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Universidade Tecnolgica do paranDepartamento de mecnicaengenharia mecnica

eduardo kosuGABRIEL RUSSOHenrique brinoPedro pimenta barbosaRenato augusto ALMEIDA macedowillian nardi

MOTORES DE COMBUSTO POR COMPRESSO - dIESEL

Ponta grossa2015eduardo kosuGABRIEL RUSSOHenrique brinoPedro pimenta barbosaRenato augusto ALMEIDA macedowillian nardi

MOTORES DE COMBUSTO POR COMPRESSO - dIESELRelatrio acadmico apresentado para a disciplina de Mecnica dos Slidos B, da Universidade Tecnolgica Federal do Paran, campus Ponta Grossa, como parte da avaliao do 5 perodo letivo do Curso de Graduao em Engenharia Mecnica. Prof.: Dr. Eng. Gino Capobianco

PONTA GROSSA2015SUMRIO1.INTRODUO41.1 INTRODUO AO CICLO DIESEL52.ESTUDO DO CICLO DO MOTOR DESEL DE 4 TEMPOS63.SISTEMA DE INJEO74.BOMBA DE INJEO105.INJETORES126.OUTROS COMPONENTES147.CONCLUSES148.REFERNCIAS14

1. INTRODUO

A criao do primeiro modelo do motor a diesel que funcionou de forma eficiente surgiu no dia 10 de agosto de 1893, por Rudolf Diesel, em Augsburg, Alemanha, e por isso recebeu este nome. A ideia surgiu enquanto Rudolf Diesel participava de uma conferncia sobre termodinmica em 1878, e usando suas prprias palavras: Quando durante a conferncia sobre termodinmica na Polytechnikum de Munique em 1878, o meu respeitado mestre, Professor Linde, explicou para os seus ouvintes que as mquinas a vapor convertem apenas de 6-10% do poder calorfico do combustvel em trabalho, eu escrevi na margem do meu livro de anotaes: Estude se no seria possvel realizar a isoterma na prtica! Naquele momento eu desafiei a mim mesmo! Aquilo ainda no era uma inveno, nem mesmo uma ideia que a justificasse. Mas, dali em diante, o desejo de realizar idealmente o processo de Carnot determinou a minha existncia. Eu deixei a escola, uni-me ao lado mais prtico das coisas e tive que buscar a concretizao do meu objetivo vital. Aquele pensamento me acompanhava constantemente. (DIESEL, Rudolf. In: O Surgimento das Mquinas Diesel, apud manual de Biodiesel, 2007, p. 5).Alguns anos depois, o motor foi apresentado oficialmente na Feira Mundial de Paris, Frana, em 1898. O combustvel ento utilizado era o leo de amendoim, um tipo de biocombustvel obtido pelo processo de transesterificao.Os primeiros motores tipo diesel eram de injeo indireta. Tais motores eram alimentados por petrleo filtrado, leos vegetais e at mesmo por leos de peixe.Entre 1911 e 1912, Rudolf Diesel fez a seguinte afirmao:O motor a diesel pode ser alimentado por leos vegetais, e ajudar no desenvolvimento agrrio dos pases que vierem a utiliza-lo... O uso de leos vegetais como combustvel pode parecer insignificante hoje em dia. Mas com o tempo iro se tornar to importante quanto o petrleo e o carvo so atualmente.Um dos primeiros usos de leos vegetais foi no uso de veculos pesados na frica do Sul, antes da Segunda Guerra Mundial. O processo chamou a ateno de pesquisadores norte-americanos durante a dcada de 40, quando buscavam uma maneira mais rpida de produzir glicerina para alimentar, bombas, no perodo da guerra.Aps a morte de Rudolf Diesel, a indstria do petrleo criou um tipo de leo que denominou de leo Diesel que, por ser mais barato que os demais combustveis, comeou a ser largamente utilizado. Foi esquecido, desta forma, o principio bsico que levou a sua inveno, ou seja, um motor que funcionasse com leo vegetal e que pudesse ajudar de forma substancial no desenvolvimento da agricultura dos diferentes pases. A abundncia de petrleo aliada aos baixos custos dos seus derivados fez com que o uso dos leos vegetais casse no esquecimento. Mas os conflitos entre pases e o efeito estufa foram elementos que marcaram de forma definitiva a conscincia do Desenvolvimento Auto Sustentvel pelos ambientalistas. Dessa maneira, a fixao do homem no campo e o aumento do consumo de combustveis fsseis, fez com que houvesse, mais uma vez, a preocupao com produo de leo vegetal para ser utilizado em motores.

