Capitulo 1

RECORDATORIO DAS DIFERENTES CLASES DE MOTORES TERMICOS

Alguns terminos dos motores

Português Inglês Francês Bloco Crank case Carter cylindres

Cilindro Cylinder Cylindre Pistão Piston Piston Biela Connecting rod Bielle

Virabrequim Crankshaft Vilebrequin Volante Flywheel Volant d’inertie

Cabeçote Cylinder head Culasse Carter de oleo Oil sump Carter d’huile

Válvula Valve Soupape Mola de válvula Valve spring Ressort de soupape Guia de válvula Valve guide Guide soupape

Junta de cabeçote Cylinder head gasket Joint de culasse Anel Ring Segment

Pino do pistão Piston pin Axe piston Eixo de comando de válvulas Camshaft Arbre à cames

Mancal de biela Crankpin Maneton Mancal do virabrequim Main bearing Tourillons

Vela Spark plug Bougie Coletor de admissão Inlet manifold Tubulure d’admission Diâmetro do cilindro Bore Alésage Tampa de válvulas Rocker-arm cover plate Cache-culbuteur

Tucho Tappet Poussoir de culbuteur Vareta Push-rod Tige de culbuteur

Camisa úmida Chemise humide Curso Stroke Course

Balancim Rocker-arm Culbuteur Coletor de escape Exhaust manifold Collecteur d’échapement

Casquillo Coussinets

I.1. Introdução

Distinguimos geralmente dois tipos de motores de combustão:

- Os motores a combustão interna: Nos quais os produtos de combustão são eles mesmos o fluido de trabalho. -Os motores a combustão externa: Nos quais o calor liberado por uma combustão e transferido a um fluido intermediário (ar, hidrogênio, Helio, vapor de água, fluido orgânico, ...) que constitui o fluido gerador do trabalho mecânico. Em esta categoria entram: as maquinas a vapor ou a ciclo Rankine, o motor Stirling, ...

Na primeira categoria dos motores a combustão interna, podemos distinguir:

- Os motores alternativos:

-Motores a ignição comandada ou motores a gasolina, ainda chamados comumente “motores de explosão”. -Motores Diesel o a ignição por compressão que são motores de pistões ou a “capsulimo” (mecanismo estanco que realiza volumes variáveis de manera cíclica).

- As turbomaquinas:

-Turbinas de gás, que, ao contrario que os motores precedentes, são maquinas a fluxo continuo.

Nestas ultimas maquinas, as diferentes evoluções do fluido motor em lugar em espaços sucessivos e justapostos, ao contrario do que acontece nos motores alternativos onde estas transformações são realizadas no mesmo espaço, o cilindro.

Estes motores constituem atualmente a maioria das unidades de produção de potência mecânica em muitas áreas, sobre tudo, na área dos transportes onde estão particularmente desenvolvidos a causa das suas vantagens: Bom rendimento, tamanho compacto, confiabilidade, ...; Isto explica a extensão que tem nestes dias a industria dos motores e o conjunto da sas ramas em todos os paises do mundo. 1. I.2. Principais términos técnicos utilizados na área dos motores alternativos 2. I.2.1 Arquitetura geral dum motor alternativo a combustão interna As características particulares e o funcionamento respectivo dos dois tipos de motores (gasolina e Diesel) serão detalhados mais tarde. Para recordar os elementos comuns dos dois motores alternativos clássicos, vemos as figuras I.1a e I.1b

Para os motores de tração automóvel representados, os órgãos principais são:

-Bloco

Serve de suporte a todos os órgãos principais (virabrequim, cabeçote, ...) e aos órgãos anexos (motor de partida, alternador, embreagem....)

-Cilindro:

Seja usinado diretamente no bloco Seja constituído d’uma camisa seca (montada no bloco)o d’uma camisa úmida (em contato com o liquido de arrefecimento)

-Pistão

Com mobilidade na camisa, tem segmentos para assegurar a estanqueidade entre a câmara de combustão e o bloco. Submetido a pressão dos gases que transmite a biela pelo eixo do pistão.

-Biela

Assegura a transmissão entre o pistão e o virabrequim e transmite a este ultimo o esforço resultante da pressão dos gases no cilindro.

-Virabrequim

Sua função e a transformação do movimento linear alternativo do pistão em um movimento circular do eixo de saída do motor. Sobre os motores multicilindricos, dependendo do seu numero e disposição, podemos observar diferentes formatos de virabrequim. A rotação do virabrequim no interior do bloco se realiza pelo intermédio dos mancais do virabrequim. As bielas se articulam sobre os mancais da biela. Nestas uniões rotativas são utilizadas geralmente casquilhos ou bronzinas recobertos dum material antifricçao.

-Volante

Disco fixado na extremidade do virabrequim e cuja inercia permite, sobretudo nos motores com pequeno numero de cilindros, regularizar a velocidade de rotaçao. Tem geralmente uma coroa dentada para a movimentaçao a partir do motor de partida.

