Motor Otto Senai-RJ

MOTORES AUTOMOTIVOS DE CICLO OTTO

SENAI-RJ • Automotiva


Federação das Indústrias do Estado do Rio de Janeiro Eduardo Eugenio Gouvêa Vieira Presidente Diretoria-Geral do Sistema FIRJAN Augusto Cesar Franco de Alencar Diretor Diretor Regional do SENAI-RJ Roterdam Pinto Salomão Diretor Diretoria de Educação Andréa Marinho de Souza Franco Diretora


SENAI-RJ Rio de Janeiro 2007

Motores Automotivos de Ciclo OTTO © 2007 SENAI- Rio de Janeiro Diretoria de Educação

Gerência da Educação Pro Profission onaal Gerênc Ger ência ia Execu Executiv tivaa SE SESISI-SE SENA NAII Tiju ijuca ca

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EQUIPE TÉCNICA Coordenação Seleção e adaptação do dos co conteúdos Revisão pedagógica Projeto gráfico Editoração Colaboração

Angela Elizabeth Denecke Vera V era Regina Regina Costa Abreu Alexandre Ca Caggiano Gr Granado Regina Averbug Artae Design & Criação Lienice Silva de Souza Alexandre Tavares Alves dos Santos (estagiário) Gisele Rodrigues Martins (estagiária)

Material para fins didáticos Propriedade do SENAI-RJ. Reprodução, total e parcial, sob expressa autorização.

SENAI - Rio de Janeiro GEP - Gerência de Educação Profissional Rua Mariz e Barros, 678 - Tijuca 20270-903 - Rio de Janeiro - RJ Tel: (021) 2587-1323 Fax: (021) 2254-2884 [email protected]

Prezado aluno, Quando você resolveu realizar um curso em nossa instituição, talvez não soubesse que, desse momento em diante, estaria fazendo parte do maior sistema de educação profissional do país: o SENAI. Há mais de 60 anos, estamos construindo uma história de educação voltada para o desenvolvimento tecnológico da indústria brasileira e da formação profissional de jovens e adultos. Devido às mudanças ocorridas no modelo produtivo, o trabalhador não pode continuar com uma visão restrita dos postos de trabalho. Hoje, o mercado exigirá de você, além do domínio do conteúdo técnico de sua profissão, competências que lhe permitam decidir com autonomia, proatividade, capacidade de análise, solução de problemas, avaliação de resultados e propostas de mudanças no processo do trabalho. Você deverá estar preparado para o exercício de papéis flexíveis e polivalentes, assim como para a cooperação e a interação, o trabalho em equipe e o comprometimento com os resultados. Soma-se a isso o fato de que a produção constante de novos saberes e tecnologias exigirá de você a atualização contínua de seus conhecimentos profissionais, evidenciando-se a necessidade de uma formação consistente que lhe proporcione maior adaptabilidade e instrumentos essenciais à auto-aprendizagem. Essa nova dinâmica do mercado de trabalho vem requerendo que os sistemas de educação se organizem de forma flexível e ágil, motivo esse que levou o SENAI a criar uma nova estrutura educacional com o propósito de atender às atuais necessidades da indústria, estabelecendo uma formação flexível e modularizada. A formação flexível tornará possível a você, aluno do Sistema, voltar e dar continuidade à sua educação, criando seu próprio percurso. Além de toda a infraestrutura necessária a seu desenvolvimento, você poderá contar com o apoio técnicopedagógico da equipe de educação dessa escola do SENAI para orientá-lo em seu trajeto. Mais do que formar um profissional, estamos buscando formar cidadãos. Seja bem-vindo! Andréa Marinho de Souza Franco Diretora de Educação

Sumário APRESENTAÇÃO................................... 11 UMA PALAVRA INICIAL ........................ 13 INTRODUÇÃO ...................................... 17

Bloco 1

CLASSIFICAÇÃO E FUNCIONAMENTO DOS MOTORES ............................................ 19 Motores: do vapor à combustão .......................... 21 Motores de combustão externa ........................... 23 Motores de combustão interna ............................ 24 Combustão ...................................................... 31 Motor de ciclo OTTO ......................................... 31

Bloco 2

MOTOR: COMPONENTES E CARACTERÍSTICAS............................... 35 COMPONENTES DO MOTOR .......................... 37 Bloco de motor ................................................. 38 Conjunto móvel ................................................ 39 Cabeçote ........................................................ 47

CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES ................... 59 Cilindrada ........................................................ 59 Taxa de compressão ou relação volumétrica ........... 60 Torque ........................................................... 61 Potência ......................................................... 62

Bloco 3

SISTEMAS DOS MOTORES.................... 65 SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO .......................... 67 Sistema de distribuição com acionamento indireto ... 68 Sistema de distribuição com acionamento direto ..... 69 Diagrama de válvulas ......................................... 70 Variador de fase ............................................... 71 Árvore contra-rotante de equilíbrio ou árvore de balanceamento ................................................ 71

SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO ......................... 72 Atrito ............................................................. 73 Óleo lubrificante ............................................... 74 Tipos de sistemas de lubrificação ......................... 77

SISTEMA DE ARREFECIMENTO ........................ 82 Tipos de sistema de arrefecimento utilizados nos veículos .................................................... 83

SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DO MOTOR ............. 92 Combustíveis para motores de ciclo Otto ............... 93 Mistura ar/combustível ...................................... 95 Sistema de alimentação ..................................... 98

SISTEMA DE IGNIÇÃO .............................. 106 SISTEMA DE CONTROLE DE EMISSÕES ............ 108 Sistema de ventilação do cárter ......................... 108 Sistema antievaporativo de combustível............... 109 Sistema de controle de emissões na descarga ....... 110

REFERÊNCIAS .................................... 115

Motores Automotivos de Ciclo OTTO – Apresentação

Apresentação A dinâmica social dos tempos de globalização exige dos profissionais atualização constante. Em todas as áreas, técnicas e conhecimentos ficam obsoletos em ciclos cada vez mais curtos, trazendo desafios renovados e tendo, como conseqüência para a educação, a necessidade de encontrar novas formas e rápidas respostas. Neste cenário, que exige educação contínua, ao longo de toda a vida, é preciso que as instituições educacionais criem condições e estimulem novas formas de ensinar e de aprender. Professores e alunos, por sua vez, também devem estar motivados para trilhar os caminhos da pesquisa e da criatividade, favorecendo tanto a iniciativa individual quanto o trabalho de equipe. Com essa perspectiva, é apresentado este material didático – Motores automotivos de ciclo OTTO. Trata-se de um recurso de apoio para o aluno acompanhar e rever os assuntos desenvolvidos nas salas, oficinas e laboratórios. Sugere-se que, além da sua leitura, o estudo dos temas seja ampliado com outras fontes, possibilitando, sempre, a reconstrução de conhecimentos. Este material está estruturado em três blocos, que abordam os motores automotivos de ciclo OTTO. No primeiro bloco é abordada a classificação dos motores quanto ao tipo de combustão – externa ou interna. É dada ênfase aos motores de combustão interna, apresentando suas diferentes classificações. O segundo bloco trata dos componenestes e características do motor. Dos componentes do motor são destacados: bloco do motor, conjunto móvel e cabeçote. Com relação às características do motor, são enfocadas: cilindrada, taxa de compressão, torque e potência. Finalmente, no terceiro bloco, são vistos os diferentes sistemas dos motores: distribuição, lubrificação, arrefecimento, alimentação, ignição e controle de emissões. Esperamos que este material didático contribua para apoiar os processos da educação profissional na área automotiva, sendo um recurso útil para estudo e consulta, colaborando, assim, para a formação de profissionais cada vez mais capacitados a desempenharem suas funções com desembaraço e competência.

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Motores Automotivos de Ciclo OTTO – Uma palavra inicial

Uma palavra inicial Meio ambiente... Saúde e segurança no trabalho... O que nós temos a ver com isso? Antes de iniciarmos o estudo deste material, há dois pontos que merecem destaque: a relação entre o processo produtivo e o meio ambiente e a questão da saúde e segurança no trabalho. As indústrias e os negócios são a base da economia moderna. Produzem os bens e serviços necessários e dão acesso a emprego e renda, mas para atender a essas necessidades precisam usar recursos e matérias-primas. Os impactos no meio ambiente muito freqüentemente decorrem do tipo de indústria existente no local, do que ela produz e, principalmente, de como produz. Assim sendo, é preciso entender que todas as atividades humanas transformam o ambiente. Estamos sempre retirando materiais da natureza, transformando-os e depois jogando o que “sobra” de volta ao ambiente natural. Ao retirar do meio ambiente os materiais necessários à produção de bens, altera-se o equilíbrio dos ecossistemas e arrisca-se o esgotamento de diversos recursos naturais que não são renováveis ou, quando o são, têm sua renovação prejudicada pela velocidade da extração, superior à capacidade da natureza de se recompor. Torna-se necessário, portanto, traçar planos de curto, médio e longo prazos, a fim de diminuir os impactos que o processo produtivo causa na natureza. Além disso, as indústrias precisam se preocupar com a recomposição da paisagem e ter em mente a saúde, tanto de seus trabalhadores como da população que vive ao redor delas. Podemos concluir, então, que com o crescimento da industrialização e sua concentração em determinadas áreas o problema da poluição aumentou demasiadamente. A questão da poluição do ar e da água é bastante complexa, pois as emissões poluentes se espalham de um ponto fixo para uma grande região, dependendo dos ventos, do curso da água e das demais condições ambientais, tornando difícil a localização precisa da origem do problema. No entanto, é importante repetir que, quando as indústrias depositam no solo os resíduos, quando lançam SENAI-RJ 13


efluentes sem tratamento em rios, lagoas e demais corpos hídricos, causam danos às vezes irreversíveis ao meio ambiente. O uso indiscriminado dos recursos naturais e a contínua acumulação de lixo mostram uma falha básica de nosso sistema produtivo: ele opera em linha reta. Extraem-se as matérias-primas através de processos de produção desperdiçadores e que produzem subprodutos tóxicos. Fabricam-se produtos de utilidade limitada que, finalmente, viram lixo, o qual se acumula nos aterros. Produzir, consumir e dispensar bens dessa forma, obviamente, não são atitudes condizentes com o desenvolvimento sustentável. Enquanto os resíduos naturais (que não podem, propriamente, ser chamados de “lixo”) são absorvidos e reaproveitados pela natureza, a maioria dos resíduos deixados pelas indústri as não tem aproveitamento para qualquer espécie de organismo vivo e, para alguns, pode até ser fatal. O meio ambiente pode absorver resíduos, redistribuí-los e transformá-los. Mas, da mesma forma que a Terra possui uma capacidade limitada de produzir recursos renováveis, sua capacidade de receber resíduos também é restrita, e a de receber resíduos tóxicos praticamente não existe. Ganha força, atualmente, a idéia de que as empresas devem ter procedimentos éticos que considerem a preservação do ambiente como uma parte de sua missão. Isso quer dizer que se devem adotar práticas que incluam tal preocupação, introduzindo-se processos que reduzam o uso de matérias-primas e energia, diminuam os resíduos e impeçam a poluição. Cada indústria tem suas próprias características. Mas já sabemos que a conservação de recursos é importante. Deve haver, portanto, crescente preocupação acerca da qualidade, durabilidade, possibilidade de conserto e vida útil dos produtos. As empresas precisam não só continuar reduzindo a poluição, como também buscar novas formas de economizar energia, melhorar os efluentes, reduzir a poluição, o lixo, o uso de matérias-primas. Reciclar e conservar energia são atitudes essenciais no mundo contemporâneo. É difícil, no entanto, ter uma visão única que seja útil para todas as empresas. Cada uma enfrenta desafios diferentes e pode se beneficiar de sua própria visão de futuro. Ao olhar para o amanhã, nós (o público, as empresas, as cidades e as nações) podemos decidir quais alternativas são mais desejáveis e, a partir daí, passar a trabalhar com elas. Infelizmente, tanto os indivíduos como as instituições só mudarão suas práticas quando acreditarem que seu novo comportamento lhes trará benefícios – sejam estes financeiros, para sua reputação ou para sua segurança. Apesar disso, a mudança nos hábitos não é algo que possa ser imposto. Deve ser uma escolha de pessoas bem-informadas a favor de bens e serviços sustentáveis. A tarefa é criar condições que melhorem a capacidade de as pessoas escolherem, usarem e disporem de bens e serviços de forma sustentável. Além dos impactos causados na natureza, diversos são os malefícios à saúde humana provocados pela poluição do ar, dos rios e mares, assim como são inerentes aos processos produtivos alguns riscos à saúde e segurança do trabalhador. Atualmente, os acidentes de trabalho

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são uma questão que preocupa os empregadores, empregados e governantes, e as conseqüências acabam afetando a todos. Sabendo disso, podemos afirmar que, de um lado, é necessário que os empregados adotem um comportamento seguro no trabalho, usando os equipamentos de proteção individual e coletiva, e de outro, que cabe aos empregadores prover a empresa com esses equipamentos, orientar quanto a seu uso, fiscalizar as condições da cadeia produtiva e a adequação dos equipamentos de proteção. A redução do número de acidentes só será possível à medida que cada um – trabalhador, empregador e governo – assuma, em todas as situações, atitudes preventivas, capazes de resguardar a segurança de todos. Deve-se considerar, também, que cada indústria possui um sistema produtivo próprio, e, portanto, é necessário analisá-lo em todas suas especificidades, para determinar seu impacto sobre o meio ambiente, sobre a saúde e os riscos que o sistema oferece à segurança dos trabalhadores, propondo alternativas que possam levar a melhores condições de vida para todos. Da conscientização, partimos para a ação: cresce, cada vez mais, o número de países, empresas e indivíduos que, já estando esclarecidos acerca dessas questões, vêm desenvolvendo ações que contribuem para proteger o meio ambiente e cuidar da nossa saúde. Mas isso ainda não é suficiente... é preciso ampliar tais ações, e a educação é um valioso recurso que pode e deve ser usado em tal direção. Assim, iniciamos este material conversando com você sobre meio ambiente, saúde e segurança no trabalho, lembrando que, em seu exercício profissional diário, você deve agir de forma harmoniosa com o ambiente, zelando também pela segurança e saúde de todos no trabalho. Tente responder à pergunta que inicia este texto: meio ambiente, saúde e segurança no trabalho – o que eu tenho a ver com isso? Depois, é partir para a ação. Cada um de nós é responsável. Vamos fazer a nossa parte?

