar) for diferente, será estabelecida uma corrente elétrica
que permitirá recolher uma tensão nos terminais da sonda” (Instituto Universal Brasileiro,
2008, edição especial n° 2, p. 18). Ou seja, a sonda compara a quantidade de oxigênio
presente nos gases de escape com a do ar atmosférico, gerando nos eletrodos uma tensão
de referência. Essa tensão varia de 0,2V a 0,8V para uma concentração de oxigênio
satisfatória. Caso haja uma variação maior do que a dita anteriormente, a sonda apresenta
indícios de que há falta de oxigênio na mistura estequiométrica (para a tensão gerada acima
de 0,8V) e excesso de oxigênio (para uma tensão gerada com valor abaixo de 0,2V).
Cabe ressaltar que a velocidade de reação da sonda lambda com relação às
variações de oxigênio (no escapamento) fica próxima de 1 segundo para temperatura de
300°C e 50 milisegundos para temperatura de 600°C. Este fato leva a constatação de que
se o motor não está funcionando em sua temperatura ideal, “está frio”, a sonda demora até
atingir a temperatura ideal de funcionamento (pode chegar até 3 minutos). Por esse motivo a
sonda de oxigênio possui resistência que a aquece de forma rápida para que chegue a
temperatura ideal de trabalho, 600°C28.
Figura 19: Aparência real da sonda lambda
Fonte: Elétrica car service e Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição
especial 2.
37
A figura 20 demonstra os sensores e os atuadores ligados à UCE
Figura 20: UCE recebe as informações dos sensores e as utiliza para controlar os atuadores
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 2.
Os sistemas de injeção foram desenvolvidos com o intuito de propiciar uma mistura
de ar + combustível homogênea de forma a manter a regularidade de funcionamento do
motor com uma potência alta, baixo consumo de carburante e emissão de gases de
poluentes ao meio ambiente. O carburador mesmo bem regulado, não atinge o desempenho
desejado, justamente pelo fato de possuir muitas partes móveis e mecânicas.
A injeção eletrônica é controlada pela UCE. Esta coordena a vazão de combustível
das válvulas injetoras de cada cilindro e controla, também, a duração de cada injeção, por
meio de informações emitidas pelos “sensores”, relacionados à rotação, abertura da
borboleta do acelerador, temperatura do motor e volume de ar admitido pelo motor. A
unidade de controle também faz constantemente um monitoramento do sistema, para dessa
forma, detectar alguma falha, caso exista, de maneira a corrigir ou minimizar tal problema. O
computador também corrige automaticamente o ponto de ignição do motor caso haja batida
de pino (detonação) em algum cilindro25.
O sistema de alimentação de combustível na injeção eletrônica é composto por uma
bomba de combustível elétrica, para propiciar um melhor desempenho e consumo da
substância de trabalho do motor, pois esta chega muito mais vaporizada e com uma pressão
muito maior que naquele sistema do carburador.
38
O sistema de injeção eletrônica garante uma partida imediata em qualquer situação,
clima quente ou frio, devido a mais de 2000 possibilidades de regulagem imediatas no
sistema de ignição, fator que propicia acelerações mais eficientes (corrige o ponto em
acelerações altas).
O sistema de injeção eletrônica possui certas vantagens com relação ao sistema
carburado, tais como;
1.
Partidas breves (rápidas) em qualquer temperatura.
2.
Economia de combustível mais elevada.
3.
Gera menos poluição.
4.
Injeção exata de combustível para qualquer regime de rotação do motor.
5.
Ao operar o freio-motor, corta-se a injeção de combustível quando o freio
motor é acionado.
6.
Proporciona maior potência.
7.
Funcionamento sincronizado e controlado de forma eletrônica das válvulas
injetoras que liberam a mistura pressurizada de ar/combustível no momento e dosagem
precisos de acordo com as condições momentâneas do motor25.
8.
A centelha gerada pela vela permanece estável, mesmo não havendo carga
total por parte da bateria, sendo que neste caso uma lâmpada piloto do painel informa se
existe algum problema no sistema.
Outro fator de extrema importância que caracteriza a injeção eletrônica é entrada de
ar pelo coletor de admissão sem que esse fluido pulverize o combustível. No sistema de
injeção, as válvulas injetoras são responsáveis pela vaporização do carburante (não
depende do efeito Venturi) e se encontram logo após o coletor de admissão, antes das
válvulas de admissão da mistura, que permitem a entrada da mistura na câmara de
combustão (figura 21). No motor alimentado pelo carburador o ar entra misturado com o
combustível pelo coletor de admissão devido ao efeito venturi25.
39
2. 14 MOTOR FLEX
Figura 21: Esquema do motor flex
Fonte: Bosch Brasil e Inova, com adaptações.
O primeiro carro flex fabricado no Brasil foi o Volkswagen Gol Total Flex, lançado no
mês de março do ano 2003. Desde então a produção dessas versões cresce
vertiginosamente, representando hoje cerca de 86% das vendas de automóveis no mercado
interno. De acordo com a Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores
(ANFAVEA) em junho de 2007 as vendas totais desses veículos já alcança 3,2 milhões1.
Apesar de não apresentar problemas econômicos com relação ao comércio
(importação de petróleo) e o grande consumo de combustível derivado de petróleo como os
EUA, o Brasil não tem uma necessidade em fabricar veículos flex. Entretanto há uma
preocupação, principalmente com relação à poluição e aos problemas climáticos, o efeito
estufa.
O carro flex surgiu no ano de 19982 no país que mais consome combustíveis
derivados do petróleo (EUA) com o intuito de amenizar a enorme dependência do petróleo
fornecido pelos países que formam a Organização dos Países Exportadores de Petróleo
(Opep). Os principais fabricantes de automóvel dos Estados Unidos passaram a fornecer
veículos, chamados de flexible-fuel vehicles (FFV), com capacidade de transitar com
gasolina ou com etanol contendo 15% de gasolina. Nesse caso o motorista tinha a liberdade
40
de abastecer seu veículo com gasolina ou com E85 (Esse etanol possui o nome de E85,
pois sua composição é de 85% de etanol e 15% de gasolina)1.
O carro flex fabricado no Brasil pode utilizar o combustível E100. Esse álcool é do
tipo hidratado, com 7% de água obtida pelo processo de destilação e 1% de gasolina para
descaracterizá-lo como bebida alcoólica. Nos EUA o álcool utilizado é o anidro (com 0,5%
de água). Esse álcool também é empregado no Brasil, mas para misturar com a gasolina
unicamente, de 20% a 25%, por força de lei1.
Em 1992 a General Motors englobou a tecnologia flex fuel no mercado norte
americano. Atualmente os usuários consideram essa tecnologia confiável com custos
equivalentes aos dos automóveis a gasolina8. Essa tecnologia não logra êxito naquele
período devido a um sensor, responsável por detectar o teor dos dois combustíveis da
mistura ser demasiado caro, o que o torna inviável comercialmente2.
