Motores de Combustao Interna

Motores de Combustao Interna

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Motores de Combustão Interna Conceitos Básicos

Luiz Carlos Martinelli Jr. Unijuí – Campus Panambi

INTRODUÇÃO3
DEFINIÇÃO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA3
CLASSIFICAÇÃO DOS MCI3
VANTAGENS & DESVANTAGENS34
DEFINIÇÕES34
PONTO MORTO SUPERIOR E PONTO MORTO INFERIOR34
CILINDRADA35
CÂMARA DE COMPRESSÃO OU DE COMBUSTÃO, VOLUME MORTO35
OCTANAGEM36
Para a Gasolina36
Para o Etanol37
TAXA DE COMPRESSÃO (RELAÇÃO)38
AUTO-IGNIÇÃO40
AVANÇO41
OUTRAS DEFINIÇÕES E NOMENCLATURA42
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS MOTORES ALTERNATIVOS43
MOTOR A QUATRO TEMPOS43
MOTOR DOIS TEMPOS46
1º Tempo - Curso de Admissão e Compressão46
2º Tempo - Combustão e Escape46
MOTOR WANKEL47
MOTOR QUASITURBINE53
COMO FUNCIONA53
VEÍCULOS HÍBRIDOS5
SELEÇÃO DOS COMPONENTES56
1 – O motor elétrico56
2 – Armazenamento da Energia Elétrica57
3 – Os motores Térmicos57
HONDA INSIGHT57
FUEL CELL – CÉLULA DE COMBUSTÍVEL58
CICLOS DE POTÊNCIA61
CICLO DE CARNOT61
CICLOS DE OTTO E DIESEL62
Ciclo Otto62
Ciclo Quatro Tempos, Ciclo Otto63
Ciclo Dois Tempos, Ciclo Otto63
Ciclo de Diesel64
Ciclo Quatro Tempos, Ciclo Diesel65
Ciclo Dois Tempos, Ciclo Diesel65
CICLO MISTO6
BLOCO DO MOTOR67
CABEÇOTE64
CARTER64
PISTÃO64
BIELA65
VIRABREQUIM65
EIXO COMANDO DE VÁLVULAS65
VÁLVULAS65
CONJUNTO DE ACIONAMENTO DAS VÁLVULAS6
COMBUSTÍVEIS6
DIESEL6
ENERGIA TÉRMICA DO COMBUSTÍVEL67
RELAÇÃO AR-COMBUSTÍVEL68
GASES DE ESCAPE - EMISSÕES68
A COMBUSTÃO NO MOTOR DIESEL69
TIPOS DE INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL70
COMPONENTES DO SISTEMA DE INJEÇÃO72
LUBRIFICAÇÃO DO MOTO R76
FILTROS7
TROCADOR DE CALOR7
ÓLEO LUBRIFICANTE7
CLASSIFICAÇÕES78
REFRIGERAÇÃO (OU ARREFECIMENTO)80
ÁGUA DE REFRIGERAÇÃO82
SISTEMA DE PARTIDA82
EFEITO DO TURBO-ALIM ENTADOR83
TERMOS IMPORTANTES (PORTUGUÊS - INGLÊS)8

Esta apostila foi criada com intenção de dar subsídios ao aluno do Curso de Engenharia Mecânica da

Unijuí. A mesma foi construída utilizando-se de informações adquiridas da rede mundial de computadores (Internet), livros e revistas especializadas acrescentando-se a tudo isso uma pitada particular do professor.

Procura-se desenvolver, fora o conhecimento básico necessário, um pouco da história dos veículos automotores, colocando em uma linha do tempo a história de várias empresas famosas, seus fundadores e curiosidades.

Ao final desta, coloca-se uma pequena bibliografia e sites interessantes sobre o assunto.

São Máquinas Térmicas Motoras nas quais a energia química dos combustíveis se transforma em trabalho mecânico (o fluido de trabalho consiste nos produtos da combustão).

