Introdução Ao Motores de Combustão Interna

Prof. Dr. Antonio Moreira dos Santos:

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INTRODUÇÃO AOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Conceitos fundamentais

Os motores de combustão interna são máquinas que transformam a energia química dos combustíveis em energia mecânica entregue a outra máquina através do volante. Os motores de combustão interna mais conhecidos são: -

Motores do ciclo Otto: Motores que normalmente são alimentados por gasolina, álcool, gás liquefeito do petróleo ou gás natural (metano) e que tem a ignição provocada por centelha em uma vela. Estes motores também são conhecidos por motor de ignição por centelha – ICE. O combustível é introduzido na corrente de ar que flui no coletor de admissão através do carburador ou do sistema de injeção eletrônico ou ainda através de válvulas redutora de pressão de gás.

Fig.1 – Corte de um motor do ciclo Otto. Estes motores têm o ciclo de operação realizado em quatro ou dois tempos. A maioria dos motores de automóveis é do ciclo Otto de quatro tempos. Os motores de dois tempos são mais usados em motocicletas, aparadores de grama, moto-serras e pequenas unidades de geração de energia elétrica.

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Os quatro tempos de operação de um motor Otto são os seguintes: Admissão:

Fig.2 – Tempo de admissão. Neste tempo uma mistura de ar e de combustível é aspirada para o interior do cilindro do motor através da válvula de admissão que se encontra aberta. A mistura arcombustível começa a ser formada no coletor de admissão pela introdução do combustível na corrente de ar. O combustível é introduzido na corrente de ar pelo sistema de carburação, usado nos motores mais antigos ou pelos sistemas de injeção eletrônica, presentes nos motores mais modernos. Durante o tempo de admissão o êmbolo desloca-se dentro do cilindro do ponto morto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI). O volume varrido entre o PMS e o PMI é chamado cilindrada unitária do motor. Compressão:

Fig. 3 – Tempo de compressão. Neste tempo a mistura ar-combustível é comprimida ocorrendo uma maior integração entre as partículas de combustível e de ar. Durante este tempo o êmbolo desloca-se do PMI para o PMS e as válvulas de admissão e de escape encontram-se fechadas. Quando o êmbolo aproxima-se do PMS o sistema de ignição dispara uma centelha entre os eletrodos de uma vela que se encontra introduzida no seio da mistura. Explosão: A centelha disparada na vela provoca a ignição da mistura, deflagrando a rápida combustão da mistura previamente comprimida. Durante este tempo o êmbolo movimenta-se do PMS para o PMI. Quando o êmbolo aproxima-se do PMI, neste tempo, a válvula de escape abre-se.










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Fig. 4 – Tempo de explosão ou expansão. Descarga:

Fig. 5 – Tempo de descarga. Neste tempo o êmbolo desloca-se do PMI para o PMS enquanto a válvula de escape encontra-se aberta. Durante o tempo de descarga os gases formados no processo de combustão são varridos do cilindro para o meio ambiente. -

Motores do ciclo Diesel: Motores que normalmente são alimentados por óleo Diesel ou óleos vegetais e que tem a combustão iniciada por auto-ignição do combustível injetado no seio de uma massa de ar comprimida até ultrapassar a temperatura de ignição do combustível usado. O combustível é injetado no interior da câmara de combustão por meio de uma bomba mecânica de alta pressão.

Fig. 6 – Motor do ciclo Diesel.










