Motores, Notas de estudo de Mecatrônica

Baixe Motores e outras Notas de estudo em PDF para Mecatrônica, somente na Docsity! 30 Motores de Combustão Interna Conceitos Básicos Luiz Carlos Martinelli Jr. Unijuí – Campus Panambi 31 Sumário INTRODUÇÃO......................................................................................................................................................33 DEFINIÇÃO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ......................................................................33 CLASSIFICAÇÃO DOS MCI.............................................................................................................................33 VANTAGENS & DESVANTAGENS.................................................................................................................34 DEFINIÇÕES.........................................................................................................................................................34 PONTO MORTO SUPERIOR E PONTO MORTO INFERIOR ......................................................................................34 CILINDRADA .........................................................................................................................................................35 CÂMARA DE COMPRESSÃO OU DE COMBUSTÃO, VOLUME MORTO...................................................................35 OCTANAGEM.........................................................................................................................................................36 Para a Gasolina...............................................................................................................................................36 Para o Etanol...................................................................................................................................................37 TAXA DE COMPRESSÃO (RELAÇÃO) ....................................................................................................................38 AUTO-IGNIÇÃO .....................................................................................................................................................40 AVANÇO................................................................................................................................................................41 OUTRAS DEFINIÇÕES E NOMENCLATURA ...........................................................................................................42 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS MOTORES ALTERNATIVOS............................................43 MOTOR A QUATRO TEMPOS.................................................................................................................................43 MOTOR DOIS TEMPOS ..........................................................................................................................................46 1º Tempo - Curso de Admissão e Compressão..............................................................................................46 2º Tempo - Combustão e Escape ....................................................................................................................46 MOTOR WANKEL ..............................................................................................................................................47 MOTOR QUASITURBINE .................................................................................................................................53 COMO FUNCIONA ..................................................................................................................................................53 VEÍCULOS HÍBRIDOS.......................................................................................................................................55 SELEÇÃO DOS COMPONENTES .............................................................................................................................56 1 – O motor elétrico ........................................................................................................................................56 2 – Armazenamento da Energia Elétrica.......................................................................................................57 3 – Os motores Térmicos ................................................................................................................................57 HONDA INSIGHT ...................................................................................................................................................57 FUEL CELL – CÉLULA DE COMBUSTÍVEL...............................................................................................58 CICLOS DE POTÊNCIA.....................................................................................................................................61 CICLO DE CARNOT................................................................................................................................................61 CICLOS DE OTTO E DIESEL...................................................................................................................................62 Ciclo Otto.........................................................................................................................................................62 Ciclo Quatro Tempos, Ciclo Otto ................................................................................................................................. 63 Ciclo Dois Tempos, Ciclo Otto..................................................................................................................................... 63 Ciclo de Diesel.................................................................................................................................................64 Ciclo Quatro Tempos, Ciclo Diesel.............................................................................................................................. 65 Ciclo Dois Tempos, Ciclo Diesel ................................................................................................................................. 65 CICLO MISTO ........................................................................................................................................................66 PRINCIPAIS COMPONENTES DOS MCI .....................................................................................................67 34 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 naval. Conforme 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 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 DEFINIÇÕES 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. 35 Figura 1 - Curso do Pistão 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: cilindrosNCurso D C .. 4 . 2         = π (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 mm Curso do pistão à 86,0 mm Taxa de Compressão à 9,2:1 assim: cm³ 229,19984.6,8. 4 6,8. 2 =        = π 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. 36 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. Figura 2 – Câmara de Combustão 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 trata- se 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 hidrocarboneto Gasolina (C8H18)n. 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 39 Como a Taxa de Compressão já é dada, pode-se calcular então o volume da câmara de combustão v. Figura 4 – O veículo do exemplo. • para um motor de 04 cilindros à 1600 cm³ • para um cilindro apenas à 400 4 1600 = cm³ • a Cilindrada à cm³ 486,39915,8. 4 9,7. . 4 V 22 === ππ Curso D • para uma Taxa de Compressão de 9,4:1 • volume morto v à cm³ 56,47 14,9 486,399 1 V = − = − = TC v Pode-se então calcular a altura deixada no cilindro para a abertura das válvulas: à h D v . 4 . 2π = à cm 97,0 9,7. 