introdução ao motores de combustão interna

Prof. Dr. Antonio Moreira dos Santos: Apostila da aula 1 1

INTRODUÇÃO AOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA

Conceitos fundamentais Os motores de combustão interna são máquinas que transformam a energia química dos combustíveis em energia mecânica entregue a outra máquina através do volante. Os motores de combustão interna mais conhecidos são: - Motores do ciclo Otto:

Motores que normalmente são alimentados por gasolina, álcool, gás liquefeito do petróleo ou gás natural (metano) e que tem a ignição provocada por centelha em uma vela. Estes motores também são conhecidos por motor de ignição por centelha – ICE. O combustível é introduzido na corrente de ar que flui no coletor de admissão através do carburador ou do sistema de injeção eletrônico ou ainda através de válvulas redutora de pressão de gás.

Fig.1 – Corte de um motor do ciclo Otto.

Estes motores têm o ciclo de operação realizado em quatro ou dois tempos. A

maioria dos motores de automóveis é do ciclo Otto de quatro tempos. Os motores de dois tempos são mais usados em motocicletas, aparadores de grama, moto-serras e pequenas unidades de geração de energia elétrica.


Os quatro tempos de operação de um motor Otto são os seguintes:

Admissão:

Fig.2 – Tempo de admissão.

Neste tempo uma mistura de ar e de combustível é aspirada para o interior do cilindro do motor através da válvula de admissão que se encontra aberta. A mistura ar-combustível começa a ser formada no coletor de admissão pela introdução do combustível na corrente de ar. O combustível é introduzido na corrente de ar pelo sistema de carburação, usado nos motores mais antigos ou pelos sistemas de injeção eletrônica, presentes nos motores mais modernos. Durante o tempo de admissão o êmbolo desloca-se dentro do cilindro do ponto morto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI). O volume varrido entre o PMS e o PMI é chamado cilindrada unitária do motor.

Compressão:

Fig. 3 – Tempo de compressão.

Neste tempo a mistura ar-combustível é comprimida ocorrendo uma maior integração entre as partículas de combustível e de ar. Durante este tempo o êmbolo desloca-se do PMI para o PMS e as válvulas de admissão e de escape encontram-se fechadas. Quando o êmbolo aproxima-se do PMS o sistema de ignição dispara uma centelha entre os eletrodos de uma vela que se encontra introduzida no seio da mistura. Explosão: A centelha disparada na vela provoca a ignição da mistura, deflagrando a rápida combustão da mistura previamente comprimida. Durante este tempo o êmbolo movimenta-se do PMS para o PMI. Quando o êmbolo aproxima-se do PMI, neste tempo, a válvula de escape abre-se.


Fig. 4 – Tempo de explosão ou expansão.

Descarga:

Fig. 5 – Tempo de descarga.

Neste tempo o êmbolo desloca-se do PMI para o PMS enquanto a válvula de escape encontra-se aberta. Durante o tempo de descarga os gases formados no processo de combustão são varridos do cilindro para o meio ambiente. - Motores do ciclo Diesel:

Motores que normalmente são alimentados por óleo Diesel ou óleos vegetais e que tem a combustão iniciada por auto-ignição do combustível injetado no seio de uma massa de ar comprimida até ultrapassar a temperatura de ignição do combustível usado. O combustível é injetado no interior da câmara de combustão por meio de uma bomba mecânica de alta pressão.

Fig. 6 – Motor do ciclo Diesel.

Estes motores também são denominados mototores de ignição por compressão – ICO.


Estes motores têm o ciclo de operação realizado em quatro ou dois tempos. A maioria dos motores de caminhões e ônibus é do ciclo Diesel de quatro tempos. Os motores de dois tempos no ciclo diesel são raros.