O motor flex lançado no Brasil é uma tecnologia brasileira inicialmente desenvolvida
por um grupo de 35 especialistas nas áreas de química, informática e mecânica coordenada
pelo engenheiro Erwin Franieck. Estes foram responsáveis por criar o primeiro protótipo de
carro flex nacional, na década passada, em 1994, pela empresa de componentes
automotivos da multinacional Bosch, filial localizada em Campinas e sede na Alemanha.
Na década anterior ao lançamento, os engenheiros da Bosch iniciaram uma
retomada do projeto flex estrangeiro2. Esse fator lobrigou a possibilidade dos veículos flex
substituírem os motores restritamente a álcool, representando certa atratividade e economia
para as montadoras, que não precisariam criar projetos em duplicata para veículos a álcool
e a gasolina8.
A empresa desenvolveu seus estudos em meio à crise no abastecimento de álcool,
no fim da década de 80, em um veículo 2.0 a álcool a fim de torná-lo eficiente tanto com
gasolina quanto a álcool. Esta foi uma forma de aproveitar a disponibilidade do álcool no
Brasil sem espantar de novo o consumidor, devido aos problemas gerados pelo Proálcool.
Os especialistas tiveram que fazer modificações no sistema de gerenciamento do motor,
fazer modificações na geometria, trocar os pistões para elevar a taxa de compressão, tornar
os materiais resistentes à corrosão do álcool, adequar o avanço da ignição e o sistema de
partida e velas da ignição ao uso dos dois combustíveis8. O avanço nos estudos do motor
flex pela Bosch se deu também devido ao intenso trabalho de pesquisa iniciado em 1982,
com o desenvolvimento do sistema de injeção em motores ciclo Otto a álcool. Esta
perquirição possibilitou posteriormente a produção do sistema responsável por adaptar de
forma automática as condições de gerenciamento do motor para qualquer proporção da
mescla de álcool e gasolina que estivesse no reservatório8.
O funcionamento do protótipo se baseava fundamentalmente na análise da
quantidade de oxigênio presente nos gases da mistura álcool/gasolina+ar resultantes da
41
combustão por parte da sonda lambda. O problema era que esse componente media a
proporção dos fluidos depois que o carro estava ligado, ou seja, era necessário um
componente que recebesse a informação do sensor oxigênio e ajustasse a mescla dos
carburantes antes de adentrar no cilindro. Isso fez com que houvesse uma necessidade de
um software com um alto poder de rapidez, capaz de processar a informação enviada pelo
sensor de oxigênio. A Bosch desenvolveu um tipo de software com esse intuito e
posteriormente lançou o protótipo carro flex em 19942.
Apesar da possibilidade de se obter um carro no mercado capaz de rodar tanto com
álcool como com gasolina, os fabricantes de automóveis não aceitaram de bom grado tal
questão, devido à crise do álcool no fim dos anos 80 e outros fatores como o
reconhecimento da classificação fiscal, registro e o licenciamento dos novos veículos
flexíveis8. Entretanto, a competição entre as empresas que pesquisavam tal tecnologia fez
com que o projeto flex fuel continuasse, e em 1999 outra importante empresa pesquisadora
de tecnologia automobilística, a Magneti Marelli do grupo Fiat, localizada em Hortolândia
(SP), anunciou dispor dessa tecnologia (100% brasileira) que possibilitava a identificação do
combustível usado, e a readaptação do motor para o funcionamento de forma normal8. No
ano 2000 os engenheiros dessa mesma empresa desenvolveram um algoritmo que
calculava a composição do combustível com base nas informações colhidas pelos diversos
sensores que os motores dos carros normalmente trazem. Desta maneira foi possível
aumentar a precisão do sistema flex sem aumentar o custo2. O primeiro modelo de veículo a
usar a tecnologia dessa empresa foi o Gol total flex lançado em março de 2003.
Por meio daqueles algoritmos foi criado o SFS – Software Flexfuel Sensor, um
poderoso programa desenvolvido especialmente para o veículo flex e instalado em um chip
no centro da UCE (conforme mostra a figura 22). Esta tecnologia permite o uso de álcool,
gasolina ou qualquer proporção dos dois carburantes, sem elevar a emissão de poluentes
ou perder potência, fatores que agradam tanto consumidores quanto ambientalistas. Isto é
possível graças a informações recebidas pelos sensores instalados em todo o sistema de
combustível, tais como, a sonda de oxigênio, sensor de rotação, sensor de temperatura, de
detonação e de velocidade. Por meio das informações colhidas desses sensores o
programa instalado na UCE determina o valor de carburante injetado na câmara de
combustão, tal como, o momento da saída da faísca gerada pela vela para propiciar a
combustão. O sistema deve adequar o funcionamento do motor em milisegundos. Cabe
ressaltar que qualquer que seja a proporção da mistura álcool e gasolina, o motor apresenta
a mesma potência. Quando abastecido a álcool obtém menos autonomia e maior potência,
com gasolina a situação se inverte, menor potência e maior autonomia8. Para se utilizar o
álcool de uma forma economicamente compensadora, este deve custar no máximo 70% do
42
valor da gasolina. Se o litro de gasolina custar R$ 2,50, por exemplo, é mais vantajoso
utilizar o etanol hidratado se estiver, no máximo, a um valor de R$ 1,7510.
Figura 22: Localização do Software Flexfuel Sensor em um chip no centro da UCE
Fonte: Motor flex (Inova).
O princípio de funcionamento do motor flex é o mesmo do a gasolina. A função da
UCE no motor flex é aferir a proporção da mistura álcool/gasolina+ar e adequar o
funcionamento do motor, modificando o tempo de injeção de combustível, o tempo de
abertura e fechamento das válvulas e o ponto de ignição. Este último é adiantado pelo
gerenciamento eletrônico (avanço da ignição) geralmente quando se usa álcool devido ao
seu baixo poder de detonação. O motor flex dispõe de um sistema de identificação de
combustível que torna mais rápido o processo de identificação do carburante e correção do
funcionamento do motor. Um equipamento chamado “bóia” responsável por informar a
quantidade de combustível, envia por meio de um sinal elétrico dados sobre um
reabastecimento à UCE, de forma que esta fique de sobreaviso sobre mudança de leitura do
sensor de oxigênio1. Outro dispositivo que também faz parte do sistema flex é um
ohmímetro localizado de forma estratégica no interior do reservatório de combustível com a
função de enviar o valor da resistência elétrica do combustível armazenado à centralina.
Esta identifica com qual combustível ou teor de combustível está lidando1. Dessa forma a
central processa os dados e caso o reservatório de combustível possua um valor acima de
80% de álcool e uma temperatura inferior a 20°C, aquela se encarrega de acionar a partida
a frio. O sensor de oxigênio é outro elemento de fundamental importância, pois envia dados
colhidos dos gases resultantes da combustão que saem pelo escapamento com relação à
proporção da mistura combustível (álcool/gasolina + ar) que está sendo queimada à UCE.
Dessa forma o sistema se adéqua ao ajuste ideal para preservar as condições de dirigir8 (o
esquema do sistema flex fuel é apresentado na figura 21).
