Energy in Transports Fuel consumption and emissions … · Euro 3* 1/2001 2.30 Euro 2 1996 2.20...

Energy in TransportsEnergy in TransportsFuel consumption and emissionsFuel consumption and emissions

from road vehiclesfrom road vehicles

Tiago Lopes Tiago Lopes FariasFarias

InstitutoInstituto Superior Superior TTéécnicocnico

OttoOtto EngineEngine: 4 : 4 strokestroke cyclecycle

ADMISSÃOADMISSÃO COMPRESSÃOCOMPRESSÃO EXPANSÃOEXPANSÃO ESCAPEESCAPE

MainMain variablesvariables

•• curso (l) = 2 x raio manivela (a)curso (l) = 2 x raio manivela (a)

•• VVcc = =

•• cilindrada = ncilindrada = nºº cilindros x cilindros x VVcc

•• razão de compressão = razão de compressão = res

max

VV

ld4

2π

MainMain ComponentsComponents

TypeType ofof enginesengines

ARQUITECTURAARQUITECTURA

MainMain ComponentsComponents

DISTRIBTUTIONDISTRIBTUTION

DOHCDOHCÁÁRVORE DE CAMES LATERALRVORE DE CAMES LATERAL

DISTRIBUITIONDISTRIBUITION

LUBRICATIONLUBRICATION

EngineEngine CoolingCooling SystemSystem

•• WaterWater pumppump

•• ThermostatThermostat

•• RadiatorRadiator

•• VentVent

•• ChauffageChauffage

Fuel injectionFuel injection

•• Air + gasolineAir + gasoline

•• 14,6 kg of air per kg of fuel14,6 kg of air per kg of fuel

•• Systems:Systems:

•• CarburetorCarburetor

•• Injection: Injection: -- Mono pointMono point-- Multi pointMulti point

•• Direct InjectionDirect Injection

2 2 –– EmissionsEmissions: : SparkSpark ignitionignition enginesengines

4 STROKE CYCLE4 STROKE CYCLE

ADMISSÃOADMISSÃO COMPRESSÃOCOMPRESSÃO EXPANSÃOEXPANSÃO ESCAPEESCAPE

EngineEngine efficiencyefficiency

Pollutant emissionsPollutant emissions

Main pollutants:Main pollutants:

COCO2,2, HC, CO, NOHC, CO, NOxx (90 a 98% NO)(90 a 98% NO)

((λλ= 1 => AF = 14,6)= 1 => AF = 14,6)

EmissionsEmissions controlcontrol

3 3 wayway catalystcatalystconverterconverter

CatalystCatalyst efficiencyefficiency

TemperatureTemperature ExhaustExhaust gasesgases

Age Age ofof thethe catalystscatalysts ((kmskms))ηηcatcat,,

ENSAIOS E NORMASENSAIOS E NORMAS

Normas europeias determinam a emissão de poluentes tNormas europeias determinam a emissão de poluentes tóóxicosxicos

0.080.08

0.150.15

--

--

NONOxx

--

--

0.500.50

0.970.97

HC + NOHC + NOxx

0.100.10

0.200.20

--

--

HCHC

2.722.7219921992Euro 1Euro 1

1.001.001/20051/2005Euro 4*Euro 4*

2.302.301/20011/2001Euro 3*Euro 3*

2.202.2019961996Euro 2Euro 2

COCOAnoAnoNormaNorma

•• VeVeíículos ligeiros de peso bruto culos ligeiros de peso bruto ≤≤ 2.5t (v2.5t (valores em g/km)alores em g/km)

**Gasolina, GPL e gGasolina, GPL e gáás naturals natural

CONTROLE DE EMISSÕESCONTROLE DE EMISSÕES

Motores DieselMotores DieselDivisão de Transportes, Energia e AmbienteDivisão de Transportes, Energia e Ambiente

Instituto Superior TInstituto Superior Téécnicocnico

MOTORES DIESELMOTORES DIESEL

•• Funcionamento do motor: ciclo a 4 tempos (Diesel)Funcionamento do motor: ciclo a 4 tempos (Diesel)

•• Principais componentes Principais componentes

•• Sistemas auxiliaresSistemas auxiliares


Ciclo a 4 temposCiclo a 4 tempos

CICLO A 4 TEMPOS DIESELCICLO A 4 TEMPOS DIESEL

ADMISSÃOADMISSÃO

O ar entra para a câmara de O ar entra para a câmara de combustão.combustão.


COMPRESSÃOCOMPRESSÃO

Com todas as vCom todas as váálvulas fechadas o lvulas fechadas o pistão inicia a subida comprimindo pistão inicia a subida comprimindo o ar.o ar.


INJECINJECÇÇÃOÃO

Com o ar comprimido o gasCom o ar comprimido o gasóóleo leo ééinjectado a alta pressão. injectado a alta pressão.


