6. MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
Os motores de combustão interna são máquinas capazes de transformar a energia calorífica do combustível em energia possível de ser utilizada diretamente. São chamados de combustão interna porque o combustível (ex: diesel, gasolina ou álcool) é queimado internamente. Essa queima ocorre dentro de uma câmara de combustão liberando calor, água, monóxido e dióxido de carbono. 2 ) (ar Calor Água CO CO Oxigênio l Combustíve Histórico:
1862: ALPHONS BEAU DE ROCHAS, idealizou o 1º motor a explosão. 1872: NICHOLAS OTTO, construiu o 1º motor a explosão.
1893: RUDOLF DIESEL, idealizou, projetou e construiu o 1º motor a diesel, chamado de motor a combustão ou compressão (na época o combustível utilizado foi óleo de amendoim)
6.1. Classificação dos motores de combustão interna (MCI) a) Quanto ao combustível:
Diesel combustão, compressão (ciclo diesel). Gasolina
Álcool
Querosene Explosão (ciclo otto) Gás Natural
GLP
b) Quanto ao ciclo de funcionamento: 2 tempos
4 tempos Conceitos:
Tempo: É o giro de 180º do eixo virabrequim do motor (1/2 volta). 2 tempos: 1 volta do EVB. Este motor executa as 4 fases em 360º. 4 tempos: 2 voltas do EVB. Este motor executa as 4 fases em 720º.
6.1.1. Motores de quatro tempos
Um ciclo de trabalho estende-se por duas rotações da árvore de manivelas, ou seja, quatro cursos do pistão.
No primeiro tempo, com o pistão em movimento descendente, dá-se a admissão, que se verifica, na maioria dos casos, por aspiração automática da mistura ar-combustível (nos motores Otto), ou apenas ar (motor Diesel). Na maioria dos motores Diesel modernos, uma ventoinha empurra a carga de ar para o cilindro (turbocompressão).
No segundo tempo, ocorre a compressão, com o pistão em movimento ascendente. Pouco antes de o pistão completar o curso, ocorre a ignição por meio de dispositivo adequado (no motor Otto), ou a auto-ignição (no motor Diesel).
No terceiro tempo, com o pistão em movimento descendente, temos a ignição, com a expansão dos gases e transferência de energia ao pistão (tempo motor).
No quarto tempo, o pistão em movimento ascendente, empurra os gases de escape para a atmosfera.
Fases do motor: Admissão; Compressão; Expansão; e Escape.
6.1.2. Motores de dois tempos
O ciclo motor abrange apenas uma rotação da árvore de manivelas, ou seja, dois cursos do pistão. A admissão e a expansão ocorrem ao mesmo tempo, assim como o escape e a compressão.
A mistura explode e empurra o êmbolo para baixo, uma nova mistura combustível-ar entra no cárter pela janela de admissão. O êmbolo empurra a mistura nova para a janela de transferência e começa a abrir a janela de escape.
A janela de transferência é aberta, passando a mistura para a parte superior do cilindro o que ajuda a expulsar os gases. O êmbolo sobe, fechando a janela de escape e comprimindo a mistura. Um pouco antes de atingir sua posição mais alta, ocorre a ignição. O calor gerado faz com que ocorra a expansão dos gases e transferência de energia ao pistão.
Expansão / Admissão Escape / Compressão
Outras definições:
Ciclo: Série de transformações termodinâmicas que ocorrem dentro do cilindro.
Curso: É o deslocamento do motor dentro do cilindro do ponto morto superior (PMS) ao ponto morto inferior (PMI) e vice-versa.
OBS: O calor gerado com a queima do combustível é convertido em energia mecânica por meio de um mecanismo constituído de êmbolo, biela e árvore de manivelas (eixo virabrequim). O movimento alternativo (vai e vem) do êmbolo ou pistão dentro do cilindro é transformado em movimento rotativo com a biela e a manivela. Os tratores possuem motores de um ou mais cilindros. O embolo é montado sobre a biela, que é ligada a arvore de manivelas (a.d.m.).