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Motores Automotivos de Ciclo OTTO – Classificação e funcionamento dos motores

Introdução O termo automóvel apareceu no final do século XIX e difundiu-se rapidamente para indicar um novo meio que modificava substancialmente as condições de transporte e oferecia à humanidade um sentido superior de civilização. Com a invenção da máquina a vapor, foi possível substituir a tração animal e, também, o esforço humano em muitos trabalhos. No final de 1771, Cugnot construiu o primeiro veículo a vapor e percorreu as ruas de Paris a 3km/h. Entretanto, a utilização do motor a vapor em veículos tornou-se complicada por razões técnicas, tais como tamanho e baixo desempenho. Em 1862, Nikolaus August Otto (1832-1891) inventou o motor de ciclo que leva o seu nome e que necessita de centelha elétrica para inflamar a mistura de ar/combustível. Em 1897, o também alemão Rudolph Diesel inventou o motor de ciclo, que inflama a mistura por meio da compressão e que é conhecido como motor diesel. O motor é o resultado do trabalho de diversos pesquisadores com contribuições de várias ciências, destacando-se aquelas que levaram os motores a diminuirem o consumo de combustível e a poluírem cada vez menos o meio ambiente. O motor é, enfim, um dos maravilhosos inventos que proporcionam conforto e segurança à nossa vida. Sua invenção trouxe benefícios para a sociedade com repercussão em todos os campos tecnológicos. Agora, um convite a você: faça uma reflexão sobre a importância dos motores no desenvolvimento da sociedade e, principalmente, sobre a relação consumo de combustível/ poluição do meio ambiente. Lembre-se que a médio - ou talvez mesmo a curto prazo - a situação pode melhorar ou piorar, dependendo da atuação do ser humano na preservação ambiental. Pense nisso! SENAI-RJ 17

Bloco 1

Classificação e funcionamento dos motores Motores: do vapor à combustão Motores de combustão externa Motores de combustão interna Combustão Motor de ciclo OTTO


Classificação e funcionamento dos motores Neste bloco, vamos estudar a evolução dos motores – do vapor à combustão –, a sua classificação e o seu funcionamento.

Motores: do vapor à combustão Há muitos séculos, o homem vem se defrontando com o problema do transporte. Muitos dos seus esforços foram dirigidos à construção de veículos que não dependessem de tração animal. Com a invenção da máquina a vapor, o motor passou a ser instalado nos veículos já existentes: carruagens, triciclos e bicicletas. O primeiro desses veículos, um triciclo a vapor, foi construído na França, em 1771. Esse triciclo iniciou um processo que não se interrompeu mais: a produção de automóveis (veículos que têm propulsão própria). Entretanto, a máquina a vapor apresentava muitos problemas e inconvenientes, entre os quais destacam-se: •

•

seu baixo rendimento obrigava a utilizar grandes quantidades de combustível e água; a produção de vapor em caldeiras, pelo calor gerado nas fornalhas, levava o motor a ocupar muito espaço. Por isso, a dificuldade em fazer um carro a vapor compacto.

Com o desenvolvimento de pesquisas, ocorreu um avanço tecnológico que culminou com a criação de um novo tipo de motor, no qual o aproveitamento da energia é feito internamente. SENAI-RJ 21


O motor de combustão interna queima o combustível dentro dos cilindros que produzem a força motriz do veículo. Por isso, funciona com quantidades controladas de combustível e possui rendimento superior ao do motor de combustão externa. Um motor de quatro tempos foi construído e utilizado com sucesso, em 1876, pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto, que baseou seus trabalhos nos princípios físicos patenteados pelo francês Beau de Rochas . Fig. 1 – Nikolaus Otto

O primeiro automóvel a gasolina patenteado foi construído em 1885, na Alemanha, por Carl Benz , que montou um motor de quatro tempos e adaptou-o a um triciclo.

Fig. 2 – Primeiro automóvel patenteado (1885)

Classificação dos motores quanto ao tipo de combustão Os motores podem ser classificados em: •

motores de combustão externa; e

•

motores de combustão interna.

Leia, a seguir, sobre eles.

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Motores de combustão externa A locomotiva a vapor é um exemplo de veículo que utiliza motor de combustão externa. Neste tipo de motor a queima do combustível – carvão ou lenha – ocorre fora do local onde se produz o movimento (cilindro). Nos motores com propulsão a vapor o calor produzido é utilizado para aquecer a água em uma caldeira, transformando-a em vapor que se expande, criando uma pressão que movimenta os êmbolos. Em conseqüência, os

Fig. 3 – Locomotiva a vapor

êmbolos acionam as rodas motrizes da locomotiva. Observe o seu funcionamento ilustrado na próxima figura.

Legenda

1. Fornalha 2. Caldeira 3. Tubulação 4. Êmbolo 5. Cilindro 6. Roda motriz

Fig. 4 – Motor de combustão externa (vapor)

Seguindo o princípio de funcionamento da locomotiva a vapor, foram desenvolvidos os primeiros veículos a vapor, como o do francês Cugnot . Este motor também é chamado de exotérmico.

Fig. 5 – Automóvel de Cugnot (1771) SENAI-RJ 23


Motores de combustão interna O motor de combustão interna é formado por um conjunto de peças mecânicas e elétricas, cuja finalidade é produzir trabalho, pela força de expansão resultante da queima da mistura de ar/combustível no interior de cilindros fechados. Por esse processo, o motor de combustão interna tem um rendimento térmico maior que o possibilitado pela combustão externa. O combustível é queimado em quantidades controladas, resultando melhor aproveitamento da energia produzida na queima.

Para atender às mais variadas necessidades do atual estado de desenvolvimento tecnológico, os fabricantes constroem motores de combustão interna que funcionam com diversos tipos de combustível. Assim, encontram-se motores movidos a gás, a gasolina, a óleo diesel, a querosene, a álcool e até com misturas de vários combustíveis.

Classificação dos motores de combustão interna O quadro a seguir mostra a classificação dos motores de combustão interna.

CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Quanto a

Denominação

Número de cilindros

Monocilíndricos Policilíndricos

Disposição dos cilindros

Em linha Em V Horizontais opostos Em VR

Ciclo de trabalho

Ciclo OTTO Ciclo diesel

Número de tempos

2 tempos 4 tempos continua ...

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continuação Quanto a

Denominação

Tipo de combustível

A gasolina A álcool A GNV A diesel

Tipo de arrefecimento

A ar A água

Posição da árvore de comando

OHV (válvula no cabeçote)

de válvulas

OHC (comando no cabeçote) DOHC (duplo comando no cabeçote)

Vamos explorar, então, a classificação dos motores de combustão interna. Quanto ao número de cilindros

Normalmente, os motores podem ser construídos com um ou vários cilindros. O motor monocilíndrico é usado em implementos agrícolas, motocicletas e pequenas lanchas. Os motores policilíndricos, com quatro, cinco, seis, oito, doze ou mais cilindros, destinam-se a automóveis, locomotivas, navios e aviões.

Motor monocilíndrico – possui um único cilindro. Motor policilíndrico – possui mais de um cilindro.

Observe, a seguir, um exemplo de motor policilíndrico.

Fig. 6 – Motor de 6 cilindros em linha SENAI-RJ 25


Quanto à disposição dos cilindros

Considerando a disposição dos cilindros, os motores de combustão interna podem ser classificados como: •

em linha;

•

em V;

•

horizontais opostos; e

•

em VR.

Motor com cilindros em linha

É a disposição mais utilizada para motores de 4 cilindros e são usados na maioria dos automóveis pequenos. Motor com cilindros em V

O motor em V comporta duas fileiras de cilindros dispostos em ângulo de 60º ou 90º. Esta disposição reduz o volume do conjunto do motor. Confira na próxima ilustração.

Fig. 7 – Motor V8

Motor com cilindros horizontais opostos

O bloco com cilindro em oposição ( boxer ) permite um desenho mais baixo da carroceria, dimensão reduzida do compartimento onde se localiza e baixo centro de gravidade.Veja na figura a seguir.

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Fig. 8 – Motor 4 cilindros opostos (Boxer ) Motor com cilindro em VR (V Reihne )

Nesse tipo de motor os cilindros estão agrupados descentralizados, num bloco único. Os cilindros estão dispostos em um ângulo de 15º e o cabeçote é comum aos cilindros.

3

1

Legenda

2

1. Fileira de cilindros 1 - 3 - 5 2. Fileira de cilindros 2 - 4 - 6 3. Lado do volante

Fig. 9 – Motor VR

Este motor possui a dimensão compacta de um motor de 4 cilindros. Quanto ao ciclo de trabalho

Em relação ao ciclo de trabalho, os motores de combustão interna div idem-se em: •

motores de ciclo OTTO;

•

motores de ciclo diesel. SENAI-RJ 27


Ciclo OTTO – a combustão se realiza com o auxílio de uma centelha elétrica.

Fig. 10 – Motor com ignição por centelha Ciclo diesel – a combustão se dá pela compressão do ar que gera alta temperatura e inicia

o processo de queima do combustível injetado sob pressão.

Fig. 11 – Motor com ignição por compressão

Quanto ao número de tempos

Com relação a esse parâmetro, os motores podem funcionar segundo um ciclo de: •

2 tempos;

•

4 tempos.

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Quanto ao tipo de combustível

Os motores de combustão interna, com relação ao tipo de combustível utili zado, podem ser classificados em: •

a gasolina;

•

a álcool;

•

a diesel;

•

a GNV (gás natural veicular).

Quanto ao tipo de arrefecimento

Com relação ao tipo de arrefecimento, os motores de combustão intern a dividem-se em: •

a ar;

•

a água.

Quanto à posição da árvore de comando de válvulas

De acordo com a localização da árvore de comando de válvulas, que controla a abertura e o fechamento das válvulas do motor, há três tipos de motor descritos a seguir. OHV (over head valve ou válvula no cabeçote)

O comando de válvulas é colocado ao lado dos cilindros no bloco do motor, com hastes e balancins acionando as válvulas localizadas no cabeçote. 3

2

Legenda

4

1

1. Tucho 2. Haste 3. Balancim 4. Válvula 5. Árvore de comando

5

Fig. 12 – Válvula no cabeçote SENAI-RJ 29


OHC (over head camshaft ou comando no cabeçote)

Dispensa hastes de válvulas, pois o comando de válvulas não fica no bloco, mas no cabeçote. Por isso, tal motor pode suportar um regime de rotação maior que o OHV . 2

3 Legenda

1

1. Válvulas 2. Tucho 3. Árvore de comando

Fig. 13 – Comando de válvulas no cabeçote DOHC (double over head camshaft - duplo comando de válvulas no cabeçote) ou TC ( twin camshaft - duplo comando)

Possui dois comandos de válvulas localizados no cabeçote - um aciona as válvulas de admissão e o outro, as de escapamento. Cada comando atua diretamente sobre as válvulas, aumentando, ainda mais, o regime de rotação que o motor pode suportar.

Fig. 14 – Duplo comando de válvulas no cabeçote

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Motores Automotivos de Ciclo OTTO

– Classificação e funcionamento dos motores

Funcionamento do motor

Agora que já vimos as categorias dos motores de combustão interna, vamos estudar os princípios físicos que proporcionam a transformação da energia em movimento.

Combustão A combustão ou queima é um processo químico em que, necessariamente, três elementos se combinam: •

combustível  todo material capaz de ser queimado.

•

comburente  elemento que alimenta a combustão; por exemplo, o oxigênio; e

•

calor  forma de energia que faz com que o combustível atinja o ponto de ignição.

O nome motor de combustão, indica que o motor utiliza a energia do combustível para realizar trabalho mecânico.

Motor de ciclo OTTO Nesse motor a queima do combustível é provocada por meio de centelha elétrica, produzida na vela de ignição. Os motores de ciclo OTTO, usados no automóvel, são chamados de motor de quatro tempos, pois para completar um ciclo de funcionamento, necessitam de duas voltas da árvore de manivelas e quatro movimentos do êmbolo, o que explica o ter mo motor de quatro tempos .

O motor de ciclo OTTO também é chamado de: – motor de combustão interna com ignição por centelha; – motor de quatro tempos.

Os tempos do motor de ciclo OTTO são: •

1º – admissão;

•

2º – compressão;

•

3º – combustão; e

•

4º – escapamento. SENAI-RJ 31


Cada tempo do motor de ciclo Otto representa o deslocamento do pistão, seja para cima em direção ao PMS ou para baixo, em direção ao PMI. PMS – ponto morto superior - é a posição mais avançada que o pistão atinge em seu movimento para cima. PMI – ponto morto inferior - posição mais baixa que o pistão atinge em seu movimento para baixo.

Vamos, então, analisar os quatro tempos do motor de ciclo OTTO, com o apoio de ilustrações. 1º tempo - Admissão

A válvula de admissão está aberta e a válvula de escapamento está fechada. A mistura ar + combustível entra por sucção.

Fig. 15 – Admissão

O êmbolo desloca-se do ponto morto superior (PMS) ao ponto morto inferior (PMI), aspirando a mistura de ar/combustível para o interior do cilindro. 2º tempo - Compressão

Ambas as válvulas ficam fechadas. O êmbolo desloca-se para o ponto morto superior e a mistura ar/combustível é comprimida. A árvore de manivelas efetua outra meia volta, completando a primeira volta completa.

32 SENAI-RJ


Fig. 16 – Compressão

3º tempo - Combustão

No final da compressão, com as válvulas de admissão e de escapamento fechadas, é produzida uma centelha elétrica na vela, que irá inflamar, rapidamente, o combustível. Com a expansão dos gases, o êmbolo é impulsionado para o ponto morto inferior, produzindo o tempo motriz. A árvore de manivelas efetua mais meia volta, completando uma volta e meia.

Fig. 17 – Combustão

4º tempo - Escapamento

Com a válvula de descarga aberta e a válvula de admissão fechada, o êmbolo desloca-se para o ponto morto superior, expulsando os gases queimados.

SENAI-RJ 33


A árvore de manivelas efetua mais meia volta, completando duas voltas e o ciclo total.

Fig. 18 – Escapamento

Pelo que foi visto anteriormente, conclui-se que, dos quatro tempos, apenas o terceiro tempo (combustão) produz trabalho útil. Um volante, instalado no extremo da árvore de manivelas, regulariza o funcionamento do motor. Os cilindros trabalham dentro de determinada ordem de combustão e o volante, por ter inércia, transforma os impulsos que recebe em movimento contínuo.

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Bloco 2

Motor: componentes e características Componentes do motor Bloco de motor Conjunto móvel Cabeçote

Características dos motores Cilindrada Taxa de compressão ou relação volumétrica Torque Potência

Motores Automotivos de Ciclo OTTO – Motor: componentes e características

Motor: componentes e características No Bloco 2, o estudo sobre motores de ciclo OTTO aborda os seus principais componentes e, também, as suas características. A leitura, a seguir, possibilitará que você amplie seus conhecimentos sobre esses temas.

Componentes do motor O motor de combustão interna produz movimentos de rotação por meio de combustão dentro de cilindros fechados. Suas partes fundamentais são: •

bloco do motor;

•

conjunto das bielas e árvore de manivelas (conjunto móvel); e

•

cabeçote.

