motores · motores otto 07 origem dos motores há muitos anos atrás, o homem descobriu que a...
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Motores Otto
Motores
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ÍNDICE
Introdução 05
1ª Parte
A história dos motores 06
Origem dos motores 07
2ª Parte
Conceitos de física aplicados a motores 13
3ª Parte
Classifi cação dos motores 21
Como se classifi cam os motores 22
4ª Parte
Funcionamento dos motores 32
Descrição do funcionamento 33
Ciclo Otto - 4 tempos 34
Cruzamento de válvulas 37
O ciclo teórico do motor (ignição por centelha) 38
O ciclo real do motor 43
O variador de fase 45
Motores de dois tempos 47
O ciclo Diesel 51
O motor a álcool 52
5ª Parte
Componentes dos motores 57
Conhecendo os componentes de um motor 57
Órgãos móveis 57
Correias 77
Órgãos fi xos do motor de combustão interna 80
- O bloco 80
- O cabeçote 83
- O cárter 90
Sistema de alimentação 90
Sistema de arrefecimento 92
Sistema de lubrifi cação 93
Motores FLEX 94
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In tro du ção
O motor é um dos maravilhosos inventos que proporciona conforto e segurança à nossa vida. Foi com a invenção dos motores que a sociedade pôde se desenvolver em todos os campos tecnológicos. O motor é fruto do trabalho de diversos pesquisadores com contribuições de várias ciências. Destacam-se as contribuições que levaram os motores a consumirem cada vez menos combustível e a poluirem cada vez menos o meio ambiente. Esta apostila tem o objetivo de levar até você os conceitos e o funcionamento de cada um dos componentes que constituem o motor. Queremos que ela seja uma fonte permanente de consulta para você. Aproveite!
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1ª PARTEA HISTÓRIA DOS MOTORES
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Origem dos motores
Há muitos anos atrás, o homem descobriu que a pressão do gás aumentava quando este era aquecido dentro de um recipiente fechado.
Sabendo disso, um engenheiro chamado James Watt, tratou logo de usar a energia proporciona-da por essa pressão, para fazer com que uma máquina produzisse trabalho mecânico.
Assim surgiu a máquina a vapor que possuía uma caldeira onde a água era fervida para ser vaporizada.
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Watt usou sua máquina para substituir os cavalos, até então utilizados para o trabalho pesado. Nessa substituição ele comparou o trabalho desempenhado pela máquina e o trabalho desempe-nhado pelos cavalos.
Dessa comparação surgiu a unidade de potência conhecida até hoje como cavalo-vapor (cv).
Essa máquina construída por Watt, contribuiu para o desenvolvimento do transporte através das locomotivas.
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Mas como aplicar essa sua invenção em veículos de menores proporções com componentes mais leves?
Foi dessa necessidade que surgiu, no século XVIII, construído pelo francês Cugnot, o primeiro carro a vapor que percorreu as ruas de Paris.
Essa invenção revolucionou e mudou a sociedade, transformando-se em benefício para milhões de pessoas em todo o mundo.
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As difi culdades de conciliar as proporções do carro a vapor e o tamanho adequado para as ruas foram resolvidas quando surgiu o primeiro motor de combustão interna no século XVIII, que utilizava componentes menos robustos podendo equipar os automóveis.
Considerado o coração do automóvel, o motor foi constantemente aperfeiçoado. Modifi caram o número de cilindros, sua disposição, seu sistema de arrefecimento, sua localização no automó-vel e muitos outros componentes.
O motor com ignição espontânea surgiu no fi nal do século XVIII, pelas mãos de Rudolf Diesel e foi considerado um grande avanço para a história do automóvel.
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Com todos esses avanços, a indústria automobilística teve que se aperfeiçoar em todo o mundo.
Muitas indústrias de automóveis foram fundadas, dentre elas, a FIAT- Fábrica Italiana de Automó-veis de Torino, em 1899, que entrava para a história mundial do automóvel.
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Entretanto, foi nas grandes guerras que a tecnologia deu um grande salto. Novos componentes foram acrescentados proporcionando força, velocidade e conforto ao condutor.
Muitos estudos foram feitos, e foi na Física que os cientistas encontraram seus mais valiosos ins-trumentos para o desenvolvimento dos motores. Vamos ver agora quais são eles.
S = So + Vo.t + a.t2
F = m.a
Ec = m.V2
2
2
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2ª PARTECONCEITOS DE FÍSICA APLICADOS A MOTORES
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Vários conceitos da Mecânica e da Termodinâmica são aplicados ao estudo dos motores de combustão interna.
James Watt comparou o trabalho produzido pela máquina e pelo cavalo. Tomemos como exem-plo um moinho de cana. Perceba que um cavalo gasta 10 minutos para girar o moinho.
Contudo, se usarmos dois cavalos o tempo se reduzirá pela metade.
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Observe que, quando dividimos o trabalho realizado pelo tempo gasto para fazê-lo, temos a unidade de potência, ou seja, uma máquina que realiza o trabalho no mesmo tempo que cinco cavalos, signifi ca que possui cinco cavalos de potência (cavalo-vapor).
Esta é a unidade mais usada para potência de motores, embora a unidade padrão de potência seja o watt (W).
Além dessas unidades existe ainda o Horsepower (hp). Veja a relação entre elas:1 cv = 736 W = 0,736 kW1 hp = 746 W = 0,746 kW
Pot = �
� = trabalho (J)
�t = intervalo de tempo (s)
Pot = potência (W)
�t
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Na Física, somente há trabalho se houver uma força aplicada sobre um corpo que se desloca. O trabalho realizado será, então, o produto da força pelo deslocamento (t = F . d)
O trabalho é medido em joules (J). Essa unidade é igual a um newton vezes um metro. Às vezes encontramos a unidade newton-metro (Nm).
Voltando à experiência do moinho, os cavalos precisam fazer força a uma certa distância do eixo. Esta distância é conhecida como braço de alavanca. A essa combinação de força e distância chamamos de Torque e para saber seu valor é só multiplicar a força que o cavalo está fazendo pelo braço de alavanca (T = F x d).
d
d = distância
f = força
f
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Assim, o torque no motor de combustão interna é igual à força com que a expansão empurra o êmbolo com a biela, multiplicada pelo comprimento da manivela da árvore que recebe a torção.