56,47.4 . .4 22 === ππ D v h à h = 9,7 mm 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 mm. Qual será a nova Taxa de Compressão deste motor? ( ) cm³ 605,4406,097,0. 4 9,7. . 4 . 22 =−== ππ hDv 40 956,9 605,44 605,44486,399V = + = + = v v TC Assim, com a diminuição de 0,6 mm 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. 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, em casos extremos, furos na cabeça dos pistões ou mesmo sua fusão com o cilindro (Figura 5). Seus efeitos 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. Figura 5 – Danificação por Pré-Ignição 41 Aspecto • Cabeça do pistão parcialmente destruída. Figura 6 – Danificação por Detonação 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. Figura 7 – O Sistema de Ignição Convencional e o Distribuidor 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. 44 Um ciclo de trabalho estende-se por duas rotações da árvore de manivelas, ou seja, quatro cursos do pistão. No primeiro tempo, com o pistão em movimento descendente, dá-se a admissão, que se verifica, na maioria dos casos, por aspiração automática da mistura ar-combustível (nos motores Otto), ou apenas ar (motor Diesel). Na maioria dos motores Diesel modernos, uma ventoinha empurra a carga para o cilindro (turbocompressão). No segundo tempo, ocorre a compressão, com o pistão em movimento ascendente. Pouco antes do pistão completar o curso, ocorre a ignição por meio de dispositivo adequado (no motor Otto), ou a auto- ignição (no motor Diesel). No Terceiro tempo, com o pistão em movimento descendente, temos a ignição, com a expansão dos gases e transferência de energia ao pistão (tempo motor). No quarto tempo, o pistão em movimento ascendente, empurra os gases de escape para a atmosfera. Durante os quatro tempos – ou duas rotações – transmitiu-se trabalho ao pistão só uma vez. Para fazer com que as válvulas de admissão e escapamento funcionem corretamente, abrindo e fechando as passagens nos momentos exatos, a árvore de comando de válvulas (ou eixo de cames) gira a meia rotação do motor, completando uma volta a cada ciclo de quatro tempos. 45 Os quatro tempos 1º TEMPO Curso de Admissão Estando o pistão no PMS, o mesmo começa a descer estando aberta a válvula de admissão (VA) e fechada a válvula de descarga (VD). O êmbolo, ao descer gera um vácuo no interior do cilindro, aspirando a mistura ar-combustível (Ciclo Otto) ou somente ar (Ciclo Diesel) até o PMI, quando a VA se fecha, cumprindo-se meia volta do virabrequim (180º). 2º TEMPO Curso de Compressão Estando VA e VD fechadas, a medida que o pistão desloca-se para o PMS, o mesmo comprime o conteúdo do cilindro, aumentando a sua temperatura e pressão interna, figura 03. O virabrequim gira outros 180º, completando o primeiro giro (volta completa - 360º). 3º TEMPO Curso de Combustão e Expansão Nesta fase produz-se a energia que será transformada em trabalho mecânico. Pouco antes do pistão atingir o PMS com VA e VD fechadas, a mistura ar- combustível é queimada. A energia liberada nesta combustão dá origem a uma força no êmbolo, deslocando-o do PMS ao PMI. Esta força é transmitida do êmbolo, através da biela, ao virabrequim girando-o (executa meia volta - 180º). 4º TEMPO Curso de Escape Com a VA fechada e a VD aberta, o êmbolo, ao deslocar-se do PMI para o PMS, onde VD se fecha, expulsa os produtos da combustão. O virabrequim executa outra meia volta - 180º, completando o ciclo (720º). Figura 8 - Os 4 tempos de um motor de combustão. 46 É importante salientar que somente no curso de combustão se produz energia mecânica, os outros três tempos são passivos, ou seja, absorvem energia. Figura 9 - Temperatura e Pressão no final da Compressão Motor Dois Tempos Os motores deste tipo combinam em dois cursos do êmbolo as funções dos motores de quatro tempos, sendo assim, há um curso motor para cada volta do virabrequim. Normalmente estes motores não têm válvulas, eliminando-se o uso de tuchos, hastes, etc. O carter, que possui dimensões reduzidas, recebe a mistura ar-combustível e o óleo de lubrificação. Deve ser cuidadosamente fechado pois nele se dá a pré- compressão da mistura. 1º Tempo - Curso de Admissão e Compressão O êmbolo dirige-se ao PMS, comprimindo a mistura ar-combustível. As janelas de escape e carga são fechadas, abrindo-se a janela de admissão. Com o movimento do êmbolo, gera-se uma pressão baixa dentro do carter e assim, por diferença de pressão admite-se uma nova mistura ar-combustível-óleo lubrificante, que será utilizado no próximo ciclo. O virabrequim dá meia volta, 180 graus, fechando o ciclo. Pouco antes de atingir o PMS, dá-se a centelha, provocando a combustão da mistura, gerando uma força sobre o êmbolo. Inicia-se então o próximo ciclo. 2º Tempo - Combustão e Escape É o curso de trabalho. No PMS, dado início à combustão por meio de uma centelha (spark), o êmbolo é forçado até o PMI. Durante o curso, o êmbolo passa na janela de descarga dando vazão aos gases da combustão. Ao mesmo tempo o êmbolo abre a janela de carga permitindo que uma nova mistura ar- 49 Figura 13 - Motor Rotativo utilizado no Mazda 1972 Talvez o melhor exemplo seja o magnífico NSU RO 80, com dois rotores, que começou a ser produzido em série em outubro de 1967, sendo que a versão com a direção do lado direito foi introduzida no mercado inglês em fins de 1968. Veremos agora como o motor funciona. Ele consiste essencialmente em uma câmara cujo formato interno se aproxima da forma de um oito. Dentro dela, um rotor mais ou menos triangular - o pistão - gira excentricamente com relação ao virabrequim ou eixo principal do motor. As formas destes dois elementos são tais que enquanto os cantos do pistão estão sempre eqüidistantes das paredes da câmara - e muito próximos a elas, formando uma vedação - eles sucessivamente aumentam e diminuem o espaço entre os lados convexos do triângulo - o rotor - e as paredes da câmara. Figura 14 - Mazda RX-7 1979 com motor rotativo Assim, se uma mistura for injetada numa das câmaras, quando está aumentando de tamanho, será comprimida na redução subseqüente de volume, enquanto o rotor, ou pistão, gira. Deste modo, o ciclo clássico de quatro tempos - injeção, compressão, explosão e exaustão - é produzido e, além disso, as três faces do rotor estão em três fases diferentes do ciclo, ao mesmo tempo. 50 Figura 15 - Mercedes Benz C-111 com motor rotativo As vantagens do motor Wankel sobre os motores de pistão convencional são muitas. Em primeiro lugar, não existem vibrações devido ao fato de que só há um movimento rotativo, e isso significa ainda menor desgaste e vida mais longa. Figura 16 - Motor Rotativo de 4 rotores utilizado no Mercedes C-111 O motor Wankel não tem nada de complicado: ao contrário, tem poucos componentes, é bem menor e consome bem menos do que os outros motores. Entre suas desvantagens incluem-se uma curva de potência não muito elástica e problemas em manter uma perfeita vedação entre os cantos do rotor e as paredes da câmara, o que causa algumas dificuldades devido ao rigor das especificações do projeto e às tolerâncias mínimas na produção. Figura 17 - NSU Spider, modelo esportivo de dois lugares com motor rotativo Wankel 51 No diagrama, a face CA do rotor pode ser vista nas posições 1 e 4, passando gradualmente através dos sucessivos estágios da primeira fase - injeção, na qual a mistura explosiva de ar e gasolina é introduzida na câmara. Voltemos à figura e vejamos o lado AB. Ele agora começa a fase que AC tinha atingido na figura IV - fase de compressão. Esta fase pode ser seguida nas posições 5, 6 e 7. Assim que este ponto é atingido, a única vela de ignição produz centelha, e os gases de explosão podem ser vistos na posição 8 produzindo a força para mover o rotor. Nas posições 9 e 10, pode-se ver o lado BC nas fases de explosão e expansão. Nas posições seguintes (11 e 12), ele expulsa a mistura queimada para fora da câmara de exaustão, caracterizando a etapa de exaustão do ciclo. Figura 18 - Esquema de funcionamento do motor Wankel Assim, três fases do ciclo realizaram-se