-Cabeçote

Fixado na parte superior do bloco, delimita juntamente com o pistão o volume da câmara de combustão. Uma junta assegura a estanqueidade entre o cabeçote e o bloco. O cabeçote tem os condutos de admissão e de escapamento cuja comunicação ou não com a câmara é determinada pelas válvulas. A abertura e o fechamento das válvulas é comandada pelo sistema de distribuição formado em geral por: Eixo de comando, molas, eventualmente balancins, tuchos, etc...

-Carter de óleo

E o reservatório de óleo, situado na parte inferior do motor, que permite alimentar o sistema de lubrificação dos elementos moveis do motor. Um sistema de arrefecimento, por água o ar, e previsto para evacuar uma parte do calor liberada pela combustão para assegurar a integridade das peças do motor.

Figura I.1a. Motor a ignição comandada Renault tipo 847 Corte transversal

Figura I.1a. Motor a ignição comandada Renault tipo 847 Corte longitudinal

Fig I.1b – Corte transversal do motor FIAT FIRE 1000

Si na área dos automóveis, a arquitetura geral é bastante semelhante entre os motores gasolinas e os Diesel (Fig I.1c e I.1d), os diferentes elementos de estes últimos são mais reforçados

tendo em conta as maiores pressões internas e os maiores esforços que tem que transmitir. As diferenças tecnológicas dos sistemas de alimentação em combustível para estes dois tipos de motores, assim como o dispositivo de ignição especifico do motor de gasolina, são o resultado de processos de

Figura I.1c – Esquema de conjunto do motor Renault gasolina F2N Fig. I.1d – Esquema de conjunto do motor Renault Diesel F8M Injeção indireta

1.2.2 As dimensões características dum motor

. • Diâmetro (D [mm]): Diâmetro do cilindro.

. • Curso (L [mm]): Distância recorrida pelo cilindro entre o Punto Morto Superior (a partir de agora: PMH (Point Mort Haut )) ou em inglês Top Dead Center (TDC) e o Punto morto inferior (a partir de agora: PMB (Point Mort Bas) ) ou em inglês Bottom Dead Center (BDC). . • Si r = raio da manivela L = 2 * r -Cilindrada unitária (Vu [cm

3

]) : volume

varrido pelo cilindro al recorrer o curso L.

π .D2

Vu = L.

4 Si “n” é o numero de cilindros do motor, a

cilindrada total Vcyl e igual a

Vcyl

= n Vu

.

- Relação volumétrica de compressão (ε [adimensional]): Si “ν” e o volume do espaço morto da câmara de combustão, isto é, o volume que fica no TDC, a relação volumétrica de compressão e:

Vu + v

ε=

v

Em um motor de cilindrada unitária “Vu“y de relação volumétrica de compressão “ε” , o volume de espaço morto e:

Vu

v =

ε−1

Observação: Não e correto usar “taxa de compressão” para falar da “relação volumétrica de compressão”. Si suponemos uma relação volumétrica de compressão ε = 10 em uma compressão isentrópica para ar com γ = 1,3 constante. Então a taxa de compressão e igual a:

εγ

= 10 1,3

= 20

Que e diferente da relação 10 / 1 da relação volumétrica de compressão

I.3. As diferentes familias de motores alternativos

Os motores podem ser clasificados em varias familias, considerando alguns criterios basicos como:

• Ciclo termodinamico

- Quatro tempos.

- Dois tempos

Cujos principios de funcionamento sao lembrados nas figuras I.3 e I.4

• Modo de combustao (Capitulo VI) �.- Igniçao comandada (S.I: spark ignition engine) �.- Diesel ou igniçao por compressao. (C.I: Compression ignition engine) �.- De carga estratificada (Stratified charge engine)

- Diesel-gas ou « Dual fuel »

Os mais classicos e entre os obsoletos:

- Semi-Diesel ou a bola quente

• Natureza do combustivel

- Gasolina

- Diesel ( em frances “gazole”) Que sao os carburantes mais classicos nos motores de traçao. Tambem temos: - Carburantes gasosos: -Gas de petroleo liquifiado (GPL ou LPG: Liquified Petroleum Gas) - Gas natural comprimido (GNC) ou liquifiado (GNL). Ou seguindo a denominaçao corrente de hoje: Gas natural vehiculo (GNV) -Carburantes pesados: Fuel pesado usados nos grandes motores Diesel �.- Carburantes especiais: Alcool, Aceites vegetais ou compostos derivados. Existem tambem motores “polycarburantes”.

• Modo de alimentaçao em combustivel

Para os motores a combustao por igniçao:

-Carburaçao

- Injeçao de gasolina: Pode ser:

�.- Indireta: Monopunto, mutlipunto, multipunto sequencial. A baixa pressao (<5 bar), no conduto de admissao antes das valvulas �.- Direta: A alta pressao (50-150 bar) diretamente nos cilindros.

Motores Diesel:

- Indireta: Associada a uma precamara de combustao (IDI)

- Direta: Com uma camara de combustao unica (DI)

A injeçao pode ser realizada mediante diferentes dispositivos:

�.- Bomba de injeçao em linha. �.- Bomba de injeçao rotativa ou distribuidora. �.- Sistema de injeçao unitario: Injetores bomba, bombas unitarias a alta pressao, etc... �.- Sistema common rail

• Modo de alimentaçao em ar: �.- Aspiraçao natural ou atmosferica �.- Sobrealimentaçao (mecanica ou por turbocompressor) . • Modo de arrefecimento . • ...