CLASSIFICAÇÃO DOS MCI Os MCI podem ser classificados em:

a) Quanto a propriedade do gás na admissão:

à ar (Diesel) à mistura ar-combustível (Otto) b) Quanto à ignição n por centelha (ICE) * spark - ignition (SI) n por compressão (ICO) * compression - ignition (CI) c) Quanto ao movimento do pistão à Alternativo (Otto, Diesel) à Rotativo (Wankel, Quasiturbine) d) Quanto ao ciclo de trabalho à 2 tempos à 4 tempos e) Quanto ao número de cilindros à monocilíndricos à policilíndricos f) Quanto à disposição dos cilindros à em linha à opostos (boxer) à em V à em estrela (radial) g) Quanto à utilização à ESTACIONÁRIOS - Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como Geradores, máquinas de solda, bombas ou outras máquinas que operam em rotação constante; à INDUSTRIAIS - Destinados ao acionamento de máquinas de construção civil, tais como tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação fora-de-estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde se exijam características especiais específicas do acionador; à VEICULARES - Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, tais como caminhões e ônibus;

à MARÍTIMOS - Destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso navalConforme o tipo de

serviço e o regime de trabalho da embarcação, existe uma vasta gama de modelos com características apropriadas, conforme o uso. (Laser, trabalho comercial leve, pesado, médio-contínuo e contínuo)

Vantagens Desvantagens arranque rápido limitação de potência trabalho em rotações relativamente baixas não utilização de combustíveis sólidos pequeno tamanho peso elevado para potência fácil manutenção elevado número de peças baixa eficiência

Ponto Morto Superior e Ponto Morto Inferior

Ponto Morto Superior (PMS) {TDC - Top Dead Center} e o Ponto Morto Inferior (PMI) {BDC -

Bottom Dead Center}, são nestas posições onde o êmbolo muda de sentido de movimento estando no seu máximo (PMS) ou no seu mínimo (PMI), conforme a Figura 1.

Cilindrada

É o volume total deslocado pelo pistão entre o P.M.I. e o P.M.S., multiplicado pelo número de cilindros do motor. É indicada em centímetros cúbicos (cm³) e tem a seguinte fórmula:

cilindrosNCursoD C ..

(em cm³)

Tomando como exemplo o motor de um Ômega GLS (GM). De seu catálogo têm-se os seguintes dados:

Motor Dianteiro Longitudinal M.P.F.I.

Número de Cilindros à 04 Diâmetro cilindro à 86,0 m Curso do pistão à 86,0 m Taxa de Compressão à 9,2:1 assim:

æ= p C conhecido, no mercado, como 2.0 ou 2,0 litros

Câmara de Compressão ou de Combustão, Volume Morto

É o espaço livre que fica acima do pistão quando este se encontra no P.M.S. Nela, a mistura ar/combustível do motor a gasolina, que entrou pela válvula de admissão, será comprimida e, após a faísca emitida pela vela, explodirá para que a expansão dos gases movimente o pistão e dê seqüência ao funcionamento do motor.

Dependendo do grau de modernidade do motor, a câmara pode estar inserida no cabeçote ou na cabeça dos pistões – esse último mais comumente achados. Basicamente, o volume da câmara de combustão define a Taxa de Compressão do motor. Quanto menor for seu volume, maior será essa relação e, conseqüentemente, melhor o rendimento do motor. Todos os componentes que atuam em sua formação ou ao seu redor influenciam diretamente em sua eficiência: a posição das válvulas e o desenho dos dutos de admissão, por exemplo.

Octanagem

A octanagem mede a capacidade da gasolina de resistir à detonação, ou a sua capacidade de resistir às exigências do motor sem entrar em auto-ignição antes do momento programado. A detonação, também conhecida como “batida de pino”, leva à perda de potência e pode causar sérios danos ao motor, dependendo de sua intensidade e persistência.