sucessivamente em três lados do rotor, afastados 120º uns dos outros. Isto explica como um motor Wankel de 50cc pode facilmente desenvolver 50HP. Os 500cc referem-se ao volume entre a câmara e um lado do rotor; como vimos, isto é multiplicado por três, pelos três lados do rotor. Em 1995 a Mazda lança o Mazda RX-7, com as seguintes características: 54 Figura 21 – Esquema do Motor Quasiturbine A entrada da mistura ar-combustível se dá por uma janela, da mesma forma que o escapamento (essas aberturas podem ficar no contorno externo ou nas coberturas laterais). Há uma vela, que só é acionada na partida: depois de entrar em funcionamento, a ignição é contínua como numa turbina, sendo transferida por fendas ou orifícios. A alimentação pode ser feita por um carburador simples ou por injeção contínua (Figura 22). Por suas características, o QT funciona em baixa rotação (3.000 rpm parece um limite razoável). Seus criadores dizem que, para uma mesma potência, ele ocupa 30% menos espaço do que um motor a pistão, economizando ainda mais em peso (Figura 23 e Figura 24). O QT pode usar vários tipos de combustível, variando do diesel ao hidrogênio. Pode funcionar, também, a vapor ou ar comprimido ou ser usado como compressor. Como tem o centro vazio, ele permite a montagem interna de um gerador elétrico, o que o torna muito apropriado para o uso em aplicações híbridas. Se alimentado por um compressor, ele pode ser convertido de quatro para dois tempos, praticamente duplicando sua potência específica. Figura 22 – Esquema de Funcionamento do Motor Quasiturbine 55 Figura 23 – Partes Móveis do Motor Quasiturbine Figura 24 – O Motor Quasiturbine VEÍCULOS HÍBRIDOS Um veículo híbrido é um veículo que utiliza duas fontes de energia para se movimentar. Uma baseada em um motor elétrico e outra baseada em um motor térmico qualquer (turbina a gás, motor diesel, gasolina, Stirling e todos os modelos existentes no mercado). 56 Figura 25 – Componentes de um Veículo Híbrido O modo que armazena a energia elétrica é também uma das suas características principais e uma das que mais está se trabalhando nos últimos anos. Devido ao estado da tecnologia atual, é complicado armazenar grandes quantidades de energia elétrica, sendo que, devido a isso, a fonte principal de energia será o combustível que alimenta o motor térmico. O combustível armazena grande quantidade de energia em um volume pequeno, a qual é liberada pela combustão. O veículo híbrido possui algumas vantagens interessantes, vindas da origem elétrica do movimento, como por exemplo: - Frenagem regenerativa, que contribui para minimizar a energia perdida nas frenagens habituais na condução do veículo; - Motor elétrico é mais pequeno, de acordo com a carga média conduzida, já que o este é o que suporta os picos de carga como nas acelerações ou simplesmente no percurso normal; - Grande diminuição do consumo, que pode chegar a 50% do consumo normal de um veículo; - Grande diminuição das emissões, já que o motor térmico trabalha em regimes altamente eficientes e consome menos combustível; - Emprego de combustíveis alternativos, reduzindo a dependência dos combustíveis fósseis devido a grande variedade de motores térmicos que se pode usar. Seleção dos Componentes A seleção dos componentes de um veículo híbrido é feita sobre todas as opções viáveis, atendendo a configuração escolhida para o automóvel. Deve-se definir as características, dando-se prioridade para a potência ou a economia, na hora de escolher a configuração e os componentes do veículo. 1 – O motor elétrico O motor elétrico e seu mecanismo de controle é uma das peças fundamentais de qualquer veículo híbrido. Deve ser capaz de gerar eletricidade ou de gerar potência mecânica de maneira que se ajuste rapidamente as necessidades do veículo de forma que sua eficiência seja a mais alta possível. As duas possibilidades existentes para motores elétricos são: corrente contínua ou corrente alternada. a) Motores de Corrente Contínua. São os motores utilizados no passado para as aplicações de velocidade variável em motores elétricos. No entanto, graças aos avanços da eletrônica de potência hoje pode-se utilizar os motores de corrente alternada. O controle dos motores de corrente contínua é feito de forma fácil e simples e seus controles são muito baratos. Mas por um outro lado, os motores de corrente contínua são grandes e pesados. b) Motores de Corrente Alternada. Este tipo de motor necessita para sua utilização e controle em velocidades variáveis, instrumentos de eletrônica de potência que podem variar a freqüência da 59 Figura 27 – Metanol, a vida dos novos propulsores Fuel Cell - abastecimento convencional nos postos de serviço. Uma seqüência lógica comum: o carro é abastecido no posto com gasolina, álcool, metanol ou diesel (Figura 27), o combustível é admitido na célula, os elétrons são canalizados e, acumulados, provocam uma descarga elétrica que alimenta o ou os motores do automóvel. Naquele momento, qualquer dúvida existente quanto às possibilidades comerciais da célula de combustível deixaram de existir. Todos acreditam que a célula de combustível é o futuro mais provável. Crendo tanto quanto todos os outros fabricantes de automóveis, a DaimlerChrysler AG, que tinha no Classe A uma mula (protótipo em fase de desenvolvimento) perfeita para a adaptação deste tipo de trem de força, concentrou investimentos no desenvolvimento desta tecnologia, atualmente, seis anos mais tarde, somando mais de dois bilhões de marcos alemães (1,3 bilhões de dólares). A evolução começou a transparecer quando surgiram os conceitos NECAR (Novo Carro Elétrico) 3 e 4. A quantidade de platina necessária à produção da peça chave do reformador, a PEM (membrana que permite a troca de elétrons), caiu drasticamente, permitindo que um conjunto (PEM) capaz de produzir 35 kW (aproximadamente 50 Hp) pudesse ser construído por apenas 3 mil dólares. Nada mau se comparado aos 35- 40 mil dólares necessários até aquela data. Porém, a célula de combustível não apresenta dificuldades apenas quanto ao custo das PEM, a reformação do combustível deve acontecer a uma temperatura muito baixa, de forma a otimizar ao máximo o processo de obtenção de energia elétrica. Esse obstáculo, antes muito mais expressivo, vem sendo transposto e a temperatura de trabalho subindo – hoje em menos 20 graus centígrados – minimizando o peso do próprio veículo, outra grande barreira. Reduzir o peso dos conjuntos propulsores, tem sido, ultimamente, o maior desafio dos pesquisadores e fabricantes. A questão se compõe de: obter uma relação peso/potência favorável e evitar ao máximo a redução de peso calcada em materiais super caros, como: titânio, magnésio, compostos de alumínio, cerâmicas e polímeros como o nylon Zytel da Dupon, altamente resistente e quase indeformável – utilizado na grande maioria dos coletores de admissão dos motores novos. Então, chegou o NECAR 5 (Figura 28), como o próprio nome diz: a quinta versão NECAR. Nesta versão, a novidade é que todo o trem de força pode se alojado sob o assoalho (sanduíche) do Classe A, permitindo que todo o espaço, tanto para os passageiros quanto para bagagem pudesse ser mantido. Outra vantagem sobre a versão 4, é que, agora, o conjunto propulsor pesa menos 35% e é mais eficiente 50% - uma reviravolta na relação peso/potência. 60 Figura 28 – NECAR 5 - A última versão do conceito Fuel Cell DaimlerChrysler. Nas condições atuais, afirmam os responsáveis pelo projeto e o próprio Jürgen E. Schrempp – CEO da DaimlerChrysler AG –, o NECAR 5 poderá rodar entre 500-600 km com os 50 litros de metanol que podem ser armazenados num tanque comum do Classe A. Figura 29 – A seqüência de filtragem dos elétrons. A PEM permite a passagem dos prótons e faz os elétrons se acumularem. A empresa promete uma versão fuel cell para o uso urbano em coletivos para 2004. A Ford também já pôs as mangas de fora e apresentou uma versão pronta para a produção do Focus FCV. Embora similar ao conceito da arqui rival de dupla nacionalidade, o Focus é uma solução imediata, porém, com maiores limitações quanto ao desempenho e consumo. A Ford planeja a comercialização do seu primeiro fuel cell também para 2004. 