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Estes motores têm o ciclo de operação realizado em quatro ou dois tempos. A maioria dos motores de caminhões e ônibus é do ciclo Diesel de quatro tempos. Os motores de dois tempos no ciclo diesel são raros. Os quatro tempos de operação de um motor Diesel são os seguintes: Admissão: Neste tempo, apenas ar é aspirado para o interior do cilindro do motor através da válvula de admissão que se encontra aberta. Durante o tempo de admissão o êmbolo desloca-se dentro do cilindro do ponto morto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI). O volume varrido entre o PMS e o PMI é chamado cilindrada unitária do motor. Compressão: Neste tempo o ar é comprimido a uma pressão e temperatura superior ao do ponto de auto-ignição do combustível a ser ser usado. Durante este tempo o êmbolo desloca-se do PMI para o PMS e as válvula de admissão e de escape encontram-se fechadas. Quando o êmbolo aproxima-se do PMS o sistema de injeção mecânica introduz o combustível no seio da massa de ar previamente comprimida. Explosão: A massa de combustível injetada é misturada à massa de ar reagindo rapidamente e trocando calor até que entra em combustão espontânea. Durante este tempo o êmbolo movimenta-se do PMS para o PMI. PMI. Quando o êmbolo aproxima-se do PMI, a válvula de escape abre-se.

Fig. 7 – Ingnição por compressão. Descarga: Neste tempo o êmbolo desloca-se do PMI para o PMS enquanto a válvula de escape encontra-se aberta. Durante o tempo de descarga os gases formados no processo de combustão são varridos do cilindro para o meio ambiente. -

Motores Wankel: O motor Wankel é um motor rotativo com concepção totalmente distinta dos motores Otto e Diesel e que apesar de ser muito interessante, ocupa uma faixa de mercado muito pequena. Por isto, não avançaremos na sua análise.










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Fig. 8 – Motor Wankel Principais componentes de um motor de combustão co mbustão interna

Os componentes dos motores alternativos, quanto a sua característica de funcionamento se dividem em 3 partes: • Componentes fixos; • Componentes móveis e; • Componentes auxiliares. Os principais componentes fixos são: - Bloco; - Cilindro; - Cárter; - Cabeçote; Os principais componentes móveis são: - Pistão; - Biela; - Girabrequim (árvore de manivelas); - Volante; - Válvula; - Eixo do comando de válvulas, etc.










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Os componentes auxiliares são essenciais para o funcionamento do motor. Os principais são: velas, coletores de admissão e de escape, motor de arranque, alternador, carburador, bicos injetores, filtros de ar, de óleo e de combustível, bombas de água e de combustível, distribuidor, etc.

Bloco Representa o corpo do motor, nele são usinados os cilindros ou os furos para a colocação destes. Na sua parte inferior estão alojados os mancais centrais, onde se apóia o girabrequim, e na parte superior localiza-se o cabeçote. O bloco serve ainda de suporte para alguns componentes auxiliares como a bomba de água, alternador, distribuidor, etc.

Fig. 9 - Bloco de um motor No interior do bloco existem diversas passagens para circulação de água e óleo. Os cilindros são circundados por espaços ocos, denominados camisas d’água, por onde circula a água de refrigeração. Nos motores refrigerados a ar os cilindros são separados e circundados por aletas, cuja finalidade é aumentar a superfície de transferência de calor.

Fig. 10 - Cilindros aletados (motor horizontal) Quando os cilindros são fixos no bloco, formando uma só peça, dizemos que o bloco é do tipo integral, ou também chamado de monobloco. O bloco integral, quando












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suas paredes. Em casos extremos, quando o bloco integral não suportar mais retíficas, pode-se efetuar o encamisamento, isto é, o bloco é retificado e um cilindro de menor diâmetro é prensado dentro dele, como se fosse um cilindro substituível.

Cabeçote Também conhecido como tampão, é a parte superior do motor, onde se localizam as válvulas, câmaras de combustão, velas, etc. O tamanho e a forma do cabeçote variam de acordo com o tipo de motor. Alguns motores apresentam o eixo do comando de válvulas no cabeçote, que passa então a incorporar todo o sistema de válvulas.

