Capítulo 1 Introdução
1.1 Definição e nomenclatura dos motores de combustão interna
Os motores distinguem-se essencialmente pelo modo segundo o qual a energia fornecida é transformada em energia mecânica. Com efeito, podem ser de tipo alternativo, isto é, com pistões dotados de movimento alternativo, ou ainda rotativos, quer dizer, com pistões rotativos (Wankel) ou turbinas, Giacosa (1986). O motor estudado neste trabalho é um motor alternativo. Nos motores alternativos de combustão interna o aumento da temperatura dos gases devido à combustão dá origem a um aumento de pressão no interior do cilindro, o que faz deslocar o pistão no sentido descendente, isto é, no sentido do ponto morto superior, PMS, para o ponto morto inferior, PMI. O ponto morto superior, PMS, é a posição mais próxima da cabeça do motor que o pistão atinge no seu movimento alternativo. O ponto morto inferior, PMI é a posição mais distante da cabeça do motor que o pistão atinge no seu movimento alternativo. A distância entre estes dois pontos tem a designação de curso, C. O cilindro que contém o pistão tem um diâmetro interno, D. O volume deslocado pelo pistão entre o PMS e o PMI recebe também a designação de cilindrada, Vd. O volume acima do PMS recebe a designação de volume da câmara de combustão, Vc, ou volume mínimo. O volume total, Vt, é o volume do cilindro acima do PMI ou volume máximo. O conjunto biela manivela transforma o movimento alternativo do pistão, devido à expansão dos gases sob pressão, em movimento rotativo. A figura 1 ilustra a geometria básica de um motor alternativo de combustão interna onde é possível observar o conjunto biela manivela e constatar a sua importância na transformação do movimento alternativo do pistão no movimento rotativo da cambota.
Figura 1 Geometria básica do conjunto biela manivela dos motores alternativos de combustão interna. Adaptado a partir de Heywood (1992)
Importa desde já definir alguns parâmetros geométricos, tais como, a cilindrada ou volume deslocado Vd, a relação entre o diâmetro e o curso RDC, a relação entre o comprimento da biela e o raio da cambota Rla, a velocidade média do pistão ̅ , a posição do pistão sp e por último a relação volumétrica de compressão rv.
O volume deslocado, Vd define-se como o volume varrido ou deslocado pelo pistão entre o PMS e o PMI, equação 1.1.
=
−
(1.1)O volume deslocado de um motor também pode ser calculado a partir do diâmetro interior do cilindro D, do curso C percorrido pelo pistão entre o PMI e o PMS e do número de cilindros i, tal como se mostra na equação 1.2.
=
4
(1.2)Por sua vez a relação entre o curso e o raio da cambota é dado pela equação 1.3.
= 2
(1.3)A relação entre o diâmetro e o curso RDC, equação 1.4, é um excelente parâmetro para avaliar o projeto do motor. Geralmente apresenta valores compreendidos entre de 0,8 e 1,2, e permite uma melhor visão de alguns parâmetros, tais como as perdas por atrito, o rendimento térmico e a velocidade do pistão. No caso do motor a estudar, que se apresenta no capítulo 2, apresenta de origem 1,4 e a conversão para pistões opostos dá origem a uma relação de 0,7.
=
(1.4)A relação, Rla, entre o comprimento da biela, lb, e o raio da cambota, a, equação 1.5, é um parâmetro geométrico a ter em conta, com valores a variar entre 3 e 5, para os motores pequenos e médios e a variar entre 5 a 10 para os motores maiores. O motor em estudo apresenta uma relação entre o comprimento da biela e o raio da cambota de 3,6.
=
(1.5)A velocidade do pistão é também um fator a ponderar, considerando que o pistão acelera e desacelera em cada curso, o material do pistão e da biela são sujeitos a esforços extremamente elevados. Por isso, é comum impor um limite de segurança na velocidade do pistão, variando entre 5 e 15 m/s. O motor a estudar apresenta uma velocidade média de 5,5 m/s quando o motor gira a 3600 rpm, uma velocidade de rotação próxima do regime máximo do motor. Além disso, o fluxo de gás dentro do cilindro sofre com o aumento da velocidade do pistão; quanto maior a velocidade, menor é o tempo de abertura das válvulas de admissão e de escape e, por isso a massa de ar ou de mistura admitida por ciclo pode diminuir. Isso pode conduzir a uma
incapacidade do motor para introduzir as quantidades necessárias de ar num tempo tão curto, Gonçalves (2014). A velocidade média do pistão
̅ ,
pode ser calculada pela equação 1.6, considerando o curso e uma dada velocidade de rotação n, em rotações por minuto, rpm.̅ = 2
60
(1.6)Com propósitos analíticos é útil calcular a posição do pistão, sp, em função de um dado ângulo da cambota , do comprimento da biela e do raio da cambota.
=
+ ( −
)
(1.7)A velocidade instantânea do pistão é dada pela equação 1.8, Martins (2005). = = ̅
2 1 + − (1.8)
Nos motores de pistões opostos o volume do cilindro, Vi, para qualquer ângulo da cambota é dado pela equação 1.9, adaptada a partir de Heywood (1988)
= + 2
4 ( + − ) (1.9)
A equação 1.9 pode ser adimensionalizada dando origem à equação 1.10, dividindo todos os termos por Vc, o volume da câmara de combustão.
= 1 + ( − 1) + 1 − − (1.10)
onde rv é a relação volumétrica de compressão que se define como a relação entre o volume total do cilindro acima do PMI, Vt e o volume da câmara de combustão, Vc, acima do PMS tal como se mostra na expressão 1.11.
=
=
+
= 1 +
(1.11)Por vezes esta relação volumétrica de compressão também é referida como, c, relação de compressão, Giacosa (1986), ou como, c, taxa de compressão, Martins (2005). No caso dos motores a gasolina de ignição por faísca a relação volumétrica de compressão situa-se entre 8 e 12, para motores sobrealimentados e motores mais antigos este valor pode diminuir ligeiramente. Valores entre 6 e 8 são aceitáveis. Para os motores de ignição por compressão apresentam valores que variam geralmente entre 12 e 24. Para pequenos motores com injeção direta e sobrealimentação esta relação tem descido até valores de 16 a 17.
A figura 2 mostra o corte transversal do esquema de um motor alternativo de combustão interna (MACI). Sobre esta representação esquemática é possível identificar os principais componentes de um motor tais como o bloco do motor, o cárter e a cabeça. Estes três componentes contêm
todas as partes móveis e fixas do motor tais como os cilindros, pistões, conjunto biela manivela, sistema de distribuição, lubrificação, etc…
Os MACI com uma configuração semelhante à que aqui se apresenta serão referidos nesta tese como motores convencionais.
Figura 2 Nomenclatura básica dos motores alternativos de combustão interna. Adaptado a partir de Giacosa (1986))