Motores de combustão
interna
Histórico Introdução Vantagens e Desvantagens Classificação Comparação Ciclo Otto e Diesel
Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos
Principais Componentes dos MCI. Dimensionamento Combustíveis e comburentes
Sistema de Distribuição
Sistema de Alimentação ou Injeção Sistema de Resfriamento
Sistema de Lubrificação Potência e rendimento
HISTORICO DOS MOTORES
• 1824: SadiCARNOT escreve “Reflexões sobre a potência motriz do fogo”; • 1860: LENOIR escreve na Bélgica: “O motor sem compressão”;
• 1862: França. Alphonse BEAU duROCHAS define teoricamente o ciclo do motor a 4 tempos;
• 1876: Nicolas OTTO constrói o primeiro motor a combustão, seguindo a teoria de BEAU duROCHAS;
• Taxa de compressão: 2,5:1 e rendimento de 15%. • 1884: Primeiro automóvel em 12/12/1884 na França
HISTORICO DOS MOTORES
• 1894: Primeira corrida de automóvel entre as cidades de Paris e Rouen; • 1897: Surge o primeiro motor DIESEL, construído por...Rudolf DIESEL, em
Augsburgna Alemanha.20cv a 172 rpm, η~26% • 1898: Primeiro salão do automóvel, Paris.
• 1904: Primeiro navio a Diesel;
• 1909: Motor diesel injeção Indireta pronto para entrar em produção; • 1912: Primeira locomotiva a Diesel;
• 1936: Primeiro veículo de passeio Diesel, Mercedes 260D; • 1954: Surge o motor rotativo (Wankel);
• 1989: Primeiro veículo de passeio Diesel a injeção direta (Audi); • 1997: Primeiro veículo de passeio com injeção direta a gasolina
HISTORICO DOS MOTORES
• E antes deles, em
1712, o inglês
Thomas
Newcomen,
desenvolveu o
primeiro motor a
vapor...com
sucesso...mas ainda
era a combustão
externa
HISTORICO DOS MOTORES
• E antes dele, em 1673, o físico alemão Christian Huygens, a mando do rei Louis XIV, da França,
desenvolveu o primeiro motor a combustão
interna. A pólvora, mas a combustão interna. • Objetivo do motor: bombear mais de 3000 m3 de água para abastecer as fontes do palácio de Versailles.
Desde então, a produção de
veículos aumenta a cada
Previsão para o mercado
americano
INTRODUÇÃO
• Os motores de combustão podem ser classificados
como de:
COMBUSTÃO EXTERNA, no qual o fluido de trabalho
está completamente separado da mistura
ar/combustível, sendo o calor dos produtos da
combustão transferido através das paredes de um
reservatório ou caldeira, ou de
COMBUSTÃO INTERNA, no qual o fluido de trabalho
consiste nos produtos da combustão da mistura de
ar/combustível.
INTRODUÇÃO
• No caso dos motores a combustão interna podemos
distinguir ainda:
Motores alternativos do tipo a “ignição por centelha” e
motores a ignição por compressão ou “Diesel”.
Motores axiais: No caso das turbinas de avião e a gás.
• Nestes últimos, as diferentes evoluções do fluido
motor acontecem em espaços sucessivos e justapostos.
Ao contrário dos motores alternativos onde as
transformações acontecem todas no mesmo espaço, a
câmara de combustão.
Vantagens e Desvantagens
A principal vantagem dos motores de combustão interna sobre as instalações de potência de outros tipos, consiste na ausência de trocadores de calor, tais como a caldeira e condensador de uma instalação a vapor.
Maior eficiência máxima;
Menor razão de peso e volume da instalação para a potência máxima (exceto, possivelmente, no caso de unidades maiores do que 7353 kW ou 10.000 c.v.);
Maior simplicidade mecânica;
O sistema de refrigeração de um motor de combustão interna transfere uma quantidade de calor muito menor que o
condensador de uma instalação a vapor de igual potência e, normalmente. O menor tamanho do trocador de calor é uma vantagem nos veículos de transporte e em outras aplicações, nas quais o resfriamento deve ser feito por meio de ar atmosférico.
Classificação
• Os MCI podem ser classificados em:
a) Quanto a propriedade do gás na admissão: ar (Diesel) e mistura ar-combustível (Otto); b) Quanto à ignição: por centelha (ICE) [spark ignition (SI)] e por compressão (ICO) [compression
ignition (CI)];
c) Quanto ao movimento do pistão: Alternativo (Otto, Diesel) e Rotativo (Wankel, Quasiturbine); d) Quanto ao ciclo de trabalho: 2 tempos e 4 tempos;
e) Quanto ao número de cilindros: monocilíndricos e policilíndricos;
Classificação
g) Quanto à utilização: estacionários, industriais, veiculares e marítimos.