EXPANSÃOEXPANSÃO

O gasO gasóóleo ao entrar em contacto com o ar leo ao entrar em contacto com o ar quente autoquente auto--inflamainflama--se. se. ÉÉ nesta altura que nesta altura que se gera a potência mecânica debitada pelo se gera a potência mecânica debitada pelo motor. motor.


ESCAPEESCAPE

Com toda a mistura queimada Com toda a mistura queimada os gases de escape abandonam os gases de escape abandonam os cilindros pelas vos cilindros pelas váálvulas de lvulas de escape escape

CICLO A 4 TEMPOSCICLO A 4 TEMPOS

ADMISSÃOADMISSÃO COMPRESSÃOCOMPRESSÃO EXPANSÃOEXPANSÃO ESCAPEESCAPEINJECINJECÇÇÃOÃO

COMBUSTÃO

NONOÇÇÕES BÕES BÁÁSICASSICAS

•• ciclo realciclo real

•• ciclo teciclo teóórico rico (Misto)(Misto)

PRINCIPAIS COMPONENTESPRINCIPAIS COMPONENTES

DISPOSIDISPOSIÇÇÕES POSSÕES POSSÍÍVEIS DOS VEIS DOS CILINDROSCILINDROS

•• DistribuiDistribuiçção (abertura / fecho das vão (abertura / fecho das váálvulas)lvulas)

•• RefrigeraRefrigeraçção (garantir que as peão (garantir que as peçças não fundem)as não fundem)

•• LubrificaLubrificaçção (reduzir atritos, lavar componentes etc.)ão (reduzir atritos, lavar componentes etc.)

•• AlimentaAlimentaçção (introduão (introduçção de combustão de combustíível)vel)

SISTEMAS AUXILIARES PRINCIPAISSISTEMAS AUXILIARES PRINCIPAIS


Sistema de AlimentaSistema de Alimentaçção em motores Dieselão em motores Diesel

SISTEMAS DE ALIMENTASISTEMAS DE ALIMENTAÇÇÃOÃO•• ObjectivoObjectivo: : ““introduzirintroduzir”” combustcombustíível no motor para que, vel no motor para que,

apapóós evaporado e misturado com o ar quente, se autos evaporado e misturado com o ar quente, se auto--inflame e seja queimado.inflame e seja queimado.

•• ComponentesComponentes: reservat: reservatóório, tubagens, filtro, bomba rio, tubagens, filtro, bomba injectora, injectores (central electrinjectora, injectores (central electróónica com sensores).nica com sensores).

SISTEMAS DE ALIMENTASISTEMAS DE ALIMENTAÇÇÃOÃO

•• Sistemas utilizados: Sistemas utilizados:

•• InjecInjecçção indirecta: ão indirecta: -- prpréé –– câmara de combustãocâmara de combustão

•• InjecInjecçção directaão directa

••CombustCombustíível injectado perto do PMS vel injectado perto do PMS (quantidade vari(quantidade variáável conforme acelerador)vel conforme acelerador)

INJECINJECÇÇÃO INDIRECTAÃO INDIRECTA•• InjecInjecçção para uma prão para uma préé--câmaracâmara

11-- DepDepóósitosito

3 3 –– filtrofiltro

4 4 –– bomba injectora bomba injectora em linhaem linha

7 7 –– injectorinjector

9 9 –– vela de vela de incandescênciaincandescência

SISTEMAS DE ALIMENTASISTEMAS DE ALIMENTAÇÇÃOÃO

INJECINJECÇÇÃO ÃO DIRECTADIRECTA

•• InjecInjecçção directa para ão directa para dentro dos cilindrosdentro dos cilindros

•• Maiores pressões de Maiores pressões de injecinjecççãoão

•• Tecnologia mais cara e Tecnologia mais cara e exigenteexigente

•• Injectores de jactos Injectores de jactos mmúúltiplosltiplos

UnijactoUnijacto(menos exigente)(menos exigente)

MultijactoMultijacto( maiores pressões)( maiores pressões)

InjecInjecççãoão

Mais rotativosMais rotativosEram pouco Eram pouco rotativosrotativos

RegimeRegime

Elevadas perdas entre Elevadas perdas entre câmarascâmaras

Menores perdas Menores perdas ttéérmicasrmicas

PerdasPerdas

Menos exigente na Menos exigente na qualidade (viscosidade, qualidade (viscosidade,

ííndice de ndice de cetanocetano) )

Mais exigente face Mais exigente face àà qualidadequalidade

CombustCombustíívelvel

InferiorInferiorSuperiorSuperiorRendimentoRendimento

IndirectaIndirectaDirectaDirecta

INJECINJECÇÇÃO DIRECTA ÃO DIRECTA versus versus INDIRECTAINDIRECTA


Combustão em motores DIESELCombustão em motores DIESEL

Combustão em motores DieselCombustão em motores Diesel

Combustão das gotas:Combustão das gotas:•• InjecInjecççãoão•• Dispersão / mistura com arDispersão / mistura com ar•• EvaporaEvaporaççãoão•• AutoAuto--inflamainflamaçção ão •• QueimaQueima

Tem de haver tempo!Tem de haver tempo!