O torque do motor expressa o trabalho que ele é capaz de realizar, independente do tempo consumido. Pode ser medido em newton-metro (Nm), ou ainda quilograma-força-metro (kgfm). O torque máximo é o momento de maior efi ciência do motor. 1 kgfm = 9,806 Nm
A potência que um motor pode desenvolver depende do torque e da velocidade de rotação deste motor. Quanto maior for o torque e quanto mais rápido o motor puder girar, maior será a potência que ele poderá fornecer.
d
Comprimentoda manivela
f
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Os motores dos carros de Fórmula 1 são exemplos de motores muito potentes, pois podem girar com velocidade de até 15.000 rotações por minuto, e ainda manter um torque elevado.
Outro conceito importante para o estudo dos motores é o de força.
Força é um agente capaz de provocar deslocamento, aceleração, resistência ao deslocamento ou deformação em um corpo.
A principal unidade de medida é o newton (N). Em algumas publicações ainda se encontra a unidade quilograma-força (kgf). Essa unidade, atualmente, está em desuso, e deve ser evitada. A relação entre elas é : 1kgf = 9,806 N.
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Na Termodinâmica vamos ver os conceitos de temperatura, pressão, volume e as transformações nos gases.
Temperatura é a medida da energia cinética média das moléculas de um corpo. A unidade de medida mais usada no Brasil é o grau Celsius (°C), também chamado grau centígrado. Em paí-ses de língua inglesa se usa o grau Fahrenheit (°F).
Pressão é a relação entre uma força aplicada, sobre uma área determinada. O instrumento usa-do para medi-la é o manômetro.
O “bar” e o “psi” são as unidades mais utilizadas para medir a pressão. Veja a relação entre estas e outras unidades que também são usadas: 1 bar = 14,23 psi = 760 mmHg
Quanto às transformações nos gases, é importante saber que o volume de um gás é o volume do recipiente que o contém, já que o gás ocupa todo o recipiente.
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As variáveis que controlam as transformações nos gases são a temperatura, a pressão e o volu-me. Quando alguma dessas variáveis muda de valor, dizemos que ocorreu uma transformação.
Veja o exemplo de uma bomba de encher bola de futebol ligada em seu bico. O ar que está na bomba tem temperatura T1, volume V1 e pressão p1. Quando se aciona a bomba o ar vai para a bola, passando a ter temperatura T2, volume V2 e pressão p2. Dessa forma, ocorreu uma transformação.
Agora que sabemos os principais conceitos da Física aplicados na Mecânica, vamos entender melhor como os motores se classifi cam.
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3ª ParteClassificação dos motores
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Como se classifi cam os motores
O nome “motor de combustão” signifi ca que o motor utiliza a energia do fogo para realizar trabalho mecânico.
Os motores de combustão podem ser classifi cados de diferentes maneiras.
Se a chama ocorre dentro do cilindro, como é o caso dos motores a gasolina, álcool ou diesel, o motor é de combustão interna, também chamado endotérmico.
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A antiga máquina a vapor, de James Watt, é um exemplo de motor de combustão externa, ou exotérmico.
O objetivo deste motor era usar a pressão produzida pelo vapor, para produzir trabalho mecâni-co. Isso ocorria assim:
O calor gerado em uma fornalha aquecia uma caldeira criando vapor. O vapor era injetado no cilindro através da válvula A, enquanto a válvula B permanecia fechada. A pressão do vapor movimentava o êmbolo para cima. Antes que o cilindro começasse a voltar, a válvula A se fecha-va e a válvula B se abria, deixando o vapor passar até o condensador...
fornalha
A
fonte quente
fonte quente
fonte fria
água fria
fonte fria
B
�
�
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...onde uma corrente fria causava sua condensação (o vapor se tornava líquido), diminuindo a pressão.
Motores desse tipo foram muito usados nas locomotivas a vapor, apelidadas de “maria fumaça”, mas não puderam ser adaptados para caminhões e carros, por causa do peso e volume muito grandes e sua pouca efi ciência.
Então os engenheiros começaram a pesquisar outros tipos de motores, até que em 1876, um alemão chamado Nicolaus Otto utilizou pela primeira vez um motor que queimava, no interior do cilindro, uma mistura de ar e gás. Estava criado o motor de combustão interna.
vapor água fogo carvão
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Os motores de combustão interna se dividem em motores rotativos e motores a pistão.
O motor tipo Wankel é um motor rotativo, que tem a vantagem de ser mais compacto e utilizar menor número de peças que o motor de pistões.
Porém, apresenta a desvantagem de não possuir um sistema efi ciente de vedação dos gases nos vértices e nos lados do rotor, que geram perdas consideráveis.
engrenagem interna do rotor
anéis de vedação lateral
palhetasde vedação
câmara
engrenagemdo eixo
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Os motores a pistão podem ter ainda outras classifi cações:
Quanto à forma de combustão, podem ser de ignição por centelha (motores a ciclo Otto), ou de combustão espontânea (motores diesel).
Quanto ao número de tempos, podem ser de dois ou de quatro tempos.
Quanto à quantidade de cilindros, podem ser de um, dois, quatro, cinco, seis, oito ou doze cilindros.
Otto
2 tempos
4 tempos
Diesel
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Quanto à disposição dos cilindros, podem ser em linha…
… em “v”…
... ou com cilindros na horizontal.
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Agora que já sabemos como se classifi cam os motores com relação aos cilindros, vamos estudar um pouco sobre eles.
Quando falamos em cilindro, é importante defi nir, primeiramente, o que é Ponto Morto Superior e Inferior.
Ponto Morto Superior (PMS) é o ponto máximo que o pistão atinge em seu movimento de subida invertendo o sentido do movimento em seguida.
PMS
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Ponto Morto Inferior (PMI) é o ponto máximo que o pistão atinge em seu movimento de descida invertendo o sentido do movimento em seguida.
O espaço percorrido pelo pistão do PMS até o PMI é o que chamamos de Curso.
A relação entre o curso do pistão e o diâmetro infl uencia nas características do motor. É essa relação que estabelece se o motor terá mais rotação ou mais torque.
PMI
PMS
PMI
CU
RSO
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Observe a tabela desta relação:
Quanto ao torque, não podemos esquecer que existem outros fatores que infl uenciam nestas grandezas como geometria dos coletores, válvulas, câmara de combustão, alimentação de combustível etc.
