pratica industrial

Máquinas Térmicas________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________1 Motores de Combustão Interna ( MCI ) - 2009 .


Índice

1 - DEFINIÇÕES E CONCEITOS.................................................................................................................................................3

2- CICLOS OPERATIVOS.....................................................................................................................................................5

3- PRINCIPAIS COMPONENTES DO MOTOR:.....................................................................................................................7

4- SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO:.......................................................................................................................................10

5 – COMBUSTÃO.......................................................................................................................................................................11

6 - PERFORMANCE DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA...............................................................................15

7 -Questionário..............................................................................................................................................................................17



1 - DEFINIÇÕES e CONCEITOS

1.1 – Motor: É uma máquina destinada a converter qualquer forma de energia em energia mecânica.

1.2 - Combustão: Reação química entre um combustível e um comburente com liberação de calor e luminosidade (normalmente) de forma exotérmica. Voltaremos a este assunto oportunamente.

1.3 - Motor de combustão interna (MCI), converte Calor em energia mecânica. São máquinas dentro da quais os produtos da combustão geram os movimentos dos componentes. Ex: motor por centelha ou motor de ciclo Otto, motor por ignição a compressão ou motor de ciclo Diesel; turbinas a gás.

Classificação dos motores de combustão interna:

1.3.1– Quanto ao Sistema de ignição:

- Ignição por centelha – Motores Otto - Ignição por compressão – Motores Diesel

1.3.2 – Quanto ao sistema de alimentação:

- Alimentação por carburação – Álcool ou gasolina- Alimentação por bomba injetora – Motores Diesel- Alimentação por misturador – Motores a gás GNV ou GLP- Alimentação por injeção direta – Modernos motores Otto e Diesel

1.3.3 – Quanto ao ciclo operativo:

- Motores de 4 tempos -Motores de 2 tempos

1.3.4 – Quanto ao sistema de refrigeração:

- Motores refrigerados a água- Motores refrigerados a ar – Volks, Deutz e Krupp.

1.3.5 – Quanto à disposição dos cilindros:



- Em linha – 4, 6 ou 8 cilindros.- Cilindros opostos – Volks e Boxer- Pistões opostos – motores delta para lanchas- Em estrela – motores para aviação- Em “V” – 6, 8, 12, 16 ou mais cilindros.

1.4 – Potência: Capacidade de realizar trabalho por unidade de tempo. Para motores de combustão usamos as unidades:

1.4.1 – Horse Power (hp) – Potência necessária para elevar 33.000 Lbs. a uma altura de 01 ft. de altura em 01 minuto. Equivale a 745,7 watts. É a unidade de potência usada pela norma americana SAE e para sua medição o motor deverá estar sem os equipamentos consumidores (ventilador, bomba d’água, alternador, compressor, tomadas de força, etc).

1.4.2 – Cavalo-vapor ou cv ou PS: Corresponde à potência necessária para elevar um peso de 75 Kgf à altura de 01 m em 01 seg. É a unidade de potência da norma alemã DIN e para sua medição o motor deverá estar completamente equipado. Corresponde a 735,5 watts.

1.5 – Curso do pistão = Distância percorrida pelo pistão entre o Ponto Morto Superior (PMS) e o Ponto Morto Inferior (PMI). O ponto morto é o ponto em que o pistão inverte seu sentido de movimento.

1.6 – Cilindrada: É o volume deslocado pelo pistão entre o PMI e o PMS medido em cm³ ou em Litros, aqui no Brasil.

C = (( /4 . d²). L).N onde:

C = cilindrada do motorN = número de cilindros do motord = diâmetro do cilindro (cm)L = curso do pistão (cm)

Ex: Um motor com 4 cilindros de diâmetro 3. 75” e curso de 98 mm tem cilindrada:

C= (/4 . (9,525 cm)² . 9,8 cm ). 4 = 2.793 cm3 ou (2.800 cilindradas) ou (2.8 Litros)



1.7 – Taxa de compressão ou Relação de compressão: É a relação entre o volume do cilindro quando o pistão está no PMI e quando ele se encontra no PMS. A taxa de compressão é expressa na forma 6:1 ou 7:1 ( lê-se 6 para 1 ou 7 para 1).

