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Disciplina de Motores de Combustão Interna ULBRA - Universidade Luterana do Brasil Prof. Luiz Carlos Gertz

SINCRONISMO DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA Giuliano Massarani

1 – FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR À COMBUSTÃO INTERNA

Um motor de combustão é uma máquina, capaz de transformar a energia química do combustível em trabalho.

Os motores podem trabalhar segundo dois ciclos: mecânicos e térmicos. Os ciclos mecânicos podem ser de dois ou quatro tempos, onde, cada tempo equivale a meia volta da árvore de manivelas ou 180 graus de giro. Nos ciclos mecânicos são estudados os movimentos mecânicos das peças móveis do motor e seu posicionamento, como: válvulas de admissão e escape, árvore de manivelas e os êmbolos (pistões).

Nos ciclos térmicos analisa-se a transformação da energia química em calor e sua preparação, não importando a posição das peças móveis, apenas. Neste trabalho o objeto é apresentar o funcionamento dos ciclos mecânicos a quatro tempos.

Num motor de combustão interna existem peças fixas (cabeçote, bloco de cilindros, cilindros, carter, etc) e peças móveis (pistão, biela, árvore de manivelas) além do mecanismo de distribuição mecânica (árvore de comando, válvulas, etc), que são responsáveis pelo sincronismo do motor.

Figura 1.1: Corte de um motor 4 tempos

Pistões: São peças móveis que se deslocam dentro dos cilindros do motor. Cada movimento do pistão, de um extremo ao outro, é denominado curso. Os pontos extremos (alto e baixo) são chamados de PMS (Ponto Morto Superior) e PMI (Ponto Morto Inferior). Árvore de manivelas: Também chamado de virabrequim ou girabrequim, tem por função, transformar os movimentos alternados dos pistões em movimentos circulares contínuos.

A haste de ligação entre o pistão e a árvore de manivelas é chamada de biela. Os pistões trabalham dentro dos cilindros, que na maior parte dos motores estão alojados em um bloco, denominado "bloco de cilindros".

Na parte superior do motor, no cabeçote encontram-se as válvulas de admissão e de escape. Num motor a quatro tempos, há no mínimo duas válvulas por cilindro. Neste caso, um motor de quatro cilindros possui oito válvulas.

A válvula de admissão está interligada ao coletor de admissão, que por sua vez, aloja o carburador ou corpo de borboleta (sistema de injeção eletrônica). A válvula de escape está interligada ao coletor de escape e ao escapamento.

Para que sejam efetuados os quatro tempos do motor, são necessários duas voltas da árvore de manivelas e quatro cursos do pistão. 1 tempo = 1 curso do pistão = 1/2 volta da árvore de manivelas ou 180 graus de giro. Portanto: 4 tempos = 4 cursos do pistão = 2 voltas da árvore de manivelas ou 720 graus de giro Durante o funcionamento, o motor exerce quatro funções importantíssimas que são: admissão, compressão, combustão-expansão e escape.

1.1- Primeiro tempo - admissão

O pistão, partindo do PMS para o PMI (movimento descendente) gera uma diminuição de pressão. A pressão externa mais elevada empurra a mistura ar combustível para o interior do cilindro. Neste instante a válvula de admissão esta aberta e a de escape fechada.

Na figura 1.2, pode-se ver o ar penetrando pelo coletor de admissão e a válvula de injeção pulverizando o combustível na massa de ar. A válvula de admissão permanece aberta durante todo o curso descendente do pistão. Quanto o pistão atingir o PMI, foi realizado um curso (e meia volta da árvore de manivelas), ou seja, um tempo.

Figura 1.2: Admissão

1.2- Segundo tempo - compressão

No segundo tempo, o pistão partirá do PMI para o PMS (movimento ascendente). A válvula de admissão e de escape ficarão fechadas. Desta forma a mistura ar/combustível é comprimida pelo pistão no interior do cilindro.