Se modifi carmos o diâmetro ou o curso do cilindro, alteramos o volume, pois esse é defi nido pelo espaço criado dentro do cilindro quando se desloca do PMS ao PMI.
Quando multiplicamos esse volume pelo número de cilindros do motor, obtemos um volume total em cm3 que chamamos de cilindrada.
A fórmula para o cálculo é a seguinte:
C = � x d2 x curso x N 4
onde:
N = Número de cilindros
d = Diâmetro do cilindro
� = 3,14
4 = Constante
Curso = Distância percorrida pelo pistão do PMI ao PMS
Tipo de motor Relação diâmetro/curso Torque RotaçãoSuperquadrado Curso < diâmetro Baixo Alta
Subquadrado Curso > diâmetro Alto Baixa
Quadrado Curso = diâmetro Médio Média
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Taxa de Compressão é a relação do volume da câmara de combustão com o volume do cilindro, e a fórmula para calculá-la é muito simples. Basta somar os dois volumes e dividir pelo volume da câmara de combustão, ou seja:
Tc = V + v v
A taxa de compressão exprime exatamente quantas vezes comprimimos o volume admitido.
PMS
V
v
PMI
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4ª Parte Funcionamento dos motores
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Descrição do funcionamento
A maioria dos motores de combustão interna utiliza o princípio do pistão, dotado de um movimento de vaivém no interior do cilindro produzindo trabalho através de uma biela e de umaárvore comando de manivelas.
Foi Beau de Rochas, em 1862 que propôs a seqüência até hoje aceita para a maioria dos motores de ignição por centelha.
Esses motores trabalham em ciclo de quatro tempos segundo os princípios de um ciclo Otto.
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Ciclo Otto - Quatro tempos
1º tempo: Admissão
O pistão desce do PMS ao PMI admitindo a mistura ar-combustível para dentro do cilindro através da válvula de admissão.
2º tempo: Compressão
O pistão desloca-se do PMI para o PMS com as válvulas de admissão e descarga fechadas comprimindo a mistura.
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3º tempo: Expansão
Pouco antes do pistão chegar ao PMS na compressão, o sistema de ignição produz a centelha entre os eletrodos da vela que infl ama a mistura e os gases resultantes da combustão forçamo pistão para baixo (PMI).
4º tempo: Descarga
Depois da combustão, e com o pistão no PMI, a válvula de descarga se abre e os gases queimados são forçados para fora do cilindro.
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É importante que se saiba como acontece a ignição e em que posições estão os cilindros em cada momento.
Para uma ordem de ignição: 1- 3 - 4 - 2, temos:
Observe que a cada 2 voltas da árvore de manivelas tem-se um ciclo completo.
Durante esse ciclo, há um momento em que as duas válvulas estão abertas.Como é que isso acontece?
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Cruzamento de válvulas
Pouco antes do pistão chegar ao PMS, a válvula de admissão se abre. Nesse instante as duas válvulas estão abertas, ocorrendo o fenômeno do Cruzamento de Válvulas.
O fl uxo dos gases que abandona o cilindro ou que nele penetra facilita a entrada da mistura gasosa ou a expulsão dos gases da combustão.
Quando a válvula de descarga atrasa o seu fechamento, permite a saída de todo o gás e, conseqüentemente, a câmara fi ca mais limpa.
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É importante lembrar que o ciclo é a sucessão de processos em que o fl uido operante passa no cilindro periodicamente. Sua duração se mede em curso do pistão.
O fl uido sofre uma série de transformações químicas e físicas.
O ciclo teórico do motor (ignição por centelha)
O ciclo “teórico” do motor de ignição por centelha pode ser assim representado:
P
V
INTRODUÇÃODO CALOR
PRESSÃOATMOSFÉRICA
VOLUMEDA
CÂMARA
VOLUMEDA
CÂMARAVOLUME DO
CILINDRO
PMS PMI
REJEIÇÃODO CALOR
FECHAVÁLVULAADMISSÃO
ADMISSÃO
DESCARGA
ABRE VÁLVULADESCARGA
EXPANSÃO
COMPRESSÃO
IGNIÇÃO
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Na compressão o volume diminui e a pressão aumenta. A compressão é muito rápida, por isso não há troca de calor. Nesse caso, dizemos que é uma transformação adiabática.
Na ignição a temperatura sobe elevando a pressão. O volume permanece constante, então,dizemos que é uma transformação isométrica.
Na expansão o volume aumenta e a pressão diminui, não havendo troca de calor.
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E na descarga, o ar aquecido sai do cilindro e é substituído pela mistura.
Observe, na tabela, como a temperatura e a pressão modifi cam a cada momento do ciclo, em relação à abertura das válvulas:
Para saber como alcançar a pressão máxima sobre o pistão é necessário entender bem sobre a velocidade da centelha e da combustão.
A velocidade da centelha é a rapidez de propagação da ignição na mistura.
A velocidade de combustão é a velocidade da reação química na mistura.
Tempo Válvula admissão Válvula descarga Temperatura/pressãoAdmissão Aberta Fechada Igual à do coletor
Compressão do
pistãoFechada Fechada
Subindo segundo a
posição
Expansão Fechada FechadaDescendo segundo a
posição
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A combustão nos motores ciclo OTTO começa quando ocorre o centelhamento na vela.
Nesse momento o aumento de pressão ainda é pequeno, pois a quantidade de carga queimada também é pequena.
Sabemos que a velocidade da chama pode ser aumentada pelo aumento da turbulência da mistura.
As velas estão localizadas próximas às câmaras de combustão, onde a turbulência é menor que na região central do cilindro.
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Desta forma, a centelha deve ocorrer antes do fi m da compressão, para obter altas pressões próximas ao início da expansão.
O valor dessa antecipação de ignição depende da velocidade de propagação da chama, da rotação do motor, da forma da câmara, da turbulência e do tipo de combustível.
Se ocorrer um avanço de ignição exagerado, a câmara de combustão superaquece devido às altas pressões geradas. Esse aquecimento pode ocorrer também por acúmulo de resíduos ou carvão na cabeça do pistão. Assim a mistura pode reagir, espontaneamente, sem necessidadeda centelha para iniciar a combustão. Esse fenômeno é chamado de auto-ignição.
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Nesse caso a pressão e a temperatura subiriam rapidamente, o que acarretaria vibrações no motor.
