motores de combustão interna

motores de combustão interna

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CAPÍTULO 1

O motor é a fonte de potência de veículos. A potência do veículo lhe dá movimentação, e lhe permite o transporte de cargas (pessoas ou materiais). Portanto, o motor é a fonte de força e movimento de veículos. Quanto maior for a potência do motor, maior será a sua capacidade de carga, e maiores velocidades poderá proporcionar ao veículo. Assim, se é dito que um motor é mais potente que um outro, quer dizer que o primeiro proporciona ao veículo uma capacidade de transportar uma quantidade maior de carga, ou de atingir velocidades mais elevadas. Por exemplo, motores de caminhões e ônibus são feitos mais potentes que os de automóveis de modelo popular, pois necessitam de uma maior capacidade de carga. Por outro lado, motores de automóveis esportivos também são mais potentes que os de modelos populares. Motores de automóveis esportivos têm por objetivo atingir maiores velocidades. O emprego da potência de motores para uma maior capacidade de carga ou para a obtenção de velocidades mais elevadas é obtido através do projeto adequado de um sistema de transmissão. Sistema de transmissão é um grupo de peças e equipamentos que transfere a potência do motor para as rodas.

Para seu funcionamento, o motor necessita de uma fonte de energia: o combustível.

Combustíveis podem ser líquidos ou gasosos. Os combustíveis mais popularmente utilizados são a gasolina, o álcool e o óleo diesel, todos líquidos. O gás natural vem sendo ultimamente empregado como uma fonte de energia alternativa. Fatores econômicos, requerimentos de potência ou de atendimento a legislações ambientais determinam o tipo de combustível a ser utilizado. O combustível pode ser definido como sendo o alimento de motores.

Figura 1.1 – O eixo de manivelas converte o movimento do pistão em movimento rotatório, que é transmitido para as rodas.

Capítulo 1 - Fundamentos do Funcionamento de Motores

Em motores de combustão interna, o combustível é comprimido por um pistão dentro de um cilindro, juntamente com ar aspirado do ambiente. A mistura formada entre o combustível e o ar é queimada, produzindo pressões elevadas, e então se expande. A expansão da mistura queimada gera o movimento do pistão, que é transmitido para as rodas do veículo.

A transmissão do movimento do pistão às rodas do veículo pode ser comparado à transmissão do movimento de um pedal à roda traseira de uma bicicleta, conforme mostra a Fig. 1.1. O movimento das pernas de um ciclista exerce efeito similar ao movimento do pistão de um motor de combustão interna.

Os motores de combustão interna são classificados de acordo com o modo de queima do combustível em motores com ignição por centelha e motores com ignição por compressão. Estes últimos também são também conhecidos por motores diesel. Motores movidos a gasolina ou a álcool são exemplos de motores com ignição por centelha. Neste caso, a queima de combustível é iniciada com uma centelha fornecida pela vela de ignição, que é um componente instalado na superfície superior do cilindro, na parte chamada cabeçote do cilindro. Motores diesel normalmente utilizam o óleo diesel como combustível. Nestes motores a ignição é iniciada pela injeção de combustível no cilindro através de bicos injetores. A combustão em motores diesel se dá de maneira espontânea, estimulada por elevadas pressão e temperatura da mistura ar/combustível no cilindro.

Os motores também podem ser classificados como de quatro tempos ou dois tempos.

Durante seu funcionamento, um motor continuamente admite uma quantidade de ar e combustível, comprime e queima a mistura e a deixa expandir antes de expulsá-la do cilindro. Quando este ciclo é feito ao tempo em que o pistão executa quatro movimentos, dois para cima e dois para baixo, o motor é chamado de quatro tempos. Quando o pistão realiza somente dois movimentos durante o ciclo, um para cima e um para baixo, o motor é chamado de dois tempos. Os quatro tempos de um motor a gasolina são mostrados em detalhes na Fig. 1.2 (doravante motores com ignição por centelha serão referidos por motores a gasolina).