1.1 INTRODUO AO CICLO DIESEL

O ciclo diesel essencialmente caracterizado pela combusto ser causada pela compresso da mistura ar + combustvel. O ar admitido pela cmara no primeiro ciclo entrando na cmara. No segundo ciclo, o pisto faz a compresso dessa massa de ar e a trmino da compresso, injeta-se combustvel sob presso no interior da cmara. Dada as altas temperaturas e presso no interior da cmara, a mistura sofre a exploso ao final do ciclo. A expanso do gs originrio dessa exploso expande-se originando o terceiro ciclo. Por fim, o gs de resduos da combusto liberado pelas vlvulas, quando ento, reinicia-se o processo. importante salientar a diferena dos motores diesel para os motores do ciclo Otto sob o aspecto da combusto: nos motores Otto h um dispositivo faiscador, chamada vela, que no h na maioria dos sistemas diesel. Outro dado o de que no motor Otto o combustvel entra na cmara durante a admisso do ar, o que provoca perdas na taxa de compresso do motor. J no sistema diesel, somente o ar aspirado na admisso e o combustvel injetado quando o motor atinge mxima compresso do ar ocasionando assim a exploso da mistura. Outro ponto importante que o ciclo diesel usa taxas elevadas de compresso entre 12 e 24, enquanto o ciclo Otto a taxa mxima de 12.As vantagens de um ciclo diesel so o rendimento, maior durao e menores custos de manuteno. Entretanto, as desvantagens do uso de um motor a diesel o preo elevado, peso, a vibrao que produz as baixas rotaes e cheiro de queimado.2. ESTUDO DO CICLO DO MOTOR DESEL DE 4 TEMPOS

O Ciclo do Mortor Desel de quatro tempos possue a seguinte sequncia de tempos: Primeiro tempo: curso descendente, admisso de ar puro. Segundo tempo: curso ascendente, compresso do ar puro. Terceiro tempo: Segundo curso descendente, injeo do combustvel, combusto e repouso. Quarto tempo: Segundo curso ascendente, escapamento dos gases queimados.Alguns ciclos tericos foram propostos para descrever o comportamento de um motor. Entre eles temos o Ciclo de Carnot, Ciclo de Volume Constante, Ciclo de Presso Constante e Ciclo Misto. Os motores Diesel modernos so descritos com maior exatido pelo Ciclo Misto tambm conhecido como Ciclo Dual, uma representao dos diagramas tericos e real do ciclo misto apresentado na figura 1.

Figura 1 -- Diagrama terico e real do ciclo misto. Fonte: Boulange (Editora Hemus).

No diagrama terico observa-se que do percurso BC ocorre a volume constante e o do CD ocorre a presso constante, isso descreve melhor o comportamento que ocorre entre o primeiro e segundo tempo do motor diesel de 4 tempos. O diagrama real, no entanto, mostra que isto apenas uma idealizao.O diagrama real apresenta realmente os 4 tempos, pois demonstra 2 reas que constituem a real troca de energia do sistema. A rea superior o trabalho produzido pelo sistema, enquanto a rea inferior o trabalho recebido atravs das foras inerciais. Pode-se observar desse diagrama 2 momentos que se atinge o ponto morto superior (PMS) e 2 momentos que se atinge o ponto morto inferior (PMI), os tempos ocorrem entre esses pontos.Uma comparao entre os 4 tempos para os motores a gasolina e os motores a diesel a apresentada a seguir.GasolinaDiesel

1 tempo: admisso de mistura ar-gasolina. 2 tempo: compresso de aprox. 10 bar dos gases carbonizados (280C fim de compresso). 3 tempo: Ignio. 4 tempo: Escapamento dos gases queimados.

1 tempo: admisso de ar puro 2 tempo: compresso de aprox. 40 bar do ar puro (700C fim de compresso) 3 tempo: Injeo do combustvel. 4 tempo: Escapamento dos gases queimados.

Deve-se ainda destacar o grande contraste de taxa de compresso entre motores a diesel e a gasolina, sendo que para o Diesel de aprox. 20 e para Gasolina entre 6 e 8, o que faz com que o Diesel possua um maior aproveitamento da energia potencial do combustvel.

3. SISTEMA DE INJEO

A injeo em motores Diesel pode ser feita de duas maneiras: diretamente no cilindro do pisto, onde primeiro o ar comprimido, e somente depois o combustvel injetado. A mistura acontece dentro do cilindro, e se auto-inflama, em razo das altas temperaturas alcanadas quando se comprime o ar. Esse processo cria razes de compresso altas quando comparadas daquelas vistas em motores Otto, e por isso de maneira geral, gera mais potncia.