Um combustível de octanagem n é aquele que se comporta como se fosse uma mistura contendo n% de isooctano e (100-n)% de n.heptano. Por convenção, o isooctano puro tem octanagem 100 e o n.heptano puro tem octanagem zero. Hoje, alguns combustíveis aditivados possuem octanagem superior a escala posta, é uma nova tecnologia.

Para a Gasolina

No Brasil (com exceção do Rio Grande do Sul) é utilizada uma gasolina única no mundo, pois tratase de uma mistura de 76% de gasolina e 24% de álcool etílico (etanol). O teor de álcool na gasolina é objeto de Lei Federal, cuja especificação final é de responsabilidade da Agência Nacional de Petróleo – ANP.

No Estado do Rio Grande do Sul, ao invés de álcool, utiliza-se o MTBE (metil-tercio-butil-etileno) como oxigenador, i.e., aditivo que contém oxigênio para aumentar a eficiência da combustão do

Atualmente, a gasolina que compões esta mistura é produzida, em quase sua totalidade, pelas dez refinarias da Petrobras. O restante, por duas outras refinarias privadas: a de Manguinhos, no Rio de Janeiro, e a de Ipiranga, no Rio Grande do Sul. Já o álcool é produzido a partir da cana-de-açúcar em diversas destilarias espalhadas pelo país. A composição final da chamada gasolina brasileira, ou seja, a mistura de gasolina e álcool é realizada pelas Companhias Distribuidoras (Esso, Shell, Texaco, etc...), responsáveis também pela comercialização final do produto junto aos postos de serviço.

Desde janeiro de 1992, a gasolina brasileira é isenta de chumbo. O chumbo era utilizado mundialmente para aumentar a octanagem da gasolina, mas, por questões ambientais, vem sendo gradualmente eliminado. Atualmente, estão à disposição dos consumidores brasileiros 03 tipos de gasolina: comum, comum aditivada e premium. Esta classificação é dada segundo a octanagem da gasolina.

A octanagem da gasolina pode ser avaliada por dois métodos distintos: método Motor (MON –

Motor Octane Number) avalia a resistência da gasolina à detonação quando o motor está operando em condições mais severas – alta rotação e plena carga, como acontece em subidas com marcha reduzida e velocidade alta. O método Pesquisa (RON – Reserch Octane Number) avalia a resistência da gasolina à detonação quando o motor está operando em condições mais suaves – baixa rotação, como acontece em subidas com marcha alta. A octanagem das gasolinas brasileiras é equivalente à das gasolinas encontradas nos Estados Unidos e na Europa. É dada pela média entre os dois métodos, conhecida como Índice Antidetonante (MON +RON)/2.

As Gasolinas Comum e Comum-Aditivada têm octanagem de 86, indicadas para a maioria da frota de veículos circulante no Brasil. A Gasolina Premium possui maior octanagem, 91. Pode ser utilizada em qualquer veículo, mas não trará nenhum benefício se o motor não exigir este tipo de combustível (alta taxa de compressão, com monitoramento eletrônico, injeção multiponto e projetados para gasolinas de alta octanagem).

As Gasolinas Comum e Comum-Aditivada possuem a mesma octanagem, diferindo-se entre si apenas pela presença de um aditivo, do tipo “detergente dispersante” que tem a função de manter limpo todo o sistema por onde passa a gasolina.

Para o Etanol

No Brasil, o etanol (C2H5OH) é utilizado de duas maneiras:

ð Como mistura na gasolina, na forma de 24% de etanol anidro, a 9,6º Gay-Lussac (GL) e 0,4% de água, formando uma mistura “gasohol” com o objetivo de aumentar a octanagem da gasolina; ð Como etanol puro, na forma de etanol hidratado a 95,5º GL.

Nos outros países, as misturas de “gasohol” contêm tipicamente apenas 10% (ou menos) de etanol.