Figura 1.2- Ciclo de quatro tempos de um motor com ignição por centelha.

Durante a admissão, o motor atrai uma quantidade de ar e combustível para o interior do cilindro. Neste processo, a válvula de admissão permanece aberta, e a válvula de exaustão fechada. A válvula de admissão é um componente que abre ou fecha a passagem de mistura ar-combustível para o interior do cilindro. A válvula de exaustão, também conhecida como válvula de descarga ou válvula de escape, abre ou fecha a passagem de mistura queimada do cilindro para o exterior. O pistão realiza um movimento para baixo, e o volume do cilindro é preenchido por ar e combustível.

Capítulo 1 - Fundamentos do Funcionamento de Motores

O início da compressão é marcado pelo fechamento da válvula de admissão. Ambas as válvulas, de admissão e de exaustão, permanecem fechadas. A mistura ar-combustível é comprimida pelo movimento do pistão para cima, diminuindo o volume do cilindro. A pressão da mistura aumenta, preparando-a para ser queimada.

Ao final da compressão, com o pistão próximo à sua posição superior máxima, denominada ponto morto superior, dá-se início ao processo de queima da mistura, a combustão. A combustão em motores a gasolina é iniciada por uma centelha fornecida pela vela de ignição, e, em motores diesel, é iniciada de maneira espontânea, estimulada pelas altas pressão e temperatura da mistura no cilindro. Quando o pistão se encontra no ponto morto superior, o volume definido pela geometria do topo do pistão, cilindro e pelo cabeçote do cilindro é chamado câmara de combustão. A câmara de combustão é projetada de maneira a facilitar o processo de combustão, objetivando que a mistura seja rápida e completamente queimada a cada ciclo do motor.

pela energia liberada da combustão

A combustão prossegue e é finalizada durante a expansão. Neste processo, em que as válvulas de admissão e exaustão permanecem fechadas, o pistão move-se para sua posição inferior. O volume do cilindro aumenta, e a mistura em seu interior se expande. É durante a expansão que a potência do motor é gerada, de acordo com a força exercida sobre o pistão

Pouco antes de o pistão atingir sua posição mínima, denominada ponto morto inferior, a válvula de exaustão é aberta, dando início à exaustão. Este processo é caracterizado pela liberação da mistura queimada no cilindro. A mistura é expelida do cilindro à medida em que o pistão move-se para cima. Com o pistão próximo ao ponto morto superior, a válvula de admissão é aberta. A seguir, a válvula de exaustão é fechada e dá-se início a um novo ciclo.

Figura 1.3- Ciclo de dois tempos de um motor com ignição por centelha.

Capítulo 1 - Fundamentos do Funcionamento de Motores

O ciclo de um motor de dois tempos é mostrado na Fig. 1.3. A combustão da mistura arcombustível acima do pistão produz um rápido aumento na pressão e temperatura, empurrando o pistão para baixo, produzindo potência (a). Abaixo do pistão, a janela de admissão induz ar da atmosfera para o cárter, devido ao aumento de volume do cárter reduzir a pressão a um valor inferior à atmosférica. O cárter é isolado ao redor do eixo de manivelas para assegura a máxima depressão em seu interior.

A janela de exaustão, então, se abre (b), permitindo a saída do gás de exaustão. A área da janela aumenta com o giro do eixo de manivelas, e a pressão no cilindro se reduz. O processo de exaustão está quase se completando e, com ambas as janelas desobstruídas pelo pistão, o cilindro se conecta diretamente ao cárter através do duto de admissão (c). Se a pressão no cárter for superior à pressão no cilindro, então uma mistura fresca entra no cilindro e se inicia os processos de admissão e lavagem. O pistão então se aproxima do ponto de fechamento da janela de exaustão e o processo de lavagem se completa (d). Após a janela de exaustão estar totalmente fechada, o processo de compressão se inicia até que o processo de combustão novamente ocorra.

