Forças atuantes nos anéis

As forças atuantes nos anéis de pistão são dependentes da própria força elástica existente no anel, da pressão dos gases formados durante a combustão, da pressão hidrodinâmica do lubrificante e do atrito existente no contato.

O esquema da Figura 10 apresenta as principais forças atuantes nos anéis de pistão quando o motor está em funcionamento, onde Fat é a força de atrito no contato, FN é a força elástica do anel e P é a força devido a pressão dos gases de combustão.

Conforme apresentado na Figura 11, nos motores diesel a pressão de combustão é de aproximadamente 200 bar. As pressões máximas na câmara de combustão ocorrem no ciclo de explosão alguns graus após o PMS.

A partir do gráfico ilustrado na Figura 11, pode-se dizer que no PMS as pressões são de aproximadamente 60 a 80% da pressão de pico.

Figura 10 – Esquema das forças atuantes nos anéis de pistão. Fonte adaptada: OBERT, 2016.

Figura 11 – Distribuição da pressão da câmara de combustão ao longo do ciclo diesel. Fonte adaptada: OBERT, 2016.

Dependendo da resultante das forças atuantes na direção axial ou radial no anel do pistão, uma instabilidade conhecida como flutuação pode ocorrer durante o

funcionamento em altas rotações do motor. Devido a esta instabilidade, o anel perde sua capacidade de vedação dos gases e ocorre um repentino aumento nos valores de blow by e queda na potência desenvolvida pelo motor. Uma variável de grande importância neste fenômeno é a diferença da pressão de gases agindo acima e abaixo do anel, sendo que quanto menor for esta diferença mais suscetível à flutuação estará o anel (GARCIA, 2003).

Conforme mostrado na Figura 10, a força proveniente da pressão de combustão atua na face superior do anel e também na face oposta à face de trabalho do mesmo. De acordo com Obert et al. (2016), a força normal resultante é dependente das características do motor (pressão de combustão) e da geometria do anel (altura, perfil, etc.). Obert et al. (2016) sugerem como aproximação, em um motor diesel, para um anel de perfil simétrico e de altura de 1 mm, um módulo da força normal atuante de aproximadamente 100 N para pressões de pico próximas a 200 bar. Além disso, propõe uma força devido à ação elástica do anel de aproximadamente 1N, portanto, desprezível no instante de pressão máxima.

Na Figura 12, pode-se verificar a distribuição de carga de contato ao longo da parede do cilindro oriunda da pressão de contato total acumulada em um ciclo de trabalho do pistão compreendendo os quatros tempos do motor (GARCIA, 2003).

Figura 12 – Distribuição de carga de contato ao longo da parede do cilindro. Fonte: GARCIA, 2003.

2.1.1.2 Camisas

Camisa é um elemento estático que compõe a estrutura do bloco, proporcionando ao conjunto um sistema fechado para os gases de expansão e

promove a troca térmica do calor gerado na combustão com a água ou o ar que circulam ao redor desta (MAHLE, 2012).

Os principais objetivos das camisas são: i/ manter a câmara de combustão vedada; ii/ efetuar a troca térmica do calor gerado dentro da câmara de combustão com o meio refrigerante (água ou ar) e iii/ reaproveitamento do bloco do motor (MAHLE, 2012).

As camisas são submetidas a um processo de acabamento conhecido como brunimento, o qual tem por objetivo remover os riscos horizontais deixados após a usinagem interna, proporcionando ao cilindro uma textura final uniforme com ângulo de brunimento e parâmetros de rugosidade controlados (MAHLE, 2012).

O ângulo de brunimento é aquele formado pelo cruzamento dos sulcos durante o processo de usinagem. Este ângulo auxilia na rotação dos anéis e na retenção óleo lubrificante em toda a superfície interna da camisa. O ângulo de brunimento pode ser de três tipos: i/ uniforme; ii/ inclinado e iii/ pouco inclinado. Ângulos de brunimento uniforme apresentam sulcos com ângulo definido de profundidade e largura uniformes. Ângulos de brunimento inclinado apresentam sulcos formando ângulos abertos de profundidade e largura variadas. Por fim, ângulos de brunimento pouco inclinado apresentam sulcos formando ângulos fechados de pouca profundidade e largura.

(a) (b) (c) Figura 13 – Ângulos de brunimento para camisas:

(a) ângulo uniforme; (b) ângulo inclinado; (c) ângulo pouco inclinado. Fonte adaptado: MAHLE, 2012.

Para que o conjunto pistão, anéis e camisa tenham um bom funcionamento, além do acabamento, é necessário que a geometria da camisa seja adequada para a aplicação. Para tal, conforme apresentado na Figura 14 e na Figura 15, retilinidade e paralelismo, circularidade e cilindricidade são consideradas no processo de fabricação da camisa. Caso os anéis não consigam compensar os efeitos das

deformações na geometria, ocorrerá falta localizada de contato e consequentemente um aumento no blow by e elevado consumo de óleo lubrificante (GARCIA, 2003).

Figura 14 – Verificação de retilinidade/paralelismo e circularidade em camisas de motores de combustão interna.

Fonte adaptada: MAHLE, 2012.

Figura 15 - Verificação da cilindricidade em camisas de motores de combustão interna. Fonte: MAHLE, 2012.

Adicionalmente, as camisas podem ser do tipo molhada, seca ou aletada. Na camisa molhada a parede externa tem contato com a água do sistema de arrefecimento. Na camisa seca a parede externa não tem contato direto com a água.

A camisa aletada é normalmente utilizada em motores refrigerados a ar e contem aletas na parte externa.

2.1.2 Dinamômetros

Para o estudo experimental de motores de combustão interna, é necessário conhecer um conjunto de propriedades e características do motor ensaiado. Dentre as principais características, destaca-se o torque e a potência do motor.

Para mensurar o torque em uma dada rotação é necessário impor ao eixo um momento externo resistente de mesmo valor que o produzido pelo motor. Caso contrário, a rotação irá variar, aumentando ou diminuindo na medida em que o momento torçor resistente aplicado torna-se menor ou maior que o produzido pelo motor (BRUNETTI, 2012).

A obtenção do torque do motor para uma dada rotação, ou da curva de torque de um motor para a faixa de rotações, pode ser obtida com o uso de um freio popularmente denominado de freio dinanométrico ou simplesmente dinamômetro.

Existem vários tipos de dinamômetros, como, por exemplo: i/ o freio de Prony, onde este utiliza uma cinta de frenagem no volante do motor para obtenção do equilíbrio dinâmico e é utilizado somente para baixas potências, ii/ o dinamômetro hidráulico e iii/ o dinamômetro elétrico.

A escolha pelo tipo de dinamômetro ocorre através de critérios de aplicação, como por exemplo, área útil para instalação do dinamômetro, faixa de potência e torque aplicável ao dinamômetro, tipo de ensaio (permanente ou transiente), preço, etc.. No trabalho aqui desenvolvido, o freio de Prony foi utilizado.