Pode-se classificar os motores de combustão interna segundo os vários sistemas que os compõem, por exemplo:
( i ) ADMISSÃO DE COMBUSTÍVEL: motores com carburação (Otto) e com injeção (Diesel, Otto);
( ii ) REFRIGERAÇÃO: ar (natural ou forçada) e água (termo-sifão, forçada);
( iii ) IGNIÇÃO: magneto e bateria;
( iv ) DISPOSIÇÃO DAS VÁLVULAS: em I, L, T, F; e
( v ) DISPOSIÇÃO DO COMANDO DE VÁLVULAS: no bloco e no cabeçote (OHC, DOHC).
Comparação Ciclo Otto e
Diesel
• A tabela abaixo mostra as principais diferenças
entre os Ciclo Otto e Ciclo Diesel:
Ciclo Otto
• 1 - 2 (compressão) - adiabática reversível, por tanto,
isentrópica;
• 2 - 3 - a volume constante (combustão);
• 3 - 4 (expansão) - adiabática, reversível, portanto,
isentrópica; e
• 4 - 1 - a volume constante (exaustão).
• Na modelagem mais simples, o ciclo fica reduzido ao
diagrama da figura inferior.
• A eficiência do ciclo Otto é obtida substituindo na
expressão da eficiência, as relações entre as
Ciclo Otto
• O pistão começa no estado 1 no PMI e comprime o ar
até que ele atinja o PMS no estado 2;
• Ocorre então a combustão instantânea, em razão da
ignição provocada por uma faísca elétrica (centelha)
resultando em um aumento súbito de pressão para o
estado 3, enquanto que o volume permanece
constante;
• O processo prossegue através do curso de ação do
pistão, enquanto o ar expande para o estado 4;
No final do processo uma transmissão de calor súbita
para a vizinhança completa o ciclo.
Ciclo Diesel
• Características do Ciclo Diesel:
• 1 - 2 : compressão - adiabática reversível, por
tanto, isentrópica.
• 2 - 3 : a pressão constante (combustão)
• 3 - 4 : expansão - adiabática, reversível, por
tanto, isentrópica
Ciclo Diesel
• No ciclo Diesel a ignição do combustível
acontece normalmente pela própria
Ciclo Diesel
Se fosse possível que um motor que trabalhe no Ciclo Otto operasse em altíssimas pressões, teríamos uma eficiência mais alta que com o ciclo Diesel. A verdade é que os motores ciclo Otto funcionam com relações de pressão menores, e então, em termos gerais, a eficiência que se obtém com eles é menor que a obtida com o ciclo Diesel.
Uma outra vantagem dos ciclos Diesel é que podem funcionar com combustíveis menos nobres, óleos mais pesados, no caso.
Se a razão de compressão for suficientemente grande, a temperatura do ar no cilindro quando o pistão aproxima-se do PMS excederá a
temperatura de ignição espontânea do combustível. Isto ocorrerá se a razão de compressão for cerca de 14 vezes maior. Nenhuma ignição por faísca elétrica será necessária. A combustão ocorrerá por causa da
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
• CICLO A QUATRO TEMPOS
1° TEMPO (ADMISSÃO): acionado pela biela e
pelo virabrequim, o pistão afasta-se do cabeçote
e cria uma depressão provocando a aspiração de
uma certa quantidade de mistura A/C. Esta
mistura A/C penetra no cilindro graças à válvula
de admissão que durante todo o curso do pistão
se mantém aberta.
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
• 2° TEMPO (COMPRESSÃO): partindo do PMI o
pistão sobe até o PMS. Ao iniciar este
movimento, a válvula de admissão se fecha e os
gases no cilindro sofrem então uma forte
compressão. No final do 2° TEMPO, o
virabrequim efetuou uma rotação completa; o
pistão encontra se novamente no PMS. As
válvulas são hermeticamente fechadas e os gases
ficam comprimidos num determinado espaço a
que se chama câmara de compressão ou câmara
de explosão.
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
• 3° TEMPO (EXPLOSÃO): a queima da mistura A/C
na câmara de compressão efetua-se no final do 2°
TEMPO, alguns instantes antes do pistão ter
atingido o PMS. A queima total da massa de gás
provoca uma considerável elevação da
temperatura, o que originará um grande
aumento de pressão. Esta pressão irá comprimir
consideravelmente o pistão do PMS ao PMI,
transmitindo deste modo ao virabrequim uma
força motriz favorável à rotação. É o que se
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
• 4° TEMPO (DESCARGA): poucos instantes
antes do pistão atingir o PMI no final do 3°
TEMPO, a válvula de descarga começa a abrir
e os resíduos de combustão escapam para o
exterior do motor. A expulsão completa
realiza-se durante todo o espaço de tempo em
que o pistão faz o seu retorno ao PMS. Neste
momento a válvula de descarga fecha-se e a
admissão abre para logo a seguir iniciar-se um
novo ciclo.