61 CICLOS DE POTÊNCIA Ciclo de Carnot Para entender melhor, colocaremos aqui, de forma resumida o ciclo desenvolvido por um motor térmico, teórico, chamado Ciclo de Carnot. Sadi Carnot (1796-1832) publicou em 1823 uma brochura intitulada “Reflexões sobre a potência motriz do fogo”. Enunciava aí um ciclo ideal que, partindo da transformação de gases perfeitos, deveria ter um rendimento de aproximadamente 72%, o qual, aliás, nunca atingido por um motor térmico real. Conhecido com o nome de “Ciclo de Carnot”, este ciclo teórico se compõe das seguintes fases: 12 = compressão isotérmica 23 = compressão adiabática 34 = expansão isotérmica 41 = expansão adiabática (Figura 30) O ciclo de Carnot não pode ser objeto de nenhuma realização na prática. Pode ser descrito teoricamente da seguinte maneira: Primeira fase: compressão isotérmica uma massa gasosa é introduzida no cilindro e depois comprimida pelo pistão “temperatura constante”, sendo o cilindro esfriado durante esta fase. Segunda fase: compressão adiabática Sendo interrompido o resfriamento do cilindro, continua-se a compressão rapidamente de modo que nenhuma troca de calor tenha lugar entre o gás e o cilindro. Terceira fase: expansão isotérmica Ao passo que, durante a compressão isotérmica o cilindro deve ser resfriado, durante a expansão isotérmica, este mesmo cilindro exige aquecimento para tornar a temperatura constante. Quarta fase: expansão adiabática Continuando o repouso, faz-se cessar o reaquecimento do cilindro para que essa fase se efetue sem troca de calor com o cilindro e que a massa gasosa retome o volume e a pressão que possuía no início da primeira fase Figura 30 - Diagrama do Ciclo de Carnot O rendimento de um ciclo de Carnot depende somente das temperaturas nas quais o calor é fornecido ou rejeitado, dado pela relação: 64 Ciclo de Diesel (Volume Constante) Quando Diesel se interessou pelo motor térmico, procurou realizar industrialmente um motor concebido segundo o ciclo de Sadi Carnot. Sabe-se que a realização deste primeiro motor manifestou-se impossível. Diesel abandonou este ciclo, devido aos perigos que o mesmo apresentava pela compressão elevada demais (250kg); substituiu-o por um ciclo mais simples, conhecido como o nome de “ciclo Diesel”, cujo detalhe dá-se em seguida. Figura 32 - Diagramas do ciclo de Rudolf Diesel. A) diagrama teórico B) diagrama real. O enchimento e o esvaziamento do cilindro efetua-se com a pressão atmosférica, pois que: AB = compressão adiabática do ar puro aspirado antes; BC = combustão em pressão constante; CD = expansão adiabática; DA = baixa brutal da pressão. Primeira fase: compressão adiabática O ar puro aspirado anteriormente é comprimido e atinge uma temperatura suficiente para provocar a inflamação do combustível injetado. Segunda fase: compressão isobárica No começo da distensão, a combustão efetua-se em pressão constante, quando o volume aumenta e a expansão dos gases compensa a queda de pressão devida ao aumento de volume. Terceira fase: expansão adiabática A expansão efetua-se sem troca de calor com as paredes do cilindro. Quarta fase: baixa de pressão A abertura brutal do escapamento produz uma queda rápida da pressão enquanto o pistão báscula em ponto morto (volume constante). O ciclo Diesel aplica-se aos motores lentos estudados para a propulsão dos barcos. Dificilmente realizável em um motor de regime elevado, carros leves e veículos industriais, os engenheiros que continuaram o trabalho de Diesel o substituíram por um motor de ciclo misto cujo funcionamento relaciona-se ao mesmo tempo com o ciclo Diesel e com o de Beau de Rochas (Otto). O rendimento do ciclo Diesel é dado pela relação: 65 ( ) ( ) ( ) ( )ηt L H v D A p C B A D A B C B Q Q C T T C T T T T T kT T T = − = − − − = − − − 1 1 1 1 1 É importante notar que, no ciclo Diesel, a razão de compressão isoentrópica é maior do que a razão de expansão isoentrópica. Ciclo Quatro Tempos, Ciclo Diesel O engenheiro Rudolf Diesel (1858-1913), em fevereiro de 1892 publicou em Berlim um fascículo intitulado “Teoria e construção de um motor térmico racional” onde expunha suas idéias para a realização prática do ciclo de Carnot. Ainda na Alemanha, começa a construção do seu primeiro motor em Ausburgo. Em 1897, utilizando um já melhorado (monocilíndrico, diâmetro de 250mm, curso de 400mm e consumo de 247g de combustível por cavalo e por hora), desenvolve 20HP a 172rpm e rendimento térmico de 26,2% (os motores a gasolina rendiam 20% e os a vapor 10%). O motor desenvolvido, trabalhando a quatro tempos, possui basicamente duas grandes diferenças de um motor a gasolina: 1. O motor aspira e comprime apenas ar. 2. Um sistema de injeção dosa, distribui e pulveriza o combustível em direção dos cilindros. O combustível inflama-se ao entrar em contato com o ar, fortemente aquecido pela compressão. Utiliza taxa de compressão de, aproximadamente 19:1. Ciclo Dois Tempos, Ciclo Diesel O motor Diesel a dois tempos não trabalha com uma pré-compressão no carter. Ele tem carregamento forçado por meio de um compressor volumétrico (rotativo) ou de uma ventoinha. Possui também um sistema de lubrificação semelhante aos motores de quatro tempos, isto é, leva óleo no carter e possui bomba de óleo, filtro, etc. Vê-se, na Figura 88, um exemplo de motor Diesel dois tempos. Estando os orifícios de escapamento e de admissão fechados pelo pistão, que está aproximando-se do ponto morto superior, o combustível é injetado no cilindro e a combustão começa. As pressões elevadas, geradas pela combustão no tempo motor repelem em sentido oposto o pistão, que age na biela fazendo o virabrequim girar. 66 No fim do tempo motor, a posição do pistão permite a abertura do orifício de escapamento. A saída foi estudada de modo a garantir a evacuação rápida dos gases queimados no coletor de escapamento. Imediatamente depois, o orifício de admissão é descoberto e o ar contido na câmara de ar alimentada pelo compressor em baixa pressão entra precipitadamente no cilindro, expelindo os gases queimados residuais pelos orifícios de escapamento. Figura 33 - Esquema de funcionamento do Motor Diesel 2 tempos. Vantagens: O motor de dois tempos, com o mesmo dimensionamento e rpm, dá uma maior potência que o motor de quatro tempos e o torque é mais uniforme. Faltam os órgãos de distribuição dos cilindros, substituídos pelos pistões, combinados com as fendas de escape e combustão, assim como as de carga. Desvantagens: Além das bombas especiais de exaustão e de carga, com menor poder calorífico e consumo de combustível relativamente elevado; carga calorífica consideravelmente mais elevada que num motor de quatro tempos, de igual dimensionamento. SO = fendas de exaustão abertas; SS = fendas fechadas. De AO a SO expandem-se os gases de combustão; de AS até SS carga posterior (à vezes a alta pressão). Pode-se tomar como valores médios para os pontos de distribuição: AO ~ 70° antes do PMI; AS  30° depois do PMI; SO = 40° antes do PMI; SS ~ 40° depois do PMI. EB = início da injeção; EE = fim da injeção. Figura 34 - Gráfico de pressões em um motor Diesel de dois tempos com válvula de admissão no cabeçote e fendas de exaustão por fluxo contínuo. Ciclo Misto O ciclo misto aplica-se aos motores Diesel modernos. A Figura 90, que segue, mostra os diagramas teórico e real. 65 Biela Braço de ligação entre o pistão e o eixo de manivelas; recebe o impulso do pistão, transmitindo-o ao eixo de manivelas (virabrequim). É importante salientar que o conjunto biela-virabrequim transforma o movimento retilíneo do pistão em movimento rotativo do virabrequim. Figura 38. Virabrequim (Eixo de manivelas, Árvore de manivelas) Eixo motor propriamente dito, o qual, na maioria das vezes, é instalado na parte inferior do bloco, recebendo ainda as bielas que lhe imprimem movimento. Figura 94. Eixo Comando de Válvulas (Árvore Comando da Distribuição) A função deste eixo é abrir as válvulas de admissão e escape, respectivamente, nos tempos de admissão e escapamento. É acionado pelo eixo de manivelas, através de engrenagem, corrente ou ainda, correia dentada. É dotado de ressaltos que elevam o conjunto: tucho, haste, balancim abrindo as válvulas no momento oportuno. Figura 38. Figura 38 – Biela, Pistão e Bronzinas Válvulas Existem dois tipos: de admissão e de escape. A primeira abre-se para permitir a entrada da mistura combustível/ar (ou ar puro, conforme o caso) no interior do cilindro. A outra, de escape, abre-se para dar saída aos gases queimados. Figura 94. 