Os quatro tempos de operação de um motor Diesel são os seguintes:

Admissão: Neste tempo, apenas ar é aspirado para o interior do cilindro do motor através da válvula de admissão que se encontra aberta. Durante o tempo de admissão o êmbolo desloca-se dentro do cilindro do ponto morto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI). O volume varrido entre o PMS e o PMI é chamado cilindrada unitária do motor. Compressão: Neste tempo o ar é comprimido a uma pressão e temperatura superior ao do ponto de auto-ignição do combustível a ser usado. Durante este tempo o êmbolo desloca-se do PMI para o PMS e as válvula de admissão e de escape encontram-se fechadas. Quando o êmbolo aproxima-se do PMS o sistema de injeção mecânica introduz o combustível no seio da massa de ar previamente comprimida. Explosão: A massa de combustível injetada é misturada à massa de ar reagindo rapidamente e trocando calor até que entra em combustão espontânea. Durante este tempo o êmbolo movimenta-se do PMS para o PMI. Quando o êmbolo aproxima-se do PMI, a válvula de escape abre-se.

Fig. 7 – Ingnição por compressão.

Descarga: Neste tempo o êmbolo desloca-se do PMI para o PMS enquanto a válvula de escape encontra-se aberta. Durante o tempo de descarga os gases formados no processo de combustão são varridos do cilindro para o meio ambiente.

- Motores Wankel:

O motor Wankel é um motor rotativo com concepção totalmente distinta dos motores Otto e Diesel e que apesar de ser muito interessante, ocupa uma faixa de mercado muito pequena. Por isto, não avançaremos na sua análise.


Fig. 8 – Motor Wankel

Principais componentes de um motor de combustão interna Os componentes dos motores alternativos, quanto a sua característica de funcionamento se dividem em 3 partes: • Componentes fixos; • Componentes móveis e; • Componentes auxiliares. Os principais componentes fixos são:

- Bloco; - Cilindro; - Cárter; - Cabeçote;

Os principais componentes móveis são:

- Pistão; - Biela; - Girabrequim (árvore de manivelas); - Volante; - Válvula; - Eixo do comando de válvulas, etc.


Os componentes auxiliares são essenciais para o funcionamento do motor. Os principais são: velas, coletores de admissão e de escape, motor de arranque, alternador, carburador, bicos injetores, filtros de ar, de óleo e de combustível, bombas de água e de combustível, distribuidor, etc. Bloco Representa o corpo do motor, nele são usinados os cilindros ou os furos para a colocação destes. Na sua parte inferior estão alojados os mancais centrais, onde se apóia o girabrequim, e na parte superior localiza-se o cabeçote. O bloco serve ainda de suporte para alguns componentes auxiliares como a bomba de água, alternador, distribuidor, etc.

Fig. 9 - Bloco de um motor

No interior do bloco existem diversas passagens para circulação de água e óleo. Os cilindros são circundados por espaços ocos, denominados camisas d’água, por onde circula a água de refrigeração. Nos motores refrigerados a ar os cilindros são separados e circundados por aletas, cuja finalidade é aumentar a superfície de transferência de calor.

Fig. 10 - Cilindros aletados (motor horizontal)

Quando os cilindros são fixos no bloco, formando uma só peça, dizemos que o

bloco é do tipo integral, ou também chamado de monobloco. O bloco integral, quando comparado com o de cilindros substituíveis, tem a desvantagem de não poder sofrer mais que um certo número de retíficas em seus cilindros, devido à diminuição da espessura de


suas paredes. Em casos extremos, quando o bloco integral não suportar mais retíficas, pode-se efetuar o encamisamento, isto é, o bloco é retificado e um cilindro de menor diâmetro é prensado dentro dele, como se fosse um cilindro substituível. Cabeçote Também conhecido como tampão, é a parte superior do motor, onde se localizam as válvulas, câmaras de combustão, velas, etc. O tamanho e a forma do cabeçote variam de acordo com o tipo de motor. Alguns motores apresentam o eixo do comando de válvulas no cabeçote, que passa então a incorporar todo o sistema de válvulas.