Pino do pistão (êmbolo)
6.2. Orgãos do motor Órgãos principais;
Órgãos complementares (sistemas, ...); e Órgãos acessórios.
6.2.1. Órgãos Principais:
a) Tampão ou cabeçote: Parte superior do motor. Local onde estão as válvulas, passagens de ar, água, óleo e câmara de combustão.
b) Bloco: Parte central do motor. Local onde estão os cilindros, os pistões e o EVB.
c) Cárter: Parte inferior do motor. Nos motores de 4 tempos é depósito do óleo lubrificante.
d) Cilindro: Serve de guia do pistão que se desloca dentro dele.
Bloco, junta e cabeçote
Pistão, anéis e biela
e) Pistão e anéis:
Pistão: Trabalham num movimento retilíneo dentro do cilindro, admitindo ar (ciclo diesel) ou ar mais combustível (ciclo otto) e fazendo a descarga dos gases.
f) Biela: Elemento de transmissão por contato indireto rígido que liga o pistão ao EVB. Juntamente com o EVB, a biela transforma o movimento retilíneo do pistão em movimento circular.
g) Eixo Virabrequim (EVB): Responsável pelo movimento rotativo do motor que chega às rodas de tração e a tomada de potência.
h) Válvulas: de admissão (de ar ou ar mais combustível) de descarga (de gases), escape
i) Eixo comando de válvulas: Eixo ligado ao eixo virabrequim por uma correia dentada (relação 2:1 – EVB : ECV). Comanda todo movimento relativo das válvulas.
j) Volante do motor: Regula a variação da velocidade do motor. É contra o volante do motor que o disco de embreagem faz pressão que, através das suas superfícies anti-deslizantes (que aumentam o atrito) permitem ou desligam a transferência da energia mecânica (rotação) para a caixa de velocidades.
6.2.2. Órgãos complementares
a) Sistema de alimentação: É todo o caminho percorrido pelo combustível do tanque até o motor.
a.1) Motor a explosão (ciclo otto): Tanque, filtro, bomba alimentadora, injeção eletrônica ou carburador, tubulações e purificação de ar (filtro).
a.2) Motor a compressão (combustão ou ciclo diesel): Tanque, copo de sedimentação, bomba alimentadora, filtro(s), bomba injetora, tubulação de alta pressão, bico injetores e tubulação de retorno.
b) Sistema de lubrificação: Cárter (motores de quatro tempos), bomba, filtro e tubulações.
c) Sistema de arrefecimento (ou refrigeração): Radiador, bomba, tubulações, camisa do cilindro, ventilador, termostato e válvula termostática. OBS: b e c: < atrito, < aquecimento, < ruído.
d) Sistema elétrico (ignição):
d.1) Motor a explosão (ciclo otto): Bateria, amperímetro, chave, bobina, ignição eletrônica, distribuidor, cabos e velas.
d.2) Motor a combustão (ciclo diesel): Apresenta somente os componentes abaixo:
Bateria, motor de arranque (partida), gerador (dínamo ou alternador), regulador de voltagem e aparelhos e aparelhos consumidores (esses componentes também fazem parte do sistema elétrico do ciclo otto).
6.2.3. Órgãos acessórios
Abaixo estão alguns exemplos de órgãos acessórios para os motores de combustão interna.
a) Turbina; b) Intercooler; c) Catalizador; d) Silencioso.
6.3. Motores multicilíndricos
Motores multicilíndricos são aqueles que possuem dois ou mais cilindros com uma árvore de manivelas comum a todos os cilindros. Desta maneira ocorre um funcionamento mais uniforme do motor alternando os diversos movimentos de expansão do êmbolo.
Geralmente os tratores agrícolas usam motores diesel de quatro tempos, com quatro cilindros. Nesses motores, os êmbolos dos cilindros 1 e 4 se movem em um sentido e os 2 e 3 no sentido contrário. A seqüência mais comum de ocorrência do tempo de combustão é 1-3-4-2, mas raramente também pode ser 1-2-4-3. Na figura e no quadro a seguir é ilustrada a seqüência de ocorrência do tempo de combustão 1-3-4-2.