Essas diferenças de pressão e temperatura resultariam num ruído ou batida, que chamamos de detonação.
O ciclo real do motor
O ciclo real corresponde às diversas posições do pistão durante seu curso e aos momentos corre-tos de abertura e fechamento das válvulas de admissão e descarga.
P
V
PRESSÃOATMOSFÉRICA
PMS PMI
FECHAMENTOVÁLV. ADMISSÃO.
COM
PRESSÃO
EXPA
NSÃ
O
*ABERTURA
VÁLV.DESCARGA
DESCARGA
ADMISSÃO0
a1
a2
CENTELHA
De outra maneira poderíamos representar assim:
DESC
ARG
A
COM
PRES
SÃO
EXPANSÃ
O
ADMISSÃ
O
PMS
PMI
Atraso no fechamento
da válvula de admissãoAntecipação da abert
ura
da válvula de descarg
a
Avanço centelha Atraso do fechamento
da válvula dedescargaAvanço
admissão
Abert.válv.
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Mas para que existem esses ângulos que adiantam a abertura ou atrasam o fechamento das válvulas?
O adiantamento da abertura da válvula de admissão tem a função de garantir a máxima admissão de ar no cilindro e ajudar na expulsão dos gases de combustão pela válvula de descarga.
O atraso no fechamento da válvula de admissão utiliza a inércia do fl uido que está em movimento no conduto para a máxima admissão possível.
Quando adiantamos a abertura da válvula de descarga, estamos diminuindo a pressão dos gases antes do início do curso do pistão, aproximando seu valor ao do ambiente externo. Desta forma, a expulsão dos gases do cilindro será mais completa, pois a quantidade de gáscontinua a sair ainda com o pistão descendo para o PMI.
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Se atrasarmos o fechamento, estamos aproveitando a inércia para também melhorar a expulsão dos gases do cilindro.
Os valores dos ângulos de antecipação ou atraso na abertura das válvulas variam, e dependem do tipo de motor e de sua fi nalidade.
O variador de fase
O veículo quando está em uma subida, evidentemente, exigirá um torque maior para que não perca potência.
Para isso, podemos atuar na válvula de admissão, antecipando o momento de sua abertura.
O variador de fase tem esse objetivo, ou seja, em função da carga e da rotação solicitada pelo motor, gira a árvore de comando de válvulas modifi cando o diagrama e,conseqüentemente, o comportamento do motor.
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O variador de fase é controlado pela central eletrônica, que o acionará a partir do sinal recebido dos sensores de rotação, e pelo medidor de vazão de ar.
Está localizado na extremidade da árvore comando de válvulas de admissão, ligado à suapolia. Funciona a partir da pressão de óleo do próprio motor. Existem outros tipos de variadores, no entanto, não são ainda utilizados em veículos FIAT e ALFA do Brasil.
É um componente muito importante e será melhor detalhado na unidade de “Alimentação”. Vejamos agora como funcionam os motores de dois tempos.
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Motores de dois tempos
Em 1878, Dugald Clerk idealizou o ciclo de dois tempos que pode ser utilizado em motoresde ignição por centelha ou por compressão.
Esses motores combinam em dois cursos do pistão as funções dos motores de quatro tempos.A cada volta da árvore de manivelas ocorre um curso motor do pistão, ou seja, um deslocamento do PMS ao PMI e retorno ao PMS.
O pistão em direção ao PMS está comprimindo a mistura ao mesmo tempo em que descobre a janela para admissão da mistura.
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Quando ocorre a expansão, o pistão é impulsionado para baixo e comprime no cárter a mistura que vai ser utilizada no tempo seguinte.
Em direção ao PMI, o pistão abre a janela de descarga e os gases queimados na combustão são expulsos do cilindro.O pistão libera a janela para a transferência da mistura que estava sob pressão no cárter para ser queimada, iniciando o ciclo novamente.
A desvantagem dos motores de dois tempos de ignição por centelha é que não se pode evitar a perda de mistura não queimada pela descarga juntamente com os produtos da combustão e óleolubrifi cante. Isso difi culta o controle das emissões de poluentes.
Ar-combustível
Gases queimados
Tranferência/escape
Combustão
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Os motores de dois tempos são mais utilizados onde a miniaturização e poucas peças móveis são exigidas, como por exemplo, nos motores de lanchas e pequenas bombas portáteis.
Os motores de dois tempos podem ser de lavagem cruzada, ou seja, as duas janelas, a de admissão e descarga, estão abertas durante o mesmo tempo.
Nesse tipo de motor, existem defl etores colocados na cabeça do pistão que impedem que a mistura seja expulsa junto com os gases resultantes da combustão.
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O ciclo Diesel
A principal diferença dos motores de quatro tempos de ignição por compressão e o de ignição por centelha é que, no primeiro, o combustível não é introduzido junto com o ar no cilindro.
Dessa forma, somente parte do ar pode ser perdida na descarga sem perder, no entanto, o combustível.
Esse ar que vai para o cilindro é, normalmente, forçado por um compressor de baixa pressão. Possui um sistema de lubrifi cação forçada como no motor de quatro tempos.
Entrada de óleo
Entrada de gases
Turbina
Eixo da turbina
Admissão de ar
Compressor
Saída de óleo lubrifi cante
Entrada de ar para cilindro
Saída de gases de escape
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Nos motores de quatro tempos ciclo diesel não há presença de centelha para iniciar a combus-tão. O ar quando comprimido pelo pistão é aquecido o sufi ciente para infl amar o diesel que é pulverizado no interior da câmara de combustão no momento certo.
Ciclo Diesel
Seu funcionamento é semelhante ao motor ciclo Otto tendo no primeiro tempo a admissão de ar puro; no segundo a compressão do ar; no terceiro a combustão, ou seja, a pulverização de óleo diesel e a expansão dos gases e, por último, a descarga dos gases resultantes da combustão.
Combustão (pulverização)
CompressãoAdmissãoDescarga
Combustão (expansão)
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O motor a álcool
O motor de combustão interna a álcool tem funcionamento parecido ao do motor a gasolina, porém, algumas modifi cações construtivas e de regulagens são necessárias, devido às caracterís-ticas do álcool.
Os álcoois, como o etanol (ou álcool etílico) e o metanol podem ser usados como combustíveis para motores como uma boa alternativa.
Vários estudos foram realizados e chegou-se à conclusão de que o combustível alternativo à gasolina que melhor se adapta aos motores é o álcool etílico hidratado.