Fig. 11 - Cabeçote

O cabeçote apresenta galerias em seu interior, em torno das câmaras de combustão, por onde circula a água de refrigeração. Nos motores arrefecidos a ar, o cabeçote possui aletas.

A vedação da água de refrigeração, dos gases de combustão e do óleo lubrificante é feita por intermédio de uma junta, fabricada a base de amianto revestida nas em algumas partes com anéis de cobre, aço ou silicone. Estes anéis têm a função de melhorar a vedação nas partes mais críticas. Isto é possível porque estes pontos, ao receberem os anéis, terão maior espessura e, assim, recebem maior carga durante o fechamento. Os cabeçotes são fabricados, na sua maioria, em liga de alumínio. Em alguns casos especiais, são fabricados em ferro fundido. Os de liga de alumínio são mais leves e possuem uma maior capacidade de resfriamento, devido ao alto coeficiente de transmissão de calor.

O aperto dos parafusos de fixação do cabeçote não pode ser feito aleatoriamente, devendo seguir certa ordem, conforme prescrição do fabricante. Caso contrário, o cabeçote poderá empenar, provocando sérios inconvenientes ao motor. A ordem de aperto dos parafusos deve ser em sentido de cruz, começando do centro para as extremidades. Cilindro É onde o pistão se desloca, descrevendo movimento alternado. Geralmente é fabricado em ferro fundido com ligas.


Fig.12 - Cilindro aletado

Quanto à fixação, os cilindros podem ser:

- Fixos (fundidos junto com o bloco); - Substituíveis (quando não faz parte do bloco, o que possibilita sua substituição).

Devido ao movimento alternado do pistão, os cilindros, com o decorrer do tempo,

sofrem um desgaste que pode ocorrer em maior ou menor tempo, dependendo de certos fatores, como por exemplo:

- Material abrasivo no combustível ou no óleo lubrificante ou no ar; - Água no combustível ou no óleo lubrificante; - Viscosidade inadequada do óleo; - Superaquecimento do motor; - Insuficiência de pressão de óleo.

Cárter Sua função é servir como depósito de óleo e cobrir os componentes inferiores do motor. Todo óleo depositado no cárter deve estar em contato com a entrada da bomba, para que o ar não seja aspirado por ela. Câmara de combustão É onde ocorre a combustão da mistura ar-combustível, e é nesta parte onde estão localizados os eletrodos da vela e as cabeças das válvulas. Sua forma varia de acordo com o tipo do motor e deve ser projetada visando:

- Criar uma certa turbulência durante a fase de compressão, de modo que a velocidade de propagação da chama seja a maior possível;

- Criar uma turbulência durante o intervalo do ângulo de cruzamento das válvulas, de modo a obter uma melhor varredura dos gases;

- Fazer com que a propagação da chama percorra a menor distância possível entre o início da centelha (no caso dos motores ICE) e as paredes da câmara, de modo a reduzir a possibilidade de ocorrência de detonação.


Fig. 13 - Câmara de combustão

Êmbolo ou Pistão É o componente do motor que recebe diretamente o impulso da combustão dos gases e o transmite ao girabrequim através da biela. Pode ser forjado ou fundido em liga de alumínio. Em sua parte superior podem existir cavidades, que compõem a câmara de combustão do cilindro. Nos motores com o pistão com a cabeça plana a câmara de combustão tem seu formato definido pelo cabeçote.

Fig. 14 - Conjunto pistão-biela


Entre o pistão e a parede do cilindro existe uma folga, de fração de milímetro, preenchido pelos anéis de segmento, que têm a função de evitar que os gases escapem para o cárter e controlar a lubrificação entre as superfícies. O pistão deve possuir: elevada resistência mecânica, pois pode suportar forças da ordem de toneladas; boa resistência ao calor, pois fica sujeito à temperaturas de até 2000ºC; elevada resistência ao desgaste (em 6000 rpm o pistão sobe e desce 100 vezes por segundo); boa condutibilidade térmica; leveza e baixo nível de ruído. Biela É o componente móvel de ligação entre o pistão e o girabrequim.