66 Conjunto de Acionamento das Válvulas Compreende o tucho e uma haste, que o interliga ao balancim, apoiando-se diretamente sobre a válvula. No momento em que o eixo comando de válvulas gira, o ressalto deste aciona o tucho, que por sua vez move a haste, fazendo com que o balancim transmita o movimento à válvula, abrindo-a. Há um conjunto destes (tucho, haste, balancim) para cada ressalto, i. e., um para cada válvula, tanto de admissão quanto de escape. Figura 39. Figura 39 - Eixos, tuchos e válvulas COMBUSTÍVEIS Diesel Motores precisam, para a auto-ignição e queima perfeita, de combustíveis de alto ponto de ignição. A pré-combustão é a tendência do combustível à auto-ignição quando da injeção, no motor Diesel, e é característica importante para o desempenho do combustível, neste tipo de motor; é medida pelo índice de cetana. O óleo Diesel é uma mistura de hidrocarbonetos com ponto de ebulição entre 200 e 360°C, obtido por destilação do petróleo por hidrogenação, síntese, ou craqueamento catalítico a baixas temperaturas. Tem poder calorífico médio (ou calor de combustão) de 11.000 kcal/kg. O óleo Diesel comum, ou comercial, utilizado universalmente, embora atenda aos requisitos básicos em termos de características físicas e químicas, requer cuidados quanto ao manejo e utilização. A água, presente, em maior ou menor concentração, é o principal contaminante e deve sempre ser removida, por centrifugação ou filtragem especial com decantadores. Como os componentes das bombas e bicos injetores são construídos com folgas adequadas à lubrificação pelo próprio óleo Diesel, a presença de água os danifica 67 imediatamente. Além de água, todo óleo Diesel tem um certo teor de enxofre, que não pode ser removido, do qual resulta, após a combustão, compostos nocivos à saúde. São as seguintes as características e especificações para o óleo Diesel adequado: PROPRIEDADE ESPECIFICAÇÃO MÉTODO DE TESTE EM LABORATÓRIO Viscosidade ASTM D-445 1,3 a 5,8 CentiStoke a 40°C Número de Cetana ASTM D-613 No mínimo 40, exceto em clima frio e serviço em marcha lenta por períodos prolongados, quando será necessário numero mais elevado. Teor de Enxofre ASTM D-129 ou 1552 Não deve exceder a 1,0% em peso. Teor de água e sedimentos ASTM D-1796 Não deve exceder a 0,1% em peso. Resíduos de carbono ASTM D524 ou D-189 Não deve exceder a 0,25% em peso em 10% de resíduos. Ponto de fulgor ASTM D-93 52°C (125°F) mínimo. Algumas sociedades classificadoras exigem ponto de fulgor mais elevado. Ponto de Névoa ASTM D-97 12°C abaixo da temperatura esperada de operação. Corrosão por enxofre ativo sobre lâmina de cobre ASTM D- 130 Não deve exceder o n° 2 após 3 horas a 50°C. Teor de cinzas ASTM D-482 Não deve exceder a 0,02% em peso. Destilação ASTM D-86 A curva de destilação deve ser suave e contínua. 98% do combustível deve evaporar abaixo de 360°C. Todo o combustível deve evaporar abaixo de 385°C. Os hidrocarbonetos não carburados (perdas na exaustão e por vazamentos nas vedações dos pistões), o formaldeído (reação parcial da mistura de combustível e ar), o monóxido de carbono, os óxidos nítricos (reação do ar com pressão e temperaturas elevadas) e todos os componentes de mau cheiro como a fuligem podem causar problemas. A importância dos componentes carcinógenos e tóxicos nos gases de escapamento é preocupação no mundo inteiro e vem sendo objeto de padrões e normas para a proteção ambiental. Energia Térmica do Combustível A energia térmica liberada na combustão não é totalmente aproveitada para a realização de trabalho pelo motor. Na realidade, a maior parcela da energia é desperdiçada de várias formas. Motores Diesel de grande porte e baixa rotação tem melhor aproveitamento da energia obtida na combustão. O calor gerado pelo poder calorífico do óleo Diesel se dispersa e apenas uma parcela é transformada em potência útil. Para os motores Diesel de pequeno porte e alta rotação, em média, o rendimento térmico se situa entre 36 e 40%, o que para máquinas térmicas, é considerado alto. Abaixo vemos um diagrama de fluxo térmico para um motor Diesel de grande cilindrada (diagrama Sankey), onde se pode ter uma idéia de como o calor é aproveitado. 70 reduzir a lubrificação entre as camisas dos cilindros e os anéis de segmento, resultando, com a continuidade do processo, em desgaste, que num primeiro momento, é conhecido como “espelhamento” das camisas dos cilindros. Combustíveis Diesel com boa ignição, tem um pequeno retardo; proporcionam compressão uniforme para a combustão e operação suave do motor. O retardo da ignição, depende do tipo de combustível, pressão e temperatura na câmara de combustão. c) Retardo da injeção: Medido pela calagem da árvore de manivelas, é o intervalo de tempo necessário ao pistão da bomba de injeção, para levar a quantidade de combustível situada entre a canalização da bomba e o assento da válvula de injeção (bico injetor), à pressão de injeção. Infelizmente é quase impossível, especialmente nos motores de funcionamento rápido, controlar de maneira satisfatória o programa de combustão (“Lei de aquecimento”) e a variação da pressão durante a combustão mediante o início e o desenvolvimento da injeção, a não ser com baixa compressão, que por outro lado diminui o rendimento e se opõe frontalmente ao princípio do motor Diesel. No tempo de alguns centésimos de segundo entre o começo da injeção e a ignição, uma parte importante da quantidade injetada penetra na câmara de combustão e se inflama rápida e simultaneamente com o imprevisto aumento de pressão. Além disto, durante a ignição na fase fluida se formam peróxidos com um indesejável caráter explosivo. Estas “batidas” dão aos carburantes um maior retardamento de ignição impróprio para motores Diesel. A temperatura dos gases tem como limite superior a resistência das peças à alta temperatura e a qualidade do óleo lubrificante e como limite inferior, a temperatura da atmosfera. O limite superior de pressão é dado pelo fato de que um aumento de compressão, mesmo que pequeno, acarreta um aumento nas forças do motor e no seu peso. O limite inferior, é o da pressão atmosférica. As limitações de Volume são conseqüência da necessidade de se evitar expansões demasiado grandes, pois só se consegue uma pequena vantagem de potência com a desvantagem de um motor muito grande. Para avaliar o nível da conversão de energia no motor, há processos de cálculo que permitem determinar as limitações acima. Tipos de Injeção de Combustível O ponto mais importante é a formação da mistura mediante a injeção do combustível diretamente antes e durante a auto-ignição e combustão na carga de ar fortemente comprimida. Durante seu desenvolvimento foram encontradas várias soluções que em parte coexistem ainda em nossos dias. a) Injeção indireta: Uma pequena parte da câmara de combustão (antecâmara) é separada da parte principal mediante um estreitamento. O combustível, que em sua totalidade é injetado na antecâmara mediante uma bomba dosificadora a êmbolo com funcionamento de excêntrico, com uma pressão entre 80 e 120 at, dependendo do projeto do motor, inflama-se e queima parcialmente ali; a sobrepressão instantânea assim formada sopra a mistura inflamada com um efeito de pulverização e turbulência violentas através do “canal de disparo” até a câmara principal rica de ar. As paredes da antecâmara, sobretudo o ponto de impacto do jato entrante, são mantidas com a temperatura mais elevada possível, pois desta forma auxiliam na preparação e ignição do combustível. Embora tenha a vantagem de produzir menos componentes de gás de escape prejudiciais à saúde, produz maiores perdas de calor, devido a multiplicação de superfícies de permutação, o que resulta em maior consumo específico de combustível e, atualmente, é um processo pouco utilizado nos motores modernos. 