Fig. 11 - Cabeçote

O cabeçote apresenta galerias em seu interior, em torno das câmaras de combustão, por onde circula a água de refrigeração. Nos motores arrefecidos a ar, o cabeçote possui aletas. A vedação da água de refrigeração, dos gases de combustão e do óleo lubrificante é feita por intermédio de uma junta, fabricada a base de amianto revestida nas em algumas partes com anéis de cobre, aço ou silicone. Estes anéis têm a função de melhorar a vedação nas partes mais críticas. Isto é possível porque estes pontos, ao receberem os anéis, terão maior espessura e, assim, recebem maior carga durante o fechamento. Os cabeçotes são fabricados, na sua maioria, em liga de alumínio. Em alguns casos especiais, são fabricados em ferro fundido. Os de liga de alumínio são mais leves e










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Fig.12 - Cilindro aletado Quanto à fixação, os cilindros podem ser: - Fixos (fundidos junto com o bloco); - Substituíveis (quando não faz parte do bloco, o que possibilita sua substituição). Devido ao movimento alternado do pistão, os cilindros, com o decorrer do tempo, sofrem um desgaste que pode ocorrer em maior ou menor tempo, dependendo de certos fatores, como por exemplo: - Material abrasivo no combustível ou no óleo lubrificante ou no ar; - Água no combustível ou no óleo lubrificante; - Viscosidade inadequada do óleo; - Superaquecimento do motor; - Insuficiência de pressão de óleo.

Cárter Sua função é servir como depósito de óleo e cobrir os componentes inferiores do motor. Todo óleo depositado no cárter deve estar em contato com a entrada da bomba, para que o ar não seja aspirado por ela.

Câmara de combustão É onde ocorre a combustão da mistura ar-combustível, e é nesta parte onde estão localizados os eletrodos da vela e as cabeças das válvulas. Sua forma varia de acordo com










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Fig. 13 - Câmara de combustão

Êmbolo ou Pistão É o componente do motor que recebe diretamente o impulso da combustão dos gases e o transmite ao girabrequim através da biela. Pode ser forjado ou fundido em liga de alumínio. Em sua parte superior podem existir cavidades, que compõem a câmara de combustão do cilindro. Nos motores com o pistão com a cabeça plana a câmara de combustão tem seu formato definido pelo cabeçote.










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Entre o pistão e a parede do cilindro existe uma folga, de fração de milímetro, preenchido pelos anéis de segmento, que têm a função de evitar que os gases escapem para o cárter e controlar a lubrificação entre as superfícies. O pistão deve possuir: elevada resistência mecânica, pois pode suportar forças da ordem de toneladas; boa resistência ao calor, pois fica sujeito à temperaturas de até 2000ºC; elevada resistência ao desgaste (em 6000 rpm o pistão sobe e desce 100 vezes por segundo); boa condutibilidade térmica; leveza e baixo nível de ruído.

Biela É o componente móvel de ligação entre o pistão e o girabrequim.

Fig. 15 - Biela Junto com girabrequim, transforma o movimento retilíneo do pistão em movimento rotativo, transmitido depois ao câmbio e posteriormente p osteriormente às rodas. O elo menor é atravessado pelo pino do pistão, e o maior, bipartido, abraça o










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Fig. 16 - Girabrequim

Volante Geralmente produzido em aço, é o componente responsável pelo armazenamento da energia cinética durante a fase de explosão/expansão do motor e sua restituição durante as fases de admissão, compressão e exaustão.












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Válvulas Permitem a entrada da mistura ar-combustível para o cilindro (válvula de admissão) e liberam os gases queimados após a combustão (válvula de escape).

Fig. 18 - Válvula As válvulas devem resistir a altas temperaturas, pressões e a corrosão (principalmente a de escape). Devem ser leves e possuir boa dureza superficial. Para situações mais críticas, a válvula de escapamento pode ser oca e possuir sódio em seu interior para facilitar as trocas térmicas.










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O comando de válvulas possui excêntricos (ou câmes) que organizam precisamente qual válvula deve se abrir ou fechar num certo instante determinado. A cada ciclo do motor, o girabrequim dá duas voltas, enquanto o comando dá apenas uma. Os motores ICE atuais possuem comando de válvula no cabeçote. Os motores mais antigos e os motores ICO o possuem o comando de válvula no bloco. Neste caso, o comando necessita, além dos tuchos, de varetas e balancins para transmitir seus movimentos às válvulas. O comando de válvula se interliga ao girabrequim de forma sincronizada para proporcionar a abertura e fechamento das válvulas no momento adequado. O conjunto de peças da figura 20 constitui o sistema de distribuição de mistura.