O álcool etílico apresenta vantagens e desvantagens em relação à gasolina. Vejamos algumas de suas características para podermos comparar os dois combustíveis.
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A relação estequiométrica, ou seja, a relação ideal ar-combustível que a mistura deve ter é mais baixa para o álcool que para a gasolina. No caso do álcool é de 9:1, ou seja, nove gramas de ar por uma grama de combustível e para a gasolina é de 13,28:1.
Isso ocorre porque a massa das moléculas do álcool já contêm 35% de oxigênio. Assim, a quan-tidade de ar na mistura pode ser menor.
Também por causa da presença de oxigênio quase não fi cam resíduos sólidos nas câmaras de combustão. Esses resíduos, mais freqüentes em motores a gasolina, podem provocar inconvenientes como detonação e desgastes nos órgãos móveis.
O álcool tem maior octanagem (NOálcool = 105) que a gasolina (NOgasolina = 84). A octanagem é a resistência à ignição por compressão. Desta forma, a taxa de compressão do álcool pode ser elevada até 12:1 sem que a mistura entre em combustão espontânea.
Observe que com a taxa de compressão maior o motor passa a ter mais potência e efi ciência térmica.
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Devido à alta taxa de compressão, a temperatura e a pressão na câmara de compressão sobem, então o motor a álcool deve ter velas de ignição mais frias para dissipar melhor o calor.
Além disso, a bateria usada para acionar a partida deve ter maior capacidade, pois a alta taxa de compressão provoca aumento da energia consumida pelo motor de partida.
O rendimento global do motor a álcool é de aproximadamente 34%, enquanto que no motor a gasolina fi ca em torno de 27%.
Motores a álcool consomem cerca de 19% a mais de combustível que motores a gasolina, devido ao baixo poder calorífi co do álcool. Isso quer dizer que o álcool libera menos calor que a gasolina.
Vela de ignição
Quente Fria
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A temperatura na qual o álcool se evapora é maior que a da gasolina. Essa é uma das desvantagens do álcool, já que difi culta a partida do motor em temperaturas baixas.
Para evitar que na evaporação o álcool resfrie o coletor e condense a mistura, o diâmetro do tubo de circulação de água no coletor de admissão deve ser aumentado.
A combustão do álcool etílico libera aldeído acético, um gás poluente. Porém, esse gás é menos tóxico que o monóxido de carbono, liberado pela queima da gasolina.
A água faz parte da composição química do álcool etílico hidratado. Este fato faz com que o álcool tenha ação corrosiva sobre o ferro e outros metais, o que não ocorre com a gasolina.
Devido a isso alguns componentes do veículo, como o tanque, eletroinjetores, tubulações e a bomba de combustível devem possuir características específi cas para atender à utilização contí-nua com álcool.
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As válvulas de descarga de motores a álcool recebem uma camada protetora especial na parte responsável pela vedação, para que não sofram desgastes excessivos ou queima.
O álcool também é solvente de certos óleos. Se a película de óleo lubrifi cante for removida o motor pode sofrer sérios danos. Por isso, os óleos lubrifi cantes devem ser específi cos para o motor a álcool.
Determinados tipos de borracha também podem reagir com álcool se deteriorando. Para resolver este problema, foram desenvolvidas tubulações de PVC e borrachas especiais.
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5ª Parte Componentes dos motores
Conhecendo os componentes de um motor
O motor é composto de um grande número de órgãos móveis e fi xos, que se interagem perfeitamente. Vamos estudar cada um destes componentes, quanto à sua constituição, forma, função e localização.
Vamos começar pelos órgãos móveis.
Órgãos móveis
O pistão, também chamado de êmbolo, é uma peça cilíndrica, geralmente fabricada em liga de alumínio. Trabalha no interior do cilindro do motor, fazendo um movimento retilíneo e alternado. Seu diâmetro se adapta ao diâmetro do cilindro.
Aletas de refrigeração
Cilindro
PistãoAr
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Observe na ilustração as partes básicas do pistão.
O pistão é a parte móvel da câmara de combustão. Sua função é transmitir a força criada pela expansão dos gases ao virabrequim. Para isso, é ligado à biela por meio de um pino de aço. O outro lado da biela é ligado ao virabrequim.
Os pistões podem ser de dois tipos principais: com anel autotérmico, que é uma cinta de aço presente em seu interior, para se opor à dilatação térmica e permitir uma folga menor entre o pistão e o cilindro…
Cabeça
Alojamento do pino
Zona dos anéis
Saída
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… e com porta-anéis, para proteger as canaletas superiores contra desgastes.
O pino de aço, chamado pino do pistão, está alojado em um furo que fi ca abaixo da zona de anéis, atravessando diametralmente o pistão.
Esse furo pode ser descentralizado, para evitar batida da saia nasparedes do cilindro, quando o pistão inverte o sentido demovimento no início da expansão.
Observe que A > B
A B
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O pino é fabricado em aço especial para resistir aos desgastes, pois está sujeito a grandes tensões.
Quanto ao modo de fi xação, o pistão pode ser de pino fl utuante, que desliza livremente nopistão e na biela, possuindo anéis de trava nas extremidades para que o pino não entre em contato com o cilindro.
Pode ser de pino semifl utuante, que é fi xo na biela e desliza livremente no pistão.
Pode ser também de pino fi xo, sem movimento giratório e preso ao pistão por meio de parafuso ou trava, livre na bucha da biela.
Na parte superior da zona dos anéis dos pistões, acoplados às canaletas, trabalham os anéisde segmento, que possuem formato circular. Em motores de 4 tempos do ciclo OTTO geralmente encontramos de 2 a 4 anéis por pistão.
Os anéis são fabricados com ligas de aços especiais e desempenham uma importante função no motor, sendo responsáveis pela vedação entre as superfícies externas dos pistões e internas dos cilindros.
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A vedação deve ser perfeita, para que o pistão possa comprimir a mistura sem que haja vazamentos na câmara de compressão, evitando que os gases da combustão cheguem ao cárter, e que o óleo lubrifi cante do cárter chegue até à câmara.
Os anéis de segmento podem ser de vedação ou de compressão. Eles são encaixados nas duasprimeiras canaletas da zona de anéis, mais próximos ao topo do pistão (às vezes nos três primeiros).