O etanol é um excelente combustível automotivo: apresenta um Índice de Octanagem superior ao da gasolina e tem uma Pressão de Vapor inferior, resultando em menores emissões evaporativas. A combustão no ar é inferior a da gasolina, o que reduz o número e a severidade de fogo nos veículos. O etanol anidro tem poder calorífico inferior e superior de 21,2 e 23,4 MJ/l (megaJoule por litro), respectivamente, contra 30,1 e 34,0 MJ/l da gasolina.

As principais propriedades da gasolina e do álcool estão indicadas abaixo: GASOLINA ETANOL

Calor específico (kJ/kg) 34.900 26.700 N.º de Octano (RON/MON) 91/80 109/98 Calor latente de vaporização (kJ/kg) 376 ~ 502 903

Razão Estequiométrica Ar/Combustível 14,5 9 Fonte: Goldemberg & Macedo

Taxa de Compressão (Relação)

Relação matemática que indica quantas vezes a mistura ar/combustível ou simplesmente o ar aspirado (no caso dos diesel) para dentro dos cilindros pelo pistão é comprimido dentro da câmara de combustão antes que se inicie o processo de queima. Assim, um motor a gasolina que tenha especificada uma taxa de compressão de 8:1, por exemplo, indica que o volume aspirado para dentro do cilindro foi comprimido oito vezes antes que a centelha da vela iniciasse a combustão, Figura 3.

Figura 3 – Definição de Taxa de Compressão

Do ponto de vista termodinâmico, a taxa de compressão é diretamente responsável pelo rendimento térmico do motor. Assim, quanto maior a taxa de compressão, melhor será o aproveitamento energético que o motor estará fazendo do combustível consumido. Por esse motivo é que os motores diesel consomem menos que um similar a gasolina: funcionando com taxas de compressão altíssimas (17:1 nos turbodiesel e até 2:1 nos diesel aspirados), geram a mesma potência consumindo menos combustível.

Há limitações físicas e técnicas para a simples ampliação da taxa. No primeiro caso, ocorre a dificuldade de obtenção de câmaras de combustão minúsculas. Já o seguinte apresenta restrições quanto propriedades do combustível, i.e., técnicas, o quanto cada um “tolera” de compressão antes de se autoinflamar (octanagem). A taxa de compressão corresponde à relação entre

Combustão de Câmara da Volume

Combustão de Câmara da Volume Motor do Cilindrada+ =TC chamando de V a cilindrada do motor e v o volume da câmara de combustão (volume morto), têm-se:

Tomando como exemplo o motor de um Corsa Sedan GL (GM), Figura 4. Do catálogo, obtêm-se as seguintes informações:

Motor Transversal M.P.F.I. Gasolina Cilindrada 1.6 1600 cm³ Número de Cilindros 04 Diâmetro do Cilindro 79,0 m Curso do Pistão 81,5 m Taxa de Compressão 9,4:1

Figura 4 – O veículo do exemplo.

· para um motor de 04 cilindros à 1600 cm³

• para uma Taxa de Compressão de 9,4:1

Pode-se então calcular a altura deixada no cilindro para a abertura das válvulas:

à hD v .

p D v h à h = 9,7 m

Com isso pode-se concluir que a Taxa de Compressão é uma propriedade inerente ao motor (bloco, cabeçote, pistões) e não ao combustível utilizado no mesmo.

Não se altera a Taxa de Compressão de um motor apenas modificando o tipo de combustível consumido.

Como exemplo, imagine que a altura (h) do cilindro que compões o volume morto (câmara de combustão) tenha sido rebaixada de 0,6 m. Qual será a nova Taxa de Compressão deste motor?

v TC

Assim, com a diminuição de 0,6 m a Taxa de Compressão aumentará de 9,4:1 para aproximadamente 10,0:1.

