SISTEMAS DE RESFRIAMENTO DO MOTOR

Daffenis Rodrigues

Felipe Salim Gomes

Janyr Ramos da Fonseca

Levi Marques Ferreira de Almeida

Monique Ribeiro Gonalves Gama

RIO DE JANEIRO

2014

DAFFENIS RODRIGUES

FELIPE SALIM GOMES

JANYR RAMOS DA FONSECA

LEVI MARQUES FERREIRA DE ALMEIDA

MONIQUE RIBEIRO GONALVES GAMA

Alunos do Curso superior de Tecnologia em Construo Naval

SISTEMAS DE RESFRIAMENTO DO MOTOR

Trabalho da disciplina Sistemas de Propulso

Naval e Auxiliares, ministrada pela professora

Yipsy Roque Benito, usado como requisito

parcial para obteno da pontuao semestral

necessria que acuse o aproveitamento de

disciplina.

RIO DE JANEIRO

2014

II

RESUMO

Apresenta-se nesse texto o trabalho de pesquisa realizado pelos autores em Sistemas de

Resfriamento do Motor. Esse estudo foi examinado observando os avanos alcanados pela

indstria no setor de tecnologia aplicada a motores. Ser demonstrado ao longo das sees

deste trabalho a forma como os autores conduziram o raciocnio para traar o perfil da

tecnologia supracitada, sua funcionalidade, suas caractersticas particulares e um estudo sobre

a composio de sua estrutura bsica e as abordagens fsicas envolvidas em seus processos.

Palavras-chave: motor, arrefecimento, eficincia.

III

SUMRIO

RESUMO .................................................................................................................................. II

SUMRIO .............................................................................................................................. III

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................. IV

1 INTRODUO ..................................................................................................................... 1

2 DESCRIO DO SISTEMA E SEUS COMPONENTES ................................................ 2

3 ABORDAGEM TERMODINMICA DO SISTEMA ....................................................... 7

3.1 MECANISMOS DE TRANSMISSO DE CALOR............................................9

4 APLICAO ESPECFICA NA REA NAVAL ........................................................... 10

4.1 SISTEMA DE GUA DOCE...............................................................................11

4.2 SISTEMA DE GUA SALGADA.......................................................................14

5 CONCLUSO......................................................................................................................17

6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .............................................................................. 17

IV

LISTA DE FIGURAS

Fig. 2-1 Exemplo que Ilustra o Fluxo de gua dentro de um Motor.........................................2

Fig. 2-2 Camisas do motor do bloco de cilindros de um motor v-6...........................................3

Fig. 2-3 Geometrias mais comuns dos radiadores......................................................................4

Fig. 2-4 Bomba de lquido de arrefecimento da marca Daihatsu em 2009.................................4

Fig. 2-5 Uma Vlvula Termosttica fechada e aberta.................................................................5

Fig. 2-6 Arrefecimento por ar.....................................................................................................5

Fig. 2-7 Aletas.............................................................................................................................6

Fig. 2-8 Ventoinha......................................................................................................................6

Fig. 3-1 Diagrama de fluxo de energia em um motor de combusto interna..............................7

Fig. 4-1 Sistema onde a gua salgada resfria a gua doce........................................................11

Fig. 4-2 Sistema bsico de gua Doce.....................................................................................12

Fig. 4-3 Sistema de gua Doce com tanque de separao de leo...........................................13

Fig. 4-4 Desenho mais complexo de um Sistema de Resfriamento (gua doce)......................13

Fig. 4-5 Outra ilustrao do sistema de gua fechado(gua doce)............................................14

Fig. 4-6 Sistema de gua Salgada............................................................................................14

Fig. 4-7 Sistema de resfriamento do motor com as redes de gua doce e salgada....................15

Fig. 4-8 Desenho mais complexo de um Sistema de Resfriamento (gua salgada)..................15

Fig. 4-9 Outra ilustrao do sistema de gua aberto(gua salgada)..........................................16

1

1. INTRODUO

Antes dos atuais avanos tecnolgicos foi constatado pela engenharia que as altas

temperaturas dentro dos motores fazem com que eles sofram menos desgaste, graas as ligas

metlicas componentes destes motores que atingem seu ponto mximo de dilatao ao serem

superaquecidas, assim reduzindo os atritos que consequentemente produzem um maior

desgaste. Para que a temperatura dentro dos motores no exceda os limites desejveis para

seu bom funcionamento foi inventado o sistema de resfriamento ou arrefecimento, que se pe

a manter uma temperatura ideal (estabilizada) para o motor atravs da retirada do excesso de

calor produzido em sua superfcie.