43
Os dispositivos que compõem o motor flex são praticamente os mesmos. O que
difere no motor flex é o chip com o Software Flexfuel Sensor instalado na UCE e outras
modificações conforme se apresenta logo abaixo:
•
Mudanças na geometria e tratamento das peças para evitar corrosões;
•
O coletor de admissão é adaptado para dar partida a frio, como no álcool;
•
Peças como a bomba de gasolina, válvulas de escape e linha de alimentação
da bomba são adaptados;
•
O tempo do fechamento e a abertura das válvulas são diferenciados;
•
A taxa de compressão presente no motor flex é de 11,7:131 (para se ter uma
boa noção, nos motores convencionais a gasolina o valor ideal é de 9:1 e nos convencionais
a álcool é 12:1;
•
Os bicos injetores e a bomba de combustível possuem maior vazão;
•
A parede do coletor de admissão de plástico está menos rugosa;
•
A galeria de combustível de plástico (porque a acidez do álcool é revelada
pela sua reação com os metais ativos, com a liberação de hidrogênio no estado gasoso)32;
•
O corpo da borboleta e o sensor de temperatura e pressão do ar passam a
se localizar no coletor;
•
A bomba de gasolina juntamente com as válvulas de escape possuem
revestimento anti-corrosivo;
•
Há um sistema de partida a frio com gasolina, com um orifício calibrado após
o corpo de borboleta para a injeção da gasolina do reservatório, como no modelo a álcool27;
•
O tempo de abertura e fechamento dos injetores é diferente do motor
convencional;
•
As velas de ignição possuem três eletrodos de platina, com prolongamento
maior para melhorar a queima na câmara de combustão27;
•
O sensor de rotação substitui o distribuidor de ignição.
Apesar de utilizar como ponto de referência a tecnologia do sistema flex americano,
o Brasil saiu à frente do mesmo, devido ao aproveitamento da experiência com os veículos a
álcool, ou seja, a adaptação de um veículo a álcool para utilizar a gasolina, fato que colocou
o maior consumidor de gasolina do mundo em desvantagem, porque para se adaptar um
motor a gasolina a álcool é muito mais complexo. O sistema flex brasileiro demonstrou um
desempenho e economia melhor, ademais de usar 100% de álcool27.
44
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A finalidade deste trabalho é mostrar a transformação e a evolução do carburador
para a injeção eletrônica bem como o funcionamento do motor flex com tecnologia 100%
brasileira.
O uso do carburador ao demonstrar sinais negativos com relação à questão
ambiental acabou por obrigar os fabricantes a abordar novas tecnologias para se enquadrar
nos padrões e leis estabelecidas com a finalidade de diminuir a poluição do planeta.
Exatamente nesse cenário foi possível desenvolver o sistema de injeção eletrônica para
automóveis de passeio (década de 80). Até hoje este sistema é utilizado, pois possuí
vantagens sobre o carburador convencional (não eletrônico) ao mesmo tempo em que pode
apresentar uma simplicidade maior que os sistemas de carburação eletrônica.
A grande vantagem do sistema de injeção eletrônica com relação ao carburador
convencional está basicamente na presença do computador que monitora o funcionamento
do motor (UCE) e o sensor de oxigênio, que envia dados com relação à quantidade de
oxigênio presente nos gases do escapamento, para que a centralina possa analisar e
reajustar a relação estequiométrica da mistura ar-combustível, caso seja necessário.
Durante os anos posteriores a injeção eletrônica pôde aperfeiçoar-se com a inclusão de
outros sensores e atuar com precisão e autonomia do motor. No ano de 1994 pôde-se
desenvolver o protótipo do motor flex, sendo que no transcorrer da data última citada até o
ano de 2003 o motor foi aperfeiçoado.
Esse veículo fabricado em 2003 apresentava as mesmas características que o motor
a gasolina convencional dessa época. Entretanto, o veículo flex possui o SFS (Software
Flexfuel Sensor) instalado no chip inserido na centralina. Os sensores instalados em pontos
específicos do motor ligados ao sistema à UCE por meio de atuadores também auxiliam
muito no funcionamento normal, principalmente a sonda lambda. A função destes
componentes é a mesma para veículos convencionais a gasolina. Os sensores básicos
responsáveis pelo reconhecimento e o bom funcionamento do motor são: sonda lambda,
sensores de temperatura, velocidade, rotação e detonação. Ademais desses componentes,
foram necessárias algumas modificações físicas no motor, tais como; o tempo de abertura e
fechamento e o aumento da vazão das válvulas injetoras, o ponto de ignição (avanço da
ignição), substituição da bóia (responsável por informar a proporção de combustível de cada
combustível no reservatório)18, um ohmímetro localizado de forma estratégica no interior do
reservatório de combustível com a função de enviar o valor da resistência elétrica do mesmo
à UCE. O sistema de partida a frio foi outro componente adaptado ao veículo flex (herdado
do motor a álcool), para o caso do acionamento do motor a uma temperatura inferior a 20°C.
45
Dessa forma o sistema se adequava ao ajuste ideal para preservar as condições de
funcionamento e dirigibilidade8.
Apesar dos EUA ter sido o primeiro país a desenvolver o protótipo do carro flex,
capaz de rodar com uma proporção limite de mistura de gasolina e álcool (E85), foi o Brasil
que conseguiu desenvolver um motor completamente flexível, capaz de se utilizar aqueles
mesmos combustíveis em qualquer proporção de mistura ou o uso de qualquer um
isoladamente (gasolina com uma mistura de 25% de álcool anidro ou álcool hidratado).
Ademais desse fator, o maior país da América Latina conseguiu dar um passo ainda maior,
pois a mescla de álcool com gasolina ou apenas do álcool reduzia o índice de poluentes
lançados no meio ambiente, fato que contribui para amenizar o problema com relação ao
efeito estufa (menos CO2).
Hoje o álcool é considerado um combustível verde, ou seja, a emissão CO2
proveniente da produção e da combustão de automóveis é inferior ao dos veículos a diesel e
a gasolina28.
No cultivo da cana-de-açúcar e produção de etanol o Brasil possui uma
tecnologia de alto padrão devido aos investimentos dos governos ao longo das décadas de
70 e 80, fator que fez com que o cultivo se tornasse prioritário e estratégico até o fim do
Proálcool. Atualmente estima-se que as áreas de cultivo de cana-de-açúcar consigam
produzir 20% de todo carburante líquido utilizado em todo o mundo (120 bilhões de litros)10.
Com o uso da biotecnologia e o desenvolvimento recente do genoma da cana-deaçúcar, o Brasil demonstra ao mundo que o etanol possui todas as vantagens de um
combustível apropriado e sustentável para substituir em aproximadamente 20 % a utilização
dos combustíveis derivados do petróleo6.
Entretanto esse fator preocupa o mundo atual sobre uma possível escassez de
alimento, principalmente os países com baixa extensão territorial incapazes de produzir
alimentos para sua própria subsistência, devido a uma possível exclusividade no cultivo de
matéria prima para a produção de etanol. Esses países especulam a provável falta de
alimentos para suprir o mercado internacional, atacando diretamente o uso do etanol como
combustível. Alega-se que o uso desse carburante propicia futuramente uma necessidade
maior da produção do mesmo, fator que exigiria uma produção maior dessa matéria prima,
reduzindo ou deixando de lado o cultivo de alguns tipos de alimentos, fato ocorrido
recentemente nos EUA. Porém, atualmente, o Brasil vem estabelecendo leis para o cultivo
da cana, aumentando as áreas para tal, substituindo apenas pastagens – sem substituir por
terras que cultivam alimentos e sem afetar a produção de carne bovina.