Auto-Ignição

Em razão das altas temperaturas na câmara de combustão ou octanagem incorreta da gasolina para a taxa de compressão do motor, algumas vezes o efeito auto-ignição pode ocorrer. Pontos quentes no interior da câmara passam a fazer o papel da vela de ignição, incandescendo a mistura ar/combustível antes mesmo de a vela de ignição iniciar o processo através da centelha elétrica. Uma vela com grau térmico muito alto para a situação em que o motor está sendo utilizado pode também ser o motivo da auto-ignição.

em casos extremos, furos na cabeça dos pistões ou mesmo sua fusão com o cilindro (Figura 5)Seus efeitos

Muito prejudicial ao funcionamento do motor, fazendo com que o mesmo perca potência e corra o risco de um superaquecimento ainda maior, a auto-ignição pode levar à destruição da câmara de combustão e, devastadores são idênticos aos do motor com ponto de ignição muito adiantado, o que pode acabar provocando detonações (Figura 6).

De uma maneira geral, o maior responsável pela auto-ignição é a carbonização da cabeça dos pistões e das câmaras de combustão em motores com alta compressão, fato que aumenta ainda mais a taxa de compressão por reduzir o volume da câmara de combustão, ou que estejam trabalhando com o avanço da ignição adiantado com relação ao ideal para aquele motor.

Aspecto

• Zona dos anéis e cabeça do pistão parcialmente destruídas.

• Furo no topo do pistão.

Aspecto

· Cabeça do pistão parcialmente destruída.

Avanço

Nome empregado mais comumente para designar o quanto a faísca da vela deverá ser avançada, com relação ao P.M.S. do pistão para iniciar o processo de combustão. Faz-se o avanço para se obter a máxima pressão sobre o pistão quando o mesmo atinge o P.M.S., melhorando a performance do motor.

Num automóvel, o avanço pode ser de 03 tipos: a vácuo, centrífugo ou eletrônico. Os dois primeiros, absolutamente mecânicos, atuam diretamente sobre o distribuidor (Figura 7), sendo passíveis de erro operacional.

O terceiro tipo de avanço, o eletrônico, existe na memória do sistema de comando da ignição ou, o que é bem mais moderno e comum atualmente, na central eletrônica que comanda a injeção e ignição, simultaneamente.

Outras Definições e Nomenclatura

A nomenclatura utilizada pelos fabricantes de motores, normalmente encontrada na documentação técnica relacionada, obedece a notação adotada pela norma DIN 1940. Existem normas americanas, derivadas das normas DIN, que adotam notações ligeiramente diferenciadas, porém com os mesmos significados.

Notação Nomenclatura Definição

D Diâmetro do

Cilindro Diâmetro interno do Cilindro.

s Curso do Pistão Distância percorrida pelo pistão entre os extremos do cilindro, definidos como Ponto Morto Superior (PMS) e Ponto Morto Inferior (PMI).

s /D Curso/Diâmetro Relação entre o curso e o diâmetro do pistão. (Os motores cuja relação curso/diâmetro = 1 são denominados motores quadrados.) n Rotação Número de revoluções por minuto da árvore de manivelas.

cm Velocidade Velocidade média do Pistão = 2 s n / 60 = s n / 30 A Área do Pistão Superfície eficaz do Pistão = p D2 / 4

Pe

Potência Útil É a potência útil gerada pelo motor, para sua operação e para seus equipamentos auxiliares (assim como bombas de combustível e de água, ventilador, compressor, etc.) z Número de Cilindros Quantidade de cilindros de dispõe o motor.

Vh Volume do Cilindro Volume do cilindro = A s

Vc Volume da Câmara Volume da câmara de compressão.

V Volume de

Combustão Volume total de um cilindro = Vh + Vc

VH Cilindrada Total Volume total de todos os cilindros do motor = z Vh e Relação de Compressão

Também denominada de razão ou taxa de compressão, é a relação entre o volume total do cilindro, ao iniciar-se a compressão, e o volume no fim da compressão, constitui uma relação significativa para os diversos ciclos dos motores de combustão interna. Pode ser expressa por (Vh + Vc )/Vc (é > 1).

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