Rc = V (pmi) / V(pms) onde:

Rc: Relação de compressão ou taxa de compressãoV(pmi) = volume quando o pistão está no PMI.V(pms) = volume quando o pistão está no PMS.

2- CICLOS OPERATIVOS

2. 1 – Motores de 04 tempos

2.1.1 – ADMISSÃO - É a fase do ciclo de funcionamento do motor durante a qual a mistura ar-combustível (no motor ciclo OTTO) ou ar (no motor ciclo DIESEL) é aspirada para o interior do cilindro, com a válvula de admissão aberta e a válvula de escape fechada, e o pistão indo do PMS ao PMI.

2.1.2 – COMPRESSÃO - É a fase do ciclo de funcionamento do motor durante a qual a mistura ar-combustível (motor ciclo OTTO) ou ar (motor ciclo DIESEL) é comprimida no interior do cilindro, são elevadas a pressão e a temperatura para depois ser inflamada. Nos motores do ciclo OTTO, a pressão da mistura ar – combustível no final desta fase pode alcançar de 12 a 20 bar e a temperatura de 300ºC a 480ºC. Nos motores a diesel, a combustão começa logo após a injeção do combustível e ao final da fase de compressão, a pressão pode chegar a valores entre 35 e 50 bar e a temperatura atinge de 430ºC a 600ºC. A fase de compressão inicia quando o pistão começa sua subida em direção ao ponto morto superior (PMS) e a válvula de admissão se fecha. Durante o processo, a mistura ar-combustível (ou somente ar nos motores Diesel) primeiro recebe calor das paredes do cilindro, mas aos poucos o calor começa a ser liberado pela própria mistura. Teoricamente a fase deveria terminar no momento em que o pistão alcançar o PMS, mas ela é antecipada porque a faísca no terminal do eletrodo explode um pouco antes dessa posição. A



injeção nos motores Diesel também começa vários graus antes do ponto morto superior.

2.1.3 – EXPANSÃO - É a fase que vem depois da combustão. Nela o pistão desce do PMS ao PMI e parte da pressão exercida sobre ele pelos gases em alta temperatura é transmitida ao virabrequim.

2.1.4 – ESCAPE - É a fase na qual os gases são expulsos do cilindro. Em tese, deveria iniciar quando o pistão sai do PMI e vai para o PMS. Na realidade, a válvula de escape começa a abrir um pouco antes de o pistão chegar ao PMI, ao final da fase de expansão, e os gases começam a sair pelo duto de descarga graças à pressão interna. Dessa forma, quando o pistão inverte seu movimento, uma vez atingido o PMI, e começa a trajetória rumo ao PMS, a válvula de escape já esta bem levantada e boa parte dos gases já saiu do cilindro. Em conseqüência, o trabalho, e, portanto a potência subtraída do virabrequim, necessário para completar a fase de descarga é menor, em beneficio do rendimento do motor. Nos motores do ciclo OTTO, funcionando com a válvula borboleta do carburador completamente aberta, os gases de combustão escoam dos cilindros com temperatura entre 800ºC a 900ºC-temperatura que sobe ainda mais se o motor for sobrealimentado. Nos motores a diesel, a temperatura em questão é bem mais baixa em torno de 550ºC a 650ºC. Ela também sobe se o motor for sobrealimentado.

2.2 – Motor de 02 tempos:

Os motores de 02 tempos combinam em apenas 02 cursos as funções do motor de 04 tempos. Ocorrendo a combustão o pistão é impulsionado para baixo, fornecendo movimento à árvore e comprimindo a mistura ar/combustível no cárter para utilizá-la no ciclo seguinte. Pouco antes de atingir o PMI o pistão descobre as janelas da camisa permitindo que a mistura comprimida empurre os gases da combustão para fora do cilindro e preenchendo-o com nova mistura. A nova mistura é comprimida, sofre ignição, expande-se e reinicia-se o ciclo. O funcionamento dos motores Diesel de 02 tempos é semelhante destacando-se algumas peculiaridades:

- Não há “mistura” admitida, apenas ar puro forçado para dentro do cilindro por compressor tipo lóbulo (blower) ou turbo alimentador acionado por gases de escape. O óleo diesel é injetado de maneira semelhante à do motor Diesel de 04 tempos.