Enfim, o Brasil se mostra inovador e versátil ao criar uma tecnologia 100% brasileira,
passando à frente do próprio criador do sistema flex fuel. Os esforços dos pesquisadores
para o melhoramento genético da cana-de-açúcar, dos criadores do motor a álcool e os
investimentos dos governos refletem hoje em um carro flexível que somente o Brasil possui
46
atualmente. O grande beneficiário com isso hoje é o motorista, pois este possui total
liberdade para utilizar qualquer proporção entre álcool e gasolina sem a necessidade de
rodar um tempo com um combustível, para logo após, abastecer com outro, acabando com
o mito de que a mudança de combustível é uma dor de cabeça para o motorista.
47
4. AGRADECIMENTOS
A minha família pelo total apoio e crença na minha capacidade de realizar este
trabalho e concluir o curso de Física.
Ao orientador Prof. Dr. Paulo Henrique Alves Guimarães pelo total auxílio,
orientações e ensinamentos recebidos para a confecção deste trabalho.
48
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. SHARP, Bob. Como funciona o motor flex. Disponível em:
<http://carros.hsw.uol.com.br/motor-flex1.htm> Acesso em: 14 mai. 2008.
2. GUANDALINI, Giuliano; SILVA, Chrystiane. A riqueza e o saber. Veja. v 4, 90 – 101. Rio
de Janeiro, 2006.
3. BRAIN, Marshall. Como funciona a gasolina. Disponível em:
<http://ciencia.hsw.uol.com.br/gasolina.htm> Acesso em: 22 set. 2008.
4. BRAIN, Marshall. Como funciona a gasolina. Disponível em:
<http://ciencia.hsw.uol.com.br/gasolina2.htm> Acesso em: 22 set. 2008.
5. FREUDENRICH, Craig. Por que a gasolina não queima de forma limpa. Disponível em:
<http://carros.hsw.uol.com.br/questao407.htm> Acesso em: 21 set. 2008.
6. NETO, P.C. Como funciona o programa álcool no Brasil. Disponível em:
<http://carros.hsw.uol.com.br/programa-alcool-brasil.htm> Acesso em: 17 ago. 2008.
7. CURTIS, Helena. Ácidos e bases fortes e fracos. In: CURTIS, Helena. Biologia. Rio de
Janeiro: Guanabara, 45-46, 1977.
8. STUMPF, Dantas Ricardo. Motor à álcool. Disponível
em:<http://www.inova.unicamp.br/inventabrasil/caralc.htm > Acesso em: 26 out. 2008.
9. WIKIPÉDIA. Pró-álcool. Disponível em:<http://pt.wikipedia.org/wiki/Pro%C3%A1lcool>
Acesso em: 26 out. 2008.
10. FRANÇA, Ronaldo. 70 questões para entender o etanol. Veja. Local da publicação para
diferenciar periódicos com o mesmo nome. v.11, 104 – 114, 2008.
11. FRANÇA, Ronaldo; SOARES, Ronaldo. Bilhões para tirar bilhões no fundo do mar. Veja.
v 35, 70 – 73. Rio de Janeiro, 2008.
(EDITORA ABRIL, EDIÇÃO 1941, ANO 39, Nº 4, 1º DE FEVEREIRO DE 2006).
12. SOARES, Ronaldo; GUANDALINI, Giuliano. A exploração do petróleo... Veja. v 33, 58 –
63. Rio de Janeiro, 2008.
(EDITORA ABRIL, EDIÇÃO 1941, ANO 39, Nº 4, 1º DE FEVEREIRO DE 2006).
13. FECOMÉRCIO. Bye bye hidratado?. Disponível em:
<http://www.fecombsutiveis.org.br/revista/mecado/bye-bye-hidratado.html> Acesso em: 22
set. 2008.
14. CURSO DO INSTITUTO UNIVERSAL BRASILEIRO. MECÂNICA DE AUTOMÓVEIS:
Combustão, Eletrônica no combate à poluição. Edição especial n° 1. São Paulo, IUB. 20.
15. COPELLI, Anna Cecília. et al. Motor a diesel. In: COPELLI, Anna Cecília. et al. Grupo de
Reelaboração do Ensino de Física: Física Térmica, Óptica. São Paulo: Edusp, 142, 1998.
16. CURTIS, Helena. Reações de oxirredução. In: CURTIS, Helena. Biologia. Rio de
Janeiro: Guanabara, 35-36, 1977.
49
17. RICHARD, P. Feynman. Reações Químicas. In: RICHARD, P. Feynman. Física em 12
Lições. Rio de Janeiro: Ediouro, 46-47, 2005.
18. CURTIS, Helena. Carbono e Combustão. In: CURTIS, Helena. Biologia. Rio de Janeiro:
Guanabara, 50-51, 1977.
19. FRANÇA, Ronaldo; Soares Ronaldo. O planeta tem pressa. Veja. Local da publicação
para diferenciar periódicos com o mesmo nome. v.11, 94 – 108, 2008.
20. WALKER, Halliday Resnick. Entropia no Mundo Real: Motores. In: WALKER, Halliday
Resnick. Fundamentos de Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica. Rio de Janeiro: LTC,
194-195, 2002.
21. CURSO DO INSTITUTO UNIVERSAL BRASILEIRO. MECÂNICA DE AUTOMÓVEIS:
Teoria dos Motores a explosão 2ª parte. São Paulo, IUB, 64.
22. COPELLI, Anna Cecília. et al. Tempos no Motor a Combustão Interna. In: COPELLI,
Anna Cecília. et al. Grupo de Reelaboração do Ensino de Física: Física Térmica, Óptica.
São Paulo: Edusp, 105-108, 1998.
23. COPELLI, Anna Cecília. et al. O Rendimento das Máquinas Térmicas. In: COPELLI,
Anna Cecília. et al. Grupo de Reelaboração do Ensino de Física: Física Térmica, Óptica.
São Paulo: Edusp, 119-121, 1998.
24. TIPLER, Paul. A.; MOSCA, Gene. Máquinas Térmicas e a Segunda Lei da
Termodinâmica. In: TIPLER, Paul. Física: Mecânica, Oscilações e Ondas, Termodinâmica.
Rio de Janeiro: LTC, 667, 2006.
25. CURSO DO INSTITUTO UNIVERSAL BRASILEIRO. MECÂNICA DE AUTOMÓVEIS:
Carburação. São Paulo, IUB, 104.
26. TIPLER, Paul. A.; MOSCA, Gene. Fluidos em movimento. In: TIPLER, Paul. Física:
Mecânica, Oscilações e Ondas, Termodinâmica. Rio de Janeiro: LTC, 462-469, 2006.
27. NICE, Karim. Como funciona os sistemas de injeção de combustível. Disponível
em:<http://carros.hsw.uol.com.br/injecao-de-combustivel3.htm> Acesso em: 16 ago. 2008.