De acordo com Ray T. Bohacz, no livro Engine Cooling Systems (2007) existem basicamente

trs motivos que justificam o porque de um motor possuir um sistema de resfriamento ou

arrefecimento:

1. Promover uma eficincia volumtrica elevada que minimize os fluxos de calor da estrutura

do motor para o ar de ingresso.

2. Evitar a detonao provinda de temperaturas elevadas na cmara de combusto.

3. Prevenir falhas mecnicas nos materiais que aconteam por cargas trmicas elevadas

provindas de gradientes trmicos em excesso.

Existe mais de uma forma de se resfriar um motor, e isso ser abordado ao longo deste

trabalho.

2

2. DESCRIO DO SISTEMA E SEUS COMPONENTES

Na maioria dos motores existentes utiliza-se a gua como o meio para se obter a refrigerao,

e esta substncia chamada de lquido de arrefecimento. Ainda possvel se utilizar outros

lquidos orgnicos, refrigerantes e solues de natureza polimrica encontradas na aplicao

dos nanofluidos.

Numa descrio bsica para este funcionamento, observa-se que atravs da circulao da gua

pelos dutos internos do bloco do motor o calor presente nestas superfcies devido combusto

transferido para a gua, que aps isso passa por algum dispositivo de troca de calor com o

ar, como por exemplo o radiador. Nesta etapa a gua resfriada e volta para o motor. A gua

circula pelo sistema, ajudada por uma bomba de acionamento dependente do motor. Os

motores modernos possuem eletroventilador acionado com termostato, um regulador de fluxo

que se inicia atravs da deteco da temperatura do lquido quando esta atinge valores

excedentes. importante mencionar que, por outro lado, o alto grau de resfriamento do

lquido de arrefecimento tambm no desejvel, j que pode provocar uma mistura de

combustvel no vaporizado e leo (segundo T. K. Garrett, Kenneth Newton e William

Steeds, The Motor Vehicle, 1966).

Fig. 2-1 Exemplo que Ilustra o Fluxo da gua dentro de um Motor (4shared.com).

3

De acordo com Taylor, C.F. no livro Anlise dos Motores de Combusto Interna (1971), as

transmisses de calor ao liquido de arrefecimento so vistas nos seguintes processos:

- Transmisso atravs do fluido de trabalho durante a compresso e expanso.

- Transmisso atravs do atrito vindo do pisto para as paredes do cilindro.

- Transmisso para o cilindro por meio do processo de descarga.

Para ser desejvel ao uso, o fluido de arrefecimento deve possuir algumas caractersticas, tais

como um elevado calor especfico e condutividade trmica a fim de proporcionar um aumento

de troca de calor e a capacidade de transportar energia, ter uma viscosidade baixa para no

exigir muito do trabalho de bombeamento, possuir baixo potencial de corroso nas paredes do

sistema, ser capaz de reter uma quantidade de processos mnima, ser capaz de lubrificar o

sistema, ter propriedades anticongelantes para situaes que apresentem baixa temperatura.

(Ray T. Bohacz, no livro Engine Cooling Systems , 2007)

Desta forma, os componentes principais que constituem a estrutura bsica do sistema de

arrefecimento por gua em motores so:

Passagens de fluido no bloco

O fluido de arrefecimento circula atravs de tubos que envolvem os cilindros do motor,

denominados camisas midas ou camisas de gua conforme a figura abaixo.