71 Antecâmara no cabeçote de um motor Diesel de 4 tempos. A parte inferior da antecâmara a é quente, porque se encontra separada das paredes refrigeradas pelo entreferro. Descontinuidade da pressão na antecâmara e insuflação na parte principal da câmara de combustão mediante um canal injetor. b = tubulação de combustível; c = ignição auxiliar para partidas a frio; d = passagem da água de refrigeração para o cabeçote. Antecâmara tipo esférica. A câmara de turbulência a contém quase toda a carga de ar que, no percurso de compressão, penetra tangencialmente pelo canal b começando um movimento circular; c = tubulação de combustível. Figura 41 – Tipos de Injeção Indireta b) Injeção direta: O combustível é injetado diretamente sobre a cabeça do pistão mediante um bico injetor, com um ou vários pequenos furos (diâmetros de 0,1 a 0,3 mm) direcionados segundo um ângulo apropriado. Funciona com pressões muito elevadas (até 400 at) para conseguir uma pulverização muito fina e uma distribuição adequada do combustível no ar de carburação. O jato único forma uma neblina composta de gotas minúsculas que costuma se inflamar em primeiro lugar na proximidade de entrada. A formação da mistura é acelerada e melhorada quando o ar de carburação executa um movimento rápido em relação à névoa do combustível. Com isto o movimento circular e turbulento do ar se produz de várias formas já com o processo de sucção ou com a compressão. A maioria dos motores modernos utilizam o processo de injeção direta de combustível, em virtude do seu melhor rendimento térmico. 72 Figura 42 – Processos de injeção direta. a = injeção direta no ar parado (Cummins); b = jato sobre a cabeça do pistão com câmara de mistura térmica (processo MAN-M). Componentes do Sistema de Injeção a) Bomba injetora: A injeção do combustível Diesel é controlada por uma bomba de pistões responsável pela pressão e dosagem para cada cilindro, nos tempos corretos. Na maioria dos motores Diesel, utiliza-se uma bomba em linha dotada de um pistão para cada cilindro e acionada por uma árvore de cames que impulsiona o combustível quando o êmbolo motor (pistão) atinge o ponto de início de injeção, no final do tempo de compressão. Alguns motores utilizam bombas individuais para cada cilindro e há outros que utilizam uma bomba de pressão e vazão variáveis, fazendo a injeção diretamente pelo bico injetor acionado pela árvore de comando de válvulas. Há ainda aqueles que utilizam bombas rotativas, que distribuem o combustível para os cilindros num processo semelhante ao do distribuidor de corrente para as velas utilizado nos motores de automóveis. As bombas injetoras, rotativas ou em linha, para que funcionem, são instaladas no motor sincronizadas com os movimentos da árvore de manivelas. Ao processo de instalação da bomba injetora no motor dá-se o nome de calagem da bomba. Cada fabricante de motor adota, segundo o projeto de cada modelo que produz, um processo para a calagem da bomba injetora. Na maioria dos casos, a coincidência de marcas existentes na engrenagem de acionamento da bomba com as marcas existentes na engrenagem acionadora é suficiente para que a bomba funcione corretamente. Em qualquer caso, porém, é absolutamente necessário consultar a documentação técnica fornecida pelo fabricante, sempre que se for instalar uma bomba injetora, pois os procedimentos são diferentes para cada caso. 75 Figura 46 – Posições da Bomba de Injeção Figura 47 – Posições da Bomba de Injeção b) Bicos injetores: Normalmente instalados nos cabeçotes, tem a finalidade de prover o suprimento de combustível pulverizado em forma de névoa. A agulha do injetor se levanta no começo da injeção devido ao impacto da pressão na linha de combustível, suprida pela bomba injetora. Durante os intervalos de tempo entre as injeções, se mantém fechado automaticamente pela ação de uma mola. Uma pequena quantidade de combustível, utilizada para lubrificar e remover calor das partes móveis dos injetores é retornada ao sistema de alimentação de combustível. Os bicos injetores, assim como as bombas, são fabricados para aplicações específicas e não são intercambiáveis entre modelos 76 diferentes de motores. Em muitos casos, um mesmo modelo de motor, em decorrência de alguma evolução introduzida na sua produção, utiliza um tipo de bico injetor até um determinado número de série e outro a partir de então, sem que sejam intercambiáveis entre si. É necessário ter atenção especial quando for o caso de substituir bicos ou bombas injetoras, para que sejam utilizados os componentes corretos. A agulha do bico b que fecha com o auxílio de uma forte mola a, é levantada pela elevada pressão do combustível bombeado em c. d = linha de pressão; e = parafuso de ajuste para a regulação da pressão de injeção; f = linha de retorno do combustível utilizado para lubrificação e refrigeração do bico injetor. Figura 48 – Bico injetor. LUBRIFICAÇÃO DO MOTOR O sistema de lubrificação do motor Diesel é dimensionado para operar com um volume de óleo lubrificante de 2 a 3 litros por litro de cilindrada do motor e vazão entre 10 e 40 litros por Cavalo-hora, conforme o projeto do fabricante. Os componentes básicos do sistema de lubrificação, encontrados em todos os motores Diesel, são: a) Carter de óleo, montado sob o bloco, dotado de capacidade adequada à potência do motor; b) Bomba de circulação forçada, geralmente do tipo de engrenagem, acionada pela árvore de manivelas do motor; c) Regulador de pressão (geralmente uma válvula na própria bomba); d) Trocador de calor do óleo lubrificante; e) Filtro(s) de fluxo integral e de desvio e f) Acessórios, tais como sensores de pressão, pressostatos e manômetro. 77 a = cárter de óleo, b = “pescador” com filtro de tela; c = bomba; d = linha de pressão; e = válvula para limitação da pressão; f = filtro de fluxo total; g = linha de derivação (“bypass” para o filtro auxiliar); h = indicador de pressão ou comutador de segurança; i = trocador de calor e k = linha para o motor. Figura 49 – Sistema de lubrificação: 1. Bomba de óleo 2. Para o arrefecedor de óleo 3. Saindo do arrefecedor de óleo 4. Bico pulverizador de arrefecimento do pistão 5. Galeria principal de óleo 6. Buchas da árvore de comando 7. Lubrificação para a parte superior do motor 8. Mancais principais 9. Passagem para lubrificação das bielas 10. Linha sinalizadora da pressão do óleo na galeria principal. Figura 50 – Sistema de Lubrificação do motor Cummins Série N/NT/NTA-855. Filtros Os filtros, na maioria dos casos, são do tipo cartucho de papel descartável e devem ser substituídos a cada troca do óleo lubrificante, nos períodos recomendados pelo fabricante do motor. Atualmente, o tipo mais utilizado é o “spin-on”, atarrachante. O filtro de fluxo integral é dotado de uma válvula acionada por pressão diferencial que, em caso de entupimento do elemento, abre-se, deixando circular o óleo sem filtrar, não permitindo que o motor trabalhe sem circulação de lubrificante. Nem sempre é vantajoso utilizar o elemento de filtro mais barato. Aparentemente, todos os elementos de filtro disponíveis no mercado (e são muitos) são iguais. Entretanto, há diferenças imperceptíveis que devem ser consideradas. Como não é possível, para o consumidor fazer testes de qualidade dos filtros aplicados nos motores que utiliza, é recomendável que se adquiram somente elementos de filtro que sejam homologados pelos fabricantes de motores, os quais já efetuarem os testes de qualidade apropriados. São conhecidos como