2

Nas próximas ilustrações,

3

com o apoio das legendas,

4

observe as partes externas e

5

internas do motor de ciclo

6

OTTO. 7

8 1

Legenda

1. Polia da árvore de manivelas 2. Tampa do cabeçote 3. Cabeçote 4. Coletor de escape 5. Bloco do motor 6. Turbo 7. Junta do cabeçote 8. Cárter

Fig. 1 – Partes externas do motor SENAI-RJ 37


6 7

5 8

4 3

9

2

Fig. 2 –

1

10

Legenda

1. Biela 2. Pino 3. Pistão 4. Válvulas 5. Tucho 6. Árvore do comando de válvulas 7. Coletor de admissão 8. Volante 9. Anéis 10. Árvore de manivelas

Fig. 2 – Partes internas do motor

Bloco de motor O bloco do motor contém os cilindros, mecanismo da árvore de manivelas, pistões e o cárter. O bloco do motor pode ser feito em ferro fundido cinzento ou liga leve. Os cilindros podem ser usinados diretamente no bloco ou formados por camisas de cilindros inseridas em alojamentos específicos no bloco. Este recurso é utilizado em blocos de liga-leve ou em blocos cuja camisa trabalhe em contato direto com líquido do sistema de arrefecimento. No bloco do motor estão localizados os canais de passagem do óleo do sistema de lubrificação e do líquido de arrefecimento.

Fig. 3 – Bloco do motor 38 SENAI-RJ


Conjunto móvel Dentro do bloco do motor está montado o conjunto móvel, que é constiruído de: •

êmbolo (pistão);

•

pinos de êmbolo;

•

anéis de segmento;

•

bielas;

•

bronzinas (casquilhos);

•

árvore de manivelas (virabrequim); e

•

volante do motor.

7

6

5 4

8 3

2

Legenda

1

9

1. Polia da árvore de manivelas 2. Árvore de manivelas 3. Bloco do motor 4. Biela 5. Pino do pistão 6. Pistão 7. Anéis 8. Volante 9. Cárter

Fig. 4 – Conjunto móvel

SENAI-RJ 39


Êmbolo (pistão) Componente móvel, instalado no interior do cilindro e ligado por um pino à biela. 1 2 Legenda

3

1. Pistão 2. Pino 3. Biela

Fig. 5 – Êmbolo

O êmbolo transmite a força de expansão dos gases no cilindro para a árvo re de manivelas por meio da biela. Age como uma parede móvel da câmara de combustão. Com o seu movimento, puxa a mistura ar/combustível do coletor de admissão. Comprime a mistura sucessivamente, recebendo, assim, a pressão dos gases em expansão, e expelin do os gases queimados no cilindro. Além disso, guia os pés da biela e absorve o impulso lateral determinado pela inclinação que ocorre na biela, durante a rotação da árvore de manivelas. Entre o êmbolo e o cilindro existe um pequeno jogo diametral indispensável para permitir o livre movimento do êmbolo e a formação de uma camada de óleo. A ligação entre esses dois componentes é feita por anéis.

Os êmbolos são fabricados de liga de alumínio. Nos motores de competição e em alguns modelos de série mais potentes, os pistões são de alumínio fo rj ad o.

A parte superior do êmbolo é chamada de cabeça, enquanto a que fica abaixo do alojamento dos anéis que guiam o êmbolo no interior do cilindro, tem o nome de (saia). Muitos êmbolos modernos têm uma capa (saia) menor na zona em que fica o pino, para diminuir o peso e limitar o atrito com o interior do cilindro.

40 SENAI-RJ


2

3

4 1

Legenda

1. Alojamento do pino 2. Cabeça 3. Zona dos anéis 4. Saia (capa)

Fig. 6 – Partes do êmbolo

Êmbolo ou pistão Cabeça : parte superior do êmbolo

 recebe a força de expansão dos

gases da combustão.

Zona dos anéis: parte lateral da cabeça  é onde ficam os anéis. Capa ou saia: zona do pistão que se apóia na parede do cilindro  guia o pistão no percurso entre o PMI e o PMS. O nível da saia forma a medida de diâmetro do pistão.

Nas partes da saia do êmbolo, logo abaixo da canaleta de óleo, há dois mancais - um diante do outro. Nesses mancais, aloja-se um pino, encaixado no pé da biela e que fica no interior do êmbolo, podendo estar no centro do êmbolo ou ter posição descentralizada. A descentralização do pino diminui, e até elimina, as batidas da saia do êmbolo nas paredes do cilindro no início da combustão.

Mancal Dispositivo sobre o qual se apóia em eixo que gira, desliza ou oscila, e que lhe permite movimento com um mínimo de atrito.

SENAI-RJ 41


Pino de êmbolo Elemento tubular que liga o pistão à biela. Feito de aço dotado de elevada resistência superficial, acompanha o seu respectivo êmbolo para garantir o ajuste adequado. Os pinos de êmbolo são classificados em flutuantes, semi-flutuantes e fixos.

Tipos de pinos do êmbolo Flutuante

É o pino de êmbolo que desliza livre no êmbolo e na biela, limitado por anéis de travamento. Semiflutuante

Desliza livre no êmbolo e é fixo na biela por parafuso ou interferência. Fixo

É preso ao êmbolo por parafuso, trava ou interferência e é livre na biela. Anéis de segmento

Os anéis de segmento são instalados em cavidades especiais (canaletas) na parte mais alta do êmbolo, sobre o pino. Esses anéis possuem um entalhe que permite a sua inserção na cavidade, conferindo-lhes, também, uma certa elasticidade, indispensável para que a superfície de trabalho se conserve sempre aderida à parede do cilindro. Os anéis têm as seguintes funções: •

•

vedação, impedindo a saída da mistura na compressão e dos gases da combustão; dissipação do calor, fazendo-o passar dos êmbolos para os cilindros e, daí, para o sistema de arrefecimento.

Tipos de anéis de segmentos Há dois tipos básicos de anéis de segmento: os de compressão (vedação) e os raspadores ou recolhedores de óleo. Anéis de compressão

Os anéis de compressão são encaixados nas duas primeiras canaletas da zona dos anéis. Promovem a vedação entre os êmbolos e cilindros, o que garante a compressão da mistura.

42 SENAI-RJ


Evitam, também, a passagem dos gases da câmara de combustão para o cárter, e do óleo do cárter para as câmaras. Os anéis de compressão são revestidos de cromo ou molibdênio, o que lhes confere maior resistência ao atrito e à abrasão. Esta propriedade é muito importante, principalmente no período de amaciamento do motor. Anel raspador ou recolhedor de óleo

O anel raspador ou recolhedor de óleo tem como principal função raspar o excesso de óleo da parede do cilindro e drená-lo em direção ao cárter do motor. Desta forma, assegura-se uma película de óleo suficiente para lubrificar os anéis de compressão. É o terceiro anel instalado no êmbolo.

Os anéis não requerem manutenção, e sim procedimentos técnicos de fabricação e montagem que lhes garantam vida útil semelhante à das demais peças móveis do mot or. Dev em ser substituídos sempre que o mot or é recondicionado. Cuidado com a posição de montagem dos anéis no êmbolo. As aberturas dos anéis devem ser desencontradas de 120º e fora da área do pino do êmbolo.

Biela É a peça que se liga ao êmbolo por um pino e tem a finalidade de unir o êmbolo à árvore de manivelas. Juntamente com a manivela dessa árvore, permite a transformação do movimento retilíneo alternado do êmbolo, em movimento de rotação da árvore de manivelas. Trata-se, pois, de um dos componentes móveis mais solicitados do motor.

As bielas são fabricadas de aço forjado ou de ferro fundido.

SENAI-RJ 43


7

6 1

3 2

5 4 Legenda

1. Arruela 2. Porca de fixação 3. Capa da biela 4. Bronzinas 5. Lingüeta e ranhura 6. Parafuso 7. Bucha do pino do pistão 8. Orifícios de lubrificação 9. Pé de biela 10. Corpo de biela 11. Cabeça de biela

9 10 8

11

Fig. 7 – Partes da biela

A cabeça da biela, dividida em duas partes - uma no próprio corpo da biela e outra separada (chamada de capa) - , acopla-se ao moente da manivela da árvore de manivelas. Em ambas as partes, são montadas bronzinas para o assentamento entre a biela e a árvore de manivelas.

Bronzina ou casquilho As bronzinas desempenham três funções: •

reduzir os efeitos da fricção entre as peças em movimento no motor;

•

suportar pressões e rotações elevadas;

•

servir como peças de substituição e proteção da peça principal.

1 2 Legenda

1. Entrada de óleo 2. Reservatório de óleo 3. Filme de óleo 4. Eixo de rotação

4

3

Fig. 8 – Lubrificação na bronzina 44 SENAI-RJ


O corpo da bronzina é fabricado em aço, coberto por camadas de material anti-fricção à base de estanho ou chumbo.

Nos motores de combustão interna, as bronzinas são empregadas na árvore de manivelas e em alguns tipos de árvore de comando das válvulas. A bronzina é constituída basicamente de: •

ressalto de localização;

•

canal de óleo;

•

orifício de óleo. 2

1

Legenda

1. Ressalto de localização 2. Rebaixo 3. Alojamento do casquilho

3

Fig. 9 – Ressalto de localização

Ressalto de localização O ressalto de localização evita que a bronzina se desloque lateralmente, quando o órgão que ela apóia está em rotação. Esse ressalto está situado em uma das extremidades de cada bronzina e se encaixa em um alojamento, no mancal em que se assenta a bronzina. 2 1

Legenda

1. Alojamento 2. Lingüeta de bloqueio

Fig. 10 – Montagem correta da bronzina SENAI-RJ 45


Canal de óleo Geralmente, na parte central da bronzina, na superfície de contato com a árvore, há um rasgo que constitui o canal de óleo da bronzina.

Orifício de óleo Nesse canal, há um orifício – o orifício de óleo –, que coincide com o orifício da capa do mancal, por onde penetra o óleo que lubrifica a bronzina e a árvore apoiada. Os casquilhos são vendidos em jogos de acordo com a marca e o tipo do motor.

Árvore de manivelas ou virabrequim A árvore de manivela recebe o impulso do pistão por intermédio da biela e transforma o movimento alternado dos pistões em movimento de rotação, tal qual um ciclista ao pedalar a bicicleta. Além de fornecer a rotação que colocará o automóvel em movimento, o virabrequim comanda também a árvore de comando de válvulas, a bomba de óleo, a bomba d´água, o distribuidor, o alternador e outros acessórios.

A árvore de manivelas é produzida em aço forjado ou ferro fundido e se apóia, por meio das bronzinas, no respectivo suporte no bloco do motor.

Para girar sem provocar vibrações, a árvore de manivelas deve ser balanceada, utilizandose alguns contra-pesos colocados junto aos braços das maniv elas.

Legenda

1. Contrapesos

1

Fig. 11 – Contrapesos de um virabrequim 46 SENAI-RJ


Em geral, a árvore de manivelas é atravessada por uma série de canais internos que têm a função de levar o óleo, sob pressão, das bronzinas dos mancais fixos às bronzinas das bielas. As bordas dos furos desses canais devem ser perfeitamente lisas. Em uma das extremidades da árvore de manivelas fica fixado o volante do motor.

Partes da árvore de manivela As principais partes da árvore de manivelas são os munhões, ligados uns aos outros formando as manivelas. O comprimento entre os centros de um munhão e um moente determina o braço da manivela e o curso do pistão. Os munhões giram alojados nos mancais, cujas capas são fixadas no bloco do motor. Entre munhões e mancais são aplicadas bronzinas, da mesma forma que entre os moentes e as capas das bielas.

Volante do motor Tem como função acumular a energia mecânica desenvolvida no tempo de combustão e fornecê-la ao motor nos tempos mortos que são admissão, compressão e descarga, permitindo que o motor se mantenha em rotação. É como a bicicleta que continua um pouco seu movimento mesmo depois de pararmos de pedalar. O volante do motor também aloja a cremalheira de arranque, que recebe o movimento do pinhão do motor de partida para iniciar o funcionamento do motor e serve de suporte de apoio ao disco da embreagem, que transfere o movimento ao sistema de transmissão.

Cabeçote O cabeçote realiza o fechamento superior dos cilindros. Nele estão instaladas uma ou duas árvores de comando de válvulas, as válvulas de admissão e escape, as velas de ignição e as válvulas injetoras. O cabeçote e os pistões formam a câmara de combustão. A maioria dos motores modernos utiliza cabeçote de liga de alumínio, com ótima dissipação térmica.

SENAI-RJ 47


O cabeçote desempenha uma série de funções importantes. Ele serve de passagem para diversas substâncias necessárias ao funcionamento do motor e, por isso, dispõe de dutos apropriados, que permitem a: •

entrada da mistura para as câmaras de combustão;

•

saída dos gases produzidos na queima da mistura;

•

circulação do líquido arrefecimento, para resfriar o cabeçote;

•

passagem de óleo para a lubrificação do conjunto de árvore de comando, balancins e guias das válvulas.

Fig. 12 – Cabeçote com duplo comando de válvulas

Tipos de cabeçote Há dois tipos de cabeçote: •

inteiriço

•

individual

 

um só cabeçote cobre todos os cilindros; cada cilindro ou grupo de cilindros possui seu cabeçote.

Componentes do cabeçote Estão localizados no cabeçote os componentes apontados na figura 13. Além desses, também fazem parte do cabeçote: •

sede de válvulas;

•

guia de válvulas;

•

câmara de combustão;

•

galerias ou dutos.

48 SENAI-RJ


1

6

5

4

2

7 Legenda

3

1. Tampa do cabeçote 2. Cabeçote 3. Válvulas 4. Tucho 5. Coletor de escape 6. Junta do cabeçote 7. Árvore de comando de válvulas

Fig. 13 – Cabeçote

Sede de válvulas São buchas curtas com uma das extremidades de formato cônico. Encaixam-se nos alojamentos do mesmo formato, situados nos rebaixos do cabeçote que formam as câmaras de combustão. As sedes das válvulas são colocadas em seus alojamentos com interferência. Na sua superfície, as válvulas apóiam-se para transferir calor e vedar o cilindro. O ângulo de inclinação da superfície das sedes é semelhante ao ângulo da face de assentamento das válvulas, para que se acasalem e façam a vedação da câmara de combustão durante a compressão da mistura.

Como estão submetidas a temperaturas elevadas, as sedes de válvulas são fabricadas com aços especiais, para resistirem a desgastes e deformações.

Guia de válvulas Mantém as válvulas em sua posição de trabalho e permitem o seu deslocamento. Essas guias podem ser fixas ou substituíveis.

SENAI-RJ 49


As guias das válvulas têm forma cilíndrica e são colocadas, com interferência, em perfurações existentes no cabeçote. Em geral, a extremidade superior da guia tem forma cônica, para evitar o acúmulo de óleo lubrificante que poderia vazar para dentro das câmaras de combustão.

As guias das válvulas são fabricadas em latão, ferro fundido ou aço.

Câmara de combustão Cavidade onde acontece a compressão da mistura ar/combustível para realizar a combustão. Essas câmaras precisam ser hermeticamente fechadas, para não haver perda de compressão. É por isso que há uma junta de vedação, instalada entre o cabeçote e o bl oco. A junta faz a vedação entre o cabeçote e o bloco do motor. Isola, também, uns dos outros, os condutos, orifícios e câmaras, para que cada um cumpra suas funções, sem interferir nas dos outros. Isso é possível porque as perfurações da junta, do cabeçote e do bloco são correspondentes.