A distância entre o ponto morto superior e o ponto morto inferior e o diâmetro do cilindro determinam o volume da mistura ar-combustível admitida pelo motor a cada ciclo. Este volume é comumente chamado cilindrada do motor. A cilindrada é medida em litros (l) ou centímetros cúbicos (c ou cm³). Assim, um motor 1.0l e um motor 1000c têm a mesma cilindrada. A cilindrada está intimamente relacionada ao desempenho do motor. De uma maneira geral, quanto maior for a cilindrada, maior será a potência e o consumo de combustível. A razão entre o volume da mistura no cilindro com o pistão no ponto morto inferior e seu volume com o pistão no ponto morto superior é denominada razão de compressão.

Os motores de combustão interna têm, normalmente, quatro, seis ou oito cilindros. Motores de um, três, cinco, dez e doze cilindros também encontram aplicação, em menor escala. Motores de dez e doze cilindros são, em geral, empregados em veículos de competição. Motores de um único cilindro são comumente utilizados para testes de laboratório, veículos de duas rodas, ou para outros equipamentos, como cortadores de grama. Os cilindros de um motor podem ser arranjados em linha, opostos ou em configuração V, conforme mostra a Fig. 1.4. Figuras 1.5 e 1.6 mostram um motor em configuração V e um motor em linha, respectivamente. Figura 1.7 mostra uma vista em corte de um motor monocilíndrico de dois tempos.

Figura 1.4- Arranjo dos cilindros (A- em linha, B- em V, C- opostos).

Capítulo 1 - Fundamentos do Funcionamento de Motores

5 Figura 1.5- Vista em corte de um motor V-8 (configuração V, 8 cilindros).

Figura 1.6- Vista em corte de um motor de quatro cilindros em linha.

Capítulo 1 - Fundamentos do Funcionamento de Motores

Figura 1.7- Vista em corte de um motor simples de dois tempos.

Motores de combustão interna são constituídos por vários componentes essenciais. Estes componentes são projetados para tornar o motor eficiente e confiável. Os componentes básicos de um motor de combustão interna de quatro tempos são os seguintes: bloco do motor, eixo de manivelas, bielas, pistões, anéis dos pistões, cabeçote do cilindro e trem de válvulas.

O bloco do motor é o maior e principal componente do motor. Praticamente todas as partes do motor são direta ou indiretamente ligadas ao bloco. O bloco é feito de metal fundido, normalmente uma liga de ferro ou alumínio. Figura 1.8 mostra uma vista em corte de um bloco básico com as partes instaladas.

Os cilindros são largos furos arredondados feitos através do bloco. Os pistões se ajustam nos cilindros. Os cilindros são ligeiramente mais largos que os pistões, permitindo a estes deslizarem livremente para cima e para baixo. Em muitos blocos de liga de alumínio, luvas de aço são colocadas nos cilindros, e os pistões deslizam em sua superfície.

O topo do bloco é usinado plano. O topo do bloco é unido por parafusos ao cabeçote do cilindro. O topo do bloco permite a passagem de óleo, para a lubrificação do motor, e de água (ou ar), para seu resfriamento. Passagens de fluido de resfriamento são também encontradas através de todo o bloco, chamadas camisas de água. Por um furo feito na parte inferior do bloco passa o eixo de manivelas. Um outro furo feito no bloco abriga o eixo de comando das válvulas de admissão e exaustão.

O cárter é a parte inferior do bloco. O cárter abriga o eixo de manivelas e também, em alguns casos, o eixo de comando das válvulas. O cárter também serve como um reservatório de óleo lubrificante.