28. CURSO DO INSTITUTO UNIVERSAL BRASILEIRO. MECÂNICA DE AUTOMÓVEIS:
Injeção Eletrônica de Combustível. Edição especial n° 2. São Paulo, IUB. 22.
29. CURSO DO INSTITUTO UNIVERSAL BRASILEIRO. MECÂNICA DE AUTOMÓVEIS:
Considerações Básicas da Unidade de Controle Eletrônica. Edição especial n° 3. São Paulo,
IUB, 20.
30. WORKS, How Stuff Brasil. Como funciona o sensor de oxigênio de um carro. Disponível
em: <http://carros.hsw.uol.com.br/questao257.htm> Acesso em: 16 ago. 2008.
31. MECÂNICA. Escola de. Injeção Motor Fire 1.0 Flex - Fiat. Disponível
em:<http://escolademecanica.wordpress.com/2007/10/23/injecao-motor-fire-10-flex-fiat/>
Acesso em: 24 mai. 2008.
32. MORRISON, R.; BOYD, R. Química Orgânica. In: MORRISON, R.; BOYD, R. Química
Orgânica. Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian, 268-270, 1996.
50
33. NICE, Karim. Como funcionam os computadores do carro. Disponível
em:<http://carros.hsw.uol.com.br/computadores-de-bordo1.htm> Acesso em: 16 ago. 2008.
34. NICE, Karim. Como funcionam os computadores do carro. Disponível
em:<http://carros.hsw.uol.com.br/computadores-de-bordo2.htm> Acesso em: 16 ago. 2008.
35. BOSCH. Motronic Flex Fuel. Disponível em: <http://www.bosch.com.br/.../motronic_flex_fuel.htm> Acesso em: 27 oct. 2008.
36. CAR SERVICE, Eletrotécnica. Sonda lambda. Disponível em:
<http://www.aeletrotecnica.com.br/imagens/sonda.jpg> Acesso em: 22 set. 2008.
37. QUEBARATO. O Carburador. Disponível em:
<http://images.quebarato.com.br/photos/big/4/9/69F49 2.jpg> Acesso em: 27 oct. 2008.
51
ANEXO
6. ANEXO
52
1. ÁLCOOL ANIDRO E HIDRATADO
O órgão responsável por regular, fiscalizar e contratar as atividades econômicas do
setor petrolífero brasileiro ANP (Agência Nacional do Petróleo) se esforçou com tentativas
de reduzir a fraude do chamado álcool molhado com a adição de um corante no etanol
anidro. Isso fez surgir debates sobre o fim do álcool hidratado, principalmente em encontros
de especialistas na área de combustíveis e motores. Contudo, se não houvesse a adição
daquele corante no álcool anidro, os postos hidratariam o mesmo, já que os automóveis
funcionam com um percentual de até 7% de água no combustível sem apresentar
irregularidades.
Um dos grandes defensores da substituição do etanol hidratado pelo anidro é a sexta
entre as maiores empresas do mundo, a Petrobrás. Esta se enquadra na linha de
defensores de um álcool único, argumentando que esse fato força uma diminuição dos
custos de armazenagem, transporte, manuseio e alega um possível aumento dos negócios
com outras empresas, cujos contratos descartam o etanol hidratado. Tudo isso visando os
preços no futuro. Segundo essa mesma empresa, cinco anos seria o período suficiente para
que as usinas se adequassem para tal medida, com a instalação de torres de desidratação
para o álcool hidratado. Entretanto, de acordo com outras fontes do setor, a utilização de um
único álcool, que no caso é o anidro, não é bem vista pelos produtores (usineiros), pois o
seu custo industrial de produção é bem superior ao hidratado. Isso se deve porque anidro
necessita passar por uma destilação extra, mais especificamente por peneiras moleculares
para retirar o excesso de água4.
De acordo com o gerente de desenvolvimento da Unidade de Sistemas a Gasolina
da Bosch o álcool anidro resulta em um rendimento de aproximadamente 4% com relação
ao hidratado. Todavia, isso não cobriria os gastos, já que custa 15% a mais do que aquele
último. A estimativa do mercado é de que atualmente 40 e 50 usinas no Brasil não
produzem álcool anidro, devido ao maior custo de produção e maiores investimentos
exigidos. Outra vantagem do uso do álcool anidro é o poder de corrosividade inferior com
relação ao etanol hidratado. Este último possui uma maior propensão à diminuição “da vida
útil” das peças de motores, devido justamente a presença da água que faz aumentar o nível
de H+ no composto aumentando o seu pH, conforme foi explicado anteriormente na seção
2.2.1.
Apesar de apresentar alguns benefícios, o álcool anidro demonstra diversas
desvantagens também. Um bom exemplo é a exportação de tal fluido. Atualmente o Brasil
exporta etanol hidratado para o Caribe. Este o desidrata e reexporta para os EUA. Caso
53
fosse substituído pelo etanol com baixo teor de água e exportado diretamente para este
país, o Brasil pagaria uma sobretaxa de 20%. Outra desvantagem é que a substituição do
álcool hidratado abriria as portas para adulterações, graças ao apelo tributário (o imposto do
álcool anidro é maior do que o hidratado). Isso quer dizer que o álcool precisa custar menos
que a gasolina devido a sua menor autonomia.
Caso fosse possível a abertura do anidro no mercado, o revendedor mal
intencionado poderia misturar esse álcool na gasolina, praticando preços abaixo do mercado
e prejudicando as vendas dos revendedores honestos. Atualmente os postos não têm
permissão para ter acesso direto ao anidro. A mistura desse etanol é feita nas distribuidoras.
Caso o anidro substituísse o outro tipo no mercado, isso aumentaria o número de
adulteradores, já que o número de postos é bem maior do que postos distribuidores, fato
que dificultaria ainda mais a fiscalização. Hoje não é possível adicionar álcool hidratado na
gasolina, porque aquele não se mistura com este último combustível e por isso os
adulteradores têm medo de serem descobertos. No álcool hidratado há uma tolerância de
até 7% de água e 0,5% no anidro. Obviamente existem formas de coibir tais práticas, mas o
problema são as dificuldades que a ANP encontra para fiscalizar quase 30 mil postos do
país, com grandes problemas orçamentários.
Atualmente não se sabe os reais efeitos do uso do álcool anidro puro nos motores
flex. Especula-se que estes possam rodar normalmente, já que o etanol anidro é misturado
na gasolina e não causa sobressalto naquelas máquinas térmicas. Necessita-se de estudos
e pesquisas mais aprofundadas no assunto para saber precisamente o rendimento,
economia e impactos desse etanol nos motores.
Os especialistas chegam à conclusão que o mercado brasileiro ainda não está
preparado para a utilização do álcool com baixo teor de água, devido às conseqüências
majoritariamente negativas que pode causar no mercado.
2. FENÔMENOS ESPECÍFICOS QUE PODEM OCORRER NA COMBUSTÃO EM UM
MOTOR A COMBUSTÃO
•
Auto-ignição: é a queima do combustível sem a faísca originada pela vela,
isto é, a combustão ocorre pela compressão da mistura ar/combustível. Auto significa “por si
própria” e ignição é o momento em que ocorre a combustão dentro do cilindro localizado no
bloco do motor. Cabe ressaltar que certos combustíveis possuem uma temperatura de autoignição, ou seja, temperatura em que o fluido entra em combustão sem uma centelha.