A junta do cabeçote é fabricada com materiais sintéticos e recebe reforços metálicos, para resistir às altas temperaturas e pressões causadas pela combustão da mistura.

Fig. 14 – Montagem da junta do cabeçote

50 SENAI-RJ

Motores Automotivos de Ciclo OTTO – OTTO – Motor: componentes e características

Como a junta sofre esmagamentos durante a instalação do cabeçote, deve ser substituída toda vez que ele for retirado para reparos no motor.

Galerias ou dutos Passagens internas por onde circulam o óleo lubrificante, líquido do sistema de arrefecimento, mistura ar/combustível, ar e gases no bloco, no cabeçote ou nos coletores. cole tores.

Válvulas São dispositivos que permitem a entrada de mistura ar/combustível ( válvula de admissão) e a saída dos gases queimados ( válvula de descarga) e vedam a câmara de combustão do cilindro quando se encontram fechadas. Constituição das válvulas

Tanto a válvula de admissão quanto a de escapamento possuem essencialmente uma cabeça circular, com assento em forma cônica, e uma haste. Veja, V eja, com o apoio da legenda, os componentes de uma válvula, na próxima ilustração. ilustração. 3

2 1

4 Legenda

1. Margem da válvula 2. Assento

3. Tulipa 4. Haste 5. Canaleta da chaveta

5

Fig. 15 – Partes – Partes da válvula

SENAI-RJ 51


Cabeça

Parte superior da válvula que funciona dentro da câmara de combustão. Margem

Situa-se entre a face de assentamento e a cabeça da válvula. A margem assegura a eficiência da vedação da face do assento, evitando que ela se deforme pela ação do calor da combustão. combustão. Face de assentamento

Quando em contato com a sede no cabeçote, esta face faz a vedação da câmara de combustão e transfere calor. O ângulo da face de assentamento deve ser diferente do ângulo da sede, para evitar que a válvula se agarre à sua própria sede. A válvula de admissão geralmente geralment e é maior que a de descarga, para facilitar a entrada da mistura ar/combustível no interior do cilindro, permitindo, assim, melhor eficiência volumétrica. Para dissipar o calor, calor, as válvulas de descarga possuem a face de assentamento assentamen to mais larga que a de admissão, o que aumenta a área de contato da válvula com a sede no cabeçote. Veja na figura a seguir.

Fig. 16 – Face – Face de assentamento da válvula

A válvula de escapam escapamento ento é fabrica fabricada da de material mais resistente às temperatu temperaturas ras elevadas do que à de admissão. Isso acontece porque os gases resultantes da queima da mistura têm temperaturas mais elevadas do que a mistura que entra en tra pela válvula de admissão. Algumas válvulas de descarga possuem sódio metálico no interior da sua haste, para melhorar essa dissipação do calor. Alguns motores modernos utilizam mais de duas válvulas v álvulas por cilindro, para melhorar, ainda mais, a sua alimentação alimentação,, o que resulta em aumento de rendimento volumétrico (motores multi-válvulas). Como exemplo, veja a próxima ilustração.

52 SENAI-RJ 52 SENAI-RJ


Fig. 17 – Cabeçote – Cabeçote com 16 válvulas

Mola Fabricada de aço especial, tem como função fazer o fechamento da válvula.

Prato A finalidade do prato é centralizar a haste da válvula em relação à mola, alojar as chavetas para o travamento na haste e comprimir a mola no n o seu alojamento do cabeçote.

Chavetas As chavetas são pequenas peças de aço em forma semicircu semicircular lar e cônica. cônica. São encaixadas no orifício central do prato, travando-o na canaleta da extremidade da haste da válvula, para que a válvula fique submetida à ação de retorno da mola.

Vedador As válvulas possuem vedadores que impedem a passagem excessiva do óleo lubrificante para a câmara de combustão, entre a haste e a guia da válvula.

Sempre que as válvulas forem desmontadas, é necessário substituir os vedadores.

SENAI-RJ 53


Árvore de comando de válvulas A árvore de comando de válvulas tem como função comandar, em momento propício, a abertura das válvulas e controlar o seu fechamento. De acordo com a concepção do motor, a árvore de comando das válvulas pode estar alojada no bloco de cilindros, disposta sobre o virabrequim ou presa sobre o cabeçote. Tanto a posição da montagem quanto o número de árvores de comando de válvulas exercem uma grande influência na constituição do mecanismo de comando da distr ibuição.

Em todos os motores de quatro tempos, a árvore de comando gira à metade da rotação do motor.

A árvore de comando de válvulas pode ser acionada diretamente pela árvore de manivelas, por engrenagens, corrente ou por correia dentada. Se o motor tem duas válvulas por cilindro, isto quer dizer que há uma válvula de admissão e uma de escape. Os motores modernos muitas vezes apresentam mais de duas válvulas por cilindro, que proporcionam maior eficiência de enchimento dos cilindros, resultando em melhor rendimento do motor para uma mesma cilindrada. Motores de três válvulas por cilindros têm duas válvulas de admissão e uma de escape.

A otimização no fluxo de mistura ar/combustível e o maior número de válvulas proporcionam maior eficiência volumétrica e de combustão, resultando em níveis reduzidos de emissões na descarga.

Alguns motores possuem comando de válvulas variável. Este comando permite modificar o diagrama de distribuição, ou seja, a antecipação da abertura e o atraso do fechamento das válvulas durante o funcionamento do motor, graças a dispositivos chamados variadores de fase.

54 SENAI-RJ


Desse modo, é possível obter, além de uma potência específica elevada, um campo de utilização muito amplo no que diz respeito aos médios e baixos regimes de rotação. Com o sistema de distribuição variável, também se pode conseguir melhorias sensíveis na emissão de poluentes. O variador de fase intervém no posicionamento angular da árvore de comando de válvulas. Componentes do mecanismo de abertura de válvulas

As válvulas do motor são comandadas pelos ressaltos dos comandos de válvulas. Mas para essa operação, ainda fazem parte desse sistema os mecanismos que estudaremos a seguir: •

o tucho;

•

a vareta;

•

o balancim;

•

as engrenagens da distribuição.

Tucho

É o elemento que recebe e transmite o movimento do came (ressalto) da árvore de comando, para realizar a abertura da válvula. Observe, a seguir, sua localização no motor.

Legenda

1. Tucho

1

Fig. 18 – Tucho

Tipos de tucho

Os tuchos podem ser mecânicos ou hidráulicos.

SENAI-RJ 55


Tucho hidráulico

O tucho hidráulico tem como objetivo principal manter as válvulas do motor constantemente reguladas. No interior do tucho há um êmbolo que trabalha com pressão de óleo, fornecido pelo próprio sistema de lubrificação do veículo. 2 Legenda

1. Êmbolo 2. Furo de entrada de óleo

1

Fig. 19 – Tucho hidráulico

Os tuchos hidráulicos anulam automaticamente a folga das válvulas durante o funcionamento do motor, o que permite obter um maior silêncio de funcionamento (especialmente nos motores multiválvulas), além de trazer vantagens para as operações de manutenção.

A eliminação da folga das válvulas garante o início de abertura de cada válvula exatamente no instante programado de cada ciclo. O óleo utilizado para o funcionamento dos tuchos provém da galeria principal do cabeçote, por intermédio de canais de alimentação individualizados. Vareta

Os motores que dispõem de uma árvore de comando de válvulas no bloco de cilindros utilizam hastes de válvulas chamadas também de hastes de balancins, pois transmitem o movimento do tucho ao balancim. Observe na ilustração a seguir a vareta.

56 SENAI-RJ


Fig. 20 – Vareta

Balancim

Componente que funciona como alavanca articulada num eixo, recebendo a ação da vareta ou do comando e transmitindo-a para a válvula. Na próxima ilustração você pode verificar a imagem do balancim. 2 1

3

Legenda

1. Balancim 2. Árvore de comando 3. Válvula

Fig. 21 – Balancim roletado

Pode-se utilizar os balancins para acionar as válvulas em um motor multiválvulas com apenas uma árvore de comando de válvulas no cabeçote. Engrenagens da distribuição

São polias dentadas que estão presas às árvores de comando de válvulas do motor e a elas transmitem o movimento recebido pela correia dentada ou pela corrente, ligadas ao virabrequim. Observe na ilustração a seguir. SENAI-RJ 57


2

Legenda

1. Engrenagem do virabrequim 2. Engrenagem do comando

1

Fig. 22 – Engrenagem de distribuição

O acionamento da árvore de comando de válvulas pode ser feito por sistema direto ou indireto. Confira esses tipos de acionamentos nas próximas figuras.

Acionamento direto por engrenagens

Legenda

2

1. Engrenagem do virabrequim 2. Engrenagem do comando

Acionamento indireto por correia dentada 2

1

Fig. 23 – Acionamento direto da árvore de comando de válvulas Legenda

1. Engrenagem do virabrequim 2. Engrenagem do comando de válvulas 3. Tensionador de correia

1 3

Fig. 24 – Engrenamento indireto por correia dentada 58 SENAI-RJ


Características do motor Vamos, agora, conhecer as características que permitem avaliar o desempenho do motor: •

o volume de mistura adicionado em cada cilindro (cilindrada);

•

o número de vezes que esse volume é diminuído na compressão (taxa de compressão);

•

o torque do motor, o produto da força pelo braço da alavanca;

•

a quantidade de trabalho que o motor realiza por unidade de tempo (potênci a).

O motor pode ser descrito pelas suas diversas características de construção e desempenho. Entre as características de desempenho, temos a cilindrada, a potência, o torque e a taxa de compressão.

Cilindrada A cilindrada é o volume do cilindro compreendido entre o PMS e o PMI. Nos motores a gasolina e a álcool é o volume máximo de mistura que entra no cili ndro. A cilindrada é calculada a partir das medidas de diâmetro e curso do êmbolo. Observe na próxima ilustração: o diâmetro (d) representa a medida do cilindro do motor e o curso (l) indica a distância percorrida pelo pistão ou êmbolo, no interior do cil indro.

Fig. 25 – Característica do cilindro

SENAI-RJ 59


Cálculo da cilindrada V=

d 2 x l x N

π

4

Onde: V = cilindrada (em cm 3) = 3,1416

π

d = diâmetro do cilindro l = curso do êmbolo em cm N = número de cilindros do motor

Lembre-se que um litro = 1000 cm 3,então um motor com capacidade volumétrica de 1,8 litros, corresponde a 1800 cm3 de volume nos cilindros, ou a 450 cm3 por cilindro em um motor de 4 cilindros.

Taxa de compressão ou relação volumétrica A taxa de compressão é a relação existente entre o volume da mistura ar/combustível contida no cilindro, quando o pistão encontra-se no PMI (ponto morto inferior), e o volume da mistura comprimida, quando o pistão se encontra no PMS (ponto morto superior). Para o cálculo da taxa de compressão é necessário saber o volume da câmara de combustão, que normalmente é o volume da câmara existente no cabeçote. Analise a ilustração a seguir.

v

v

P.M.S.

V P.M.I.

Fig. 26 – Taxa de compressão

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Cálculo da taxa de compressão R c =

V+v v

= volume total

Onde: Rc = relação de compressão V = volume do cilindro v = volume da câmara de combustão

A relação de compressão indica quantas vezes a mistura (ou o ar nos motores a diesel) é comprimida, quando o êmbolo passa do PMI ao PMS. Quanto maior a RC, maior a potência do motor.

Os motores a diesel têm uma relação de compressão maior que a dos motores a gasolina ou a álcool. Da mesma forma, os motores a álcool têm uma relação de compressão maior que a dos motores a gasolina.

Hoje, com os motores flex-fuel , a relação de compressão está em 12:1 para atender às solicitações dos combustíveis utilizados.

Torque A palavra torque quer dizer esforço de torção. O torque depende não só da força (F) aplicada como também da distância (d) que funciona como braço de alavanca dessa força.

d F

Fig. 27 – Torque

SENAI-RJ 61


Cálculo do torque: Torque = força (F) x distância (d) então: T = F x d

A unidade de torque é o Nm (Newton.metro). O torque de um motor de combustão interna corresponde ao produto da força que o êmbolo aplica, através da biela, sobre o braço da manivela da árvore de manivelas.

d F

Fig. 28 – Torque na geometria do motor

Potência A potência tem sido especificada em cavalos-vapor (cv) ou hp (horse-power ) em função do método comparativo pelo qual se obtinha seus valores. Hoje a potência deve ser especificada em quilowatts (kW). Para calcular a potência do motor é necessário conhecer o valor do torque desse motor e o valor da velocidade de rotação.

62 SENAI-RJ


Fórmula da potência P = T.ω Onde: P = potência em watts (W) T = torque, em Newton x metro (N.m) = velocidade de rotação do eixo, em rad/s.

ω

Cálculo da velocidade de rotação erm rpm rpm = rotação por minuto A velocidade de rotação pode ser expressa por n=

2π .ω 60

Onde: n = velocidade de rotação em rpm = 3,1416

π

A unidade de potência ( watt ), é pequena para expressar a potência dos modernos motores; por isso utiliza-se o quilowatt (kW).

Cálculo da potência P (kW) = T (N.m) . n (rpm) 955

Para auxiliá-lo, consulte, a seguir, a relação com as conversões: 1 kW = 1000W 1 kW = 1,36hp 1hp = 0,735 kW 1kgf = 9,8N (Newton)

SENAI-RJ 63


No gráfico a seguir, podemos observar que a potência e o torque dependem da rotação do motor. ) W k ( a d i v l o v n e s e d a i c n ê t o P

) m N ( e u q r o T

Rotação do motor (rpm x 100) Gráfico 1 – Torque e potência

64 SENAI-RJ

Bloco 3

Sistemas dos motores

Sistema de distribuição Sistema de lubrificação Sistema de arrefecimento Sistema de alimentação Sistema de ignição Sistema de controle de emissões

Motores Automotivos de Ciclo OTTO – Sistemas de motores

Sistemas dos motores Além dos assuntos já estudados até aqui, o motor é constituído também dos seguintes sistemas: •

de distribuição;

•

de lubrificação;

•

de arrefecimento;

•

de alimentação;

•

de ignição; e

•

de controle de emissões.

Vamos, então, conhecê-los.

Sistema de distribuição As válvulas de admissão e de escapamento de cada cilindro devem abrir-se e fechar-se de forma sincronizada com os tempos do motor: admissão, compressão, combustão e escapamento. Tais movimentos das válvulas são feitos por meio da árvore de comando de válvulas, acionada por intermédio da árvore de manivelas. Essas árvores têm, cada qual, uma engrenagem. A posição da engrenagem da árvore de comando de válvulas, em relação à engrenagem da árvore de manivelas, recebe o nome de ponto de referência da distribuição mecânica. Existem diversos modos de ligação entre a árvore de comando de válvulas e a de manivelas, conforme o tipo de veículo. Por meio dessas ligações as duas árvores movem-se sincronizadamente, com: SENAI-RJ 67


•

engrenamento direto;

•

corrente;

•

engrenagens intermediárias;

•

correia dentada (caso mais comum).