Para um motor a gasolina, essa compressão fará com que o volume fique 8 a 10 vezes menor que o seu volume na admissão. Figura 1.3: Compressão

1.3- Terceiro tempo – combustão e expansão

No final do segundo tempo, através do sistema de ignição, é produzida uma centelha elétrica pelos eletrodos da vela. Com isso, inicia-se o processo de combustão dos gases. Com a combustão ocorrerá o aumente de temperatura e conseqüentemente o aumento da pressão no interior do cilindro, provocando a impulsão do pistão novamente para o PMI.

válvulas se manterão fechadas. O terceiro tempo

Durante todo o tempo de combustão, as duas também pode ser chamado de tempo motor, pois, é o único que realiza trabalho. Figura 1.4: Explosão e Expansão

1.4- Quarto tempo - escape

Ao atingir o PMI, a válvula de escape começará a abrir-se e o pistão voltará para o PMS. Com isso, os gases queimados poderão sair do cilindro, sendo capturados pelo coletor de escape.

No quarto tempo, somente a válvula de escape ficará aberta. Quando o pistão atingir o PMS, a válvula de escape estará fechada e a de admissão iniciará sua abertura. A partir daí o que ocorre é uma repetição e um novo ciclo se iniciará Figura 1.5: Escape

2 - PARTES DO MOTOR

O motor é constituído basicamente por duas grandes partes: a inferior, que contém o conjunto da árvore de manivelas, pistões, bielas e carter, é conhecida como bloco.

A parte superior é o cabeçote do motor, ou cabeçote de cilindros, onde normalmente encontramos as válvulas e o comando de válvulas (existem motores nos quais o comando de válvulas fica localizado no bloco).

2.1- O Bloco O bloco de cilindros é uma peça única de ferro fundido ou alumínio. Normalmente, ele é a maior e mais intrincada peça de todo o automóvel. Sua função principal é formar a estrutura do motor.

Quase todos os componentes do motor estão fixados nele, direta e indiretamente. No bloco encontramos os alojamentos tubulares (cilindros) para o funcionamento dos pistões, condutos para circulação e resfriamento da água e os condutos para o óleo lubrificante. Na sua parte inferior, encontramos o Carter ou depósito do óleo lubrificante. O Bloco é normalmente construído de metais (acima citados), de alta resistência mecânica, pois devem suportar os fortes efeitos de torção e flexão, gerados pelo funcionamento do motor. Hoje existem blocos construídos com outros materiais, como plástico e até cerâmica, com alta rigidez estrutural e sempre buscando a

redução de peso do motor. Figura 2.1: Bloco.

2.2- Pistões, Bielas e Árvores de Manivela (Virabrequim) Estas são as partes móveis no interior do bloco de cilindros.

2.2.1- Pistões

Os pistões têm a função de transformar a energia térmica gerada pela queima da mistura ar/combustível em energia cinética que faz girar o virabrequim. Também têm a função de comprimir a mistura. Têm formato cilíndrico e se movimentam para cima e para baixo dentro dos cilindros, onde alojam-se com uma folga calibrada que permite seu movimento. Normalmente são peças feitas de alumínio fundido ou forjado, pois este material, além de ser leve, é excelente condutor de calor. Possuem ranhuras próximas do topo, onde estão encaixados normalmente três anéis: de vedação, raspador e coletor de óleo. A sua parte superior, é também conhecida como cabeça do pistão e pode ser plana, convexa, côncava em um dos muitos tipos, com desenhos para promover a adequada turbulência da mistura ar-combustível com o objetivo de melhorar a qualidade da mistura e da combustão.

2.2.2- Bielas

As bielas ligam os pistões ao virabrequim e transformam o movimento linear dos pistões (subida e descida) em movimento rotativo no virabrequim. Estão ligadas na sua parte superior ao pistão, através de pinos, possibilitando o movimento relativo entre eles. Na parte inferior, as bielas estão ligadas diretamente ao virabrequim através de mancais, dotados de elementos de desgaste chamados bronzinas. As bielas são feitas , em sua maioria, de aço forjado de alta resistência. Em uma das extremidades da árvore de manivela nós vamos encontrar o volante do motor, que dá uniformidade e inércia aos impulsos motores de cada cilindro movido pelos pistões.