marcas de primeira linha e, em geral, equipam motores que saem da linha de montagem. Trocador de Calor O trocador de calor (ou radiador de óleo) tem a finalidade de transferir calor do óleo lubrificante, cuja temperatura não pode ser superior a 130°C, para o meio refrigerante utilizado no motor. Nos motores refrigerados a ar o trocador de calor é instalado na corrente de ar. A transferência de calor para o refrigerante é de aproximadamente 50 kcal / cv.h para os motores refrigerados a água e de 100 kcal / cv.h nos motores com refrigeração a ar. Óleo Lubrificante O óleo lubrificante está para o motor assim como o sangue está para o homem. Graças ao desenvolvimento da tecnologia de produção de lubrificantes, é possível, atualmente, triplicar a vida útil dos 80 Detergentes Compostos organo-metálicos, tais como fosfatos, alcoolatos, fenolatos. Sabões de elevado peso molecular, contendo metais como magnésio, bário e estanho. Dispersantes Compostos organo-metálicos, tais como naftenatos e sulfonatos. Sais orgânicos contendo metais com cálcio, cobalto e estrôncio. Agentes de pressão extrema Compostos de fósforo, como fosfato tricresílico, óleo de banha sulfurado, compostos halogenados. Sabões de chumbo, tais como naftenato de chumbo. Preventivos contra a ferrugem Aminas, óleos gordurosos e certos ácidos graxos. Derivados halogenados de certos ácidos graxos. Sulfonatos. Redutores do ponto de fluidez Produtos de condensação de alto peso molecular, tais como fenóis condensados com cera clorada. Polímeros de metacrilato. Reforçadores do índice de viscosidade Olefinas ou iso-olefinas polimerizadas. Polímeros butílicos, ésteres de celulose, borracha hidrogenada. Inibidores de espuma Silicones Como a viscosidade é a característica mais importante do óleo lubrificante, é natural que os centros de pesquisas do ramo dedicassem especial atenção a essa propriedade. Sabe-se que todos os óleos apresentam uma sensibilidade à temperatura, no que concerne à viscosidade; alguns serão mais sensíveis que outros, observando-se que os óleos naftênicos sofrem mais a sua ação que os parafínicos. Com o desenvolvimento técnico exigindo qualidades mais aprimoradas dos óleos, muitas vezes chamados a trabalhar em condições de temperatura bastante variáveis, tornou-se necessário conhecer bem as características viscosidade versus temperatura em uma faixa bastante ampla. A variação da viscosidade com a temperatura não é linear. Ou seja, não é possível estabelecer, a priori, quanto irá variar a viscosidade quando for conhecida a variação de temperatura. Os estudos desenvolvidos nessa área até os dias atuais, levaram os fabricantes de lubrificantes a produzirem óleos capazes de resistirem às variações de temperatura, de forma a se comportarem como se pertencessem a uma classe de viscosidade a zero grau Farenheit e a outra classe a 210 graus Farenheit. Tais óleos são conhecidos como “multigrade” ou multiviscosos. Os fabricantes de motores Diesel, também, como resultado das pesquisas que realizam, chegaram a desenvolver composições de óleos que hoje são encontradas a venda no mercado. A Caterpillar desenvolveu o óleo que hoje é comercializado com a classificação denominada “Série – 3”, que é indicado para uso em motores Diesel turbo-alimentados e supera todas as classificações API. A Cummins desenvolveu um óleo fortemente aditivado com componentes sintéticos, que denominou de “Premium Blue”, cuja licença de fabricação, nos Estados Unidos, já foi concedida à Valvoline. Sua principal característica é a alta durabilidade. Atualmente, a melhor indicação para lubrificação dos motores Diesel que operam em temperaturas superiores a 14°F (-10°C), recai sobre os óleos multiviscosos (15w40 ou 20w40), que mantém durante o funcionamento do motor a viscosidade praticamente constante e são aditivados para preservar suas características durante um maior numero de horas de serviço. REFRIGERAÇÃO (OU ARREFECIMENTO) O meio refrigerante na maioria dos casos é água com aditivos para rebaixar o ponto de congelamento (por exemplo: etileno-glicol, recomendado para utilização em regiões mais frias) e para proteger contra a corrosão (óleos emulsionáveis ou compostos que, em contato com a água, tendem a formar películas plásticas). A quantidade do meio refrigerante é pequena (de 3 a 6 litros), para poder chegar rapidamente à temperatura de serviço; eventual reserva é feita no radiador e tanque de expansão. 81 O rebaixamento da temperatura da água no radiador é da ordem de 5°C. As bolhas de vapor que se formam nos pontos de pressão mais baixa (antes da bomba) devem ser eliminadas através da linha “i” e, chegando ao tanque de expansão “a”, se condensam. A capacidade de pressão da bomba centrífuga é de 10 a 20 m de elevação e a quantidade de água em circulação é proporcional à velocidade. O fluxo do meio de refrigeração é controlado por válvula(s) termostática(s). a = reservatório com tampa de alimentação (tanque de expansão); b = bomba centrífuga; c = bloco do motor; d = cabeçote(s) dos cilindros; e = radiador; f = trocador de calor; g = válvula termostática; h = válvula manual para alimentação; i = eliminação das bolhas de vapor. As temperaturas (em °C) de abertura das válvulas termostáticas estão assinaladas nas circulações correspondentes. Figura 51 – Sistema de Refrigeração (ou de arrefecimento) do motor diesel (típico) É falsa a idéia de que a eliminação da válvula termostática melhora as condições de refrigeração do motor. Muitos mecânicos, ao se verem diante de problemas de superaquecimento do motor, eliminam a válvula termostática, permitindo que o motor trabalhe abaixo das temperaturas ideais em condições de poucas solicitações e, quando sob regime de maior rotação e carga, não disponha da quantidade suficiente de água para troca de calor. A pressão interna do sistema é controlada pela válvula existente na tampa do radiador (ou do tanque de expansão) que, em geral, é menor que 1,0 at. Pressões entre 0,5 e 1,0 at, permitem o dimensionamento do radiador com menor capacidade, entretanto, com pressões nesta faixa, as juntas e vedações ficam submetidas a solicitações mais elevadas. É necessário manter a pressurização adequada do sistema de refrigeração, de acordo com as recomendações do fabricante do motor, pois baixas pressões proporcionam a formação de bolhas e cavitação nas camisas dos cilindros. Os cabeçotes devem receber um volume adequado de água, mesmo com temperaturas baixas, para não comprometer o funcionamento das válvulas de admissão e escapamento. Normalmente, a pressão de trabalho do sistema de arrefecimento encontra-se estampada na tampa do radiador. Ao substituir a tampa, é necessário utilizar outra de mesma pressão. a = afluxo; b = saída fria; c = saída quente; d = prato da válvula do lado quente com frestas de vedação para deixar escapar o ar durante o abastecimento; e = prato da válvula lado frio; f = enchimento de cera; g = vedação de borracha; o curso da válvula depende da variação de volume do material elástico (cera) durante a fusão ou solidificação. Figura 52 – Válvula Termostática para regulação do fluxo de água de refrigeração. 