Alguns combustíveis possuem baixa temperatura de auto-ignição. Já os que detêm alta
temperatura de auto-ignição só entram em combustão espontânea em temperaturas
elevadas. Este situação é a que melhor se enquadra nos padrões de bom desempenho dos
54
motores a explosão, pois apresenta uma capacidade de suportar o aumento de temperatura
na câmara de combustão que ocorre no 2° tempo do ciclo do motor (diminuição do volume,
aumento da pressão e temperatura), fazendo com que a máquina térmica funcione da
melhor forma possível (o combustível só irá entrar em ignição por ação da faísca e, por isso,
no instante certo, nem antes, nem depois14.
•
Detonação ou Batida de pino: Neste caso a combustão ocorre antes do
pistão atingir o PMS. Na primeira etapa a vela lança a centelha na mistura ar/combustível
antes do pistão atingir o PMS, em seguida tem início a combustão. Como o pistão ainda
está subindo, ele é “empurrado” subitamente para baixo, forçando todo o conjunto; arvore de
manivelas, biela, pino. Outra situação que ocorre a detonação é quando há depósitos de
carvão acumulados ao longo do tempo de uso do motor, geralmente motores mais velhos.
Após certo tempo de funcionamento os depósitos de carvão ficam incandescentes, de forma
a incendiar o combustível antes de alcançar o PMS. Este caso faz com que ocorra a ignição
do combustível em diferentes partes da câmara de combustão, dificultando o movimento
uniforme ou convencional do pistão. O nome popular “batida de pino” é devido o som
metálico, como se fosse dois pinos se chocando1. Os depósitos de carvão podem surgir na
cabeça do pistão, no cabeçote, próximo às válvulas ou das velas. Essa carbonização ocorre
devido à combustão ineficiente, ou em motores que possuem um longo tempo de uso ou
desgastes anormais dos cilindros. A conseqüência desses desgastes é o aparecimento de
grandes folgas entre os anéis do pistão e a parede do cilindro, favorecendo a passagem do
óleo lubrificante para a câmara de combustão14.
A detonação pode ocorrer também devido a outros fatores além do baixo índice de
octanagem. Esses estão listados logo abaixo:
1) Devido a temperaturas elevadas (um motor mal refrigerado, por exemplo).
2) Alta pressão atmosférica. Neste caso, carros que estão regulados para
funcionar em altas altitudes (menor pressão atmosférica com relação ao nível
do mar), começam a detonar ao se deslocarem para regiões com altitude
mais baixa.
3) Alta temperatura ambiente, pois o motor detona com mais facilidade em dias
com temperaturas mais elevadas.
4) Abertura excessiva da borboleta do acelerador.
5) Devido ao avanço excessivo da ignição.
6) Depósitos de carvão (carbonização) na câmara de combustão ou pistão (este
fato ocorre principalmente em motores com longo tempo de uso)14.
•
Pré-ignição: a pré-ignição ocorre antes do momento ideal da combustão no
cilindro. Esse fenômeno pode suceder se a octanagem do combustível for baixa, fator que
favorece a combustão por compressão devido ao uso de velas inadequadas ou ainda
55
quando há em algum local da câmara de combustão, como no cabeçote do cilindro ou no
próprio pistão, depósitos de carvão14.
3. CABURADOR DE UM AUTOMÓVEL
Figura 23: Estrutura interna de um carburador de um automóvel
Fonte: Imagens quebarato, com adaptações.
•
Calibre: Trata-se dos orifícios calibrados que regulam a quantidade de
combustível que passa. São fabricados com extrema precisão pelos fabricantes. Não devem
ser nunca alterados.
•
Cuba: É um pequeno depósito – reservatório com uma bóia – cuja função é
manter sempre o mesmo nível de combustível.
•
Válvula de agulha: é o orifício de entrada de combustível que se abre e
fecha. Normalmente essa válvula não fecha totalmente o orifício e também não o deixa
completamente aberto: fica em meia posição.
•
Borboleta do acelerador: controla a quantidade de mistura ar/combustível
que vai para o motor.
•
Abafador ou afogador: serve para auxiliar o motor na partida. Localiza-se na
entrada do carburador. Como o motor frio há pouco combustível pulverizado que vai até ele,
o afogador compensa essa deficiência, pois reduz a entrada de ar no carburador. Uma
grande quantidade de combustível é aspirada e se encaminha para o cilindro.
•
Bomba de aceleração: presente em todos os carburadores mais recentes.
Sem esta bomba o motor não funcionaria devido a falta de combustível, porque este é mais
56
denso que o ar. Quando se pisa no acelerador rapidamente ocorre o empobrecimento da
mistura, pois o ar chega prematuro.
•
Válvula de retenção: impede que o combustível volte para a cuba quando o
pistão comprime o combustível.
•
Bóia: Feita de plástico ou de cobre. Está ligada a válvula de agulha. Flutua no
carburante e mantém sempre o nível do mesmo.
•
Tubo emulsionador: mistura o combustível a uma pequena parcela de ar,
antes de atingir o difusor. A função dessa peça é aperfeiçoar e facilitar a mistura de ar e
combustível no difusor (tornar as gotículas bem menores).
•
Venturi ou difusor: pulveriza o carburante no coletor de admissão e evita
que um jato muito forte do mesmo seja lançado no meio do ar (fique o mais baixo possível).
•
Furos de descarga da marcha lenta: auxilia na alimentação de
ar/combustível, de forma a manter o funcionamento regular do motor.
4. O INJETOR
O injetor é uma válvula de injeção eletromagnética27, localizada no duto de admissão,
que recebe informação do microprocessador (módulo de controle eletrônico). No interior
dessa válvula há um enrolamento elétrico por onde passa uma corrente25, criando um
eletroímã27, fazendo surgir um campo magnético. Este vence a resistência elástica da mola,
permitindo que a válvula interna levante e abra um minúsculo bocal do injetor fazendo sair
de forma pulverizada, mais fina possível para queimar o carburante27. O combustível é
expelido de forma vaporizada a uma alta pressão, com o auxílio da bomba de combustível
elétrica. O microprocessador é que determina o tempo da abertura e o fechamento dos
injetores (fato conhecido como largura de pulso)27, analisa o volume e a temperatura do ar
admitido, pressão do combustível que passa pela canalização.
Figura 24: O interior de um bico injetor de combustível (válvula injetora)
Fonte HowStuffWorks Brasil 2001,
57
Por meio das informações colhidas pelos sensores, o módulo de controle eletrônico
prevê a necessidade exata de combustível a ser injetado em cada cilindro, ao mesmo tempo
em que controla o ponto de ignição (o momento exato em que as velas lançam a centelha
responsável pela combustão da mistura estequiométrica dentro do cilindro)25.
Figura 25: Injetores de combustível montados no coletor de admissão do motor
(sistema de injeção multiponto)
Fonte HowStuffWorks Brasil 2001.
5. CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE INJEÇÃO ELETRÔNICA
5.1 SISTEMA DE INJEÇÃO UNITÁRIO
O sistema de injeção unitário é o mais singelo de todos. Aquele substitui inicialmente
o carburador e possui apenas uma eletroválvula de injeção. Costuma-se denominá-lo de
mono-ponto ou single point (ponto simples).
Esse sistema de injeção se difere do carburador devido à existência de um injetor
(figura 26), que substitui o antigo Venturi e tubo emulsionador.
Figura 26: Comparação entre o carburador e o corpo de borboleta
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 2.
58
No caso do carburador, a vaporização do carburante é feita devido à diferença de
pressão gerada pela admissão de ar.
No sistema mono-ponto, o injetor que se localiza antes da válvula de admissão e
após o corpo da borboleta do acelerador (mesma posição que no antigo carburador), lança o
carburante previamente pressurizado por uma bomba elétrica28.
5.2 SISTEMA DE INJEÇÃO MULTIPLOS PONTOS
O sistema de injeção multiponit ou múltiplos pontos é caracterizado por possuir um
eletroinjetor para cada cilindro. Neste sistema os injetores são geralmente instalados
próximos as válvulas de admissão de cada cilindro conforme mostra a figura 27. O
combustível chega da mesma forma que no sistema mono-point, mas aquele é aplicado em
um tubo distribuidor, peça que está acoplada aos injetores. Esse arranjo permite que a
pressão seja mantida de forma igualitária para todos os injetores. Cabe ressaltar que esse
sistema apresenta outros dispositivos, mas o intuito aqui é demonstrar o funcionamento
básico.
Figura 27: Injetores aplicados ao tubo de distribuição
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 2
5.3 SISTEMA DE INJEÇÃO COM CONTROLE DE MALHA ABERTA
Este sistema de injeção possui essa denominação pelo fato da unidade de controle
eletrônica não possuir meios precisos para fazer correções no funcionamento do motor com
relação ao fator lambda ideal
(abertura para pequenas falhas no sistema).
Geralmente essas falhas se apresentam no sistema de vazão dos eletroinjetores (o injetor
mantém sua válvula aberta por um tempo maior do que o necessário). O resultado é um
consumo elevado de combustível e de emissão de poluentes.
59
Figura 28: Representação de um sistema de injeção unitário com controle em malha aberta
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal, edição especial 2.
5. SISTEMA DE INJEÇÃO COM CONTROLE DE MALHA FECHADA
No sistema de malha fechada busca-se corrigir a falha do controle de malha aberta.
O fator principal está centrado na aplicação de um sensor a mais no motor. Este é
conhecido como sonda lambda ou sensor de oxigênio, descrito anteriormente na seção
2.13.2, que se encontra no escapamento do veículo. A figura 29 demonstra o sistema com
controle de malha fechada.
Figura 29: Representação de um sistema de injeção unitário com controle de malha fechada
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 2.
Este tipo de controle é mais eficaz que o anteriormente apresentado, pois
proporciona maior precisão e estabilidade de funcionamento do motor. Entretanto, esse
sistema não é perfeito com relação ao de malha aberta, porque a sonda lambda faz a
verificação da quantidade de oxigênio em apenas um ponto onde os gases dos cilindros já
60
se estão mesclados. A correção dessa mistura para a próxima combustão é feita, portanto,
com base na média de funcionamento de todos os cilindros. O ideal é que na saída dos
gases de escape de cada cilindro tenha aplicada uma sonda lambda. Dessa forma, se
detectado algum problema em determinado cilindro, a UCE pode realizar a correção da
mistura apenas do mesmo, sem intervir no trabalho dos outros cilindros do motor28.
6. CLASSIFICAÇÃO DO TIPO E QUANTIDADE DE INJEÇÕES (QUANTO AO NÚMERO E
FORMA DE INJEÇÕES)
Existem dois grupos básicos com relação ao tipo de injeção: injeção contínua e
injeção intermitente:
a. Injeção contínua
Nesta situação o grupo de injetores introduz o combustível no coletor de admissão
de maneira contínua, dosado e pressurizado.
De acordo com a figura 30 é possível observar que uma bomba elétrica aspira o
carburante do reservatório, lançando-o no acumulador, que por sua vez amortece as
pulsações geradas pela bomba, tornando estável a vazão de combustível a uma
determinada pressão, mantendo a pressão de funcionamento depois de algum tempo após
do motor ser desligado, o que facilita a próxima partida a quente. Após passar pelo
acumulador, o carburante vai de encontro a um filtro e logo após para o dosificador
(distribuidor) que dosa a quantia de combustível para o funcionamento ideal do motor,
disponibilizando-o aos cilindros de forma igualitária por meio dos injetores28.
Figura 30: Representação da estrutura de sistema de injeção completo
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 2.
61
Ligado ao dosificador há um regulador de pressão de alimentação dos injetores que
possui a função de abrir uma válvula para enviar de volta o excesso de combustível ao
reservatório toda vez que a pressão no sistema for superior ao valor calibrado no regulador.
Um dispositivo importante que trabalha conjuntamente com o dosificador é o medidor
de vazão de ar. Este tem a função de atuar sobre o dosificador, de forma a aumentar ou
diminuir a quantia de carburante injetada.
Ainda há outros mecanismos que completa a regularidade do sistema, como um
eletroinjetor para partida a frio, dirigido por um termocontato tipo par bimetálico. Este possui
a função desligar o eletroinjetor, no caso do motor de partida ficar acionado por um tempo
excessivo, evitando que o motor “afogue” por uma quantidade de combustível superior ao
necessário (mistura estequiométrica excessivamente rica). Aquele termocontato possui uma
resistência que recebe corrente elétrica do relé de partida, caso seja acionado a partida do
motor e a temperatura da água do sistema de arrefecimento estiver abaixo do valor ideal. O
controlador de ar adicional abre ou fecha a passagem daquele fluido por uma tubagem que
se encontra paralela à da marcha lenta. Esta passagem fica completamente fechada no
momento em que o motor atingir a temperatura ideal de funcionamento28.
Cabe ressaltar que esse sistema de injeção é antigo e não foi empregado no Brasil.
b.
Injeção intermitente
Os sistemas de injeção intermitentes possuem injetores que introduzem o
combustível no coletor de admissão de forma intermitente, ou seja, que apresenta
interrupções na pulverização do carburante (não é contínuo).
Esse sistema é empregado na grande parte dos veículos nacionais, sendo monoponto ou multiponto.
A injeção intermitente no sistema multiponto ainda apresenta algumas subdivisões,
tais como:
•
Injeção seqüencial – ocorre em um cilindro de cada vez, de acordo com a
ordem de ignição do motor. A figura 31 demonstra o esquema desse sistema.
62
Figura 31: Exemplo de ligação dos injetores em um sistema seqüencial
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 2.
•
Injeção semi-seqüencial – sistema que injeta o carburante por pares de
cilindros. Neste caso os injetores encontram-se ligados em paralelo,
conforme representado na figura 32.
Figura 32: Exemplo de ligação dos injetores em um sistema semi-seqüencial.
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 2
•
Injeção simultânea – a injeção acontece simultaneamente no momento
em que todos os injetores funcionam ao mesmo tempo. Neste caso todos
os injetores se encontram ligados em paralelo (figura 33).