Fig. 2-2 Camisas do motor do bloco de cilindros de um motor v-6 (Crouse,W.H.; Anglin,

D.L. em Automotive air conditioning, 1977).

4

Radiador

Atravs do radiador possvel eliminar o calor retido pelo lquido de arrefecimento por meio

da troca de calor com o ar ambiente.

Fig. 2-3 Geometrias mais comuns dos radiadores.

Bomba de lquido de arrefecimento

O lquido de arrefecimento circula atravs das camisas midas do motor devido a uma bomba

que na maioria dos casos do tipo centrfuga, da qual impulsiona o fluido at que ele alcance

uma velocidade especfica que varie de acordo com a capacidade da bomba. De acordo com

Ray T. Bohacz, no livro Engine Cooling Systems (2007), atravs do aumento do

bombeamento causado por perdas que acontecem internamente denominadas perdas

mecnicas, perdas de atrito do impulsor, vazamentos e perdas hidrulicas, pode-se determinar

a eficincia de uma bomba.

Fig. 2-4 Bomba de lquido de arrefecimento da marca Daihatsu em 2009.

5

Termostato

So dispositivos pertencentes ao sistema de arrefecimento, capazes de regular a temperatura

de operao do motor atravs da vedao da quantidade de gua que atravessa o radiador. Em

temperaturas baixas a passagem de gua bloqueada contendo todo o lquido de

arrefecimento a circular somente dentro do motor. Alcanando temperaturas mais altas que

podem variar dependendo do tipo de motor, a vlvula do termostato se abre para permitir que

o lquido circule para o radiador.

Fig. 2-5 Uma Vlvula Termosttica fechada e aberta.

Alm de se obter refrigerao por gua, existe tambm o sistema de resfriamento ou

arrefecimento por ar, muito encontrado em motores do tipo boxer por exemplo. Neste sistema

um insuflador (tambm chamado de ventoinha ou ventilador) impulsiona o ar frio sobre o

bloco do motor para resfria-lo. Este um sistema menos eficiente que o do resfriamento por

gua, j que as peas no conseguem uma dilatao mxima provocada por aquecimento,

resultando em ciclos de expanso/contrao mais severos, que podem acelerar a fadiga do

metal.

Fig. 2-6 Arrefecimento por ar.

6

Seus componentes so:

Aletas

Localizadas no cabeote e nas partes externas dos cilindros com a finalidade de aumentar a

superfcie de contato entre o motor e o meio arrefecedor, o ar. As aletas devem estar sempre

limpas e nunca devem ser pintadas, pois poeira e tinta dificultam a dissipao do calor.

(Carlos Alberto Alves Varella, Sistemas Auxiliares dos Motores de Combusto Interna,

UFRRJ, 2012)

Fig. 2-7 Aletas.

Ventoinha

Produo de corrente de ar entre o meio ambiente e o motor. A ventoinha fora uma corrente

de ar atravs das aletas para aumentar a transferncia de calor entre o motor e o meio

ambiente. (Carlos Alberto Alves Varella, Sistemas Auxiliares dos Motores de Combusto

Interna, UFRRJ, 2012)

Fig. 2-8 Ventoinha.

7

Dutos e Defletores

Conduo e orientao da corrente de ar na direo das aletas de arrefecimento. (Carlos

Alberto Alves Varella, Sistemas Auxiliares dos Motores de Combusto Interna, UFRRJ,

2012)

3. ABORDAGEM TERMODINMICA DO SISTEMA

Nesta parte ser feito um panorama dos processos termodinmicos que ocorrem dentro de um

motor de combusto interna relacionando com o sistema de resfriamento. Heywood J.B. no

livro Internal Combustion Engine Fundamentals (1988), descreve uma distribuio detalhada

da energia do motor enquanto h combusto interna. mostrada uma transformao da

energia qumica vinda do combustvel nos diferentes processos que fazem a transferncia de

calor e realizao de trabalho:

Fig. 3-1 Diagrama de fluxo de energia em um motor de combusto interna (Heywood

J.B. no livro Internal Combustion Engine Fundamentals, 1988).