Posição do
EVB Cilindro 1 Cilindro 2 Cilindro 3 Cilindro 4 1a meia
volta COMBUSTÃO Escape Compressão Admissão 2a meia
volta Escape Admissão COMBUSTÃO Compressão 3a meia
volta Admissão Compressão Escape COMBUSTÃO 4a meia
volta Compressão COMBUSTÃO Admissão Escape
Por este quadro, pode-se observar que ocorrem duas combustões a cada volta.
6.4. Cilindrada, taxa de compressão e potência 6.4.1. Cilindrada
Cilindrada de um motor é a soma das cilindradas de cada cilindro. Cilindrada de um cilindro é o volume ou espaço ocupado quando o pistão se desloca do PMS ao PMI. É geralmente expresso em centímetros cúbicos (cc) ou em litros (l). Ex: um motor de 2,0 litros = 2.000 cc.
Quando o pistão chega ao PMS, ainda sobra um pequeno espaço que é ocupado pelo ar. Esse espaço pode ficar na cabeça do pistão, acima dele ou em uma pequena câmara ao lado do cilindro.
6.4.2. Taxa de compressão
É a relação entre a cilindrada e o volume ocupado pelo ar quando o pistão chega no PMS. Ela pode ser indicada com uma relação 16:1, por exemplo. Nos motores do ciclo Otto essa taxa varia de 6:1 a 12:1, enquanto que nos motores do ciclo diesel ela pode variar de 16:1 a 20:1.
6.4.3. Potência
A potência é o trabalho realizado em uma unidade de tempo. Ela pode ser medida em Cavalos-Vapor (cv), Horse-Power (HP) ou em kilowatt (kW). Por definição, 1 HP é a potência necessária para elevar a altura de um pé, em um segundo, uma carga de 550 libras e 1 CV é a potência necessária para elevar a altura de um metro, em um segundo, uma carga de 75 quilogramas. A potência varia muito com a velocidade do motor, e quanto maior a rotação por minuto que o motor pode alcançar, maior será a potência que poderá fornecer.
Conversão de Unidades de Potência 1 kW = 1,341022 HP
1HP = 0,7456999 kW 1 HP = 1,0139 CV 1 CV = 0,9863 HP
6.4.4. Exercícios
Transforme para CV as seguintes potências:
1 HP; 1,7 kW; 13 HP; 95 kW.
Transforme para HP as seguintes potências:
1 cv; 3,7 kW; 180 cv; 315 kW.
6.5. Sistemas de arrefecimento dos motores
A medida que os metais se aquecem, sua resistência mecânica diminui e quando a temperatura fica muito alta, os metais começam a ficar pastosos, e tendem-se a colarem uns nos outros (fundição). A combustão nos motores produz temperaturas máximas compreendidas entre 1.700 e 2.500º C.
Para evitar o superaquecimento dos motores, existem os sistemas de arrefecimento ou de refrigeração. O sistema de refrigeração é projetado para manter a temperatura das diversas partes do motor dentro dos limites permissíveis. Basicamente a refrigeração consiste em transmitir certa quantidade de calor resultante da combustão ao fluído refrigerante, que em geral é a água ou o ar.
Temperaturas Máximas Admissíveis
Partes do Motor Temperatura ºC
Paredes do cilindro 150 – 200
Êmbolo 300
Paredes câmara de combustão 250
Válvulas de escape 700 a 750
Basicamente existem dois tipos de sistemas de arrefecimento, são eles: a) Sistemas de refrigeração com ar e água
b) Sistemas de refrigeração com ar
Nos tratores, geralmente é usado o sistema de refrigeração com ar e água.
6.5.1. Sistemas de refrigeração com ar e água
Neste sistema, a água circula em volta do cilindro, retirando calor do motor e posteriormente se comunica com um trocador de calor denominado radiador. Os sistemas de arrefecimento são montados para que a temperatura fique em torno de 87 a 105ºC.