63
Figura 33: Exemplo de ligação dos injetores em um sistema simultâneo
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 2.
7. UNIDADE DE CONTROLE ELETRÔNICO
Uma UCE moderna pode ter um processador de 40 MHz e 32 bits, valor que não
corresponde em termos de eficiência como um PC (personal computer), pois este pode
possuir o processador de 500 MHz a 2.33 GHz. Entretanto o código embutido na UCE é
mais eficiente e o seu tamanho é bem menor, cerca de 1 MB (megabyte). Analogamente se
um PC puder suportar 2 GB (gigabyte), significa que a UCE possui 2 mil vezes menos
informações31.
A centralina é um sistema controlado por impulsos elétricos25. Sua operação se inicia
no momento em que se posiciona a chave de ignição (partida da ignição). Neste exato
momento a UCE recebe alimentação em determinados terminais permitindo realizar suas
funções preliminares. Aquela unidade possui um processador à qual estão ligadas duas
unidades de memória: ROM e RAM. Ao processador é aplicado um circuito de entrada e
outro de saída, os quais servem como elos entre o processador, os sensores e atuadores.
gura 34: Representação da estrutura básica de uma UCE.
Fonte: Apostila Mecânica de automóveis do Instituto Universal Brasileiro, edição especial 2.
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A memória ROM permanente armazena todas as informações para o computador
efetuar suas operações. Aquela é utilizada para gravar diversas informações sobre o
funcionamento ideal do motor, ademais de seguir um roteiro de trabalho. Desta forma, no
momento que se liga a chave de ignição do veículo, o processador faz uma leitura da
memória ROM, buscando os comandos localizados na memória PROM25. Nesta estão
contidas tabelas de algoritmos que apresentam regimes de rotação, carga, volume de ar
admitido, faixas de temperatura ideal de funcionamento do motor dentre muitas outras
informações. Logo após essa ação, o processador verifica os dados apresentados pelos
sensores do motor.
Após analisar as condições de cada sensor, o processador armazena as informações
cedidas por aqueles sensores na memória denominada RAM. Esta recebe constantemente
informações das modificações que acontecem devido aos cálculos realizados pelo
processador2. Com isso constata-se que a memória RAM é apenas de acesso, na qual
armazena temporariamente as informações dos sensores, cálculos do microprocessador e
informações de falhas de algum dispositivo, apagando-se assim que se desliga o módulo.
O processador pode identificar se um sensor não opera ou se envia informações com
valores fora dos padrões. Nesta situação a UCE armazena este dado (em forma de código,
algoritmos) na memória RAM, permitindo que o reparador possa acessá-la, por meio de um
conector de diagnóstico, para identificar o problema. Após corrigir a falha, o mesmo
reparador apaga a memória RAM, desligando a alimentação do motor por meio do cabo
positivo da bateria por aproximadamente 30 segundos com o motor parado.
Outros tipos de memórias mais elaboradas também são utilizados pelos fabricantes.
O emprego da EPROM (Erasamble Programable Read Only Memorymavel) que torna
possível a modificação dos “mapas” de avanço e ignição e admissão de combustível.
O processador está ligado aos sensores por meio do circuito de acoplamento de
entrada, por onde os dados são compreendidos pelo processador. Este também possui um
circuito de saída, por onde os sinais de controle de baixa intensidade fornecidos possam
controlar os atuadores.
A UCE é blindada para impedir a penetração de umidade, interferência elétrica e
protege a parte eletrônica contra choques mecânicos conforme mostra a figura 34.
A região onde a UCE é instalada no veículo depende do fabricante. Na maioria dos
casos aquele processador se encontra no compartimento do motor, próximo da caixa de
fusíveis no painel ou perto da coluna da porta na lateral direita28.
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8. SINAIS ANALÓGICOS E DIGITAIS
Estes sinais elétricos são convertidos e enviados pelos sensores à UCE para a
decodificação, sendo, logo após, enviada aos atuadores28.
8.1 SINAL ANALÓGICO
O sinal analógico é a variação de forma contínua da ddp entre um máximo e um
mínimo, sem salto como ocorre no sinal digital (como vai ser visto posteriormente)28.
8.2 SINAL DIGITAL
O sinal digital caracteriza-se por não passar por pontos intermediários, mas apenas
por extremos de uma determinada tensão, de forma direta do máximo para o mínimo e viceversa. A parte positiva do sinal indica que há um nível alto, enquanto a parte negativa
representa um nível baixo. Quando há mudança de um nível para o outro, ocorre um pulso.
Quando ocorrem transições de pulsos negativos em um pequeno período, obtém-se um
trem de pulsos. Este é um conjunto de variáveis que pode ser tanto fornecido (para os
atuadores) como recebido (dos sensores) pela UCE.
O processador é instalado em um módulo com vários componentes em uma placa de
circuitos multicamadas. Esses dispositivos são os que auxiliam o processador em uma UCE:
•
Conversores analógico-digitais – estes componentes decodificam as
informações de alguns sensores do veículo, como a sonda lambda. A saída de um sensor
de oxigênio é uma voltagem analógica. Como o processador só decodifica a forma digital, o
conversor analógico-digital muda aquela voltagem para um número digital de 10 bits.
•
Saída digital de alto nível – nos veículos modernos, a UCE aciona as velas
de ignição, controla a abertura do injetor de combustível e o funcionamento do ventilador.
Para cumprir essas tarefas são necessárias saídas digitais. Uma saída digital sempre fica
ligada ou desligada, ou seja, não passa por pontos intermediários como foi explicado
anteriormente. Uma saída para controlar o ventilador de resfriamento, por exemplo, fornece
geralmente 12 V e 0,5A para o relé do ventilador quando está ligado, e 0 V quando está
desligado.
•
Conversores digital-analógicos – alguns componentes acionados pela UCE
devem receber informações analógicas. Como o processador da UCE é um dispositivo
digital e necessita fornecer uma saída de voltagem analógica, aquele precisa de um
conversor deste tipo para que seja possível converter informações digitais em analógicas
(converter um número digital em uma voltagem analógica).
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•
Condicionadores de sinal – Estes são circuitos que ajustam o nível de sinais
que entram e saem para serem processados. Por exemplo, o conversor analógico-digital
que processa na voltagem em que sensor de oxigênio envia informações, pode ser ajustado
para processar um sinal de 0 V a 5 V, apesar do sensor de oxigênio liberar um sinal de 2V a
8V. Com isso, se fosse utilizado um condicionador de sinal que multiplicasse por 4 a
voltagem vinda de um sensor de oxigênio, seria possível obter um sinal de 8V a 16V, o que
permitiria que o conversor analógico-digital lesse a voltagem com maior acurácia.
•
Chips de comunicação – estes implementam os diversificados padrões de
comunicação que são utilizados nos carros. Entretanto, o de maior uso nas comunicações
em veículos é chamado CAN (rede de controle de área), pois este padrão permite que os
módulos enviem dados para o barramento de centelhas diversas vezes por segundo, com
uma velocidade de até 1 megabyte por segundo (Mbps), muito mais rápido que os antigos32.
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