8

Na figura 3-1, o parmetro observado em mfQLHV o produto da vazo mssica de

combustvel pelo poder calorfico inferior; Qw seria a taxa de transferncia de calor s paredes

da cmara de combusto; He o fluxo de entalpia nos gases de exausto; Pb a potncia no

eixo; Ptf a potncia total de atrito; Pi a potncia indicada; Ppf a potncia de atrito no

pisto; Qcool a taxa de rejeio de calor ao fluido de arrefecimento; Qc,e tambm a taxa de

rejeio de calor ao fluido de arrefecimento porm na passagem de exausto; He,s,a o fluxo

da entalpia de calor sensvel dos gases de exausto jogados na atmosfera; He,i,c o fluxo na

entalpia qumica dos gases de exausto devido combusto incompleta; Qe,r o fluxo de calor

por radiao do sistema de escape; Ee,k a taxa de variao da energia cintica dos gases de

escape e; Qminsc a soma das taxas de transferncia de calor remanescentes.

De acordo com Ray T. Bohacz, no livro Engine Cooling Systems (2007), uma pequena

porcentagem da energia total de combusto reservada ao eixo, e aproximadamente 75% se

perdem, de forma que o restante aproveitado na forma de trabalho.

Segundo Heywood J.B. cita em Internal Combustion Engine Fundamentals (1988), ao fazer

um balano energtico geral, considerando-se o volume de controle relacionado a superfcie

do motor, a seguinte forma obtida para regime permanente na primeira lei da

termodinmica:

Onde Pb a potncia ao eixo; Qcool a taxa de transferncia de calor ao fluido de arrefecimento;

He,ic o fluxo de entalpia nos gases de exausto devido combusto incompleta; mhe,s o

produto da vaso mssica pela entalpia de calor sensvel dos gases de escape e mfQLHV o

produto da vaso mssica do combustvel pelo poder calorfico inferior.

9

3.1 MECANISMOS DE TRANSMISSO DE CALOR

No motor de combusto interna existem mecanismos para transmisso de calor entre dois

corpos que possuam diferenas de temperatura e que ocorrem enquanto o motor est operante,

sendo que um pode prevalecer sobre o outro de acordo com suas localizaes. Os mecanismos

so: conduo, conveco e radiao. A distribuio de temperaturas mutvel dentro dos

componentes do motor, sobretudo nas vizinhanas da cmara de combusto.

O mecanismo chamado conduo pode acontecer em gases, slidos e lquidos e ocorre da

interao entre partculas adjacentes da substncia. Geralmente ocorre atravs das paredes do

bloco de cilindros e dos tubos do radiador. A conveco ocorre entre um liquido e um slido

escoando sobre a superfcie. No sistema de resfriamento ou arrefecimento essa transferncia

se d entre o gs da combusto (no lado da cmara de combusto) ou o ar (no lado do

radiador), o fluido de arrefecimento e as superfcies slidas do motor. A taxa de transferncia

de calor, Q, atravs da superfcie de troca de calor A proporcional diferena de

temperatura existente entre a superfcie e o lquido que escoa sobre ela. Essa taxa de

transferncia de calor pode ser expressa segundo a lei de Newton do resfriamento:

Onde o coeficiente de troca de calor por conveco, e Tw e T so respectivamente as

temperaturas da superfcie e do fluido.

Por fim tem-se que a radiao a transmisso de energia que se utiliza de ondas

eletromagnticas atravs do espao sem um meio de transmisso. Segundo Holman J.P. no

livro Heat Transfer (1981) a taxa de transferncia de calor relaciona-se com as potncias

quartas das temperaturas envolvidas e pode ser expressa pela seguinte expresso algbrica:

Onde FG apresenta-se como uma funo do fator geomtrico; F uma funo da emissividade;

chamada constante de Stefan Boltzmann (5,669 x 10-8 W/m2K4); A a rea de troca de

10

calor e T a temperatura dos corpos que esto trocando calor. Este tipo de transferncia de

calor acontece atravs das fronteiras do sistema; mas a maior quantidade de calor trocada

entre o fluido de trabalho e as peas do motor acontece por conveco forada, de acordo com

Taylor C.F. no livro Anlise dos Motores de Combusto Interna (1971).