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Cilindrada total É o volume deslocado multiplicado pelo número de cilindros do motor.

VDT = Onde: VDT = Volume deslocado total (cm3). π = 3,14 D = Diâmetro do cilindro (cm). L = Curso do êmbolo (cm). N = Número de cilindros do motor.

d 2 LN

π

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Taxa de compressão ou razão de compressão (r c)

É a relação entre o volume total existente no cilindro, quando o êmbolo está no PMI e o volume da câmara de combustão, quando o êmbolo está no PMS.

r c = onde: r c = Razão de compressão. Vcc = Volume da câmara de combustão.

VD +V cc V CC










Deslocamento do êmbolo (x)

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Velocidade do êmbolo (V) A velocidade do êmbolo é obtida derivando-se a expressão acima com relação ao tempo:

 

V = Wr  senα +

r

2 L

 

sen 2α 

Onde: W = Velocidade angular da manivela,

2π (rpm) W = 60

Aceleração do êmbolo (a) É obtida derivando-se a expressão da velocidade em relação ao tempo:

 

a = W 2 r  cos α +

r L

cos 2α  

A aceleração é máxima quando o êmbolo está no PMS, α = 0.

 r   L  

amax = W 2 r 1 +












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Obs.: Quanto maior for a velocidade média do êmbolo, maior será a potência absorvida pelas resistências passivas. São típicos os seguintes valores: - Motores lentos: 5 a 7 m/seg. - Motores normais: 7 a 9 m/seg. - Motores esportivos: 9 a 15 m/seg.

Momento de força (Torque) O momento de força ou torque aplicado ao girabrequim é uma função da força (F) atuante no êmbolo e da posição do pistão definido pela angulação da biela e da manivela.

r   M t = F . r  senα + sen2α  2 L   Teoricamente, o momento de força máximo ocorre quando α = 45o e assume o seguinte valor:










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r   F ima = − maW r  cos α + cos 2α  L   2

Onde: ma = massa alternativa do sistema êmbolo, pino e biela.

Massa alternativa e massa rotativa do sistema êmbolo, pino e biela A massa alternativa é composta pela massa do êmbolo, massa dos anéis, massa do pino, massa das travas do pino e parte da massa da biela que tem movimento alternativo. Considera-se massa alternativa a parte da biela que está localizada próximo ao pino munhão (pino do êmbolo) e de movimento rotativo a parte da massa da biela que está mais perto do moente da manivela. Considera-se os pontos situados acima dos 2/3 da perna da biela como alternativos e os outros 1/3 como rotativo.










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4 - Calcular a velocidade média do êmbolo de um motor de ignição por centelha, que tem uma biela de 85 mm e o raio da manivela de 25 mm, quando operando a 6000 rpm. 5 – Calcular o momento de força de um motor de ignição por centelha, uma biela de 80 mm e o raio da manivela de 25 mm, quando operando a 5500 rpm e α = 45o. Nesta condição a força atuante no êmbolo é de 580 kgf. 6 – Calcular o momento de força de um motor de combustão interna rodando a 4000 rpm quando α = 45 graus. São dados: Comprimento da biela = 80 mm; diâmetro do êmbolo = 70 mm; razão de compressão 8,5:1; raio da manivela = 35 mm; massa das partes alternadas = 1,0 kg. BIBLIOGRAFIA

1 – BOSCH: “Gerenciamento de motor ME-Motronic” – Apostila Técnica. Ed. 2001. 2 – Heywood, John B.: “Internal Combustion Engine Fundamentals”, McGraw-Hill, Inc, New York – USA, 1988, ISBN 0-07-028637-X. 3 – Ferguson, Colin R.: “Internal Combustion Engines”, John Wiley & Sons, Inc, New York –

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