COMBUSTÃO EM MOTORES DIESELCOMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL•• Atraso Atraso àà inflamainflamaççãoão = atraso f= atraso fíísico (vaporizasico (vaporizaçção do ão do

combustcombustíível e mistura com o ar) + atraso quvel e mistura com o ar) + atraso quíímico (automico (auto--inflamainflamaçção)ão)

•• CombustCombustíível injectado em pequenas gotvel injectado em pequenas gotíículas lculas lííquidas quidas antes de se atingir o PMSantes de se atingir o PMS

Objectivo do InjectorObjectivo do Injector•• Dispersar o gasDispersar o gasóóleo em pequenas gotas para que permita:leo em pequenas gotas para que permita:

•• a fa fáácil vaporizacil vaporizaçção das gotas ão das gotas

•• mistura com o ar disponmistura com o ar disponíível vel

•• Aumentar nAumentar núúmero de jactos e a pressão de injecmero de jactos e a pressão de injecççãoão

COMBUSTÃO EM MOTORES DIESELCOMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL

•• NNúúmero de mero de cetanocetano :: (> (> ⇒⇒ >> capacidade do combustcapacidade do combustíível se autovel se auto--inflamar inflamar ⇒⇒ menor atraso menor atraso àà inflamainflamaçção)ão)

15 15 –– baixa facilidade de auto baixa facilidade de auto –– igniigniçção ão –– isoiso--cetanocetano100 100 –– elevada facilidade de auto elevada facilidade de auto –– igniigniçção ão –– cetanocetano

nnúúmero mero cetanocetano mmíínimo actualmente exigido:nimo actualmente exigido: 5151

•• Reduzir atraso quReduzir atraso quíímico: a qualidade do combustmico: a qualidade do combustíívelvel

O caso do BP Diesel Ultra: N.O caso do BP Diesel Ultra: N.ºº CetanoCetano éé de 54!de 54!

COMBUSTÃO EM MOTORES DIESELCOMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL••BP Diesel UltraBP Diesel Ultra

•• Movimentos organizados do gMovimentos organizados do gáás dentro do cilindro s dentro do cilindro –– SwirlSwirl e e SquishSquish ajudam a aumentar a turbulência.ajudam a aumentar a turbulência.


•• SwirlSwirl

•• SwirlSwirl: permite alimentar a zona em combustão com : permite alimentar a zona em combustão com oxigoxigéénio e remover os produtos de combustão.nio e remover os produtos de combustão.

COMBUSTÃO EM MOTORES DIESELCOMBUSTÃO EM MOTORES DIESEL•• SquishSquish

–– SwirlSwirl



SquishSquish e e SwirlSwirl

ResumindoResumindo

Os investimentos nos motores Diesel têm sido no sentido de:Os investimentos nos motores Diesel têm sido no sentido de:

•• melhorar a pulverizamelhorar a pulverizaçção do combustão do combustíível (pressões mais altas)vel (pressões mais altas)

•• melhorar escoamento dentro dos cilindrosmelhorar escoamento dentro dos cilindros

•• optimizar a injecoptimizar a injecçção para reduzir ruão para reduzir ruíído e vibrado e vibraççõesões

•• maximizar potência e binmaximizar potência e bináário sem sacrificar consumos rio sem sacrificar consumos (optimiza(optimizaçção de sobrealimentaão de sobrealimentaçção)ão)

•• optimizar a injecoptimizar a injecçção para reduzir consumosão para reduzir consumos

Do ponto de vista das petrolDo ponto de vista das petrolííferas os investimentos terão de ser feras os investimentos terão de ser no sentido de reduzir o teor de enxofre e aumentar o nno sentido de reduzir o teor de enxofre e aumentar o núúmero de mero de cetanocetano

TIPOS DE SISTEMAS DE INJECTIPOS DE SISTEMAS DE INJECÇÇÃOÃO

Bomba radial e em linhaBomba radial e em linha

Injector Injector -- bombabomba

CommonCommon RailRail

TIPO DE SISTEMAS DE INJECTIPO DE SISTEMAS DE INJECÇÇÃOÃO

Bomba em linhaBomba em linha

TIPO DE SISTEMAS DE INJECTIPO DE SISTEMAS DE INJECÇÇÃOÃO•• 600...700 bar 600...700 bar ≅≅ 1000 bar no bico do injector 1000 bar no bico do injector


Bomba radial VP 44Bomba radial VP 44


•• 1000 bar; 1500 bar no bico do injector1000 bar; 1500 bar no bico do injector

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