A circulação da água dentro dos motores pode ser feita de duas maneiras: por termossifão ou por circulação forçada. Nos tratores agrícolas são mais usados os sistemas de circulação forçada.
Funcionamento: O líquido de arrefecimento circula sob pressão por todas as partes internas das galerias de água do motor. A bomba d’água é responsável pela circulação da água por todo este circuito. Normalmente a bomba é do tipo rotativo, que geralmente é acionada pelo motor através da correia. O líquido de arrefecimento em seu percurso passa por diversos canais dentro do bloco motor, cabeçote, mangueiras efetuando assim a troca de calor. Porém enquanto a temperatura desse motor for baixa (motor frio), este circuito de circulação permanecerá fechado até que o motor atinja a temperatura ideal de funcionamento, e a partir deste instante a válvula termostática iniciará o processo de troca do líquido de arrefecimento.
1- Radiador; 2- Bomba d’água; 3- Galeria de refrigeração; 4- Ventoinha; 5- Válvula termostática; 6- Termômetro.
6.6. Sistemas de lubrificação dos motores
Corpos metálicos ao se deslizarem um sobre o outro, se aquecem e tendem a soldar-se (“gripamento”). A lubrificação do motor tem como principal objetivo impedir o “gripamento”, diminuir o trabalho perdido por atrito e reduzir o desgaste das partes móveis. O objetivo principal é conseguido, interpondo-se uma película de lubrificante entre as superfícies deslizantes.
CORPO 1
CORPO 2
CORPO 1
CORPO 2 Fluido
6.6.1. Lubrificação renovável
É o tipo de lubrificação usada nos motores de dois tempos do ciclo Otto. O lubrificante é adicionado ao combustível em proporções convenientes.
6.6.2. Lubrificação por depósito
Neste sistema, o óleo lubrificante é depositado na parte inferior do motor denominada Carter. Esse tipo de lubrificação pode ser feito por respingo (salpique) ou por circulação forçada.
A lubrificação por respingo é feita com uso de um “pescador” na parte inferior da biela. Por ser muito deficiente, esse sistema atualmente não é muito usado.
O sistema de lubrificação por circulação forçada constituí-se basicamente dos seguintes componentes: pescador de óleo, bomba de óleo, válvula reguladora de pressão, filtro de óleo e galerias do sistema de lubrificação. 1- Bomba injetora; 2- Pistão; 3- Válvula; 4- Balancim; 5- Haste do tucho; 6- Tucho; 7- Turbo alimentador; 8- Árvore de manivelas; 9- Eixo de comando de válvulas; 10- Resfriador de óleo; 11- Filtro óleo; 12- Bomba de óleo; 13- Tubo de sucção (pescador); 14- Carter; 15- 16- 17- Válvulas
Diagrama de funcionamento do sistema de lubrificação do motores de quatro tempos
O óleo contido no cárter do motor é aspirado pela bomba de óleo, através do pescador existente no cárter. Uma vez aspirado, a bomba envia o óleo, sob pressão, para o filtro de óleo. Uma vez filtrado, o óleo é enviado, através das galerias (canalículos), para os mancais das árvores de manivelas e comando, bem como para o comando, tuchos, varetas, balancins e engrenagens da distribuição. As bielas costumam ser furadas e o óleo é direcionado até o pino do êmbolo.
O tipo mais comum de filtro é o de papel impregnado de resina. Esse filtro não pode ser usado mais de uma vez, devendo ser substituído após um número predeterminado de horas de trabalho do motor.
6.7. Sistemas de alimentação dos motores diesel
O sistema de injeção tem como função, introduzir o combustível no cilindro, de maneira a promover uma combustão mais regular e eficaz possível.
Esquema geral de alimentação diesel
6.7.1. Alimentação por injeção de combustível
A alimentação dos motores diesel é realizada pelo sistema de injeção de combustível e realiza as seguintes operações:
Retirada do óleo diesel do tanque de combustível; Filtragem desse óleo;
Envio do óleo filtrado a bomba injetora;
Injeção do óleo na forma de jato finamente pulverizado no cilindro no momento e quantidade exata.