Desta forma se faz um mapeamento de como acontecem as trocas de calor para um sistema de

arrefecimento dentro de um combusto. Levando-se em considerao os tipos de processo e

at mesmo a forma em que se apresenta o fluido.

4. APLICAO ESPECFICA NA REA NAVAL

No meio naval o sistema de resfriamento utilizado o de fluido de arrefecimento, feito por

gua. A gua como fluido de trabalho dentro dos motores de navios pode ser doce ou salgada

e tambm podem ser classificadas em sistemas simples ou convencionais e sistemas

sofisticados ou complexos.

Os sistemas simples ou convencionais so mais utilizados em motores que queimam

combustvel leve, como por exemplo o lcool, e a gua doce circula em um circuito fechado

que inclui as camisas midas que envolvem os cilindros. J a gua salgada circula por um

circuito aberto, que inclui os resfriadores de gua doce das camisas, leo lubrificante e ar. Em

barcos pequenos como por exemplo os pesqueiros, se utiliza apenas o sistema aberto de

refrigerao. Os sistemas considerados mais complexos possuem circuitos de baixa

temperatura que inclui os resfriadores de ar de carga e turbo-carregador, e tambm de alta

temperatura que inclui as camisas dos cilindros, o resfriado de leo lubrificante e o resfriado

de ar.

Existe tambm outro tipo de sistema do qual utiliza um resfriador central onde a gua circula

salgada e troca calor com o circuito fechado de gua doce, incluindo as camisas midas que

envolvem os cilindros, o resfriado de leo lubrificante e o resfriado de ar. Esse sistema pode

ser visto na figura 4-1. Alm de captar, filtrar e circular a gua salgada para os trocadores de

calor ou para o resfriador central, o sistema faz com que a gua doce percorra as camisas

absorvendo o calor originado pela combusto, mas a temperatura da gua das camisas deve

ser mantida alta o suficiente para impedir que acontea condensao de gases corrosivos nas

paredes dos cilindros e baixa em um nvel que no permita a formao de bolsas de vapor em

pontos isolados.

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Fig. 4-1 Sistema onde a gua salgada resfria a gua doce.

Em motores super-carregados o resfriamento do ar de carga tem por finalidade promover a

diminuio da densidade de uma dada massa de ar, permitindo assim que uma maior

quantidade de ar possa ser admitida nos cilindros.

Nos motores que queimam combustvel residual, a combusto requer temperaturas timas de

operao em todas as cargas. Em cargas elevadas a temperatura deve ser baixa o bastante para

que seja limitada a carga trmica e para que na cmara de combusto no ocorra a corroso a

quente dos componentes. A temperatura deve ser alta o bastante para cargas baixas para que a

combusto completa seja garantida e para que no ocorra a corroso a frio na cmara de

combusto.

4.1 SISTEMA DE GUA DOCE

Neste sistema a bomba acoplada ao motor, acionada pelo eixo de manivelas, via trem de

engrenagens. O sistema complementado com um tanque de expanso e um trocador de

calor. A gua resfria diversas partes do motor como as camisas e cabeotes dos cilindros,

caracol da turbina (conjunto turbocompressor), mancal de escora. A gua que vem da bomba

atravessa o resfriador indo para o manifold de distribuio. Parte do liquido injetado, de

baixo para cima, nas camisas midas, seguindo para os cabeotes. Durante esse processo a

outra parte do liquido encaminhada aos turbocompressores. A gua que vem dos

turbocompressores e dos cabeotes retorna para a suco da bomba. Existem outros pontos

que podem ser resfriados por gua doce, como os pistes, atravs de tubos telescpicos

inseridos nas hastes em motores tipo cruzeta. (Existe um circuito a parte para refrigerao dos

pistes e injetores).

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Fig. 4-2 Sistema bsico de gua Doce.

