MOTORES TÉRMICOS

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 29 – SISTEMA DE ARREFECIMENTO

Sistema de Arrefecimento◦O processo de combustão produzgrande diferença de temperaturaentre os gases e as paredes da câmaraalém de promover a transferência departe do calor gerador para as paredesdo cilindro e, consequentemente,, docabeçote.

◦O sistema de arrefecimento devemanter os componentes do motor emtemperaturas médias compatíveis comas características dos materiais.

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Sistema de Arrefecimento◦ O calor liberado pelo combustível em um cilindro varia

entre 1500 e 2500Kcal/cv.h, dependendo do consumoespecífico (Ce). Caso este calor não seja retirado, asparedes do cilindro, cabeçote e a cabeça do pistãotenderão a atingir temperaturas iguais à média datemperatura do ciclo, ou seja entre 600 e 800°C.

◦ O trabalho executado com temperaturas elevadaspromove deformações, corrosão, desgaste, degradaçãodo óleo e engripamento do motor.

◦Os meios arrefecedores mais usados são: ar, água e óleo.O meio arrefecedor entra em contato com as partesaquecidas do motor, absorve calor e transfere para o meioambiente.

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Limites de Temperatura◦A figura apresentaas temperaturas aque são submetidosos componentesinternos do motorde combustãointerna.

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Limites de TemperaturaVálvulas

◦As válvulas de admissão eescapamento, por estarem emcontato direto com a combustão, sãobastante solicitadas. O valor médiospara as válvulas de escapamento são:◦ Haste: 300 a 450°C;◦ Sede: 600 a 820°C.

◦Na maioria das vezes, os materiaisconstituintes dessas válvulas sãoligadas CrNi que suportamtemperaturas em torno de 800°C.

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Limites de TemperaturaVálvulas

◦As válvulas de admissão são resfriadas pelo arde admissão e beneficiadas pela área de contatomaior com este fluxo, enquanto a temperaturada válvula de escapamento é alta, pois maiorparte de sua superfície está exposta aos gasesquentes durante o processo de escapamento,bem como, na combustão e expansão.

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Limites de TemperaturaPistões

◦Os pistões, por estarem em contato direto coma combustão, são solicitados de formaextrema. Nos motores de grande diâmetro, atemperatura média da cabeça do pistão tende aser bastante alta.

◦A troca de calor entre a cabeça do pistão e ofluido de arrefecimento é feita através dosanéis de segmento que estão em contatodireto com a superfície mais fria.

◦Há casos em que os pistões possuem um canalresfriador na cabeça, onde o calor é rejeitadopor meio de circulação de óleo lubrificante.

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Limites de TemperaturaPistões

◦A figura apresenta operfil de temperaturano pistão de MIE aplena carga.

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Limites de TemperaturaCilindros

◦As camisas ou os cilindrostambém são solicitados de formaextrema. A temperatura de picodo gás queimado pode atingir2200°C, enquanto a temperaturamáxima de operação do materialda parede do cilindro, quando emferro fundido é em torno de400°C e em alumínio em torno de300°C.

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Limites de TemperaturaCilindros

◦Estas condições podem levar às seguintesconsequências:◦Aquecimento da vela: pré-ignição nos MIF;

◦Variação da temperatura de exaustão, interferindodiretamente nas emissões gasosas;

◦Temperatura máxima na parede do cilindro requisitandomaior potência nas bombas ou ventiladores;

◦Alta temperatura dos gases queimados, necessitando demateriais superiores para as válvulas de exaustão.

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Processos de Arrefecimento◦ Os processos empregados atualmente para retirar

calor dos motores são:◦ Circulação de água:◦ Circulação fechada com torre de arrefecimento;◦ Circulação aberta com reservatório;◦ Termossifão;◦ Circulação fechada.

◦ Circulação de ar:◦ Livre;◦ Forçada.

◦ Circulação de óleo:◦ Forçada;◦ Complementar a circulação de ar.

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Processos de ArrefecimentoResfriamento Por Circulação de Ar◦Este processo torna mais simples oprojeto e a construção do sistema, sendomais leve, o meio é facilmente disponível,não querer reservatórios e tubulaçõesfechadas para sua condução, não écorrosivo e não deixa incrustações, nãoevapora e não congela para as maisseveras condições de funcionamento.

◦Porém, a baixa massa específica promovea necessidade de um volume muito maiorde ar do que a água para retirar umaunidade de caloria do motor.

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Processos de ArrefecimentoResfriamento Por Circulação de Ar◦Nessa aplicação, não existem umdispositivo para controlar a temperaturado motor nas diversas rotações e cargas.Nestes sistemas é possível ter osseguintes componentes:◦Aletas;

◦Ventoinha;

◦Dutos;

◦Defletores.

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Processos de ArrefecimentoResfriamento Por Circulação de Ar◦As aletas pode ser localizadas no

cabeçote e nas partes externas doscilindros com a finalidade de aumentasa superfície de contato entre o motore ao meio arrefecedor.