A bomba alimentadora é uma bomba que aspira o combustível do tanque e o envia sob pressão passando pelo(s) filtro(s) de combustível para dentro da câmara de aspiração de bomba injetora. A bomba alimentadora é acionada pelo eixo da bomba injetora. Como parte da bomba alimentadora, temos a bomba manual que servirá para bombear o óleo para o sistema sempre que após desmontagem da bomba injetora houver necessidade de preencher o sistema com óleo diesel e proceder sangria do mesmo.
Bomba alimentadora
6.7.2. Bomba Injetora
A injeção do combustível Diesel é controlada por uma bomba de pequenos pistões. Ela é a unidade responsável em dosar o óleo diesel na quantidade exata e enviá-o ao correspondente cilindro do motor no momento exato para seu bom funcionamento e desempenho.
Na maioria dos motores Diesel, utiliza-se uma bomba em linha dotada de um pistão para cada cilindro e acionada por uma árvore de cames que impulsiona o combustível quando o êmbolo do motor (pistão) atinge o ponto de
início de injeção, no final do tempo de compressão. Os cilindros são providos de tampa e válvula.
Há ainda aqueles que utilizam bombas rotativas, que distribuem o combustível para os cilindros num processo semelhante ao do distribuidor de corrente para as velas, utilizado nos motores de automóveis.
As bombas injetoras, rotativas ou em linha, para que funcionem, são instaladas no motor sincronizadas com os movimentos da árvore de manivelas. Ao processo de instalação da bomba injetora no motor dá-se o nome de calagem da bomba.
Bomba injetora em linha
Os cilindros da bomba injetora possuem uma janela para entrada do combustível. Com o embolo na posição inferior, o diesel é admitido no cilindro. Quando o embolo sobe, a janela de entrada de combustível é fechada e é iniciado o processo de compressão do combustível no cilindro. Quando é atingida a pressão de injeção, o combustível sai pela válvula da tampa da bomba e é encaminhado para a tubulação dos bicos injetores.
A quantidade de diesel injetado é controlada por uma ranhura vertical existente no embolo, conectada a outra de ranhura de forma helicoidal. A
injeção é iniciada quando o embolo sobe e fecha a janela de admissão e termina quando a parte helicoidal da ranhura passa pela janela de saída. Assim, a quantidade de diesel injetada é determinada pela distância do bordo superior do embolo e a linha helicoidal da ranhura do mesmo.
Sistema dosificador da bomba injetora de cilindros individuais
O pistão da bomba injetora tem dois movimentos: um alternativo, ou de vai e vem, e outro giratório. O giro do embolo determina a quantidade de combustível injetado. O giro do embolo é feito pelo mecanismo de cremalheira. O movimento de cremalheira (para trás e para frente) é acionado por um cabo ligado ao acelerador do trator.
6.7.3. Bicos injetores ou pulverizadores
O combustível fornecido pela bomba injetora sob alta pressão é levado pela tubulação de alta pressão para os bicos injetores. Os bicos possuem a função de injetar o combustível finamente pulverizado, na câmara de combustão.
Os bicos mais utilizados nos motores dos tratores agrícolas são os bicos fechados operados hidraulicamente. Nesses bicos, a injeção se inicia quando a pressão do combustível for suficiente para vencer a mola da agulha do injetor e
termina quando a pressão do combustível (não injetado) é desviado para a tubulação de retorno.
Conjunto do bico injetor
6.8. Sistema de alimentação de ar
A quantidade de ar admitida por um motor de combustão interna dos tratores agrícolas depende principalmente do regime, cilindrada e tipo de motor (atmosférico ou sobrealimentado).
A utilização dos equipamentos agrícolas aumenta significativamente a concentração de poeira no ar e conseqüentemente os riscos de deterioração do motor. Assim, é necessário cuidados com os sistemas de limpeza do ar.
O sistema de alimentação de ar dos motores atmosféricos (aspiração natural) é constituído por:
filtros de ar;
coletor de admissão.