3- PRINCIPAIS COMPONENTES DE UM MCI:

Os componentes do motor são classificados em:

3.1 – Móveis: Bielas, pistão, árvore de manivelas ou virabrequim, árvore comando de válvulas, mecanismos de acionamento das válvulas.

Biela: É o “braço” de ligação entre a árvore de manivelas e o pistão. Recebe o impulso do pistão e o transmite à árvore. É o componente que permite a transformação do movimento retilíneo do pistão em movimento rotativo no virabrequim.

Pistão: Recebe o impulso provocado pela explosão da mistura combustível e o transmite à biela. No tempo de compressão é o responsável por comprimir a mistura no trajeto PMI ao PMS.

Árvore de manivelas ou virabrequim: É a parte que recebe o movimento retilíneo da biela e o transforma em movimento rotativo disponível no volante do motor.

Árvore comando de válvulas: Sua função é abrir e fechar as válvulas de admissão e escape nos tempos correspondentes. É acionada pelo virabrequim por engrenagem, corrente ou por correia sincronizadora. Os ressaltos de que se compõe recebem o nome de cames. Os cames acionam os tuchos, as hastes das válvulas e os balancins que acionam a válvula.

Válvulas: Dividem-se em válvulas de admissão e de escape. As válvulas de admissão se abrem para permitir a entrada do mistura ar-combustível, ou apenas ar, no tempo de admissão permanecendo fechadas nos demais tempos. O mesmo raciocínio se aplica às válvulas de escape.

Mecanismo de acionamento das válvulas: Compõe-se de tuchos, hastes e balancins. No momento em que a árvore de comando gira, o ressalto (came) aciona o tucho que move a haste, que aciona o balancin, que comprime o pé da válvula, forçando-a a abrir.

3.2 Fixos: Bloco do motor, cárter, cabeçote.

Bloco do motor: É o maior componente do motor e a estrutura sobre a qual se monta a maior parte dos componentes. É uma peça fundida em ferro ou alumínio com posterior usinagem para formar os cilindros, os alojamentos da árvore de



manivelas (mancais fixos) e sedes ou apoios para motor de partida, cárter, bombas, cabeçote, comando de válvulas etc. Ainda no bloco situam-se diversos canais de circulação de óleo e de líquido de refrigeração, além dos furos de passagem para hastes de válvulas. Nos motores refrigerados a ar, os cilindros possuem aletas para favorecer a circulação e ar entre eles.

Cárter = Parte inferior do motor, fixada ao bloco onde fica depositado o óleo lubrificante. Nos motores de dois tempos, funciona com reservatório de mistura antes da admissão.

Cabeçote: Parte superior do motor que atua com “tampa dos cilindros” e contra a qual o pistão comprime a mistura ar-combustível. Contém as válvulas de admissão e escape e alojamentos para as velas de ignição (motores Otto) ou para os bicos injetores (motores diesel). No cabeçote é montado o conjunto de balancins e em motores de alta rotação também contém a árvore de comando de válvulas.

3.3 – Auxiliares: Bomba d’água, bomba de óleo, ventilador, bomba injetora, alternador, radiador etc.

Bomba d’água: tem a função de forçar a circulação do liquido refrigerante pelos canais de circulação do bloco e do cabeçote e conduzi-lo ao radiador para troca de calor com o ar.

Bomba de óleo: tem a função de forçar a circulação do óleo através dos canais do bloco, do cabeçote, do virabrequim, através do filtro de óleo para promover a lubrificação das peças com movimento entre si e para permitir a filtragem e a refrigeração do óleo por troca de calor com o meio ambiente. Alguns motores possuem radiadores para refrigeração do óleo.

Ventilador: Equipamento destinado a forçar a corrente de ar a passar pelo radiador para promover a troca de calor do líquido de refrigeração e o ar circulante. Pode ter acionamento elétrico ou por correia ligado ao virabrequim.