As árvores (de manivelas e de comando de válvulas) fazem parte da distribuição mecânica, responsável pelo controle da entrada da mistura no motor e da saída dos gases produzidos na combustão. Desse modo: – a mistura de ar e combustível entra em cada cilindro no tempo certo; – ocorre a compressão da mistura também no tempo certo; – os gases resultantes da queima em cada cilindro saem por ocasião do tempo de escapamento.

Essa coordenação é conseguida através de ângulos predeterminados, de acordo com os ângulos existentes entre os cames (ressaltos) da árvore de comando de válvulas. O sistema de distribuição é constituído basicamente pelos seguintes elementos: •

árvore de comando de válvulas;

•

tuchos;

•

haste de comando dos balancins;

•

balancins;

•

válvulas;

•

molas das válvulas.

O sistema de distribuição é caracterizado de acordo com a posição do comando no motor. Para melhorar o rendimento do motor, também pode ser utilizada mais de uma árvore de comando de válvulas.

Sistema de distribuição com acionamento indireto A árvore de comando de válvulas é acionada pela árvore de manivelas por meio de corrente ou engrenagem. Ao girar, os ressaltos do comando atuam contra os tuchos, movimentando-os. Esse movimento é passado às hastes e daí aos balancins que irão acionar as vál vulas, fazendo 68 SENAI-RJ


com que elas sejam afastadas das suas sedes. Ao passar a ação do ressalto, as molas das válvulas fazem com que elas se fechem. Esse sistema é utilizado nos motores V8 americanos.

Fig. 1 – Árvore de comando no bloco com acionamento da válvula por vareta e balancim

Sistema de distribuição com acionamento direto O ressalto do comando atua no tucho ou no balancim, que passa o movimento para a válvula. Observe, nas ilustrações a seguir, diferentes tipos de distribuição com acionamento direto.

Fig. 2 – Árvore de comando no cabeçote com acionamento de válvula com balancim

SENAI-RJ 69


Fig. 3 – Árvore de comando no cabeçote com acionamento da válvula com tucho hidráulico

Fig. 4 – Árvore de comando no cabeçote com acionamento da válvula por balancim

Diagrama de válvulas É a representação gráfica dos ângulos de abertura e fechamento das válvulas num ciclo completo do funcionamento do motor. Você pode conferir na ilustração a seguir. PMS

1 7º

6º

Legenda

1. Válvula de admisasão 2. Válvula de escape

48º

47º

2

PMI

Fig. 5 – Diagrama de válvulas 70 SENAI-RJ


Nesse diagrama, indica-se, separadamente, o que ocorre com a válvula de admissão (traço fino – 1) e com a de escapamento (traço cheio – 2).

O sistema cruzado é o mais utilizado, trazendo como vantagem uma excelente lavagem dos cilindros e um aumento da eficiência volumétrica, o que proporciona melhora considerável no rendimento dos motores.

O tempo em que a válvula de admissão fica aberta, denomina-se ângulo de permanência das válvulas e é por meio deste ângulo que se escolhe o comando a ser util izado. Ao somatório dos ângulos de avanço de abertura da admissão e do atraso no fechamento de escape denomina-se cruzamento das válvulas. Quanto maior é este ângulo, mais acelerada será a marcha-lenta do motor.

Variador de fase O veículo, quando está em uma subida, necessita um torque maior para que não perca potência. Para isso, pode-se atuar nas válvulas de admissão, antecipando o movimento de sua abertura. Alguns veículos possuem um dispostivo de avanço do comando, funcionando por pressão de óleo ou solenóide, chamado de variador de fase . O variador de fase tem o objetivo de, em função da carga e da rotação solicitadas pelo motor, girar a árvore de comando de válvulas em relação à sua engrenagem, modificando o diagrama e, conseqüentemente, o comportamento do motor. O variador de fase é controlado pela central eletrônica, que comanda o seu acionamento a partir do sinal recebido dos sensores. Em alguns motores, está localizado na extremidade da árvore de comando de válvulas de admissão, ligado à sua engrenagem.

Árvore contra-rotante de equilíbrio ou árvore de balanceamento A árvore contra-rotante de equilíbrio é um dispositivo amortecedor de vibrações, com árvores de balanceamento dinâmico (contra-rotantes).

SENAI-RJ 71


Nos motores de combustão interna, além das forças que agem na cabeça dos pistões, provocadas pelos gases em expansão, também agem: •

forças centrífugas de inércia, originadas das massas rotantes;

•

forças de inércia alternadas de 1ª e 2ª ordem, originadas das massas dotadas de movimento alternado.

O balanceamento do motor tem como objetivo eliminar as vibrações geradas pelas forças centrífugas de inércia e pelas forças de inércia alternadas, durante seu funcionamento. Os desequilíbrios produzidos pelas forças centrífugas e pelas alternadas de inércia de 1ª ordem são eliminados contrabalanceando oportunamente o motor. O desequilíbrio provocado pelas forças alternadas de inércia de 2ª ordem, nos motores a 4 cilindros em linha, geralmente não é eliminado, cabendo aos suportes do motor a função de absorvê-las parcialmente. Em alguns motores, no entanto, é utilizada a árvore contra-rotante, que anula as vibrações causadas pelas forças já citadas, tendo um funcionamento suave e silencioso do motor, principalmente em marcha-lenta. Esse dispositivo é utilizado nos motores V6. Veja na próxima figura.

Fig. 6 – Árvore contra-rotante de equilíbrio

Sistema de lubrificação Lubrificar consiste essencialmente em separar as superfícies de dois componentes em movimento relativo por meio de uma película de óleo sob pressão, para minimizar o atrito e, portanto, o desgaste.

72 SENAI-RJ


O sistema de lubrificação tem a função de garantir a circulação do óleo lubrificante, sob pressão, do reservatório de óleo (cárter) às partes móveis do motor. Possui um filtro, para reter as impurezas suspensas no óleo e uma bomba de óleo, para transferi-lo, sob pressão, às partes do motor que necessitam de lubrificação. Em vista disso, a lubrificação tem as seguintes funções: •

proteger os componentes internos do motor contra corrosões;

•

melhorar a vedação entre os pistões e os cilindros;

•

refrigerar as superfícies em contato;

•

absorver choques;

•

lubrificar;

•

limpar, e

•

reduzir atrito.

Atrito Quando enfocamos o que ocorre no freio ou no disco de fricção da embreagem, verificamos que o atrito, nesses casos, tem função importante. Na realidade, é ele que garante o funcionamento tanto dos freios como da embreagem. Entretanto, no interior do motor de combustão interna, o atrito tem uma ação indesejável: desgasta os componentes, gera calor e tende a impedir o movimento. É por essas razões que se usa o óleo lubrificante, que atua entre as partes em contato. O atrito é uma força que se opõe, isto é, oferece resistência, ao movimento dos objetos que estão em contato. Mesmo as superfícies mais polidas têm irregularidades. Essas irregularidades, que podem ser vistas ao microscópio, engancham-se umas nas outras, interferindo no movimento de uma superfície em relação à outra. Quanto maior a força com que as superfícies se comprimem uma contra a outra, mais firmemente suas irregularidades ficam unidas, aumentando o atrito. Além do acabamento das superfícies e da força de uma superfície contra a outra, o atrito depende, também, do material de que são feitas. Assim, utilizam-se ligas antifricção (geralmente SENAI-RJ 73


à base de bronze = bronzinas), para confeccionar os mancais que vão servir de apoio aos eixos de aço, o que proporciona menor atrito entre eles. Portanto, a força de atrito opõe-se à movimentação dos objetos cujas superfícies estão em contato e depende dos seguintes fatores: •

da força com que são comprimidas entre si;

•

do estado do acabamento superficial;

•

dos materiais que estão em contato.

As asperezas (rugosidades) das superfícies em contato engancham-se na sua movimentação e se rompem tanto no atrito de deslizamento como no atrito de rolamento. Esses atritos geram calor, e o calor em excesso prejudica a resistência ao desgaste que as superfícies em contato possuem.

A lubrificação consiste em eliminar o contato direto entre as superfícies, colocando entre elas uma substância, que pode ser gasosa, líquida, sólida ou pastosa. Tal substância, conhecida como lubrificante, penetra nas irregularidades das superfícies, de maneira a diminuir seu grau de contato, o desgaste e o aquecimento.

Óleo lubrificante A descoberta do petróleo na Pensilvânia, em 1859, introduziu, na lubrificação de máquinas, o uso de óleos minerais, os quais, gradualmente, substituíram os óleos animais e vegetais. Os óleos derivados do petróleo, por destilação ou refinamento, têm base mineral, e os ésteres são de base sintética. As características do óleo mineral são modificadas e melhoradas por meio do acréscimo de aditivos.

Viscosidade do óleo lubrificante A viscosidade de um líquido é a resistência que esse líquido oferece ao escoamento. Quanto mais viscoso, maior a resistência que terá ao movimento.

74 SENAI-RJ


A viscosidade permite a formação de uma película que recobre os mecanismos e peças. As temperaturas altas alteram a viscosidade de em óleo tornando-o mais fino. Os motores modernos utilizam os óleos multiviscosos, que mantêm suas características em uma ampla faixa de temperatura.

Classificação de óleos para motores A classificação dos lubrificantes automotivos baseia-se em dois critérios: •

viscosidade – classificação de serviços SAE (Sociedade dos Engenheiros Automotivos);

•

desempenho – classificação de serviço API (Instituto Americano de Petróleo).

Quanto à viscosidade, alguns óleos são identificados por uma letra W de winter que, em inglês, significa inverno, e são ideais para trabalhar em baixas temperaturas. Quando o óleo apresenta somente números, a sua viscosidade é ideal para trabalhar em temperaturas mais elevadas. O lubrificante que apresenta a letra W entre dois números (ex.: 20W-40) é um óleo multiviscoso – apresenta viscosidade adequada às variações de t emperatura, ou seja, ele é fino no momento da partida do motor, e se comporta como um óleo de alta viscosidade (mais grosso) em temperaturas de operação (altas temperaturas). Consulte a tabela a seguir para conhecer mais sobre a viscosidade de diferentes tipos de lubrificante e a sua adequação.

Tipo de lubrificante

Recomendação técnica

SAE 5W

Empregado nas regiões extremanente frias, em que a temperatura normalmente não ultrapassa -17ºC, não recomendável para condução em grande velocidade. Empregada em veículos no período do inverno, nas regiões cuja temperatura raramente ultrapassa -17ºC. Não pode ser utilizado a mais de 15ºC. Utilizado em regiões cuja temperatura raramente ultrapassa -12ºC.

SAE 10W

SAE 15W

continua ...

SENAI-RJ 75


contiuação Tipo de lubrificante

Recomendação técnica

SAE 40

SAE 50

SAE 5W30, SAE 10W30 ou SAE 10W40, SAE 20W40 0 ou SAE 20W50

Convém melhor às temperaturas de verão e para veículos que apresentam condições específicas, rigorosas, como, por exemplo, com cargas pesadas. Usado em veículos que desenvolvem altas velocidades e em longos trabalhos. Convém bem aos veículos antigos, já que ele diminui o consumo de óleo. Óleos multiviscosos ou “toda estação”. Estes tipos toleram uma grande variedade de temperaturas de funcionamento, permitindo assim passar de um clima extremo a um outro. eles possibilitam um desempenho sem imprevistos ao previnirem contra as mudanças repentinas de temperatura. O manual do usuário indica o tipo de óleo multiviscoso que deve ser empregado de acordo com as mudanças de temperatura.

Tabela 1 – Tabela da classificação SAE

A sigla API ( American Petroleum Institute ) refere-se à instituição que define um conjunto de testes em motores padrões, determinando a qualidade mínima que um óleo deve ter para atender a uma classificação de serviço. As classificações são simbolizadas pela série S, para motores a gasolina, álcool e GNV, e série C, para motores diesel. As classificações S ou C são acrescidas de uma segunda letra, em ordem crescente do alfabeto, indicando o grau de evolução do óleo.

Tabela 2 – Selo e tabela de utilização de óleo de motor 76 SENAI-RJ


O óleo lubrificante do motor sofre uma perda gradativa de suas propriedades em razão da oxidação e contaminação. Por isso, precisa ser trocado a intervalos regulares de quilometragem. Para os veículos que rodam pouco é necessário substituí-lo a intervalos regulares de serviço, mesmo que a quilometragem de uso não tenha sido atingida.

Sempre que substituir o óleo, é preciso substituir também o filtro de óleo.

Tipos de sistemas de lubrificação Os sistemas de lubrificação podem ser realizados por: •

salpique;

•

lubrificante misturado com o combustível;

•

circulação forçada por bomba a cárter seco; e

•

sistema sob pressão convencional.

Lubrificação por salpique A lubrificação por salpique geralmente é utilizada como parte da lubrificação principal no motor. É conseguida em função do movimento da árvore de manivelas e da biela, que lançam o óleo lubrificante nas paredes dos cilindros. Utilizada em motores pequenos monocilíndricos.

2

Legenda

3

1. Bomba de óleo 2. Gotejamento do óleo 3. Rebaixo captador de óleo 4. Pescador de óleo

1 4

Fig. 7 – Salpique SENAI-RJ 77


Lubrificação por mistura de óleo e combustível Este processo é utilizado em motores de dois tempos, onde o óleo lubrificante é misturado ao combustível em quantidade pré-estabelecida.

Lubrificação por bomba e cárter seco Nos automóveis de competição e automóveis de alto desempenho, são utilizados sistemas de lubrificação a cárter seco, nos quais o óleo, ao invés de ser recolhido numa bandeja fixada sob o bloco do motor, é enviado por uma ou mais bombas a um reservatório, passando antes por radiadores de óleo que o resfriam. Do reservatório, o óleo é levado sob pressão a vários componentes móveis. A adoção de um sistema a cárter seco evita o risco de, numa curva, após uma forte aceleração transversal, a bomba de sucção não conseguir captar o óleo, o que resultaria na i nterrupção da lubrificação do motor e conseqüente dando ao conjunto móvel.

Lubrificação por sistema sob pressão convencional Os componentes do sistema de lubrificação convencional podem ser observados na figura a seguir, com apoio da legenda.

Legenda

3 2

4

5

1 6

Fig. 8 – Sistema de lubrificação do motor

78 SENAI-RJ

1. Bomba de óleo 2. Lubrificação dos cames e mancais da árovre de comando de válvulas e dos tuchos 3. Retorno do óleo para o cárter 4. Filtro do óleo 5. Lubrificação da árvore de manivelas e dos injetores de óleo 6. Cárter


Cárter O cárter é o depósito onde fica armazenado o óleo lubrificante do motor. Pode ser feito de chapa de aço estampada, ou de liga leve, com aletas, para facilitar a dissipação do calor.