São eles que fazem efetivamente a vedação entre o pistão e o cilindro. Possuem grande resistência ao atrito e à abrasão.
Existem, também, anéis raspadores e recolhedores de óleo, que são colocados nas canaletas da parte inferior da zona dos anéis, abaixo dos anéis de compressão (em certos casos, também na saia do pistão).
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Estes anéis drenam o óleo para o cárter, além de ajudar na condução do calor dos pistões para as paredes dos cilindros.
Vamos ver como os anéis realizam suas funções, de acordo com cada um dos 4 tempos do motor.
Na admissão, enquanto o pistão vai descendo, os anéis (principalmente os raspadores) vão raspando o óleo das paredes do cilindro, deixando apenas uma fi níssima camada.
Na fase de compressão, a pressão aumenta à medida que o pistão sobe, forçando os anéis para baixo e contra a parede do cilindro.
Isso provoca a vedação da face inferior dos anéis em relação às canaletas, e as faces de traba-lho em relação à parede do cilindro.
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Durante a fase de combustão o pistão volta a descer. A pressão no interior da câmara aumenta, chegando a 50 bar, empurrando os anéis contra as paredes do cilindro para conseguir uma vedação completa.
Na descarga, o pistão sobe e os anéis apenas deslizam sobre a fi na camada de óleo lubrifi cante que fi cou nas paredes do cilindro, sem raspá-la para cima.
Complementando o conjunto de órgãos móveis que transformam o movimento de vaivém dos pistões em movimento giratório da árvore de manivelas, temos além dos pistões, as bielas. É sobre elas que estudaremos a seguir.
As bielas são os braços de ligação entre os pistões e o virabrequim. São fabricadas em aços especiais ou ferro fundido, e se prendem por um lado aos moentes do virabrequim e, por outro, aos pinos dos pistões.
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A biela tem três partes:
- O pé que é a parte ligada ao pistão
- O corpo que é parte central da biela e que tem a forma de um “I” para aumentar a rigidez
- A cabeça que faz a ligação com o virabrequim
O olhal da cabeça é dividido em duas partes. Uma delas faz parte do corpo e a outra, chamada capa, vem separada. Na parte interna do olhal maior fi cam as bronzinas ou casquilhos móveis, que veremos a seguir.
Os casquilhos são feitos em aço revestido com outros materiais, formando camadas.A última camada é de material antifricção.
Pé
Corpo
Cabeça
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A - Camada superfi cial de metal branco (0,025 mm)
B - Barreira de níquel
C - Camada cobre-chumbo
D - Capa de aço
A forma do casquilho é de um semicírculo, e é montado aos pares, formando um círculo.
A função do casquilho é proteger as peças, evitando o contato direto da biela com o virabrequim, diminuindo o desgaste e aumentando a efi ciência do motor.
Portanto, deve ter grande resistência mecânica, capacidade de dissipar calor e facilidade de deslizamento. Os mancais fi xos do virabrequim, também chamados de munhões, são assentados sobre os casquilhos.
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Os casquilhos são presos aos mancais por meio de ressaltos, para não se deslocarem duranteo funcionamento do motor. A lubrifi cação é feita através de um canal de óleo, com um furo existente na superfície da bronzina.
A árvore que recebe a força que a combustão da mistura ar-combustível exerce sobre os pistões,é o virabrequim, também chamado de árvore de manivelas.
A árvore de manivelas, ao receber esta força, que é transmitida pelas bielas, passa a girar, transmitindo potência ao volante para impulsionar o veículo.
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Na maioria dos motores, o virabrequim é instalado na parte inferior do bloco, acoplado aos mancais fi xos. As partes das manivelas ligadas ao bloco recebem o nome de munhões, e as que recebem as bielas o nome de moentes. O número de moentes é igual ao número de cilindros.
Em uma das extremidades da árvore de manivelas está o fl ange, no qual está fi xado o volante.Na outra extremidade estão as polias dentada e a polia da distribuição.
Mas e o peso destes componentes não causaria vibrações no motor?
Moente
Orifícios de lubrifi cação
MunhõesMoente
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Para proporcionar o balanceamento do virabrequim existem contrapesos, a fi m de evitar também a transmissão de vibrações aos outros órgãos do motor.
Quanto aos tipos de árvore de manivelas, existem variações de acordo com o número e a disposição dos cilindros no motor.
O órgão que transmite a energia mecânica do motor até os componentes da transmissão é o volante, que é fi xado por parafusos ao fl ange, acoplado a uma das extremidades da árvore de manivelas.
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O volante deve regularizar o movimento do motor. Quanto mais pesado for o volante, menores serão as variações. Em contrapartida, a aceleração do motor será mais lenta.Se o volante for leve o motor apresentará irregularidades de funcionamento, mas terá aceleração rápida.
A lubrifi cação é feita através de furos distribuídos em toda a extensão da árvore, por onde fl ui o óleo lubrifi cante.
Uma outra função do volante é permitir o acoplamento do motor de partida ao motor do veículo. No momento da partida o pinhão do motor de arranque engata na cremalheira do volante, transmitindo o movimento ao virabrequim.
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Os componentes do sistema de distribuição como as válvulas, tuchos e a árvore comando de válvulas também são muito importantes.
Os órgãos encarregados de permitir a entrada da mistura ar-combustível na câmara de combustão e a saída dos gases após a queima são as válvulas.
Guia
Válvula
Sede
Além disso, as válvulas não permitem que a mistura passe para fora da câmara durante a compressão e a combustão. Elas são feitas de aço e devem suportar altas temperaturas.
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A forma da válvula é de uma haste cilíndrica, com uma das pontas em forma de disco,chamada cabeça. Na outra ponta há uma canaleta.
cabeça
margem
haste
canaleta pé da válvula
face deassentamento
A cabeça da válvula pode ser plana, côncava ou convexa, de acordo com o formato da câmara de combustão.
Plana Côncova Convexa
Quanto à função, as válvulas podem ser de admissão ou de descarga. As de descarga são menores que as de admissão, pois a pressão dos gases durante a descarga facilita sua saída da câmara de combustão.
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O motor pode ter várias válvulas por cilindro. Quanto maior a quantidade de válvulas por cilin-dro mais durabilidade elas terão, pois poderão ser de tamanho reduzido, tendo maior facilidade para se refrigerar. Desta forma, pode haver motores com 8, 16, 20 ou mais válvulas.