Bomba injetora: Equipamento usado nos motores Diesel para forçar o óleo para os bicos injetores onde, devido à alta pressão é pulverizado para dentro dos cilindros.

Alternador: Dispositivo destinado a converter a energia mecânica que recebe através da correia em energia elétrica que será utilizada na manutenção da carga da bateria e circuitos elétricos.



Radiador: Componente responsável pela troca de calor entre o líquido de refrigeração e o ar forçado pelo radiador. Situa-se normalmente na parte frontal do veículo e se constitui de tubos e aletas de material com boa condutividade térmica.



4- SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO:

Nos motores a gasolina ou álcool carburante, é composto por uma bomba que transfere o combustível do tanque para o carburador e este, por sua vez, promove a transformação desse combustível líquido em vaporizada (carburação) através da passagem de ar por um “Venturi”. A mistura ar-combustível é, então, conduzida ao cilindro para ser queimada. A quantidade de ar para o motor, bem como a quantidade de combustível misturada, são controladas através da abertura da borboleta de estrangulamento e dos injetores de aceleração e partida.

Nos motores diesel, a bomba injetora aspira o óleo combustível do tanque e o submete a elevadíssimas pressões (até 300 atm) e o envia aos bicos injetores que contém furos e diâmetro extremamente reduzidos. Ao passar pelos furos o óleo diesel pulveriza-se e ao entrar em contato com o ar aquecido pela compressão sofre a ignição.



5 – COMBUSTÃO

Combustão: É o resultado da combinação rápida do oxigênio com o elemento combustível, produzindo luz e calor. A eficiência da combustão está diretamente ligada à combinação de três elementos:

- Temperatura suficiente para a ignição- Tempo necessário pra a combustão completa- Mistura adequada de ar e combustível que permita a queima completa.

5.1 – Combustível: Substância que reage com o oxigênio (O2) liberando luz e calor.

Classificação dos combustíveis:

5.1.1 – Combustíveis sólidos: O uso prático de combustíveis sólidos em motores não existe. A rigor, o combustível só se queima em estado gasoso. Na década de 40, em virtude da falta de combustível provocada pela guerra utilizou-se de um dispositivo chamado gasogênio para utilizar combustíveis sólidos. Os combustíveis sólidos mais comuns são antracito, carvão vegetal, coque, xisto betuminoso, e madeira.

5.1.2 – Combustíveis líquidos:

Em geral, todo petróleo cru é formado pela combinação de carbono e hidrogênio na proporção aproximada de 86% de carbono (C) e 14% de hidrogênio (H) por peso. As diversas maneiras como os átomos de carbono se unem aos de hidrogênio formam os variados compostos chamados hidrocarbonetos.

5.1.2.1 – Combustível líquido de origem vegetal:

O álcool etílico pode ser obtido da cana de açúcar, da beterraba, do milho, da mandioca, da uva, etc. O álcool metílico é obtido do carvão mineral, da celulose de madeira ou da destilação fracionada do vinagre.

Etanol ou álcool etílico: C2H5OH

Metanol ou álcool metílico: CH3OH

Óleo vegetal obtido da soja, milho, arroz, mamona, semente de algodão, girassol, etc. Todos podem ser usados no motor Diesel, porém apresentam vários



inconvenientes que a disponibilidade do Diesel ainda não estimula a pesquisa para sua superação e além disso:

- é praticamente impossível a partida do motor com óleos vegetais;- provocam freqüentes entupimentos de bicos injetores

5.1.3 - Combustível Gasoso:

Vantagens: partidas fáceis sem necessidade de pré- aquecimento.Desvantagem: problemas de armazenamento e manuseio; risco de explosão. Classificação: Os combustíveis gasosos se dividem em:- Gás natural; - Gás obtido por gaseificação de combustível sólido (gás de carvão, de processos

de coqueria etc)- Gás obtido da refinação de petróleo (GLP). -Gás de alto-forno: produzido no processo siderúrgico; possui grande

quantidade de monóxido de carbono (CO).- Gás de lixo ou biogás: ricos em metano (CH4) e em monóxido de

carbono(CO).Do processo de destilação do petróleo, os gases mais relevantes são:

- Metano CH4

-Etano C2H 6

-Propano C3H8

- Butano C4H10

Os dois últimos constituem o gás de cozinha ou GLP que à temperatura ambiente se liquefaz a uma pressão de 08 Kgf/ cm2 o que o torna extremamente prático para estocagem, transporte e consumo.