1

Legenda

2

1. Placa atenuadora 2. Sede da junta 3. Corpo (depósito) 4. Bujão de drenagem

3 4

Fig. 9 – Cárter

Bomba de óleo A bomba de óleo mantém o óleo lubrificante em circulação forçada através das partes móveis do motor. A pressão com que o óleo circula pode ser muito grande (sobrepressão), principalmente quando o motor está frio, e o óleo, por esse motivo, fica mais denso. Para controlar tal pressão, o sistema de lubrificação possui uma válvula reguladora de pressão. A bomba transporta o óleo do cárter e o injeta, sob pressão, no filtro de óleo. O óleo deixa suas impurezas no filtro e flui pelos canais de lubrificação até as par tes móveis do motor. Os canais de lubrificação são dutos existentes nas paredes do bloco e do cabeçote do motor. O óleo atinge, também, as galerias superiores do motor, de onde retorna ao cárter por gravidade. No cárter, o óleo é arrefecido e novamente colocado em circulação.

SENAI-RJ 79


Fig. 10 – Percurso do óleo lubrificante no motor

Tipos de bomba de óleo Existem dois tipos de bomba de óleo: •

bomba de engrenagem; e

•

bomba de rotor.

Bomba de engrenagem

A árvore da bomba forma um corpo único com a engrenagem condutora que aciona a engrenagem conduzida. Esta última desliza em seu eixo, em movimento de rotação. As engrenagens em movimento de rotação causam uma depressão que aspira o óleo do cárter, fazendo-o fluir, sob pressão, para as diversas partes móveis no motor.

Pinhões

Fig. 11 – Bomba de óleo de engrenagens Bomba de rotor

A bomba de rotor tem um anel flutuante com cinco cavidades, e um rotor com quatro dentes que gira no interior do anel, com o qual se engrena, arrastando-o com o seu movimento. A diferença entre o número de dentes no anel e no rotor possibilita tanto a aspiração do óleo, como sua expulsão da bomba. A aspiração ocorre quando o espaço vazio entre o anel e o 80 SENAI-RJ


rotor coincide com o orifício de entrada do óleo. O óleo é expulso da bomba sob pressão, quando o espaço é reduzido pela rotação do conjunto.

Rotores

Fig. 12 – Bomba de óleo a rotor

No sistema de lubrificação temos, ainda, os seguintes componentes: •

válvula reguladora de pressão;

•

filtro de óleo;

•

radiador de óleo.

Válvula reguladora de pressão Dependendo do motor, a válvula reguladora de pressão pode estar instalada na própria bomba de óleo ou no bloco do motor. Possui uma regulagem para limitar a pressão máxima do óleo no sistema de lubrificação, a fim de que não ocorra sobrepressão.

Filtro de óleo O lubrificante que circula no interior do motor deve chegar aos vários componentes absolutamente livre de partículas estranhas que, mesmo de dimensões reduzidas, podem causar danos às superfícies de trabalho dos componentes e provocar um rápido desgaste. Para reter impurezas, o circuito de lubrificação é dotado de um filtro de papel microporoso. O óleo flui da periferia para o centro do filtro sob a ação da bomba de óleo. A pressão fornecida pela bomba força o óleo a penetrar pelos furos da grade metálica, atingindo o elemento filtrante, ao qual atravessa. Ao atravessar o elemento filtrante, o óleo tem suas impurezas retidas e sai pela parte central do filtro, para fazer a lubrificação do motor.

SENAI-RJ 81


Observe os componentes de um filtro de óleo na próxima figura. 1

2 3

Legenda

1. Carcaça 2. Válvula de retenção 3. Grade metálica 4. Elemento filtrante 5. Válvula de segurança

4

5

Fig. 13 – Filtro de óleo

No interior do filtro existem duas válvulas: uma de retenção e outra, de segurança. A válvula de retenção tem como função manter o filtro de óleo sempre cheio, mesmo que o motor esteja desligado. A válvula de segurança permite a passagem do óleo lubrificante, garantindo a lubrificação do motor caso o filtro fique entupido.

O filtro de óleo pode ser de dois tipos: •

blindado  que é substituído por completo;

•

desmontável  que permite substituir apenas o elemento filtrante.

Radiador de óleo O radiador de óleo serve para resfriar o óleo lubrificante, por intermédio do fluxo de ar ou água que passa através da sua colméia.

Sistema de arrefecimento O motor de combustão interna é uma máquina térmica. Isso quer dizer que ele utiliza o calor da queima de combustível para produzir movimento. A temperatura alcançada no momento da combustão chega próxima aos 2000ºC, superior, portanto, ao ponto de fusão dos materiais de que são feitos os cilindros. 82 SENAI-RJ


Esta temperatura, porém, é instantânea, e é rapidamente diminuída com a saída dos gases queimados e pela entrada da mistura fresca no tempo de admissão. Além da combustão, o atrito das peças em movimento também gera calor, que, se não for mantido dentro de limites préestabelecidos, provocará o travamento do motor em função da dilatação excessiva dos componentes móveis. Como toda máquina térmica, o motor de combustão interna trabalha dentro de uma faixa de temperatura. Seu funcionamento não será normal, se estiver muito frio ou muito quente. Por esse motivo, os veículos possuem um conjunto de peças que formam o sistema de arrefecimento, cuja finalidade é manter a temperatura do motor dentro de determinados limites.

Arrefecer significa esfriar. É o que se consegue nos veículos automotores, utilizando ar ou um líquido apropriado (composto de água e aditivos). Atualmente, poucos veículos são arrefecidos exclusivamente a ar. O líquido de arrefecimento garante uma temperatura mais controlada no motor, independentemente de o dia estar mais quente ou mais frio.

Tipos de sistemas de arrefecimento utilizados nos veículos Conforme o elemento adotado para dissipar o calor, o sistema de arrefecimento pode ser dividido em: •

a ar  refrigeração direta;

•

por líquido  refrigeração indireta.

Sistema de refrigeração direta - a ar Neste sistema, o excesso de calor é absorvido diretamente pelo ar que envolve o motor. De modo a aumentar a capacidade de trocar calor, os cilindros e o cabeçote são fabricados com materiais que favorecem a dissipação, e providos de aletas para aumentar a superfície de contato com o ar. Os motores das motocicletas, por exemplo, utilizam esse sistema. No caso de um sistema com circulação forçada de ar, coloca-se uma turbina e capas encarregadas de direcionar o ar, como vemos na figura a seguir. SENAI-RJ 83


1 2

3 Legenda

1. Turbina 2. Dutos de ar 3. Aletas de arrefecimento 4. Válvula termostática

4

Fig. 14 – Sistema de refrigeração direta – a ar

Componentes do sistema de refrigeração a ar Aletas de refrigeração

As aletas têm a função de aumentar a área de contato do motor, onde é gerado o calor, com o ar passante, para diminuir a sua temperatura em menor tempo. Condutos de ar

São formados pelas chapas que cobrem a estrutura do motor, e direcionam o ar para as aletas de refrigeração. Turbina

Elemento que força a circulação do ar pelas diversas partes do motor. Termostato

É constituído de uma mola bimetálica que controla a passagem do ar. Quando o motor está frio, ele impede a renovação do ar de refrigeração, fazendo com que o motor atinja mais rapidamente a sua temperatura ideal de funcionamento. Quando o motor alcança a temperatura ideal, o termostato permite a troca de ar interno, quente, pelo ar atmosférico, na temperatura ambiente.

84 SENAI-RJ


Sistema de refrigeração por líquido A bomba d'água é acionada pelo motor, por meio de uma correia. Sua função é forçar o líquido de arrefecimento a circular entre o radiador e o motor. O líquido de arrefecimento circula no motor pelas câmaras de água ao redor dos cilindros e pelo cabeçote. 1 2

3

Legenda

1. Bomba d’água 2. Radiador 3. Ventilador

Fig. 15 – Circuito de refrigeração

Circulando por esses componentes o líquido,retira parte do calor do motor. Enquanto a válvula termostática fica fechada, o líquido não circula entre o radiador e o motor. Nessa etapa, o motor é pouco arrefecido, aquecendo-se rapidamente. A válvula só se abre, quando o líquido atinge a temperatura ideal para o funcionamento do motor. A abertura da válvula permite que o líquido de arrefecimento entre no radiador para se resfriar e, novamente, ser enviado ao motor pela ação da bomba de água.

Com o motor aquecido, o líquido de arrefecimento passa, repetidamente, pelo mesmo ciclo: – é bombeado, para envolver as partes do motor, aquecendo-se; – atravessa a válvula termostática aberta e dirige-se ao radiador, para resfriar-se; – volta para o motor pela ação da bomba de água, e assim por diante.

SENAI-RJ 85


1

7 2 4

3

3

5

Legenda

4

2

6

7

1. Mangueiras 2. Bomba d’água 3. Válvula termostática 4. Eletroventilador 5. Interruptor térmico 6. Radiador de arrefecimento 7. Reservatório de expansão

5

Fig. 16 – Sistema de arrefecimento

Componentes do sistema de refrigeração por líquido Bomba d'água

Fixada no bloco ou no cabeçote, é acionada pela árvore de manivelas, por in termédio de correia. Geralmente a bomba d'água é do tipo centrífuga, e ativa a circulação do líquido por intermédio do seu rotor. 2

1

Legenda

1. Cubo 2. Árvore e rolamento 3. Rotor 4. Carcaça 5. Gaxeta

3

4

5

Fig. 17 – Bomba d’água

Radiador

A peça fundamental do sistema por líquido de arrefecimento é o radiador, basicamente um trocador de calor. 86 SENAI-RJ


O radiador é uma peça composta de um tanque superior, um núcleo e um tanque inferior.

3

Legenda

1. Reservatório de saída 2. Colméia do radiador 3. Reservatório de entrada 4. Torneira de sangria

1

2

4

Fig. 18 – Radiador

O núcleo do radiador possui pequenos canais ou canaletas, paralelos entre si, feitos de material metálico não-ferroso (por exemplo, latão ou alumínio), resistentes à corrosão e bons condutores de calor. 4 3

Legenda

2

1. Ar 2. Aleta 3. Canaleta 4. Líquido de arrefecimento

1

Fig. 19 – Colméia do radiador

Em toda a extensão das canaletas, são fixadas chapas metálicas muit o finas, formando as aletas. O líquido de arrefecimento entra nas caneletas, para ser resfriado pelo ar que passa entre as aletas. Em parte, esse ar é forçado por um ventilador. Entretanto, o radiador já é colocado na frente do veículo, para aproveitar o fluxo de ar originado com o movimento do veículo. SENAI-RJ 87


Mangueiras

Fabricadas em borrachas resistentes ao calor, as mangueiras promovem uma ligação elástica entre os componentes do motor e permitem a circulação do líquido refrigerante no sistema de arrefecimento. Válvula termostática

Também conhecida como termostato, a válvula termostática faz com que o motor atinja mais rapidamente a temperatura ideal de funcionamento, e controla a temperatura mínima do motor, impedindo ou dificultando a circulação do líquido de arrefecimento. O trabalho dessa válvula será observado em duas fases: 1ª – durante o aquecimento do motor; 2ª – com o motor aquecido. Funcionamento da válvula termostática na fase de aquecimento do motor

Durante a fase de aquecimento do motor, a válvula termostática fecha a passagem de líquido refrigerante para o radiador e libera a passagem para o retorno à bomba d'água. Desta forma, o líquido circula somente entre o motor e a bomba, aquecendo-o mais rapidamente. Funcionamento da válvula termostática com o m otor aquecido

Com o motor aquecido na temperatura normal de funcionamento, a válvula termostática libera a passagem de líquido refrigerante para o radiador, e isola o circuito de retorno para a bomba d'água. A partir daí, fica livre a circulação do líquido entre o motor, a bomba e o radiador. Ventilador

Em alguns veículos, o ventilador é fixado ao eixo da bomba d'água. Seu acionamento é feito pela polia da árvore de manivelas, por intermédio da correia. Veja um exemplo a seguir. 1

Legenda

1. Bomba d’água 2. Polia da árvore de manivelas 3. Ventilador

3 2

Fig. 20 – Ventilador 88 SENAI-RJ


O acionamento do ventilador também pode ser feito por meio de uma embreagem eletromagnética, que permanece desacoplada até que o motor atinja uma determinada temperatura, quando, então, o ventilador será acoplado, girando solidário com o motor. Observe na próxima figura. 1

Legenda

1. Ventilador 2. Embreagem eletromagnética

2

Fig. 21 – Acionamento por embreagem eletromagnética

Outra forma de acionamento do ventilador usada nos veículos, ocorre por intermédio de um motor elétrico. Nesse caso, há um sensor térmico instalado no radiador ou no motor. O sensor comanda a ativação e a desativação do motor do eletroventilador. Confira na ilustração a seguir.

Fig. 22 – Ventilador elétrico

Os veículos com ar condicionado utilizam radiador maior e dois eletro-ventiladores, para melhorar o fluxo de ar através do radiador, como pode ser visto na próxima figura. SENAI-RJ 89


Fig. 23 – Radiador com duplo ventilador elétrico Líquido refrigerante

O líquido refrigerante é a combinação de água e aditivo, normalmente à base de etilenoglicol, em porcentagens adequadas. Esta solução proporciona: •

•

maior resistência às baixas temperaturas, isto é, evita o congelamento do líquido nas temperaturas mais baixas; elevação do ponto de ebulição do líquido de arrefecimento, em função do aumento da densidade do líquido;

•

diminuição da corrosão dos elementos do sistema de arrefecimento.

O líquido refrigerante deve ser trocado periodicamente, de acordo com o fabricante do veículo, pois perde suas características com o tempo.

Sistema de arrefecimento selado É um sistema planejado para apresentar pouca, ou nenhuma, perda de líquido de arrefecimento durante longo período de tempo. Utiliza uma solução de água e aditivo, normalmente à base de etileno-glicol, em porcentagem adequada. O sistema de arrefecimento selado não libera o excesso de pressão para a atmosfera, como ocorre no sistema aberto. No sistema de arrefecimento selado, o líquido de arrefecimento, expandindo-se com o calor, vai para um depósito separado do radiador: o depósito ou reservatório de expansão. Reservatório de expansão

O reservatório de expansão compensa a variação do volume do líquido de arrefecimento. 90 SENAI-RJ


O líquido de arrefecimento aquecido pelo motor entra na parte superior do reservatório de expansão. Na parte inferior desse reservatório, uma mangueira reconduz o líquido de arrefecimento ao radiador. Na medida em que o líquido de arrefecimento se aquece, aumenta de volume e se expande no reservatório. Com isso, ocorre um aumento de pressão do ar na parte superior do reservatório, que, ao atingir um certo valor, abre a válvula da tampa. Com a abertura da válvula, o excesso de pressão é liberado, conforme mostra a ilustração a seguir.

Fig. 24 – Abertura da válvula de alívio de pressão

Inversamente, quando o motor esfria e a pressão do sistema cai, o volume do líquido diminui no reservatório. Há diminuição da pressão do ar na parte superior do reser vatório, e, com isso, a pressão atmosférica externa consegue abrir a válvula de vácuo da tampa. O ar entra no reservatório e a pressão interna iguala-se à pressão atmosférica externa, provocando o fechamento da válvula. Novamente, com o aquecimento do sistema, a pressão volta a subir, e repete-se o funcionamento descrito anteriormente. Confira no desenho a seguir.