Fig. 15 - Biela

Junto com girabrequim, transforma o movimento retilíneo do pistão em movimento rotativo, transmitido depois ao câmbio e posteriormente às rodas. O elo menor é atravessado pelo pino do pistão, e o maior, bipartido, abraça o moente (mancal móvel do girabrequim) da manivela. O mancal fixo do girabrequim chama-se munhão. Girabrequim Também conhecido como árvore de manivelas ou virabrequim, é o maior e mais pesado componente móvel do interior do motor. Tem fixado em sua parte frontal uma polia que distribui movimento para os acessórios externos do motor, como o eixo do comando de válvulas e a bomba d’água. Na sua região posterior é fixado o volante do motor e nesse a embreagem. O girabrequim fica apoiado nos mancais principais do bloco. Pode sofrer retíficas ao longo do tempo.


Fig. 16 - Girabrequim

Volante Geralmente produzido em aço, é o componente responsável pelo armazenamento da energia cinética durante a fase de explosão/expansão do motor e sua restituição durante as fases de admissão, compressão e exaustão.

Fig. 17 - Volante do motor

Quanto mais pesado o volante, mais estável é o motor, sendo mais suave seu funcionamento. Em contrapartida, a subida de rotações é mais lenta e o retorno ao regime normal de marcha lenta também é mais demorado.


Válvulas Permitem a entrada da mistura ar-combustível para o cilindro (válvula de admissão) e liberam os gases queimados após a combustão (válvula de escape).

Fig. 18 - Válvula

As válvulas devem resistir a altas temperaturas, pressões e a corrosão (principalmente a de escape). Devem ser leves e possuir boa dureza superficial. Para situações mais críticas, a válvula de escapamento pode ser oca e possuir sódio em seu interior para facilitar as trocas térmicas. Eixo do Comando de Válvulas Tem a função de controlar o movimento de abertura e fechamento das válvulas de admissão e escape. É acionado pelo girabrequim através de correia dentada, engrenagens ou corrente.

Fig. 19 - Eixo do comando de válvulas


O comando de válvulas possui excêntricos (ou câmes) que organizam precisamente qual válvula deve se abrir ou fechar num certo instante determinado. A cada ciclo do motor, o girabrequim dá duas voltas, enquanto o comando dá apenas uma. Os motores ICE atuais possuem comando de válvula no cabeçote. Os motores mais antigos e os motores ICO o possuem o comando de válvula no bloco. Neste caso, o comando necessita, além dos tuchos, de varetas e balancins para transmitir seus movimentos às válvulas. O comando de válvula se interliga ao girabrequim de forma sincronizada para proporcionar a abertura e fechamento das válvulas no momento adequado. O conjunto de peças da figura 20 constitui o sistema de distribuição de mistura.

Fig. 20 – Sistema de distribuição de mistura

O sincronismo dos eixos e o perfil do cames garantem o momento da abertura e do fechamento das válvulas, bem como a duração da abertura destas válvulas. Já há desenvolvimento no sentido de permitir a abertura e fechamento das válvulas através de comandos eletrônicos. Parâmetros importantes: Volume deslocado (VD) ou Cilindrada unitária É o volume deslocado pelo êmbolo quando ele percorre o curso (L) entre o Ponto Morto Superior (PMS) e o Ponto Morto Inferior (PMI).

4

2LdVD π=


Cilindrada total É o volume deslocado multiplicado pelo número de cilindros do motor.

4

2LNdVDTπ

=

Onde: VDT = Volume deslocado total (cm3). π = 3,14 D = Diâmetro do cilindro (cm). L = Curso do êmbolo (cm). N = Número de cilindros do motor. Taxa de compressão ou razão de compressão (rc) É a relação entre o volume total existente no cilindro, quando o êmbolo está no PMI e o volume da câmara de combustão, quando o êmbolo está no PMS.