O eixo de manivelas, também conhecido como virabrequim, é responsável por converter o movimento vertical do pistão em movimento de rotação. O eixo de manivelas gira no interior do cárter. O eixo de manivelas é projetada de acordo com o número de cilindros do motor. O eixo

Capítulo 1 - Fundamentos do Funcionamento de Motores de manivelas apresenta partes descentralizadas, onde as bielas são fixadas, que determinam a distância entre o ponto morto superior e o ponto morto inferior. O eixo de manivelas também apresenta contrapesos para evitar o surgimento de vibrações. O eixo de manivelas comanda o movimento do eixo de comando das válvulas. Figura 1.9 mostra um eixo de manivelas e o bloco de um motor. Figura 1.10 mostra a localização de um eixo de manivelas em um motor.

Figura 1.8- Bloco do motor.

Figura 1.9- Bloco de um motor de quatro cilindros e árvore de manivela.

A biela é a peça que transmite o movimento do pistão e a potência gerada pela combustão ao eixo de manivelas durante a expansão. A biela também permite movimento ao pistão durante os processos de exaustão, admissão e compressão. A biela consiste de uma haste com dois furos nos extremos. É conectada ao pistão através de um pino que passa através do furo menor. O furo maior é constituido por um mancal fixado por parafusos, que envolve um dos pinos excêntricos do eixo de manivelas. Figura 1.1 mostra os detalhes de uma biela.

Capítulo 1 - Fundamentos do Funcionamento de Motores

8 Figura 1.10- Localização da árvore de manivelas no motor.

Figura 1.1- Biela. Figura 1.12- Pistão e biela.

Capítulo 1 - Fundamentos do Funcionamento de Motores

Os pistões transferem a potência gerada pela combustão para a biela e à ao eixo de manivelas. Os pistões são unidos às bielas através de pinos, e o contato com a parede lateral do cilindro é feito através de anéis. O topo do pistão é a parte mais exposta ao calor e à pressão da combustão. O formato do topo do pistão combina com a geometria do cabeçote do cilindro para formar a câmara de combustão. O topo do pistão pode ser reto, côncavo, convexo ou apresentar outra geometria dentro de uma variedade, sempre visando facilitar o processo de combustão. Os pistões apresentam ranhuras laterais para abrigar os anéis. Um furo radial é feito para o pino que une o pistão à biela. A parte inferior do pistão é chamada saia do pistão. Os pistões são normalmente feitos de ferro fundido ou de ligas de alumínio. Figura 1.12 ilustra detalhes da conexão de um pistão com a biela.

Em motores de dois tempos, o pistão é de destacável importância no processo de lavagem.

No desenho da Fig. 1.3, o objetivo é produzir o processo de lavagem no cilindro com duas ou mais janelas de admissão direcionadas para o lado do cilindro distante da janela de exaustão, mas através de um pistão com o topo plano (lavagem em “loop”). Na Fig. 1.13, outros arranjos de lavagem em “loop” são mostrados. A vantagem deste tipo de lavagem é a disponibilidade de uma câmara de combustão compacta acima do pistão de topo plano, que permite um processo de combustão rápido e eficiente. Um pistão para este tipo de motor é mostrado na Fig. 1.14.

Capítulo 1 - Fundamentos do Funcionamento de Motores

Figura 1.14- Pistões de lavagem transversal (esquerda e centro) e de lavagem “loop” (direita).

O processo original de lavagem é o transversal. Um projeto de um defletor moderno é ilustrado na Fig. 1.15. Apresenta boas características de lavagem em cargas parciais e tende a fornecer boas características a baixas velocidades e baixas potências. Sob cargas plenas a eficiência de lavagem não é boa e, combinada com uma câmara de combustão não compacta preenchida com protuberâncias defletoras expostas, o motor apresenta uma potência específica baixa e elevado consumo de combustível. Um projeto de motores com lavagem transversal que não apresenta desvantagens de lavagem em plena carga é o tipo mostrado na Fig. 1.16. Um pistão para este projeto é o da esquerda, na Fig. 1.14. Contudo, o cilindro não apresenta a mesma simplicidade de manufatura daquele do pistão convencional do centro da Fig. 1.14.

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