mecânica de automoveis

mecânica de automoveis

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Máquinas Térmicas

Apostila de Motores de Combustão Interna

Os motores de combustão podem ser classificados como de:

• COMBUSTÃO EXTERNA: no qual o fluido de trabalho está completamente separado da mistura ar/combustível, sendo o calor dos produtos da combustão transferido através das paredes de um reservatório ou caldeira, ou de

• COMBUSTÃO INTERNA, no qual o fluido de trabalho consiste nos produtos da combustão da mistura de ar/combustível.

Uma vantagem fundamental do motor alternativo de combustão interna, sobre as instalações de potência de outros tipos, consiste na ausência de trocadores de calor no circuito do fluido de trabalho, tal como a caldeira e condensador de uma instalação a vapor. A ausência dessas peças não apenas conduz à simplificação mecânica mas, também, elimina a perda inerente ao processo de transmissão de calor através de um trocador de área finita. O motor alternativo de combustão interna possui outra vantagem fundamental importante sobre a instalação a vapor ou turbina a gás, a saber: todas as peças podem trabalhar a temperaturas bem abaixo da máxima temperatura cíclica. Este detalhe possibilita o uso de temperaturas cíclicas bastante altas e torna possível alta eficiência.

Vantagens Desvantagens

• arranque rápido • trabalho em rotações relativamente baixas

• pequeno tamanho

• fácil manutenção

• limitação de potência • não utilização de combustíveis sólidos

• peso elevado para potência

• elevado número de peças

• baixa eficiência

1. Maior eficiência máxima; 2. Menor razão de peso e volume da instalação para a potência máxima (exceto, possivelmente, no caso de unidades maiores do que 7353 kW ou 10.0 CV); 3. Maior simplicidade mecânica; 4. O sistema de refrigeração de um motor de combustão interna transfere uma quantidade de calor muito menor do que o condensador de uma instalação a vapor de igual potência e, normalmente,é operada com temperaturas mais elevadas na superfície. O menor tamanho do trocador de calor é uma vantagem nos veículos de transporte e em outras aplicações, nas quais o resfriamento deve ser feito por meio de ar atmosférico.

1. A instalação a vapor pode usar maior variedade de combustíveis, incluindo os sólidos; 2. Menos suscetíveis a vibrar; 3. A turbina a vapor é prática nas unidades de grande potência (de 147000 kW ou mais) em um único eixo.

Os MCI podem ser classificados em:

a) Quanto a propriedade do gás na admissão: • ar (Diesel)

• mistura ar-combustível (Otto) b) Quanto à ignição • por centelha (ICE) [spark ignition (SI)]

• por compressão (ICO) [compression ignition (CI)] c) Quanto ao movimento do pistão

• Alternativo (Otto, Diesel)

• Rotativo (Wankel, Quasiturbine) d) Quanto ao ciclo de trabalho

• 4 tempos e) Quanto ao número de cilindros

• monocilíndricos

• policilíndricos f) Quanto à disposição dos cilindros

• em linha à opostos (boxer)

• em V à em estrela (radial) g) Quanto à utilização

• ESTACIONÁRIOS - Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como

• Geradores, máquinas de solda, bombas ou outras máquinas que operam em rotação constante;

• 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;

• VEICULARES - Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, tais como caminhões e ônibus;

• 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, médiocontínuo e contínuo)

Também pode-se classificar os motores de combustão interna segundo os vários sistemas que os compõem, por exemplo:

.. Motores com carburação (Otto) .. Motores com injeção (Diesel, Otto)

.. Ar (natural ou forçada) .. Água (termo-sifão, forçada)

.. Magneto .. Bateria · DISPOSIÇÃO DAS VÁLVULAS .. em I, L, T, F

· DISPOSIÇÃO DO COMANDO DE VÁLVULAS .. no bloco .. no cabeçote (OHC, DOHC)

TAXA DE COMPRESSÃO6 a 9 gasolina9 a 14 álcool 14 a 2

DESPERDÍCIO DECOMBUSTÍVELHÁ DESPERDÍCIO(lavagem de anéis) NÃO HÁ

São motores nos quais um membro rotativo é disposto de forma a variar o volume de trabalho de maneira análoga ao de um compressor do tipo palheta, ou por meio de alguma espécie de movimento excêntrico de um rotor em um espaço cilíndrico (usualmente não circular).

O problema mais difícil em tais motores é a selagem da câmara de combustão contra vazamento sem excessivo atrito e desgaste. Esse problema é bem mais difícil do que o de anéis de segmento convencionais, devido às seguintes razões:

1. “contato de linha” em lugar de contato de superfície; 2. as superfícies a selar são descontínuas, com arestas vivas;

3. a velocidade do selo é elevada durante parte do ciclo de alta pressão, em contraste com anéis de segmento, cuja velocidade é próxima de zero na máxima pressão do cilindro.