Figura 2- Injeo Direta [MARTINS, 2006]Um dos problemas com esse sistema que para injetar-se o combustvel, so necessrias presses altas que venam a presso interna no cilindro. Atualmente, os motores Diesel de injeo direta, sejam eles pequenos ou grandes, funcionam com presses de injeo ao redor de 2000 bars (ou 200 MPa). Por conta dessas condies de trabalho extremas, num motor Diesel, um dos componentes mais complexos de se projetar o injetor. Ele suporta altas temperaturas e presses, injeta o combustvel como uma fina nvoa e faz a mistura do combustvel e comburente no cilindro.Ao projetar-se um injetor direto, dito ento que, ele precisa satisfazer trs condies para que o motor funcione de forma eficaz: Pulverizao de combustvel: Para que a mistura seja o mais homognea possvel, o combustvel dever vaporizar-se. Tal que, de maneira geral, o grau de pulverizao ser maior quando as gotas forem menores. Em relao ao injetor, a pulverizao depende da presso de injeo, do tamanho do orifcio do injetor e da velocidade de injeo.

Penetrao do spray: Idealmente, o combustvel deveria se misturar completamente com o comburente para acontecer uma combusto perfeita dos componentes. Para isso acontecer, as gotas precisam alcanar diferentes partes do cilindro, tanto no centro do cilindro, perto do injetor como nas paredes mais distantes. Assim, um bom injetor libera gotas de diferentes tamanhos em diferentes direes. Gradiente de injeo: Com os sistemas de injeo modernos (de rpida resposta) consegue-se injetar mais combustvel para o arranque frio, ou para aumentar o gradiente de presso. Com maior liberdade nos gradientes de injeo, obtm-se uma melhor combusto, diminuindo os rudos e os poluentes liberados.

Em motores Diesel, com injeo indireta, a mistura feita numa pr-cmara. Com o ar sendo injetado para dentro da cmara, causando grande turbulncia, enquanto que o combustvel progressivamente injetado, como mostra a figura 3:

Figura 3- Injeo Indireta [MARTINS, 2006]Nesse tipo de sistema a presso de injeo necessria menor, sendo um sistema mais barato do que o direto. Alm disso, tem uma grande vantagem, que a de ser mais leve. Isso acontece porque grande parte da energia absorvida na pr-cmara, evitando que os mbolos, bielas e rvores de manivelas sejam afetados to seriamente como nos sistema de injeo direta. Isso reduz os custos de produo desses motores. Quando falamos de motores de pequenas cilindradas, como a quantidade de combustvel a ser injetada pequena, se fosse usado o sistema de injeo direta, o tamanho dos furos seriam muito pequenos e difceis de serem manufaturados. Por isso, os motores de injeo indireta so mais comuns em motores pequenos (de baixa cilindrada). 4. BOMBA DE INJEO

A injeo do combustvel Diesel controlada por uma bomba de pistes responsvel pela presso e dosagem para cada cilindro, nos tempos corretos. Existem dois tipos: em linha e rotativa. Bomba em linha utilizada na maioria dos motores Diesel, uma bomba em linha dotada de um pisto para cada cilindro e acionada por uma rvore de cames que impulsiona o combustvel quando o mbolo motor (pisto) atinge o ponto de incio de injeo, no final do tempo de compresso. Alguns motores utilizam bombas individuais para cada cilindro e h outros que utilizam uma bomba de presso e vazo variveis, fazendo a injeo diretamente pelo bico injetor acionado pela rvore de comando de vlvulas.

Figura 4 - Bomba injetora em linha Bomba rotativa um mecanismo de injeo de um nico elemento de bombeamento (dois pistes contrapostos em um cilindro transversal), fornecendo por meio de uma vlvula dosadora a quantidade exata de combustvel ao motor, atravs de um distribuidor giratrio na ordem de exploso, independente da quantidade de cilindros e rotao do mesmo.

Figura 5 - Bomba injetora rotativaAs bombas injetoras, rotativas ou em linha, para que funcionem, so instaladas no motor sincronizadas com os movimentos da rvore de manivelas. Ao processo de instalao de bomba injetora no motor d-se o nome de calagem da bomba. Cada fabricante de motor adota, segundo o projeto de cada modelo que produz, um processo de calagem da bomba injetora. Na maioria dos casos, a coincidncia de marcas existentes na engrenagem de acionamento da bomba com as marcas existentes na engrenagem acionadora suficiente para que a bomba funcione corretamente. Em qualquer caso, porm, absolutamente necessrio consultar a documentao tcnica fornecida pelo fabricante, sempre que se for instalar uma bomba injetora, pois os procedimentos so diferentes para cada caso. A injeo eletrnica de combustvel em motores diesel tem como objetivo satisfazer as exigncias muito severas de proteo do meio ambiente. Para isso foi desenvolvido um sistema eletrnico de comando de injeo. Um mdulo de comando recebe sinais do pedal do acelerador e de sensores instalados no motor. Os sensores detectam as informaes de funcionamento do motor e enviam para o mdulo de comando.As unidades injetoras so comandadas mecanicamente pela rvore de comando na cabea dos cilindros e eletronicamente pelo mdulo de comando. Com isso a injeo de combustvel alternada de acordo com a solicitao e a rotao do motor.No sistema de injeo de presso modulada Common Rail, produo de presso e injeo produzida independente da rotao do motor e do volume de injeo, e est no Rail (acumulador de combustvel de alta presso) pronta para a injeo na unidade de comando eletrnica e transportados pelo injetor em cada cilindro do motor atravs de uma vlvula magntica ativada. Com o injetor e a alta presso sempre constante, obtm-se uma curva de injeo muito precisa. Com a ajuda de sensores instalados no motor, a unidade de comando capta as informaes e tem condies de comando e regulagem sobre o veiculo e, principalmente, sobre o motor. A funo bsica controlar a injeo do diesel no momento certo, na quantidade exata e com a mxima presso possvel. Assegura desta maneira, um funcionamento silencioso, econmico e pobre em poluentes do motor diesel.