Fig. 25 – Entrada de ar

Modernamente, os veículos utilizam reservatório de expansão, onde o va por do líquido aquecido é condensado, retornando ao sistema, não havendo, dessa maneira, perda de líquido de arrefecimento. Reduz-se, assim, o risco de superaquecimento e a necessidade de reabastecimento constante do sistema. SENAI-RJ 91


Vantagens e desvantagens de cada sistema de arrefecimento

É importante conhecer as vantagens e as desvantagens do sistema de arrefecimento com o líquido e a ar. Leia a seguir. Vantagens Sistema de arrefecimento a ar

Sistema com líquido de arrefecimento •

•

Mantém a temperatura do motor mais uniforme, independente da temperatura externa. O motor é mais silencioso: a camada de líquido entre os cilindros age como amortecedor de ruídos.

•

•

•

•

Não há líquido de arrefecimento para ser examinado. Defeitos são mais raros (menor nº de peças). Menor peso, por não ter radiador e líquido de arrefecimento. Atinge a temperatura normal de trabalho do motor mais rápido – funcionamento simples.

Desvantagens Sistema com líquido de arrefecimento •

•

•

•

Exige a verificação periódica do nível do líquido. Manutenção mais cara. Veículo mais pesado por ter mais peças . Atinge a temperatura de trabalho mais lentamente.

Sistema de arrefecimento a ar •

•

A temperatura externa influi no sistema. Motor mais ruidoso: as aletas são fontes de ruídos.

Sistema de alimentação do motor Os veículos de combustão interna constituem um avanço considerável em relação aos de combustão externa: queimam pequenas quantidades de combustível dentro dos cilindros do motor. Aproveitam, assim, a energia produzida na combustão de maneira mais controlada e com melhor rendimento. Para essa queima de combustível ocorrer, é necessário que se reúnam três elementos básicos: combustível, oxigênio e calor.

92 SENAI-RJ


A seguir, vamos conhecer melhor o combustível e a forma como ele é utilizado para movimentar o motor do veículo.

Combustíveis para motores de ciclo OTTO Combustível é toda substância que, em determinadas condições de temperatura e pressão, pode ser queimada combinando-se com o oxigênio e gerando calor. Nos motores de combustão interna, o oxigênio provém do ar atmosférico e o combustível pode ser líquido ou gasoso. Os combustíveis, líquidos ou gasosos, que se misturam finamente com o ar, são chamados carburantes , queimam com muita rapidez, e produzem grande quantidade de calor.

Os carburantes usados em motores ciclo OTTO são: gasolina, álcool metílico, álcool etílico, gás liqüefeito de petróleo (GLP) e gás natural veicular (GNV). Não são considerados carburantes o óleo diesel e o óleo combustível, usados nos motores diesel.

O combustível tem que ser misturado com o ar em uma proporção correta. Nos motores a álcool ou a gasolina, essa mistura é feita pelo sistema de injeção eletrônica de combustível.

Gasolina A gasolina é usada em motores de combustão interna pois: •

é carburante, isto é, tem grande capacidade de misturar-se com o ar;

•

tem alto poder calórico, ou seja, ao queimar produz grande quantidade de calor.

A gasolina, bem como o álcool, são compostos por moléculas de hidrogênio e carbono. Na presença de oxigênio e uma centelha elétrica, o carbono e o hidrogênio reagem quimicamente com o oxigênio, formando moléculas de dióxido de carbono e água (combustão completa). Essas reações liberam grande quantidade de energia em forma de calor, que é transformado em trabalho pelo motor.

SENAI-RJ 93


Álcool No Brasil, o álcool é obtido a partir da cana-de-acúçar, mas ele também pode ser extraído da beterraba, da mandioca e do milho. O álcool extraído da cana-de-acúçar, é o etanol (ou álcool etílico) e, dependendo do uso e beneficiamento, pode ser comercializado como: •

álcool etílido hidratado carburante (AEHC);

•

álcool etílico anidro carburante (AEAC); e

•

álcool metílico ou metanol.

Álcool etílico hidratado carburante (AEHC) É o álcool utilizado nos motores de combustão interna; possui um percentual de água resultante do processo de destilação.

Álcool etílico anidro carburante (AEAC) É obtido por processo químico a partir do álcool etílico, com a retirada da água residual, permanecendo apenas o álcool puro. Utilizado apenas como aditivo anti-detonante na gasolina brasileira, atualmente é misturado à proporção de 21 a 23% em volume. Não é vendido em postos de combustíveis.

Álcool metílico ou metanol Este tipo de combustível não é produzido no Brasil, pois o álcool extraído da cana-deacúçar (etílico), além do seu caráter pioneiro, tem processo produtivo menos oneroso. O metanol é produzido e utilizado nos EUA e Europa, a partir da madeira, carvão e gás natural.

Gás natural O gás natural é extraído do subsolo terrestre, como o petróleo e, muitas vezes, associado a ele.

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Gás natural veicular (GNV) É o gás natural beneficiado, utilizado para movimentar a frota de automóveis, ônibus e caminhões. Predominantemente formado por gás metano, presente em mais de 80% da sua composição. Ao ser utilizado em motores a combustão interna, resulta numa queima mais limpa, gerando índices de emissões inferiores aos apresentados pelo motor quando se utiliz a combustíveis líquidos.

O GNV é mais seguro do que os combustíveis líquidos, pois é mais leve que o ar, dispersando-se rapidamente.

Mistura ar/combustível É a massa de ar necessária para queimar totalmente uma quantidade de combustível. Esta relação de mistura depende do tipo de composição do combustível. Para exemplificar: uma parte de gasolina precisa de cerca de 15 partes de ar para se queimar totalmente; já o álcool precisa de 9 partes de ar para que a sua queima seja total.

Tipos de mistura ar/combustível •

Mistura pobre: é aquela em que a quantidade de ar na mistura ar/combustível é maior do que a quantidade necessária para queimá-lo.

•

•

Mistura rica: quando a quantidade de ar na mistura ar/combustível é menor do que a quantidade necessária para queimá-lo. Mistura estequiométrica: é aquela em que a quantidade de ar na mistura ar/combustível é a ideal para queimá-lo totalmente.

Gases resultantes do processo de combustão A gasolina, como combustível, é uma mistura química complexa de hidrogênio (H) e carbono (C) que, durante o processo da combustão, combina-se com o oxigênio (O 2) do ar, fazendo a liberação da energia térmica. Entre os diversos aspectos que interferem na qualidade da combustão, temos a dosagem e a homogeneidade da mistura estequiométrica e a compressão dos cilindros.

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O formato da câmara de combustão deve facilitar a propagação da queima rápida e por todo o ambiente da câmara de forma que a máxima expansão se dê a poucos graus após o PMS (Ponto Morto Superior), facilitando a transferência de movimento para impelir o pistão. Em condições ideais, os resíduos resultantes da combustão deveriam ser o nitrogênio (N 2), o dióxido de carbono (CO 2) e a água (H 2O). Porém, não é assim que acontece num motor real. Uma pequena e perigosa parte do fluído gasoso de escape é composta por gases nocivos à vida e que afetam o meio ambiente. Estes gases tóxicos formam-se devido à combustão incompleta ou às altas temperaturas da câmara de combustão. Dos gases resultantes do processo de combustão, 99% não são prejudiciais à saúde e ao meio ambiente. Somente 1% deste volume é composto de produtos nocivos à qualidade de vida e ao meio ambiente. Observe os percentuais no gráfico a seguir. É isso que interessa! HC

18,1% CO 2

NO x 9,2% H20 1%

≅

71% N2

CO

Gráfico 1 – Emissões de veículos a gasolina

Conheça, agora, os principais gases resultantes do processo de combustão. CO – O monóxido de carbono (CO) é formado em função da combustão incompleta do

combustível, devido à falta de oxigênio na mistura. Desta forma, sua presença é acentuada nas combustões com misturas ricas. Suas características são a de ser gás inodoro, incolor e insípido. Porém, sua presença em volume, num ambiente confinado em 0,3%, pode provocar a morte em 30 minutos, devido à sua atuação no sangue, reduzindo a oxigenação.

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O monóxido de carbono está entre os gases a serem rigorosamente controlados pelos limites de emissões veiculares, tendo sua unidade de medida, estabelecida para ser controlada em porcentagem por volume de resíduos. HC – Como já vimos, a gasolina é uma combinação de hidrocarbonetos (HC), sendo assim,

este resíduo da combustão é formado por partes do combustível que não foram queimadas. Geralmente as emissões de hidrocarbonetos acentuam-se nas condições em que o motor necessariamente deve trabalhar com misturas mais ricas, como nas fases de partida a frio, aquecimento do motor, acelerações dinâmicas e plena potência. Sua presença nos gases de escape é medida em partes por milhão (ppm), ou seja, uma leitura de 400ppm indica que em cada um milhão de partes do gás existem 400 de HC.

Devido à contribuição de algumas composições de hidrocarbonetos, que reagem na atmosfera formando uma camada de fumaça, sua presença também passou a ser controlada pelos limites de emissões estabelecidos.

NOx – Os óxidos de nitrogênio resultam de uma combinação de nitrogênio (N2) e oxigênio

(O2) que não aparece em condições normais. Esta combinação, para ocorrer, requer altas temperaturas (acima de 1300 ºC), sendo esta uma das condições para o bom funcionamento dos motores de combustão interna. Desta forma, o empenho em otimizar a eficiência de combustão e diminuir consumo, fatalmente resulta na produção de mais NOx. Esta é a razão que explica o porquê do volume de NOx ser o único volume de resíduos da combustão que, ao invés de reduzir-se como aconteceu com o CO e o HC, elevou-se de forma muito considerável.

O monóxido de nitrogênio (NO) não tem cor, cheiro ou sabor porém, em contato com o oxigênio (O 2) presente na mistura estequiométrica da combustão, resulta em dióxido de nitrogênio (NO 2) que é prejudicial ao sistema respiratório.

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Sistema de alimentação Os sistemas de injeção eletrônica de combustível e ignição substituíram, num curto espaço de tempo, o sistema de alimentação por carburador e o sistema de ignição convencional. É preciso entender, então, o que mudou com a injeção e a ignição eletrônica e porque isso ocorreu. Os motores do ciclo OTTO continuam sendo motores de quatro tempos, com ignição por centelha. Isso significa que a termodinâmica do motor e seus órgãos móveis permanecem inalterados, ou seja, o motor continua realizando a admissão, a compressão, a expansão e a descarga. Os órgãos móveis e demais peças e/ou conjuntos continuam com a mesma finalidade e princípio de funcionamento. Os sistemas de lubrificação e arrefecimento do motor também não foram modificados. Então, o que foi alterado? Foram modificados os sistemas de gerenciamento da dosagem de combustível e o gerenciamento da distribuição da centelha. Em ambos os casos, os elementos mecânicos como giglês, tubo emulsionador, válvula agulha, diafragmas, avanço a vácuo e centrífugo foram substituídos por elementos eletrônicos, sensores e atuadores,comandados por uma Unidade de Comando Eletrônica (U.C.E.). Mas, por que o carburador e o distribuidor convencional foram substituídos? Esses componentes foram substituídos devido à necessidade de controlar não somente o funcionamento do motor como, também, para minimizar a emissão de poluentes. Utilizando o sistema convencional não é possível compatibilizar o bom funcionamento do motor com os baixos níveis de emissão de poluentes exigidos por lei. A solução encontrada, então, foi substituí-Ios por um sistema de injeção eletrônica de combustível e ignição. Com esses novos sistemas, as informações do estado de funcionamento do motor são detectados por sensores (componentes eletrônicos que transformam sinais mecânicos ou físicos em sinais elétricos) e enviadas à U.C.E. que, por meio de estratégia específica, comanda os atuadores (componentes eletrônicos que transformam sinais elétricos em deslocamento mecânico). Desta forma, a U.C.E., conhecendo as necessidades do motor, por intermédio de seus sensores, é capaz de determinar quanto tempo um eletroinjetor (atuador) ficará aberto, para

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que se tenha uma dosagem ideal de ar/combustível, de modo a compartilhar o bom funcionamento com um mínimo de emissão de poluentes. Do mesmo modo, a U.C.E. deve comandar a bobina (atuador) para se obter a centelha no momento ideal. Além disso, todos os ajustes mecânicos, tais como rotação da marcha-lenta, ajuste de CO2, afogador etc. são substituídos por elementos eletrônicos (sensores e atuadores), de modo a garantir o perfeito funcionamento do motor, sem a ação corretiva do motorista. A substituição dos antigos sistemas de carburador pela injeção de combustível permite: •

melhor controle da mistura ar/combustível;

•

melhor desempenho do veículo, com a conseqüente redução no consumo de combustível;

•

diminuição das emissões de gases poluentes.

No Brasil, a totalidade dos veículos fabricados vem equipada com a injeção eletrônica do tipo multiponto seqüencial (multi-point fuel injection MPFI). O sistema MPFI possui uma válvula injetora para cada cilindro do motor. Cada um dos injetores está localizado próximo à válvula de admissão. Assim, pelo coletor de admissão, só passa ar. 2 3

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1

Legenda

5

1. Galeria de distribuição (entrada de combustível) 2. Ar 3. Borboleta de aceleração 4. Coletor de admissão 5. Válvulas de injeção 6. Motor

6

Fig. 26 – Posição das válvulas de injeção em um sistema de injeção multiponto SENAI-RJ 99


A unidade de comando eletrônico envia o sinal para a abertura do injetor correspondente ao cilindro em curso de compressão, de forma seqüencial à ordem de explosão do motor, uma vez a cada duas voltas da árvore de manivelas. Para entender melhor o processo de alimentação do veículo, podemos dividir o sistema de alimentação em dois: •

sistema de admissão de ar; e

•

sistema de dosagem de combustível.

Sistema de admissão de ar O circuito de admissão de ar é constituído por vários componentes que efetuam o transporte correto da quantidade de ar necessária para o motor, nas diferentes condições de funcionamento. São eles: •

conjunto de filtragem do ar;

•

coletor de admissão;

•

corpo de borboleta;

•

medidor de massa de ar.

A seguir, vamos analisar o funcionamento de cada um desses componentes e suas diferentes estratégias.

Conjunto de filtragem do ar Filtragem significa a ação de um meio que impossibilita a passagem de uma substância indesejada. O conjunto de filtragem do ar é composto do filtro de ar, sua caixa e os dutos. O filtro de ar é construído para que as impurezas em suspensão no ar sejam separadas, ficando as mais pesadas depositadas no fundo da caixa de filt ração e as mais leves, retidas pelo elemento filtrante. O elemento filtrante é constituído de um papel especial, disposto em fileiras, para reter as impurezas

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Coletor de admissão Sua função é encaminhar a mistura ar/combustível aos cilindros. Atualmente, os motores utilizam coletores de alumínio ou materiais sintéticos, bem como projetos que utilizam caminhos de diferentes comprimentos para o ar, chamados coletores de admissão com geometria interna variável .

Assim, o ar pode passar por um caminho em baixas rotações (caminho mais longo) e por outro caminho em altas rotações (caminho curto), tudo comandado a partir da U.C.E., com uso de borboletas e atuadores. Na próxima ilustração você pode ver um tipo de coletor de admissão.