◦A ventoinha é responsável pelaprodução de uma corrente de ar entreo meio ambiente e o motor.

◦Dutos e defletores promovem acondução e orientação da corrente dear na direção das aletas dearrefecimento.

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Processos de ArrefecimentoResfriamento Por Circulação de Ar◦Vantagens do sistema a ar:◦ Construção simples;

◦Menor relação peso-potência;

◦Manutenção simples.

◦Desvantagens do sistema a ar:◦Difícil controle de temperatura;

◦ Falta de uniformidade de temperatura;

◦ Facilmente susceptíveis a superaquecimento;

◦ Constante limpeza das aletas.

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Processos de ArrefecimentoResfriamento Por Circulação de Óleo◦Já este processo é utilizado geralmentepara complementar o arrefecimento porar. Embora o circuito de lubrificação jácontribua significativamente para oarrefecimento do motor, este pode sermelhorado caso se faça circular o óleoem torno dos cilindros.

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Processos de ArrefecimentoResfriamento Por Circulação de Água◦Trata-se do processo mais empregadopara o resfriamento, pois permite omelhor controle de temperatura médiados componentes mais solicitadostermicamente, além de manter essatemperatura média em valores maisbaixos, proporcionando bomdesempenho com relações decompressão mais altas, beneficiando aeficiência térmica do motor, semocorrência de detonação.

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Processos de ArrefecimentoResfriamento Por Circulação de Água◦A temperatura da água deve ser mantidaem torno de 90°C, em todos os regimesde trabalho, e essa temperatura deve seratingida no menor tempo possível. Estecontrole é exercido por uma válvulatermostática colocada entre a saída daágua do motor no cabeçote e o radiador.

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Resfriamento Por Circulação de ÁguaTermossifão◦Nestes casos, não existe a bomba

forçando a circulação. O fluxoocorre pelo gradiente detemperatura da água. O sistemadeve apresentar reduzida perdade carga e, nesses casos, oresfriamento continua mesmocom o motor desligado.

◦Esse sistema é empregado emmotores pequenos e compactos,sendo que algumas versõesempregam um ventilador paracircular o ar através do radiador.

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Resfriamento Por Circulação de ÁguaForçado◦Trata-se do sistema mais usual no qual umabomba centrífuga promove a circulação forçadado meio arrefecedor. Possui válvula termostáticae entre o cabeçote do motor e o radiado para ocontrole da temperatura.

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Resfriamento Por Circulação de ÁguaVálvula Termostática◦A válvula termostática se faz presente

graças à necessidade de controlar o fluxode água que circula pela radiador em cadaregime do motor. Encontra-se instaladaentre a saída da água do motor nocabeçote e o radiador.

◦Quando o motor está frio, a válvula estátotalmente fechada impedindo a circulaçãode água pelo radiador.

◦A temperatura da água nos motores Ottofica compreendida entre 75 a 90°C paragasolina e 85 a 95°C para etanol.

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Resfriamento Por Circulação de ÁguaVálvula Termostática◦ A válvula termostática é importante para o

desempenho do motor, pois este não deve trabalharfrio por muito tempo pois teria os seguintesinconvenientes:◦ Condensação do vapor de combustível devido às baixas

temperaturas das paredes da câmara;◦ Combustível condensado provoca lavamento dolubrificante das paredes do cilindros acelerando odesgaste do motor;

◦ Formação de vernizes e gomas que prendem os anéis depistão;

◦ Combustão incompleta, aumentando o consumo decombustível;

◦ Promoção da contaminação do óleo lubrificante comprejuízo de suas propriedades e consequentemente domotor.

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Resfriamento Por Circulação de ÁguaVálvula Termostática◦As válvulas termostáticas podem ser deestrangulamento ou de passo.

◦Quando de estrangulamento, alcançada atemperatura desejada, permite a passagemdo fluxo de água em direção ao radiador. Ocontrole é realizado através de bulbo metálicocom parafina ou éter ou uma mola bimetálica.

◦No caso de passo, permitem a seleção entre oradiador e uma nova passagem pelo motor.

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Resfriamento Por Circulação de ÁguaVálvula Termostática◦A restrição na válvula provoca perdas de

bombeamento substanciais e o tempo deaquecimento do motor está diretamenterelacionado com a capacidade de controledesta válvula.

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Bomba D’água◦ Promove a circulação da água no interior do

motor. Normalmente o acionamento érealizado por correia ou engrenagem a partirdo eixo virabrequim.

◦A carga manométrica destas bombas está emtorno de 10mca o que corresponde a 20%acima da perda de carga do motor, de forma apermitir o adequado escoamento ao longo davida deste.

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Bomba D’água◦Admitindo que a quantidade de calor transferida para a água de

resfriamento seja igual ao calor equivalente à potência efetiva do motor,pode-se usar as equações para o cálculo da vazão e potência da bomba.

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Bomba D’água Elétrica◦ Tem como objetivo a redução no consumo de

combustível, é operada pela ECU quando danecessidade do motor, variando rotação e vazão.Proporciona a redução do tamanho do radiador em até30%.