Agua ou liquido Ar

Válvula de admissão

Gases chegando do carburador

Admissão dos gases (o pistão baixa)

Escapamento dos gases queimados (o pistão sobe) Válvula de escape

Compressão (o pistão sobe)

Explosão e expansão (o pistão baixa)

Fig I.3 – Motor a quatro tempos. Principio de funcionamento

• Disposiçao dos cilindros ou arquitectura

As mais normais:

�.- Motor em linha �.- Motor em V �.- Motor “plano”, com cilindros opuestos horizontais.

Observamos que a numeraçao dos cilindros é feita a partir do volante de inercia, como se mostra na figura

Observamos tambem algumas contruçoes particulares realizadas no pasado para usos

especiais: Em aeronautica: �.- Motor invertido (com uma o varias filas de cilindros) �.- Motor em estrela ou radial (com um numero impar de cilindros, normalmente 7 ou 9, para uma repatiçao uniforme das igniçoes sobre duas voltas para motores a 4 tempos) assim como:

�.- Motores em W �.- Motores em X �.- Mtores em H, disposiçoes que permitem reducir o espaço ocupado pelo motor. Uma disposiçao particular dos cilindros que permite combinar as vantagens dum motor em V (menor comprimento) e dum motor em linha (cabeçote unico, pouca largura) foi adotada sobre os motores tipo VR (Volkswagen) usando um angulo reducido (15 º) e um “embrevement” da parte inferior dos cilindros.

Fig. I.8 – Disposiçoes particulares de cilindros • Cinematica do pistao

�.- Motor alternativo, com cinematica classica com biela e manivela. �.- Motor de pistao “rotativo” (o mais ocnhecido e o unico desenvolvido industrialmente: motor Wankel, cuja arquitetura e principio de funcinoamento sao lembrados nas figuras I.16 e I.17). Temos que distinguir o motor Wankel dos motores puramente rotativos, construidos nas primeiras aplicaçoes aeronauticas e cuja concepçao, analoga a aquela dos motores alterativos, se diferencia destos pelo fato de que o virabrequim fica fixo e o resto gira em torno a ele movimentando a helice. • Relaçao emtre curso (L) e diametro (D)

�.- Motor cuadrado: L ≈ D �.- Motor supercuadrado: L < D �.- Motor a longo curso: L >> D. • Disposiçao e geometria de alguns organos do motor:

�.- Valvulas: Laterais, em cabeza.....motor multivalvulas (3, 4, 5 valvulas por cilindro) �.- Arvol de comando: Latera, em cabeza. �.- Forma da camara de combustao.

Fig I.16 – Arquitetura dum motor birotor com pistões rotativos (Por cada giro completo de pistão, o arvore de saída efetua três voltas)

I.4. Velocidade media do pistão – Motores Diesel lentos, semi-rapidos e rápidos.

A velocidade media do pistão Vp, expressada em m/s, representa o espaço percurso pelo pistão na unidade de tempo. E dado por:

2 LN .

Vp = ..10

−3 LN

.10−3

=

60 30

Com:

L: Curso do pistão (mm) N: Velocidade de rotação (rpm)

O valor máximo de Vp é limitado pelas restrições aceitáveis devido as forças de inércia assim como pela

manutenção dum bom enchimento dos cilindros.

O valor de Vp no regime nominal permite classificar os motores Diesel em:

• Motores rápidos:

-Motores Diesel de tração automóvel: Vp = 12 -14 m/2 O que corresponde a regimes máximos de: N= 4000 – 5000 rpm

A titulo indicativo, para motores de gasolina de potencia similar, Vp = 14 ~ 18 m/s com N = 5000 – 6000 rpm

-Motores de tração pesos pesados ou de maquinas de trabalhos públicos: Vp = 10 -12 m/s O que corresponde a N = 1500 – 2500 rpm ou N = 600 ~ 1500 rpm sobre os grandes Diesels;

• Motores semi-rapidos (“Medium speed engines”)

Vp = 7 -9 m/s

Com: N < 100 rpm, mais normalmente: N ~ 200 – 600 rpm

• Motores lentos (“Low speed engines”)

Essencialmente motores a crosse, para os quais:

Vp = 6 – 8 m/s Com: N < 250 rpm, com: N ~ 70 – 120 rpm

Observemos o caso muito particular dos motores a gasolina de competição, para os quais: N > 10000 rpm

e Vp maior de 20 m/s A figura I.18 resume, com as dimensões características correspondentes, as prestações medias de diferentes tipos de motores Diesel

Em términos de relação (massa/potencia), podemos dar a titulo de comparação:

. • Motor gasolina ≈ 1,2 – 2,0 kg/kW

. • Motor de avião ≈ 0,5 kg/kW

. • Turbinas de gás de avião ≈ 0,25 kg/kW E

. • Motor elétrico assíncrono propulsor dos TGV-NG : ~ 1 kg/kW (para uma potencia por motor de 1000 kW)