Na figura 4-1 h uma esquematizao bsica para o entendimento do sistema de gua doce no

resfriamento do motor. Nela a gua circula pelo motor e passa por um trocador de calor,

sendo resfriada por gua salgada e bombeada novamente para o motor. Existem duas bombas

centrfugas auto-escorvantes, ou seja, que operam acima do nvel do lquido (uma em

operao e outra de reserva), que so acionadas por motores eltricos. H uma vlvula de by-

pass no circuito controlada por um termostato e pode-se desviar toda gua ou parte dela para a

suco da bomba quando a temperatura da gua doce for baixa. Integrado no circuito, existe

um tanque de expanso e reposio (tanque de compensao) que tem por finalidade

compensar a expanso da gua devido ao aumento da temperatura. Tambm usado para

reposio de gua perdida por evaporao, vazamento, etc.

A temperatura de entrada da gua no motor deve ser regulada pra que a temperatura de sada

se situe prximo a um determinado valor (65C a 70C). As superfcies que se encontram com

temperaturas mais baixas so as que tem prioridade de resfriamento para o fluxo da gua.

Quando o resfriamento dos injetores do motor feito por meio de gua doce, existe um

circuito idntico ao descrito acima, com a incluso de mais um elemento, o tanque de

separao de leo.

13

Fig. 4-3 Sistema de gua Doce com tanque de separao de leo.

Fig. 4-4 Desenho mais complexo de um Sistema de Resfriamento (gua doce).

14

Fig. 4-5 Outra ilustrao do sistema de gua fechado (gua doce).

4.2 SISTEMA DE GUA SALGADA

Neste sistema a bomba acoplada ao motor e acionada pelo eixo de manivelas, via trem de

engrenagens. Utiliza gua do mar para retirar o calor dos fluidos que circulam nos sistemas de

lubrificao e de gua doce de resfriamento, passando pelos diversos resfriadores (trocadores

de calor, incluindo o resfriador de ar quando houver). A bomba succiona a gua salgada

proveniente de mar via filtro e vlvulas de isolamento. Uma parte da gua salgada forada

para o resfriador de ar de carga, resfriador de leo do motor, descarga de gases, enquanto a

outra parte direcionada para o resfriador da gua do circuito fechado do motor. Aps a

utilizao a gua salgada descarregada pelo costado da embarcao.

Fig. 4-6 Sistema de gua Salgada.

15

Fig. 4-7 Sistema de resfriamento do motor com as redes de gua doce e salgada.

Fig. 4-8 Desenho mais complexo de um Sistema de Resfriamento (gua salgada).

16

Fig. 4-9 Outra ilustrao do sistema de gua aberto (gua salgada).

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5. CONCLUSO

O grupo concluiu atravs deste trabalho que o sistema de resfriamento de um motor deve ser

preciso e sofisticado o bastante para manter-se sensvel s mudanas de temperatura que

ocorrem dentro de um motor, de maneira que acompanhe as complexidades dos sistemas

termodinmicos atuantes e promova funcionamento adequado. Da mesma forma nota-se a

importncia de um sistema de resfriamento para a vida til de um motor.

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

Especializao em Engenharia Naval Mdulo 5 Instalaes Propulsoras e Sistemas

Auxiliares.

The Society of Naval Architects and Marine Engineers - Marine Engineering 1971.

Ray T. Bohacz - Engine Cooling Systems 2007.

T. K. Garrett, Kenneth Newton e William Steeds - The Motor Vehicle 1966.

Taylor, C.F. - Anlise dos Motores de Combusto Interna 1971.

Crouse, W.H.; Anglin, D.L. - Automotive air conditioning 1977.

Carlos Alberto Alves Varella - Sistemas Auxiliares dos Motores de Combusto Interna -

UFRRJ, 2012.

Heywood J.B. - Internal Combustion Engine Fundamentals 1988.

Antnio Carlos Lessa Maffei Monitorao e Diagnstico de Motores de Propulso

Martima UFRJ, 2007.

Luiz Augusto Rocha Baptista - Manuteno Preditiva de Motores Diesel de Parmetros

Nacionais UFRJ, 1999.