5.1.4 -Poder calorífico superior PCS: É a quantidade de calor liberada pela queima de 01 Kg do combustível em referência.

5.1.5 -Poder calorífico inferior ou PCI: Quantidade de calor liberado pela queima de 01 Kg do combustível em referência, descontada a parcela necessária para a evaporação da umidade contida no combustível. Alguns valores de para conhecimento:

Álcool = 5.000 Kcal/L Óleo combustível = 10.800 Kcal/KgQuerosene = 8.300 Kcal/ Kg Gás alto forno = 7.000 Kcal / Kg Óleo diesel = 8.620 Kcal / Kg GLP = 18.000 Kcal/Kg.



Em geral, podemos considerar a combustão como reações químicas descritas abaixo:

C + O2 = CO2

1 Kmol + 1 Kmol = 1 Kmol12,01 Kg + 32,00 Kg = 44,01 Kg

Esta reação libera 4,08 X 10 5 KJ

H2 + 1 / 2 O2 = H2O1 Kmol + 1/2 Kmol = 1 Kmol2,016 Kg + 16,00 Kg = 18,00 Kg

Esta reação libera 2,42 X 10 5 KJ

S + O2 = SO2

1 Kmol + 1 Kmol = 1 Kmol32,06 Kg + 32,00 Kg = 64,06 Kg

A presença de enxofre no combustível apesar de ilusória vantagem de liberar energia, é altamente indesejável pelos problemas de corrosão que acarreta e pelo dano causado pelas “ chuvas ácidas” que se formam quando o dióxido de enxofre se combina com a umidade atmosférica e forma o ácido sulfúrico H2SO4.

5.1.5 – Combustão completa: Aquela na qual todos os elementos combustíveis se combinam com o oxigênio permite a obtenção de toda energia calorífica disponível no combustível.

5.1.6. – Combustão incompleta: Aquela na qual parte dos elementos combustíveis não se combina com o oxigênio. Ocorre a perda de energia disponível no combustível, formação de fumaça negra, formação de monóxido de carbono (CO), que é inflamável e extremamente venenoso; resíduos de hidrogênio e frações de hidrocarbonetos gasosos como CH4, CH2, etc. Para se evitar este inconveniente, perigoso em determinados níveis de concentração, procura-se estabelecer uma combustão com ligeiro excesso de ar para garantia da queima total do todos os combustíveis.

5.1.6 – Cálculo da quantidade de ar necessária para a queima de 01 Kg de hidrocarboneto.

Para este cálculo usaremos a fórmula abaixo:



Ac = {137,9 . (n + 0,25m) } / (12n + m) onde:

Ac = quantidade de ar para a queima de 01 Kg do combustível [ Kg ]n = índice do carbono na fórmula do hidrocarboneto.m = índice do hidrogênio na fórmula do hidrocarboneto.

Exemplo 01: Calcular a quantidade de ar necessária para queimar completamente 180 litros de gasolina (C8H18)

Solução: peso específico da gasolina = 830 g / dm³

180 L = 180 dm³ P = . V P = 0,83 Kg/ dm³ X 180 dm³ = 149,4 Kgf.

Ac = {137,9. (8+ 0,25.18) } / (12 . 8 + 18) = 15,12 Kg de ar/kg de gasolinaTotal de ar = 15,12 X 149,9 = 2266,6 Kg de ar.

Exemplo 02: Calcular a quantidade de ar necessária para queimar 1,0 Kg de óleo diesel (C16H34):

Ac = 137,9 .(16 + 0,25 . 34) / (12.16 +34) = 14,95 Kg de ar/ Kg de óleo Diesel.