Figura 2.2: Pistão, Biela,Virabrequim.

2.2.3- A Árvore de Manivelas ou Virabrequim

Através da ação das bielas, transforma o movimento alternativo de pistões em movimento rotativo, gerando o torque do motor (que é transmitido às rodas por meio do sistema de transmissão). Normalmente é uma peça construída em aço forjado ou ferro fundido.O virabrequim pode ser dividido em três partes básicas: mancais de apoio, mancais das bielas e contra-pesos. No caso dos motores de quatro cilindros, normalmente existem 4 mancais das bielas e 5 mancais de apoio, sendo dois nas extremidades e três internamente. Estes têm a importante função de impedir que eixo sofra empenamento. De fato, o virabrequim funciona como manivela, apoiada pelas duas extremidades. Quando os pistões não fornecem qualquer impulso motor (por exemplo, nos "tempos mortos" de ciclo do quatro tempos), é o volante, que já adquiriu previamente movimento de rotação, que restitui uma parte dessa energia,para que o virabrequim continue girando com uniformidade. É apoiado no bloco do motor pelas extremidades, ou coxins. Nas "curvas" do virabrequim, existem pequenos eixos, chamados pinos das manivelas, onde se articulam os “pés” das bielas. Normalmente, cada biela é articulada em um pino, mas no caso dos motores em V, articulam-se duas em cada pino. Para se evitar as vibrações de torção, o virabrequim pode ser apoiado em outros pontos intermediários, e não apenas nas extremidades; e quando o motor possui muitos cilindros, não bastam esses apoios intermediários. É preciso usar-se um amortecedor especial, constituído por pequenos volantes, para absorver as vibrações do movimento. Esse volantes do amortecedor neutralizam as forças da inércia com outras, de intensidade igual, que lhes são opostas. Os volantes funcionam assim: um, comandado pelo virabrequim, arrasta o outro por fricção; quando se produz uma brusca variação de movimento, o segundo volante pode, por inércia, sofrer um ligeiro deslocamento angular em relação ao primeiro, o que é suficiente para impedir as vibrações de torção que possam provocar uma oscilação perigosa do virabrequim. Além de transmitir o movimento às rodas, o virabrequim fornece movimento à quase todos os órgãos anexos ao motor: bomba de gasolina,

dínamo, distribuidor, ventilador, etc. Figura 2.3: Virabrequim.

2.3- O Cabeçote

O cabeçote tem a função de cobrir os pistões e vedálos. Geralmente é de metal (ferro fundido ou alumínio) fixado por parafusos sobre o bloco. É nele que encontramos, dentre outros itens, as câmaras de combustão, as velas e as válvulas. Entre ele e o bloco existe a junta do cabeçote, responsável por manter a vedação do conjunto e evitar perda de compressão.

Figura 2.4: Cabeçote

2.4- Câmara de Combustão

Na câmara de combustão ocorre queima da mistura ar combustível.

Localiza-se na parte superior do cilindro e compreende o volume entre a posição mais alta do pistão (PMS - ponto morto superior) e o cabeçote. A forma mais comum da câmara de combustão é a hemisférica.

Figura 2.5: Pistão no PMS e câmara de combustão.

2.5- Velas de Ignição

A vela é um dispositivo alojado na câmara de combustão (cabeçote) de um motor, sendo responsável pela ignição da mistura ar-combustível. De um modo geral, existe 1 vela para cada cilindro. O processo se inicia na bobina de ignição: um transformador elétrico que aumenta a tensão normal do sistema elétrico do veículo de 12 volts para tensões aproximadas de 20.0 volts que, quando aplicada à vela, gera uma centelha capaz de percorrer o ar através da abertura calibrada entre os eletrodos.