No interior de algumas válvulas de descarga se encontra sódio em estado sólido. Quando a válvula se aquece, atingindo 100°C, o sódio se torna líquido resfriando a válvula.
As válvulas fi cam alojadas nas guias de válvulas do cabeçote, e se movimentam em vaivém.
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Para que as válvulas fi quem presas e possam se movimentar, elas são montadas sobre alguns dispositivos como as molas.
São duas, uma dentro da outra, que envolvem a haste da válvula, fazendo-a retornar para a sede.
Pratos: um superior e outro inferior, fazem com que a haste da válvula fi que centralizada dentro das molas.
Chaveta: encaixada no prato superior, que prende o prato à canaleta da extremidade da válvula, para que fi que sujeita à ação das molas.
ChavetaPratos
Tucho
Pastilha
O movimento das válvulas é proporcionado pelos cames da árvore comando de válvulas.À medida que o eixo gira, os cames pressionam os tuchos que, por sua vez, transmitem o movimento às hastes das válvulas.
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O tucho é uma peça cilíndrica, com uma das extremidades aberta e a outra fechada por uma pastilha de regulagem. No interior do lado aberto fi ca alojado o conjunto prato-mola-haste da válvula. O lado da pastilha é o que recebe o contato dos cames da árvore comando de válvulas.
Em alguns motores são utilizados tuchos hidráulicos. No interior do tucho hidráulico há um êmbolo que trabalha com óleo, fornecido pelo próprio sistema de lubrifi cação do veículo.
O tucho hidráulico é bem mais efi ciente e silencioso, pois mantém as peças da distribuição sempre em contato, dispensando as regulagens periódicas das válvulas diante de desgastes e variações de temperatura.
A árvore comando de válvulas é o principal componente do mecanismo de distribuição mecânica, responsável pela regulagem das fases de admissão e descarga do motor.
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É acoplado ao virabrequim pela correia dentada da distribuição. Assim, as duas árvores giram com as mesmas velocidades.
Alguns motores que equipam os veículos FIAT possuem um dispositivo para amortecer vibrações, composto de duas árvores contra-rotantes localizadas no bloco do motor.
As vibrações são provocadas por forças de inércia centrífugas e alternadas, por causa das partes girantes do motor. O balanceamento do motor procura anular esses desequilíbrios.
Os próprios contrapesos da árvore de manivelas e os apoios do motor absorvem, em parte,as vibrações.
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As árvores contra-rotantes possuem massas excêntricas e giram em sentido contrário uma em relação à outra, e em sincronismo com a árvore de manivelas.
O movimento das árvores contra-rotantes é realizado com a utilização da correia dentada,conjunto de engrenagens e tensor automático.
Nos motores, as transmissões de movimentos entre alguns componentes são realizadaspor meio de polias e correias. As polias são rodas de aço com um furo no centro, que se ligam a um eixo.
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Para utilizar a correia lisa, existe um sulco no lado externo da circunferência da polia. No caso de correia dentada, a polia terá dentes ao invés de sulco.
As polias fi cam instaladas no lado da frente do motor, oposto ao lado do volante.
Alguns exemplos de polias lisas são as que fi cam instaladas na árvore comando de manivelas (virabrequim), para acionamento da bomba d’água e do alternador. Essa mesma árvoretambém recebe uma polia dentada para acionamento da árvorecomando de válvulas.
Correias
O movimento retilíneo gerado pela expansão no cilindro se transforma em movimento circular através da árvore de manivelas.
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Num dos lados da árvore de manivelas estão a polia e a engrenagem que transmitem a veloci-dade para os outros órgãos do motor.
Para que isso ocorra é necessária a utilização de elementos fl exíveis de ligação, que são as correias.
A vantagem das transmissões por correias é que elas permitem uma variação de distância entre as árvores quando necessitam ser reguladas.
Podem ser planas, lisas, dentadas ou trapezoidais. Esta última é a mais usada em função dapotência transmitida.
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As transmissões por correia, para compensar a distensão com o uso, exigem a utilização de tensores que podem ser internos ou externos com relação às correias.
polia esticadora
correia dentada
A correia dentada é a utilizada para a transmissão dos movimentos da árvore de manivelas para a árvore comando de válvulas e comando auxiliar.
O sincronismo entre as árvores de manivelas e o comando de válvulas depende do funcionamento da correia dentada. Nos motores estão marcadas as referências para o alinhamento e o sincronismo das polias.
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Observe sempre o estado da correia dentada e substitua, se necessário. Uma correia danifi cada acarretará sérios inconvenientes para o motor.
Todos esses componentes móveis só conseguem desempenhar suas funções porque estão acoplados a outros componentes mais robustos que permitem os movimentos.
Mas quais são estes componentes e suas funções nos motores ?
Órgãos fi xos do motor de combustão interna
O bloco
O bloco é a estrutura do motor, e nele está montada a maioria dos componentes que propiciam seu funcionamento, como a árvore de manivelas, as bielas e os pistões.
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Geralmente, o bloco é fabricado em ferro fundido. Em alguns tipos de motores utilizam-se ligas de alumínio.
Na parte superior do bloco está fi xado o cabeçote do motor, e na parte de baixo o cárter.
No interior das paredes do bloco existem galerias por onde circula o líquido de arrefecimento do motor.
As partes principais do bloco do motor são os cilindros e os mancais. Os mancais do bloco têm a função de alojar e sustentar o virabrequim e são providos de casquilhos ou de buchas. Nas cavidades dos cilindros irão se encaixar os pistões.
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Na maioria dos motores os cilindros fazem parte do bloco, sendo usinados no mesmo. Podem haver diferenças entre os diâmetros dos furos, dentro de uma tolerância que determinam as classes de cilindros.
Em outros motores, os cilindros são encaixados no bloco. Neste caso recebem o nome de camisas, e a colocação do cilindro no bloco é chamada de encamisamento. Estes cilindros são feitos de aço e podem ser chamados de:
...camisa seca, quando o líquido de arrefecimento não tem contato direto com o cilindro; camisa molhada, quando a superfície externa do cilindro fi ca em contato direto com o líquido de arrefe-cimento.
Bloco
Camisa seca
Camisa úmida
Água
Água
Água
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A superfície interna do cilindro recebe um brunimento, que consiste de pequenos riscos em forma de ângulos, para reter o óleo lubrifi cante e facilitar o trabalho dos anéis de segmento.