6 - PERFORMANCE de um MOTOR de COMBUSTÃO INTERNA

Quando ocorre a combustão da mistura ar-combustível no interior do cilindro do motor, a energia liberada por unidade de tempo é consumida pelo atrito interno do motor, pelo trabalho que os pistões realizam sobre o eixo do motor e por uma parcela que é perdida no tempo de escapamento dos gases produzidos para a atmosfera.

Distribuição da potência obtida na combustão:

30% - são convertidos em potência mecânica20% - consumidas no processo de refrigeração5% - são perdidos sob a forma de atrito interno45% - perdidos nos gases de escapamento

- A Potência Indicada ( Pi ), é a potência desenvolvida sobre a cabeça do pistão e decorrente da combustão da mistura ar-combustível.

Para um motor de quatro tempos Pi = ( pmi x A x l x n x N ) / 900.000 (CV)

Para um motor de dois tempos Pi = ( pmi x A x l x n x N ) / 450.000 (CV)

Onde:pmi – pressão média indicada em kgf/cm2A – área da cabeça do pistão em cm2l – curso do pistão em cmn – número de cilindrosN – rotação do motor em rpm

Nos países anglo-saxônicos, a unidade HP é usada para calcular a potência indicada. Neste caso temos:

Para um motor de quatro tempos Pi = ( pmi x A x l x n x N ) / 792.000 (HP)

Para um motor de dois tempos Pi = ( pmi x A x l x n x N ) / 396.000 (HP)



Onde:pmi – pressão média indicada em lbf / pol2A – área da cabeça do pistão em pol2l – curso do pistão em poln – número de cilindrosN – rotação do motor em rpm

- Potência efetiva ( Pe ) é a potência medida sobre o eixo de manivelas do motor. O seu cálculo é feito de maneira semelhante ao da potência indicada, considerando que no lugar da pressão média indicada, devemos usar a pressão média efetiva. Na prática essa potência é determinada por meio de dinamômetros, conhecido por Freio de Prony. Por esta razão, a potência efetiva também é conhecida por potência no freio.

Relação entre as potências

A potência indicada é igual à soma das potências efetiva com a potência de atrito. Onde a potência de atrito representa as perdas com o movimento relativo e também para acionamento de outros acessórios como bombas e geradores.



7 -QUESTIONÁRIO

1- Escreva o que é um Motor de Combustão Interna ?

2- Como são classificados os Motores de Combustão Interna pelo tipo de ignição?

3- Como são classificados os Motores de Combustão Interna pelo tipo de alimentação?

4- Como são classificados os Motores de Combustão Interna pelo tipo de ciclo operativo?

5- Como são classificados os Motores de Combustão Interna pelo tipo de refrigeração?

6- Como são classificados os Motores de Combustão Interna pelo tipo de disposição dos cilindros?

7- O que é Ponto Morto Superior ( PMS) de um motor de combustão interna?

8- O que é Ponto Morto Inferior (PMI) de um motor de combustão interna?

9- Como é definido o Curso de um pistão?

10- O que significa Cilindrada de um motor?

11- Qual é o significado de um motor 1.8?

12- Qual é o significado de um motor 2000?

13- Como é calculado a cilindrada de um motor de combustão interna?

14- O que significa taxa de compressão de um motor?

15- Descreva o tempo de Admissão de um motor.

16- Descreva o tempo de Compressão de um motor.

17- Descreva o tempo de Expansão de um motor.



18- Descreva o tempo de Escape de um motor.

19- Conforme o tempo do motor, informe a posição do pistão e a situação das válvulas de admissão e de escape.

20- Quais são os componentes móveis de um motor?

21- Quais são os componentes fixos de um motor?

22- Um veículo nacional tem um motor 1.8 a álcool hidratado C2H6O; de quatro cilindros e é de quatro tempos. Possui um tanque de combustível com capacidade de 58 Litros.

a- Qual é a cilindrada deste motor?b- Se o diâmetro do cilindro for 76 mm, qual é o curso deste motor?c- Qual é o peso do combustível armazenado no tanque? Peso específico do

álcool 800 Kgf/m3.d- Qual é a quantidade de ar em Kgf para queima de todo o combustível

armazenado no tanque?


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