Figura 2.6: Vela

3 – SINCRONISMO DO MOTOR

3.1- Válvulas

As válvulas são dispositivos, normalmente fabricados com ligas de aço de alta resistência mecânica que controlam a entrada da mistura ar-combustível e saída dos gases queimados. As válvulas de admissão liberam a entrada da mistura nova e as válvulas de escape permitem a saída dos gases queimados pelo coletor de exaustão. Em um motor de quatro tempos, cada cilindro tem, no mínimo, uma válvula de admissão e uma válvula de escape. Já os motores dois tempos, geralmente, não utilizam válvulas para controlar o fluxo dos gases, mas sim janelas que abrem e fecham de acordo com a posição do pistão. Neste caso o pistão possui orifícios que, dependendo de sua posição durante o curso entre o ponto morto superior e inferior, coincidem com outros orifícios localizados no cilindro. Esta justaposição permite a passagem dos gases.

Em um motor que gira a 4.0 rpm as válvulas só se abrem durante um centésimo de segundo. Para que isto ocorra as válvulas são empurradas por cames, que são movidos pelo virabrequim; para retornar a posição inicial, fechada, as molas são pressionadas por molas.

3.2- Comando de Válvulas

A função do comando de válvulas controlar a abertura e o fechamento das válvulas, garantindo que ocorram no momento adequado. O comando de válvulas é um eixo com cames, movido pelo virabrequim, através de uma correia, corrente ou engrenagem. O eixo pode acionar as válvulas diretamente, no caso de comando no cabeçote (OHC) ou indiretamente através de varetas, quando o comando se localiza no bloco (OHV). O comando dá meia volta para cada volta completa do virabrequim. Ele está apoiado, geralmente, por mancais.

No virabrequim existe um volante, que acumula energia durante o ciclo motor, que é utilizada para conservar o movimento do sistema durante os outros três tempos. A árvore de comando abre e fecha as válvulas. Os comandos de válvulas podem ser basicamente de 3 tipos:

3.2.1- Comando de válvulas no bloco OHV (overhead valve)

No comando de válvulas no bloco as válvulas são montadas no cabeçote, sobre a câmara de combustão, enquanto que o eixocomando está no bloco e aciona as válvulas por meio de varetas. Este foi o tipo de comando mais largamente usado nos motores por ter um funcionamento mais simples e pela proximidade do virabrequim. O acionamento do comando pode ser feito por corrente ou engrenagem.

Ainda é usado, por exemplo, no Endura E de 1 e 1,3 litro dos Ford Ka, Fiesta e Courier, bem como em muitos motores norte-americanos atuais como os V6 de Chevrolet Blazer/S10 e Ford Explorer/Ranger.

Figura 3.1: Comando de válvulas no bloco (OHV).

3.2.2- Comando de válvulas no cabeçote - OHC (overhead camshaft)

A árvore de comando é montada sobre o cabeçote e aciona as válvulas sem o intermédio das varetas. A vantagem deste tipo de comando é a eliminação das varetas e balancins, sujeitas a folgas e deformações. Outra vantagem é a diminuição da massa deste sistema o que permite que o motor trabalhe em rotações mais elevadas. Desse modo, no tipo OHC, o comando atua diretamente sobre o balancim e os tuchos.

Para um ajuste automático das folgas das válvulas, podemos adotar os tuchos hidráulicos que, ao contrário dos mecânicos, não exigem uma regulagem periódica das folgas. Este tipo de comando já era usado desde 1898 e pode ser utilizado em qualquer motor, independente do tipo de comando.

Figura 3.2: Comando de válvulas no cabeçote (OHC).

3.2.2- Comando duplo de válvulas (DOHC - double overhead camshaft)

AccordFigura 3.3: Duplo-Comando de válvulas (DOHC).

Os comandos do tipo DOHC têm a mesma configuração do tipo de comandos OHC, porém, são dois eixos de comando, dispostos paralelamente sobre o cabeçote. De um modo geral, este tipo de comando é utilizado nos motores com mais de duas válvulas por cilindro. Desta forma, utiliza-se um eixo para acionar as válvulas de admissão e o outro para as válvulas de escape. É importante observar que, embora seja comum empregá-los em conjunto, o duplo comando e o cabeçote multiválvula são soluções independentes. Há motores de duplo comando e duas válvulas por cilindro como o do Tempra 8V e o do antigo Alfa Romeo 2300, bem como motores multiválvula de comando único, caso do Honda

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