6.8.1. Filtros de ar
Nos motores do ciclo Diesel os filtros de ar podem ser de cartucho (secos) ou em banho de óleo, sendo estes normalmente precedidos de um pré-filtro centrífugo.
Pré-filtro
Os pré-filtros permitem, por centrifugação, reter as poeiras de maior dimensão, que obstruiriam rapidamente os filtros principais; as poeiras depositam-se numa cuba, geralmente em vidro, donde são facilmente retiradas.
1 – Tampa 2 – Grampos 3 – Taça 4 – Poeiras 5 – Palhetas 6 – Entrada de ar 7 – Saída do ar
Os pré-filtros têm palhetas em torno do tubo de aspiração, que conferem ao ar uma trajetória circular, que faz com que seja centrifugado, o que permite a deposição das partículas de maior dimensão; a eficácia do pré-filtro depende da velocidade do ar, ou seja, do débito aspirado.
Filtros de ar em banho de óleo
Os filtros de ar em banho de óleo apresentam um tubo de aspiração, precedido por um pré-filtro, que conduz o ar para uma taça com óleo onde as impurezas se precipitam. Depois de liberto das poeiras de maior dimensão no pré-filtro, o ar é conduzido através de uma rede de filtração, colocada em torno do tubo de aspiração, que retém as partículas ainda existentes, e só depois chega ao coletor de admissão.
Vantagens:
Fácil manutenção;
Duração praticamente ilimitada (baixo custo).
Desvantagens:
Baixo nível de filtração;
Impossibilidade de serem utilizados em motores sobrealimentados, pois o óleo pode ser aspirado;
Ter que ser montado na vertical;
O trator não pode trabalhar em zonas inclinadas, pois o óleo pode ser aspirado e queimado sem controle.
1- Pré-filro 2- Entrada de ar 3- Saída do ar filtrado 4- Elementos filtrantes 5- Membranas filtrantes 6- Marca do nível de óleo
7- Tampa de óleo
Filtros de cartucho (seco)
Os filtros de cartucho são os tipos de filtros mais utilizados nos motores do ciclo Diesel, pois são eficazes mesmo em atmosferas carregadas de poeiras. Estes filtros são constituídos por uma caixa cilíndrica fabricada em chapa de aço e um elemento de filtro de papel constituído por duas armaduras metálicas perfuradas, no meio das quais se encontra o elemento filtrante. Nos topos existem duas chapas circulares, tendo uma delas um orifício circular para deixar passar o ar.
1- Junta 2- Armadura interior 3- Elemento de filtro de papel
4- Armadura exterior 5- Tampa
O papel filtrante, que é constituído por um conjunto de fibras de celulose com 4 - 10 µm de diâmetro. A filtração é assegurada pela densa malha formada pelas fibras do papel.
A entrada do ar nesses filtros é feita pela periferia do elemento filtrante, saindo por um tubo central.
A manutenção destes elementos é feita utilizando uma corrente de ar, de intensidade moderada e no sentido de dentro para fora, contrário ao sentido do deslocamento do ar aspirado. O número de operações de limpeza a que o elemento filtrante principal poderá receber varia de acordo com a recomendação do fabricante. Deve-se proceder a sua substituição quando já não for possível limpá-lo convenientemente da forma descrita. Alguns tratores são equipados com um sensor de indicação de restrição de ar que servem para indicar que algo está impedindo a passagem natural do ar pelo filtro. Na maioria das vezes essa restrição é devida ao acúmulo de impurezas no filtro e deverá ser feita a sua limpeza ou manutenção.
O elemento filtrante secundário é constituído de feltro ou também de papel, e não deve ser submetido a operações de limpeza. A sua manutenção é a troca do elemento.
Os filtros de ar do tipo seco podem estar equipados com um pré-filtro, que tem o mesmo objetivo dos anteriormente apresentados. Caso não exista um pré-filtro, a grade do capô pode fazer o papel de reter as impurezas de maior dimensão.