O motor WANKEL é um motor deste tipo. Ele ainda se encontra sob intenso desenvolvimento. Embora se diga que o problema de selagem esteja resolvido, não parece razoável aceitar que a solução seja tão satisfatória quanto a do moderno anel de segmento.

Em geral, o objetivo dos projetos de motores rotativos de deslocamento foi de evitar vibração, redução de tamanho, peso e redução de custo em comparação com os tipos convencionais.

A única vantagem básica desse tipo de motor está no fato de ser alta a relação volume de deslocamento para volume total do motor, obtendo-se assim, maiores potências.

O conceito de turbina a gás é antigo, mas ele não se concretizou como fonte prática de potência até após a I. Guerra Mundial. Seu desenvolvimento comercial foi estimulado pela introdução bem sucedida dos motores turbojatos em aviões ingleses e alemães, próximo ao final da guerra.

Na maior parte das realizações atuais, o conjunto é formado por várias câmaras de combustão (de 2 a 6), possuindo cada uma delas de seu injetor. Esta disposição assegura uma melhor utilização do combustível e permite maior flexibilidade de funcionamento.

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:

O rendimento também pode ser expresso pela relação de pressão ou taxa de compressão, durante os processos isoentrópicos:

taxa de pressão isoentrópica

P P T Tps k k

taxa de compressão isoentrópica

( )r V V T Tvs k

Ciclos de Otto e Diesel

Nos dois processos que ocorrem nos Motores de Combustão Interna Alternativos de dois e quatro tempos, podemos ainda incluir uma subdivisão:

1) MCI trabalhando a quatro tempos: a) Ciclo Otto; b) Ciclo Diesel.

2) MCI trabalhando a dois tempos: a) Ciclo Otto; b) Ciclo Diesel.

Ciclo Otto (Volume Constante)

Em 1862, Beau de Rochas enunciou o ciclo de “quatro tempos” que, primeiramente, o alemão Otto aplicara a um motor térmico, de onde surgiu em algumas obras a designação de “Ciclo Otto”. Teoricamente, o ciclo enuncia-se da seguinte maneira: o enchimento do cilindro efetua-se com a pressão atmosférica, pois que:

AB = Compressão adiabática; BC = Elevação brutal da pressão em volume constante; CD = Expansão adiabática; DA = Baixa brutal de pressão em volume constante.

O esvaziamento do cilindro se efetua em pressão atmosférica.

Primeira fase: compressão adiabática

Efetuada de maneira adiabática, a compressão leva os gases a uma certa temperatura, contudo insuficiente para provocar a inflamação.

Segunda fase: transformação isovolumétrica

Introduz-se uma fonte quente destinada a elevar instantaneamente a pressão dos gases (faísca elétrica) sem que o pistão tenha tempo de deslocar-se durante essa transformação de volume constante.

Terceira fase: expansão adiabática

Terminada a inflamação, a massa gasosa distende-se de maneira adiabática e o fim dessa distensão corresponde a uma baixa sensível de pressão.

Quarta fase: expansão isocórica A abertura do escapamento provoca uma baixa brutal de pressão que leva o interior do cilindro à pressão atmosférica enquanto o pistão bascular em ponto morto (volume constante).

Na Figura 31, observa-se os diagramas teórico e real do ciclo em questão. Observe-se que o ciclo real é sensivelmente diferente.

Figura 31 - Diagramas do ciclo de Beau de Rochas. A) diagrama teórico B) diagrama real.

O ciclo se aproxima do motor de combustão interna de ignição por centelha. Determina-se o rendimento térmico desse ciclo como se segue, admitindo-se constante o calor específico do ar:

k Q Q T r r

Ciclo Quatro Tempos, Ciclo Otto

O ciclo segue os tempos indicados anteriormente sendo que, no 1º tempo, admite-se uma mistura arcombustível. A combustão é iniciada por uma centelha (spark), gerada no interior do cilindro por uma vela (spark plug). A mistura ar-combustível, que é feita pelo carburador ou pela injeção eletrônica, é preparara aproximadamente nas seguintes proporções:

9,0:1 - 9,0partes de ar para 1 parte de álcool

A mistura entra no cilindro à pressão atmosférica e é comprimida pelo cilindro. Nos motores a gasolina, a taxa de compressão é, aproximadamente, de 9:1 e, nos a álcool, 12:1.

Ciclo Dois Tempos, Ciclo Otto

São utilizados principalmente em veículos motores de duas rodas, motocicletas. São motores mais simples e leves, possuem cerca de 70 a 90% de potência a mais do que um motor de quatro tempos de mesma cilindrada. Em contrapartida são mais poluentes (devido à queima de óleo lubrificante que é misturado ao combustível no carter durante a pré-compressão).

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:

v D A p C B A D A B C BQQ

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 8, 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.

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.

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