Figura 6 -- "Common Rail"5. INJETORES

O sistema responsvel pela formao da mistura ar combustvel no motor de combusto por compresso o sistema de injeo, no qual o injector tem um papel fundamental dentro deste sistema. Este mesmo sistema tambm responsvel pelo bom ou mau desempenho do motor a Diesel. O injector possui um spray de determinada caracterstica, tais como as mais importantes proporcionar a penetrao, a atomizao e a distncia onde ocorre o rompimento das gotas e o ngulo do spray.O sistema de injeco podem-se dividir em dois tipos: injeco direta e injeco indireta (ou cmara auxiliar).Na injeco direta emprega-se maiores presses de alimentao e injectores de vrios orifcios. O combustvel injetado diretamente sobre a cabea do pisto, por meio de um bico injetor com furos direcionados segundo certo ngulo conforme mostra a figura 7. Embora haja uma certa turbulncia na cmara de injeco direta, a mistura formada pelas boas caractersticas do spray, que fornece a otimizao da penetrao das gotas. Motores com este tipo de injeco trabalham com elevado excesso de ar, sendo assim sobrealimentados a elevada presso e por consequncia possuem um maior rendimento trmico. Logo, na injeco indireta acontece o inverso da injeco direta, pois utiliza menores presses de alimentao e injectores com geometrias diferentes, dotados de orfcio nico com agulha. O combustvel inflma-se e queima parcialmente na antecmaras, onde as paredes da antecmara mantm alta temperatura a fim de auxiliar a preparao e ignio do combustvel. O spray gerado por este injector possui caraterstica mais grosseira, de maior dimetro mdio, pelo fato da mistura ocorrer pela turbulncia do ar na cmara auxiliar, mostrado na figura 8.

Figura 7 - Injeo direta.

Como podemos observar na figura 8, existe um vela de aquecimento na cmara de auxiliar (antecmara), na qual permite o arranque a frio do motor, pois a taxa de compresso neste tipo de motores no suficiente para permitir que o combustvel inicie a sua a sua combusto. Este fato ocorre devido atomizao (presso do liquido injectado) do spray grosseira e existe uma grande rea de paredes frias. Essa velas, que nada mais so do que uma resistncia eltrica, so usadas para elevar a temperatura do ar dentro da cmara de combusto. O motor em seu estado estacionrio, ou seja ainda antes de seu posto de trabalho, passada uma corrente eltrica pelas velas at que a temperatura da cmara seja suficiente para que acontea uma combusto estvel.

Figura 8 - Injeco Indireta6. CONCLUSESA principal diferena dos motores diesel para os motores do ciclo Otto sob o aspecto da combusto: nos motores Otto h um equipamento que iniciar a combusto atravs de uma fasca, chamada vela, que no h na maioria dos sistemas diesel. Outro dado o de que no sistema diesel, somente o ar aspirado na admisso e o combustvel injetado quando o motor atinge mxima compresso do ar ocasionando assim a exploso da mistura. Outro ponto importante que o ciclo diesel usa taxas elevadas de compresso entre 12 e 24, e para a quando a taxa de compresso baixa pode se usar acessrios para melhorar a eficincia do motor.As vantagens de um ciclo diesel so o rendimento, maior durao e menores custos de manuteno. Entretanto, as desvantagens do uso de um motor a diesel o preo elevado, peso, a vibrao que produz as baixas rotaes.7. REFERNCIAS

Boulanger, P.; Adam, B. Motores Diesel. Editora Hemus.

BRUNETTI, Franco.Motores de combusto interna.So Paulo, SP: Blucher, 2012. 2

Moran, M. J.; Shapiro, H. N.; Boettner, D. D.; Bailey, M. B. Princpios de Termodinmica para engenharia. 7 ed. LTC, 2013.