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