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2

Legenda

3

1. Borboleta do coletor 2. Duto curto 3. Duto longo

Fig. 27 – Coletor com geometria variável

O coletor com geometria variável proporciona melhor rendimento volumétrico, resultando em maior torque do motor.

Corpo de borboleta O corpo de borboleta é o elemento do sistema de admissão de ar encarregado de dosar o ar até os cilindros.

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É conectado, por cabo ou eletronicamente, ao pedal do acelerador, que será comandado pelo motorista. O corpo de borboleta informará à U.C.E. a necessidade de aceleração desejada pelo motorista, bem como será comandado por essa unidade no momento em que estiver em marcha lenta, regulando a passagem de ar para um funcionamento suave. Veja, a seguir, um exemplo de corpo de borboleta. 2 Legenda

1. Pedal do acelerador eletrônico 2. Corpo eletrônico de borboleta

1

Fig. 28 – Corpo de borboleta

Medidor de massa de ar Esse sensor, instalado após o conjunto de filtragem do ar e antes do corpo de borboleta, mede a quantidade de ar admitida e envia a informação à U.C.E., para permitir a injeção da quantidade correta de combustível nos cilindros.

Fig. 29 – Medidor de massa de ar

Alimentação de combustível Vimos, então, como o ar entra no motor. Agora, vamos estudar de que maneira o combustível se junta ao ar, na proporção correta. 102 SENAI-RJ


Alimentação de combustível com injetores no coletor de admissão Uma bomba de combustível acionada eletricamente alimenta o combustível e gera a pressão de injeção. O combustível é aspirado do tanque de combustível e pressionado para um tubo de pressão através do filtro de combustível. Daí, por meio da tubulação de combustível, flui para o tubo condutor onde estão fixadas as válvulas injetoras. O regulador de pressão está fixado na galeria de combustível e mantém a pressão constante por meio do orifício dosador, independente da carga do motor. Observe este sistema na ilustração a seguir. 3

4

5

Legenda

1. Bomba de combustível 2. Filtro de combustível 3. Tubo condutor 4. Válvula injetora 5. Regulador de pressão

2

1

Fig. 30 – Sistema de alimentação de combustível

O combustível que não é necessário para o motor retorna pela galeria de combustível, via um tubo de retorno ligado ao regulador de pressão, de volta ao tanque de combustível. O combustível realimentado é aquecido no caminho do motor para o tanque de combustível. Com isso, ocorre uma elevação da temperatura do combustível no tanque. Em função dessa temperatura, geram-se vapores de combustível. Para proteger o meio ambiente, esses vapores são armazenados intermediariamente em um filtro de carvão ativado, por um sistema de ventilação do tanque e conduzidos com o ar admitido para o motor, via coletor de admissão.

Sistema de alimentação de combustível sem retorno No sistema de alimentação de combustível sem retorno o aquecimento do combustível no tanque é menor do que no sistema padrão. Com isso, fica mais fácil cumprir as exigências governamentais legais quanto às emissões evaporativas veiculares. SENAI-RJ 103


O regulador de pressão encontra-se no tanque de combustível ou nas suas imediações. Assim, elimina-se o tubo de retorno do motor para o tanque de combustível. Somente a quantidade de combustível injetada pelas válvulas injetoras é conduzida à galeria de combustível sem fluxo de retorno. A quantidade adicional de combustível fornecida pela bomba elétrica de combustível retorna, imediatamente, ao tanque de combustível, sem ter que tomar o caminho até o compartimento do motor.

Componentes do sistema de alimentação de combustível Bomba de combustível

Pode estar instalada diretamente no tanque (in tank ) ou fora dele, na tubulação de combustível (in line ). As bombas ( in tank ), atualmente de uso mais freqüente, são integradas às unidades de instalação e contêm um sensor de nível (bóia de combustível) e um recipiente para eliminação das bolhas de ar do retorno do combustível. Para manter a pressão necessária do combustível, em todas as condições de funcionamento, o volume de débito da bomba deve ser maior que a demanda máxima de combustível do motor.

É a unidade de comando do motor (U.C.E.) que liga a bomba elétrica de combustível. Um circuito e um software de segurança impedem a alimentação com a ignição ligada e o motor parado.

Módulo de alimentação combustível

Nas primeiras injeções eletrônicas de gasolina, a bomba elétrica de combustível era montada exclusivamente fora do tanque (in line ). Hoje em dia, a montagem da bomba elétrica de combustível é feita dentro do tanque (in tank ). Sendo a forma mais utilizada, a bomba elétrica de combustível é parte de um módulo de alimentação de combustível, que pode envolver outros elementos: •

um reservatório para garantir combustível na dirigibilidade em curvas;

•

um sensor de nível de combustível;

•

um regulador de pressão em sistemas sem retorno;

•

um pré-filtro para proteção da bomba.

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Fig. 31 – Módulo de alimentação de combustível Regulador de pressão do combustível

O regulador da pressão do combustível mantém as condições de pressão definidas no sistema de combustível. Em sistemas com retorno, a parte de combustível excedente retorna pelo tubo de retorno ao tanque, após ser liberada uma passagem pelo regulador de pressão. Em sistemas sem retorno, o regulador de pressão fica no módulo de alimentação ou no filtro de combustível.

Filtro de combustível

Os sistemas de injeção para motores OTTO e diesel são sensíveis às menores impurezas no combustível. O filtro de combustível fica montado na linha de pressão, após a bomba de combustível. Na carcaça do filtro há uma seta indicando a posição correta de montagem. Confira na próxima figura.

Fig. 32 – Filtro de combustível SENAI-RJ 105


Tubo distribuidor de combustível

O combustível flui dentro do tubo, sendo distribuído de modo uniforme para todas as válvulas injetoras Válvulas injetoras eletomagnéticas

O injetor (ou válvula injetora eletromagnética) controla o volume de combustível fornecido ao cilindro do motor durante o tempo em que o injetor permanece aberto (tempo de injeção). Esse tempo é operado a partir da U.C.E. conforme os sinais recebidos dos sensores, que indicam a vontade do motorista e a situação do motor. Observe na próxima ilustração uma válvula injetora.

Fig. 33 – Válvula injetora

Sistema de ignição Princípios básicos No motor de ciclo OTTO, uma ignição (faísca) inicia o processo de combustão da mistura. A função do sistema de ignição é inflamar a mistura ar/combustível comprimida no ponto exato. Isto se dá por meio de uma faísca elétrica entre os eletrodos de uma vela de ignição, instalada na câmara de combustão. Na ilustração a seguir, veja um exemplo de sistema de ignição.

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1

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Legenda

1. Bateria 2. Chave de ignição 3. Bobina 4. Distribuidor 5.Velas

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Fig. 34 – Sistema de ignição com distribuidor

Uma bobina única pode atender às necessidades de um motor, mas hoje empregam-se bobinas de dupla faísca, que atendem a dois cilindros do motor. Para um motor de quatro cilindros, utilizam-se duas bobinas de dupla faísca. Em motores de maior desempenho são empregadas bobinas para cada cilindro, minimizando as perdas elétricas existentes nos cabos de vela. Os sistemas que possuem uma bobina única utilizam um sistema mecânico chamado distribuidor , para direcionar a alta tensão, gerada na bobina, para a vela do cilindro

correspondente ao momento de ignição, por meio de cabos, chamados de cabos de vela. O distribuidor está conectado à árvore de comando de válvulas, mas o controle do ponto de ignição é feito com o uso de microprocessadores e comandado a partir da U.C.E. Os veículos que estão equipados com a bobina de dupla faísca ou em bobinas individuais por cilindro, possuem um sistema de ignição estática, comandado a partir dos sinais captados pelos sensores no virabrequim (sensor de ponto) e na árvore de comando de válvulas (sensor de fase) e processados pela U.C.E. Na próxima ilustração você pode ver um modelo de bobina de dupla faísca.

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Fig. 35 – Bobina de dupla faísca

Sistema de controle de emissões Vamos conhecer agora os sistemas de ventilação do cárter, anti-evaporativo de combustível, de emissão de gases e catalisador que têm algo em comum, uma vez que todos eles – componentes do veículo – direcionam-se para um mesmo fim, qual seja, o de promover o controle de emissões de poluentes, com intuito de melhorar a qualidade de vida, no que diz respeito à qualidade do ar, principalmente nas grandes concentrações urbanas.

Sistema de ventilação do cárter Quando o óleo do motor aquece, os resíduos de combustível dissolvidos no óleo, a umidade e os gases residuais de combustão aumentam a pressão interna no cárter e no blo co do motor. Esse conjunto de fatores origina um fluxo de gás do cárter para o coletor de admissão chamado de gases de respiro do cárter ou blow-by . Sua principal função é ventilar a parte interna do motor, evitando pressões excessivas, o que acarretaria danos a vedadores, juntas e anéis de segmentos. Com apoio da legenda, veja, na ilustração a seguir, a localização dos elementos do sistema de ventilação do cárter.

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Legenda

4 3

1. Tubo do respiro 2. Filtro separador de óleo 3. Tubo de vapor 4. Óleo condensado

2

1

Fig. 36 – Sistema de ventilação do cárter

O controle dessas emissões é resolvido com a ligação da tubulação do cárter ao coletor de admissão, fazendo com que os gases de respiro tornem a circular na câmara de combustão, após tê-los separado do óleo arrastado. Os gases de respiro provenientes do bloco (interior do motor), atravessam o separador e perdem parte do óleo do motor neles espalhado. Este óleo, sob forma de gotinhas, retorna ao cárter por queda, através da tubulação.

Sistema antievaporativo de combustível Quando a temperatura ambiente está elevada e o veículo encontra-se parado, o calor provoca a evaporação do combustível e o aumento da pressão em um tanque fechado hermeticamente. Para evitar que esses vapores sejam liberados à atmosfera, o sistema antievaporativo acumula os vapores de combustível no filtro de canister até serem queimados pelo motor, quando condições favoráveis se apresentarem. O sistema antievaporativo de combustível é formado pelos elementos em destaque na próxima ilustração.

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Legenda

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1. Linha de respiro do tanque 2. Filtro de canister 3. Entrada de ar 4. Eletroválvula

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Fig. 37 – Sistema anti-evaporativo de combustível

O filtro de canister é um recipiente situado no compartimento do motor, contendo carvão ativado, aborvendo uma grande quantidade de vapores de combustível. Na linha de sucção dos vapores do filtro de canister há uma eletroválvula comandada pela U.C.E, que determina, segundo parâmetros definidos, o momento da liberação desses gases para o coletor de admissão.

Sistema de controle de emissões na descarga O sistema para o controle de emissões na descarga é composto por um sistema de injeçãoignição eletrônica, governado por uma central U.C.E. que, com a aquisição de dados, gerencia a alimentação e a ignição do motor em todos os seus pontos de funcionamento. O sistema assegurará uma dosagem da mistura ar/combustível próxima à relação estequiométrica, em todas as condições de funcionamento do motor.

Relação estequiométrica é a relação entre as massas de ar e de combustível

necessária para a combustão ocorrer completamente, formando apenas CO2 e H 2O como produtos finais.

O sensor que informa à U.C.E. se a mistura ar/combustível está correta ou não denominase sonda lambda.

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Sonda lambda

Localizada próxima ao coletor de descarga, antes do catalisador, analisa constantemente a quantidade de oxigênio (O2) presente nos gases de descarga, informando à U.C.E . A U.C.E. aumenta ou diminui o pulso da injeção de combustível, mantendo, assim, a mistura ar/combustível e os níveis de emissão de poluentes próximos do ideal. A sonda lambda funciona somente em temperaturas acima de 300ºC. Em alguns sistemas é aquecida pelos gases do coletor de escapamento. E em outros, para garantir que a temperatura esteja sempre acima deste valor, a sonda lambda conta com uma resistência elétrica interna para seu aquecimento.

Fig. 38 – Sonda lambda

Catalisador

Outro componente do sistema de controle das emissões da descarga é o catali sador. Conhecido também como conversor catalítico de três vias , é assim chamado porque reduz em cerca de 70% os três principais poluentes produzidos pelos motores a álcool e a gasolina, que são: •

monóxido de carbono (CO);

•

hidrocarbonetos (HC); e

•

óxidos de nitrogênio (NO X ).

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Catalisador

Ao contrário do que muitos pensam, o catalisador não é um filtro, pois não se trata de um processo físico de retenção de partículas, e sim, de um processo químico, com reações entre as moléculas em meio gasoso. É, portanto, um dispositivo de alta tecnologia que, por meio de reações termoquímicas e por intermédio de substâncias cataliticamente ativas, converte os gases poluentes em substâncias inofensivas à saúde.

O catalisador automotivo promove reações químicas que convertem os poluentes monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NO X ) e hidro-carbonetos (HC) em dióxido de carbono (CO2), vapor de água (H 2O) e gás nitrogênio (N2), que não são tóxicos para a saúde. Confira na ilustração a seguir. CO 2 N2 H2O

CO NO X HC

Fig. 39 – Reações no catalisador

Mesmo sendo tratados, esses gases não podem ser aspirados pelas pessoas.

O termo conversor catalítico ou catalisador designa um reator metálico instalado no sistema de escapamento. Este reator, de aço inoxidável, contém o catalisador propriamente dito.

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O catalisador constitui-se de uma colméia monolítica de cerâmica ou metálica (também chamada de substrato ou suporte), impregnada com substâncias ativas. Os suportes cerâmicos ou metálicos são colméias formadas por milhares de minúsculos canais, ou células, por onde passam os gases poluentes. A catálise, sendo uma reação de superfície, requer uma grande área de contato, daí a necessidade desses canais. Veja na figura a seguir a posição dos equipamentos estudados.

Legenda

1. Sonda lamba 2.Catalisador

1 2

Fig. 40 – Posição dos elementos de controle de emissões

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Motores Automotivos de Ciclo O T T O – Referências

Referências BOSCH. Automotive eletric/eletronics sistems . 2.ed. Stuttgart/Alemanha : Department for Thechnical Information, 1995. BOSCH, Robert. Manual de Tecnologia Automotiva. São Paulo : Ed.Edgard Blücher, 2005. SENAI-PR. Motor. Paraná : SENAI-PR, 2004. _________. Eletrônica embarcada. Paraná : SENAI-PR, 2006. SENAI-RJ. Motores automotivos de combustão interna. Rio de Janeiro : SENAI-RJ, 2001 (Série Eletromecânica Automotiva). ________. Sistema de alimentação em veículos injetados, ignição convencional e eletrônica. Rio de Janeiro : SENAI-RJ, 2001 (Série Eletromecânica Automotiva). ________. Tecnologia do motor . Rio de Janeiro : SENAI-RJ, 2002. Volkswagem do Brasil. Fundamentos da tecnologia automobilística. São Paulo, 1998. __________________. Curso mecânica Volkswagem para amadores. São Paulo, 2002. __________________. Conhecimentos básicos sobre gerenciamento eletrônico de motores . São Paulo, 2003.

Site http:://www.Bosch.com.br

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Motor Otto Senai-RJ

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