O cabeçote
Os cabeçotes utilizados nos motores de combustão foram bem estudados pelos projetistas. Atualmente eles são construídos por uma liga especial de alumínio e apenas em alguns casos, como nos motores diesel, são construídos em ferro fundido.
Basicamente, o cabeçote é constituído de corpo, guias e sedes das válvulas.
Dutos para líquidode arrefecimento
Câmara decombustão
Dutos para óleolubrificante
Lado de assentamento
Corpo
Sede de válvulas
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O cabeçote deve se apoiar perfeitamente sobre o bloco do motor devido às altas temperaturas e pressões a que está submetida a câmara de combustão.
Os veículos FIAT são equipados com vários tipos de cabeçotes.
Dois cabeçotes superiores com um cabeçote inferior em Y, como o Tempra 8 válvulas...
...um cabeçote superior duplo com dois comandos de válvulas, como o Tempra 16 válvulas...
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...um cabeçote superior apoiado em um cabeçote inferior e...
...um cabeçote único.
Muita atenção ao apertar os parafusos que fi xam o cabeçote no bloco. Entre os dois componentes há uma junta que deve ser submetida ao torque correto e a uma seqüência de aperto.
A junta do cabeçote atualmente é composta por várias folhas de aço.
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Ela garante a vedação de forma a não vazar pressão na compressão da mistura, óleo lubrifi cante e líquido do sistema de arrefecimento.
Quando o aperto do parafuso não obedece o torque e a ordem correta, a junta pode ser danifi cada e não cumprir sua função de vedação.
Por isso, jamais utilize ferramentas inadequadas, use sempre o torquímetro.
No cabeçote estão localizados o rebaixo da câmara, condutos para arrefecimento e introdução do combustível na câmara e saída dos gases resultantes da combustão.
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É também no cabeçote que estão os orifícios para a drenagem do óleo que lubrifi ca o comando; orifícios roscados para a instalação das velas e alojamento das guias e sedes das válvulas.
Para que as válvulas se movimentem com mais facilidade, a superfície interna das guias é polida, diminuindo o atrito com a válvula.
O cabeçote deve suportar elevadas pressões e temperaturas, porque é nele que está localizada a câmara de combustão.
Câmara de combustão é o espaço entre o cabeçote e a parte superior do pistão.
câmara de combustão
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É na câmara de combustão que se processa a queima da mistura ar-combustível.
Ela tem o objetivo de aumentar a velocidade de propagação da chama de combustão.
O rendimento do motor depende muito da forma da câmara. Suas paredes devem ser compactas com superfícies mínimas a fi m de dissipar o calor para o sistema de resfriamento.
Teoricamente, deveria haver uma forma esférica, com o ponto de ignição situado no centro para uma combustão uniforme em todas as direções.
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Mas isso não é possível e, desta forma, muitos tipos de câmara foram desenvolvidos, como a hemisférica, considerada a forma clássica…
… a câmara em banheira, que possui um certo percurso de chama e limita a turbulência reduzindo a detonação...
… a câmara em cunha, com características semelhantes à câmara em banheira...
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...e a câmara aberta na cabeça do pistão, indicada para motores com taxas de compressão elevadas por conseguir uma excelente admissão da mistura.
O cárter
O cárter, fi xado na parte inferior do bloco, é um reservatório onde se deposita o óleo lubrifi cante. Além disso, protege os componentes inferiores do motor. Na parte de baixo do cárter há um bujão para o esgotamento do óleo do motor.
Sistema de alimentação
A injeção eletrônica é uma das inovações tecnológicas mais importantes dos últimos anos.
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Atualmente, os motores são alimentados através do sistema de injeção eletrônica de combustível.
Esse sistema trouxe inúmeras vantagens para o desenvolvimento do automóvel nas mais diversas áreas.
O estudo da emissão dos poluentes no meio ambiente, é hoje, uma exigência dos governos de vários países, que estabeleceram diversas normas para sua regulamentação.
O sistema de alimentação é controlado por uma central, que faz o monitoramento de seu funcionamento através de sensores, atuadores etc.
É na central que chegam todas as informações referentes ao funcionamento do motor através dos impulsos eletrônicos.
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Sistema de arrefecimento
O sistema de arrefecimento é muito importante devido à função de absorver o excesso de calor, gerado durante o funcionamento do motor, e de manter a temperatura dentro dos limites especifi cados.
O arrefecimento pode ser por meio de ar ou de líquido.
Durante seu funcionamento, o motor pode atingir temperaturas muito altas, principalmente nas câmaras de combustão.
Se não houvesse um meio para arrefecimento dos componentes, as peças móveis travariam por excesso de dilatação.
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Sistema de lubrifi cação
Lubrifi car é inserir o lubrifi cante entre as partes metálicas móveis para evitar o atrito entre elas e dilatações excessivas. Protege contra corrosões e melhora a vedação entre os pistões e os cilindros, além de refrigerar as superfícies em contato.
A lubrifi cação dos motores pode ser feita por vários processos, como salpique, mistura junto ao combustível, circulação forçada a cárter seco e pelo sistema convencional.
Gotejamento do óleo
Rebaixo captadordo óleo
Salpique
Pescadorde óleoBomba de óleo
O lubrifi cante é como o alimento para o motor, ou seja, o motor não funciona sem ele.
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Veremos nos próximos módulos, como funciona esse sistema, sua importância para a vida do motor, suas características e muito mais.
Estes módulos mostrarão, também, cada detalhe do sistema de arrefecimento, seus diferentes tipos, importância para o motor etc.
Quanto ao sistema de alimentação, uma atenção muito especial. É um sistema com muitas novidades na injeção e na ignição eletrônica. Aguarde!
Motores FLEX
Nos capítulos anteriores, foi possível conhecer as características de funcionamento dos motores à álcool e à gasolina. Estes motores tem funcionamento e características específi cas para determi-nado tipo de combustível, não sendo possível a utilização de um combustível diferente daquele para o qual o motor foi projetado.
Com o desenvolvimento dos motores FLEX, foi possível alimentar um mesmo motor com mais de um combustível específi co, ou seja, somente álcool, somente gasolina ou qualquer proporção entre eles.
Veremos nós próximos módulos, as características e o funcionamento dos motores FLEX.
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Impresso n° 53001126 - 04/2008