CC

ccc V

VVDr +=

onde: rc = Razão de compressão. Vcc = Volume da câmara de combustão.

Fig. 21 – Razão de compressão rc = 8:1.


Deslocamento do êmbolo (x)

Fig. 22 – Mecanismo biela manivela.

Considerando um motor que tenha o mecanismo biela manivela conforme a figura 22, o deslocamento (x) do êmbolo em função do ângulo (α) que a manivela (r) faz em relação a linha de centro do cilindro e das dimensões da biela (L) e da manivela (r) é calculado pela expressão seguinte:

( )

−−+−= αα 22/11cos1 senLr

rLrx

Obs.: As expressões que se seguem referem-se também à figura 22. As deduções destas fórmulas encontram-se no livro “Os motores a combustão interna” de Paulo Penido Filho. Estas expressões não se aplicam a motores que tenham o girabrequim deslocado da linha de centro do cilindro. Este assunto encontra-se mais detalhado nas bibliografias de Dinâmica das máquinas e mecanismos.


Velocidade do êmbolo (V) A velocidade do êmbolo é obtida derivando-se a expressão acima com relação ao tempo:

+= αα 2

2sen

LrsenWrV

Onde:

W = Velocidade angular da manivela, 60)(2 rpmW π

=

Aceleração do êmbolo (a) É obtida derivando-se a expressão da velocidade em relação ao tempo:

+= αα 2coscos2

LrrWa

A aceleração é máxima quando o êmbolo está no PMS, α = 0.

+=

LrrWa 12

max

Quando o êmbolo está no PMI, α = 180 a aceleração é máxima e negativa:

−−=

LrrWa 12

max

Obs.: A velocidade do êmbolo é máxima onde a aceleração é nula e isto ocorre antes de α atingir os 90 graus. Velocidade média do êmbolo A velocidade média do êmbolo é calculada pela expressão:

000.60)(2 rpmCVm=

Onde: C = Curso do êmbolo = 2r, em mm.


Obs.: Quanto maior for a velocidade média do êmbolo, maior será a potência absorvida pelas resistências passivas. São típicos os seguintes valores: - Motores lentos: 5 a 7 m/seg. - Motores normais: 7 a 9 m/seg. - Motores esportivos: 9 a 15 m/seg. Momento de força (Torque) O momento de força ou torque aplicado ao girabrequim é uma função da força (F) atuante no êmbolo e da posição do pistão definido pela angulação da biela e da manivela.

+= αα 2

2. sen

LrsenrFMt

Teoricamente, o momento de força máximo ocorre quando α = 45o e assume o seguinte valor:

+=

LrrFM t 2

707,0.

Entretanto a força (F), aplicada na cabeça do êmbolo, diminui à medida que o êmbolo afasta-se do PMS. Isto faz com que na prática o torque máximo seja atingido por volta de 20 graus no curso de expansão. A força (F) é igual à força (Fg) proporcionada pelo gás de combustão mais a força (Fima) de inércia das massas alternativas.

imag FFF += A força do gás pode ser obtida através do conhecimento da máxima pressão no interior da câmara de combustão e da área da cabeça do êmbolo. Porém é necessário considerar a expansão dos gases até o ângulo α desejado, usando-se a conhecida expressão termodinâmica: PxVx

n = PyVyn; com n ≈ 1,33 (processo politrópico). Px é a

máxima pressão na câmara de combustão, Vx é o volume da câmara de combustão, Py e Vy são respectivamente pressão e volume na posição α que o êmbolo se encontra. Se o objetivo é estimar o torque útil que o motor fornecerá, a pressão máxima do diagrama indicado P-V deve ser usado. Se o objetivo é obter dados para o dimensionamento de peças tais como bielas, virabrequim e bronzinas, a pressão máxima considerada deve ser bem superior a esta. Penido Filho recomenda obter esta pressão através da fórmula empírica:

( )2/3).(7 cmkgfrP ccomb −= A pressão calculada por esta fórmula é aproximadamente igual à pressão máxima do diagrama indicado. A força de inércia das massas alternativas é calculada por:


+−= αα 2coscos2

LrrWmF aima

Onde: ma = massa alternativa do sistema êmbolo, pino e biela. Massa alternativa e massa rotativa do sistema êmbolo, pino e biela A massa alternativa é composta pela massa do êmbolo, massa dos anéis, massa do pino, massa das travas do pino e parte da massa da biela que tem movimento alternativo. Considera-se massa alternativa a parte da biela que está localizada próximo ao pino munhão (pino do êmbolo) e de movimento rotativo a parte da massa da biela que está mais perto do moente da manivela. Considera-se os pontos situados acima dos 2/3 da perna da biela como alternativos e os outros 1/3 como rotativo.

Fig. 23 – Parte alternativa e rotativa da biela.


Fig. 24 – Partes alternativas e partes rotativas da biela.

As partes que compõem a massa alternativa são: - Pino munhão. - Cabeça da biela. - Bucha do pino munhão. - Pistão. - 2/3 da perna da biela. As partes que compõem a massa rotativa são: - Casquilhos. - Parafusos da biela. - Pé da biela. - 1/3 da perna da biela.

EXERCÍCIOS

1 – Calcular a velocidade instantânea do êmbolo de um motor de ignição por centelha, que tem uma biela de 80 mm e o raio da manivela de 25 mm, quando operando a 4500 rpm e α = 45o. 2 – Determinar qual é o ângulo α correspondente a velocidade máxima do êmbolo de um motor de ignição por centelha, que tem uma biela de 80 mm e o raio da manivela de 25 mm, quando operando a 5000 rpm. 3 – Calcular a aceleração do êmbolo de um motor de ignição por centelha, que tem uma biela de 85 mm e o raio da manivela de 25 mm, quando operando a 4000 rpm e α = 30o.


4 - Calcular a velocidade média do êmbolo de um motor de ignição por centelha, que tem uma biela de 85 mm e o raio da manivela de 25 mm, quando operando a 6000 rpm. 5 – Calcular o momento de força de um motor de ignição por centelha, uma biela de 80 mm e o raio da manivela de 25 mm, quando operando a 5500 rpm e α = 45o. Nesta condição a força atuante no êmbolo é de 580 kgf. 6 – Calcular o momento de força de um motor de combustão interna rodando a 4000 rpm quando α = 45 graus. São dados: Comprimento da biela = 80 mm; diâmetro do êmbolo = 70 mm; razão de compressão 8,5:1; raio da manivela = 35 mm; massa das partes alternadas = 1,0 kg.

BIBLIOGRAFIA

1 – BOSCH: “Gerenciamento de motor ME-Motronic” – Apostila Técnica. Ed. 2001. 2 – Heywood, John B.: “Internal Combustion Engine Fundamentals”, McGraw-Hill, Inc, New York – USA, 1988, ISBN 0-07-028637-X. 3 – Ferguson, Colin R.: “Internal Combustion Engines”, John Wiley & Sons, Inc, New York – USA, 1986, ISBN 0-471-83705-9. 4 – Heisler, H.: “Advanced Engine Tecnology”, SAE, London - England, 1995, ISBN 1-56091756-3. 5 – Taylor, Charles F.: “Análise dos Motores de Combustão Interna”, Edgard Blucher Ltda, S. Paulo – BR, 1976. 6 – Obert, Edward F.: “Internal Combustion Engines”, International Textbook Company, 1950. 7 – FIAT Automóveis: “Sistema Injeção/Ignição IAW-1G7” – Treinamento assistencial. 8 – Giacosa, Dante: “Motores Endotérmicos”, Ed. Cietífico – Médica, Barcelona, 1970. 9 – Penido Filho, Paulo: “Os motores a combustão interna”, Ed. LEMI, Belo Horizonte – BR, 1983. 10 – Manual Técnico da Metal Leve, 2a edição.

introdução ao motores de combustão interna

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