◦ Benefícios da bomba elétrica:◦ Operação é independente da rotação do motor;◦ Não há perdas pelo acionamento;◦ Velocidade de bombeamento pode ser função de qualquervariável do sistema;

◦ Vazão mínima de fluido é assegurada em todos os regimes;◦ Radiação de trocador de calor pode ser maximizada antes do

preenchimento com fluido.

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Ventiladores◦Os sistemas de ventilação estão divididos pelo

tipo de acionamento:◦ Mecânico;

◦ Elétrico;

◦ Viscoso.

◦ Um defletor pode ser instalador entre o radiador e oventilador com um afastamento mínimo de 10cm. Afolga entre o ventilador e o defletor deve variarentre 0,6 e 1,25cm.

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VentiladoresMecânicos

◦ Estes ventiladores são acionados porcorreias e montados na bomba d’água.Estes ficam permanentemente ligados,de modo independente da cargatérmica, consumido potência do motor.

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VentiladoresMecânicos Com Embreagem Viscosa

◦A embreagem permite o uso de umventilador de grande porte que podeser acionado em velocidades maisbaixas. A embreagem térmica iráacionar o ventilador somente quandose tornar necessário.

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VentiladoresElétricos

◦ Com grande aplicação em veículos depassageiros, utiliza um ventilador acionadopor um motor elétrico. Esse conjunto inclui omotor do ventilador, ventilador e defletorsendo que algumas montagens fazem uso dedois ventiladores.

◦ Esses ventiladores são acionados apenasquando a temperatura atinge um limitecalibrado, podendo ter duas ou maisvelocidades. Neste caso não há consumodireto da potência do motor, porém há umconsumo da carga de uma fonte elétrica(bateria).

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Vaso de Expansão◦ Trata-se de um recipiente suplementardestinado a recolher o excesso devolume de água que sofreu expansãoao esquentar. É um compensador paraas dilatações que a solução arrefecedorasofre, isto é, quando a temperatura dasolução sobe, fazendo-a expandir-se nosistema, o excesso é conduzido ao vasode expensão.

◦ Esse vaso possibilita visualizar o nível dolíquido arrefecedor, não permitindoperdas por evaporação, pois a água seencontra sob pressão, o que tornaseguro o funcionamento do motor a100°C.

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Vaso de Expansão◦ Os vasos de expansão têm uma válvula quefunciona como segurança no caso de umasobrepressão no sistema e de respiração do arpara compensar a contração da água quando doresfriamento.

◦ Quando a pressão do sistema de arrefecimentoatinge o ponto onde a tampa deve liberar esseexcesso de pressão, uma pequena quantidade derefrigerante é sangrada fora. Existe um sistemapara capturar o refrigerante liberados e armazená-lo em um recipiente de plástico. Quando o motorestiver em temperatura normal de funcionamento,o refrigerante retorna ao sistema.

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Aditivos◦O líquido arrefecedor, que percorre o interior das

canalizações do motor e equipamentos deve ser capaz deresistir a temperaturas bem abaixo de zero, semcongelamento, também deve ser capaz de lidar com astemperaturas do motor acima de 120°C sem gerar fervura.O fluido deve conter inibidores de ferrugem e umlubrificante.

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Aditivos◦ O líquido de arrefecimento em veículos é uma mistura

de etileno glicol (anticongelante) e água, em igualproporção. Em determinados climas onde astemperaturas podem ir abaixo de zero, é permitido até75% de anticongelante e 25% de água.

◦ O etileno glicol na proporção de 50/50 eleva o pontode ebulição para 108°C e protege contra corrosão.Quando o sistema estiver pressurizado a 15psi essatemperatura sobre para 129°C.

◦ Outro aditivo que pode ser utilizado é o propilenoglicol que proporciona os mesmo parâmetros deoperação do etileno glicol, mas é menos tóxico.

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Mangueiras◦ Existem várias mangueiras de borracha para

conectar os componentes do sistema dearrefecimento. As principais são: asmangueiras do radiador superior e inferior.

◦ Essas mangueiras são projetadas parasuportar a pressão dentro do sistema dearrefecimento.

◦As mangueiras devem ser suficientementeflexíveis a fim de acomodar movimentosrelativos entre componentes, em algunscaso é necessário utilizar reforços e amarrasem mangueiras muito longas.

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Objetivo e Requisitos Dos Radiadores◦Os radiadores devem transferir ocalor rejeitado do motor, datransmissão e outros componentes.

◦Atualmente, os radiadores sãonormalmente construídos por umamatriz de tubos e aletas de ligas dealumínio, montadas na suaextremidade em coletores que têma função de alojar uma guarnição(elemento de vedação) e os tanquesque fazem a interface com asmangueiras do veículo.

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Objetivo e Requisitos Dos Radiadores◦O desempenho de um radiador

específico é normalmenterepresentado graficamente em umdiagrama da razão da troca térmica(Q) pelo diferencial de temperaturade entrada pela vazão em massa dear externo para diversas curvas devazão do fluido de arrefecimento.

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