82 a = válvula de sobrepressão; b = molas de a; c = tubo de descarga; d = válvula de depressão; e = tampa. Figura 53 – Tampa do Radiador com válvulas de sobrepressão e de depressão. Água de Refrigeração A água do sistema de refrigeração do motor deve ser limpa e livre de agentes químicos corrosivos tais como cloretos, sulfatos e ácidos. A água deve ser mantida levemente alcalina, com o valor do PH em torno de 8,0 a 9,5. Qualquer água potável que se considera boa para beber pode ser tratada para ser usada no motor. O tratamento da água consiste na adição de agentes químicos inibidores de corrosão, em quantidade conveniente, geralmente por meio de um filtro instalado no sistema, conforme recomendado pelo fabricante. A qualidade da água não interfere no desempenho do motor, porém a utilização de água inadequada, a longo prazo, pode resultar em danos irreparáveis. A formação de depósitos sólidos de sais minerais, produzidos por água com elevado grau de dureza, que obstruem as passagens, provocando restrições e dificultando a troca de calor, são bastante freqüentes. Água muito ácida pode causar corrosão eletrolítica entre materiais diferentes. O tratamento prévio da água deve ser considerado quando, por exemplo, for encontrado um teor de carbonato de cálcio acima de 100 ppm ou acidez, com PH abaixo de 7,0. O sistema de arrefecimento, periodicamente, deve ser lavado com produtos químicos recomendados pelo fabricante do motor. Geralmente é recomendado um “flushing” com solução a base de ácido oxálico ou produto similar, a cada determinado numero de horas de operação. SISTEMA DE PARTIDA Os dispositivos de partida do motor Diesel podem ser elétricos, pneumáticos ou a mola. A partida elétrica é empregada na maioria dos casos. Utiliza-se se a partida pneumática ou a mola, onde, por qualquer motivo, não seja viável a utilização de partida elétrica, que é o meio de menor custo. A partida a mola só é aplicável em motores Diesel de menor porte, abaixo de 100 CV. Para motores Diesel de grande cilindrada, a partida a ar comprimido é feita por meio da descarga de certa quantidade de ar sob alta pressão em um cilindro predefinido, cujo êmbolo é posicionado próximo ao PMS para receber o primeiro impulso. Ao deslocar-se rapidamente em sentido descendente, faz com que em outros cilindros os êmbolos atinjam o PMS do tempo de compressão e recebam injeção de combustível, iniciando o funcionamento. Nos motores de menor porte, pode-se instalar um motor de partida a ar comprimido, que funciona de modo similar ao motor elétrico. Geralmente esta solução é adotada em ambientes onde, por motivo de segurança, não se permitam o uso de componentes elétricos que possam produzir faíscas. A potência do motor de partida para os motores Diesel varia de 0,6 a 1,2 CV por litro de cilindrada do motor Diesel. (Valores mais baixos para motores de maior cilindrada e vice-versa). Devido ao consumo de energia durante as partidas, os motores Diesel, atualmente, até cerca de 200 CV, utilizam sistema elétrico de 12 Volts. Para os motores maiores, utiliza-se sistemas de 24 Volts. O motor de partida é dotado de um pinhão na extremidade do eixo (geralmente com 9, 10 ou 11 dentes), montado sobre ranhuras helicoidais que permitem o seu movimento no sentido axial. Este mecanismo é normalmente denominado “Bendix”. Quando o motor de partida é acionado, o pinhão avança sobre as ranhuras helicoidais e acopla-se à uma engrenagem instalada na periferia do volante, conhecida como cremalheira do volante, que, na maioria dos motores, tem 132 dentes. (Existem motores com relação cremalheira / pinhão de até 20 : 1). O movimento do pinhão arrasta 85 O turbo-alimentador, devido às altas rotações de operação, trabalha com o eixo apoiado sobre dois mancais de buchas flutuantes, que recebem lubrificação tanto interna quanto externamente. Ao parar o motor, durante um certo intervalo de tempo, o turbo-alimentador continuará girando por inércia sem receber óleo lubrificante, uma vez que a bomba de óleo parou de funcionar. Neste período, ocorre contato entre a bucha e a carcaça e também entre a bucha e o eixo, provocando desgaste. A duração do período em que o turbo- alimentador permanece girando por inércia depende da rotação em que operava o motor quando foi desligado, bem como da carga a que estava submetido. Nos grupos Diesel-geradores, onde habitualmente se desliga o motor em alta rotação imediatamente após o alívio da carga, a durabilidade do turbo-alimentador fica sensivelmente reduzida, podendo ser medida em numero de partidas ao invés de horas de operação. Nas demais aplicações, onde não há paradas freqüentes do motor em alta rotação, a durabilidade do turbo- alimentador pode chegar a até 4.000 horas, contra o máximo de 1.000 partidas nos grupos Diesel-geradores. Por isso recomenda-se não parar o motor imediatamente após o alívio da carga, deixando-o operar em vazio por um período de 3 a 5 minutos. Existe um dispositivo acumulador de pressão para ser instalado na linha de lubrificação do turbo-alimentador que ameniza os efeitos das paradas, porém não é fornecido de fábrica pelos fabricantes de motores Diesel, devendo, quando for o caso, ser instalado pelo usuário. Os reparos no turbo-alimentador devem ser feitos, de preferência, pelo fabricante. A maioria dos distribuidores autorizados disponibiliza para os usuários a opção de venda de remanufaturado a base de troca, que além de ser rápida, tem a mesma garantia da peça nova. Em geral, as oficinas que se dizem especializadas, utilizam buchas de bronze (em substituição das buchas sinterizadas) e usinam as carcaças quando da realização de recondicionamentos e, na maioria dos casos, não dispõem do equipamento para balanceamento do conjunto rotativo, fazendo com que a durabilidade de um turbo-alimentador recondicionado nessas condições fique ainda mais reduzida. O defeito mais freqüente é o surgimento de vazamentos de óleo lubrificante, que quando ocorre pelo lado do rotor frio, pode consumir o óleo lubrificante do carter sem que seja percebido. Em geral, o mau funcionamento do turbo-alimentador é percebido pela perda de potência do motor sob plena carga e pela presença de óleo lubrificante e fumaça preta na tubulação de escapamento. Em alguns casos, pode-se perceber ruído anormal. Filtro de ar obstruído também é uma causa freqüente de defeito do turbo-alimentador. O efeito da sucção do rotor do compressor no interior da carcaça puxa óleo lubrificante através das vedações do eixo, provocando deficiência de lubrificação e consumo excessivo de lubrificante. 86 Figura 57 - Seção longitudinal de um motor OHC Chrysler 4 cilindros de 2,2 litros 87 Figura 58 - Motor Diesel Cummins modelo 6CT8.3, em corte. 90 Crash Test Information ð www.nhtsa.dot.gov ð http://gwuva.gwu.edu/ncac ð www.insure.com/auto/index.html ð www.fia.com/tourisme/safety/safint.thm ð www.osa.go.jp/2e.html ð www.webmotors.com.br ð www.newmotorage.com Treinamentos, Fitas de Vídeo, Curiosidades ð www.setenet.com.br Fitas de vídeo, apostilas ð www.saebr.org.br Livros, revistas, cursos e mini-cursos ð www.sae.org Livros, revistas, artigos técnicos ð www.centrotecnico.com.br Treinamento ð www.oficinabrasil.com.br Revista especializada ð www.duvidacruel.com.br Informações interessantes Peças e Acessórios ð www.dana.com.br Autopeças ð www.ngk.com.br Velas e cabos de ignição, sensores de detonação e oxigênio ð www.delphiauto.com Autopeças, sistemas e sub-sistemas automotivos ð www.eaton.com.br Cabeçotes, embreagens, transmissões ð www.fras-le.com.br Pastilhas e lonas de freio ð www.fmaster.com.br Freios ð www.ksp.com.br Autopeças, pistões, cilindros de alumínio ð www.lukbrasil.com.br Embreagens, sistemas hidráulicos/eletrônicos de acionamento ð www.bosh.de Autopeças elétricas, injeção eletrônica, eletrônica embarcada ð www.sabo.com.br Autopeças, retentores, juntas e mangueiras ð www.sachs.de Embreagens e sistemas de suspensão ð www.siemens.com.br Sist. de injeção, controles de emissões, conversores catalíticos ð www.sifco.com.br Eixos dianteiros, virabrequins, coroa, pinhões, semi-eixos ð www.kncl.krupp.com.br Componentes de motor, suspensão, direção e transmissão ð www.trw.com Componentes de direção, suspensão, cintos de segurança, airbags ð www.visteon.com.br Sistemas e sub-sistemas automotivos ð www.zf.group.com.br Sistemas de transmissões e direções ð www.elliott-turbocharger.com Sistemas de sobre-alimentação Motores Especiais Wankel > www.monito.com/wankel 5 www.wankel-rotary.com & QuasiTurbine 5 www quasiturbine.com [E 91 € anna:  92 ð Montadoras www.gm.com.br www.honda.com.br www.citröen.com.br www.jeepcom.br www.dogde.com.br www.kiamotors.com.br www.ferraribrasil.com.br www.mazda.com.br www.fiat.com.br www.mercedes-benz.com.br www.ford.com.br www.mitsubishimotors.com.br www.nissan.com.br www.suzuki.com.br www.peugeot.com.br www.toyota.com.br