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
• Particularidades do ciclo a quatro tempos:
• Exige duas rotações do virabrequim (720°) e
só fornece uma força motriz ao 3° TEMPO;
• Há necessidade de acionar o motor por meio
de uma força exterior;
• O 1°, 2°, e 3° TEMPOS absorvem energia
mecânica, o que obriga o emprego de um
volante ligado ao virabrequim.
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
• CICLO A DOIS TEMPOS
• O ciclo a 2 tempos inicia no PMI. Necessita de
uma rotação do virabrequim e permite obter uma
explosão cada vez que o pistão atinge o PMS. Os
gases são previamente comprimidos, quer no
cárter do motor, quer pelo pistão especial ou pelo
compressor. A entrada e a saída dos gases
efetuam-se por canais que desembocam nas
paredes do cilindro e são abertos pelo pistão no
seu PMI. Alguns tipos de motores são munidos de
válvulas de escape comandadas por cames.
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
• 1° TEMPO: quando o pistão está no PMI, os
canais são abertos e os gases queimados
escapam do cilindro enquanto os novos gases
entram no cilindro sob pressão pelo canal de
transvasamento. Estes novos gases são dirigidos
ao cabeçote a fim de evitar que se misturem com
os gases queimados e que saiam
prematuramente. Quando o pistão se desloca do
PMI ao PMS, fecha primeiro o canal de
transvasamento, depois o canal de desce
comprime a nova carga de gás.
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
• 2° TEMPO: no final da compressão, os gases são
inflamados e a alta pressão obtida comprime o
pistão para o ponto morto oposto; é o tempo
motor. Instantes antes de atingir o PMI, o pistão
abre primeiramente o canal de descarga e em
seguida o de transvasamento. Os gases
queimados escapam do cilindro enquanto que
uma nova carga de mistura penetra nele. Começa
um novo ciclo. O ciclo 2 tempos tem as seguintes
particularidades.
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
Ciclo de Potência: ciclo a 4
e 2 tempos
Motores Rotativos de
Deslocamento – Motor
Wankel
• São motores nos quais um membro rotativo é disposto de forma a variar o volume de trabalho de maneira análoga ao de um
compressor do tipo palheta, ou por meio de movimento excêntrico de um rotor em um volume cilíndrico.
• O problema mais difícil em tais motores é a selagem da câmara de combustão contra vazamento sem excessivo atrito e desgaste. Esse problema é bem mais difícil do que o de anéis de segmento
convencionais, devido às seguintes razões:
- “contato de linha” em lugar de contato de superfície;
- as superfícies a selar são descontínuas, com arestas vivas;
- a velocidade do selo é elevada durante parte do ciclo de alta pressão, em contraste com anéis de segmento, cuja velocidade é próxima de zero na máxima pressão do cilindro.
Motores Rotativos de
Deslocamento – Motor
Motores Rotativos de
Deslocamento – Motor
Wankel
• Embora se diga que o problema de selagem esteja
resolvido, não parece razoável aceitar que a solução
relativa ao problema da selagem seja tão satisfatória
quanto a do anel de segmento dos motores convencionais
• Em geral, o objetivo dos projetos de motores rotativos de
deslocamento foi de evitar (minimizar) vibração, redução
de tamanho, peso e redução de custo em comparação com
os tipos convencionais.
• A única vantagem básica desse tipo de motor está no fato
de ser alta a relação volume de deslocamento para volume
total do motor, obtendo-se assim, maiores potências.
Principais Componentes
dos MCI
• Os principais componentes dos MCI estão divididos da
seguinte forma:
Órgãos (peças) fixos:
Bloco do motor;
Cabeçote;
Cárter.
Órgãos móveis:
Pistão ou êmbolo;
Biela;
Arvore de manivelas;
Válvulas de admissão e Descarga; e
Arvore de comando de válvulas.
Órgão Fixo – Bloco do
Motor
• É o motor propriamente dito, onde são
usinados os cilindros. Na parte inferior do
bloco estão os alojamentos dos mancais
centrais, onde se apóia o eixo de manivelas
(virabrequim).
Órgão Fixo - Cabeçote
• Tampa do motor contra a qual o pistão comprime a
mistura, no caso do ciclo Otto, ou o ar, no caso do
Diesel. Possui furos roscados onde são instaladas as
velas de ignição ou os bicos injetores e onde estão
instaladas as válvulas de admissão e descarga escape
com suas respectivas redes.
Órgão Fixo - Cárter
• Parte inferior do bloco, cobrindo os componentes
inferiores do motor e onde está depositado o óleo
lubrificante.
• O cárter de um motor é em ferro fundido ou em
alumínio fundido. Forma a parte principal do bloco do
motor e contém o virabrequim, o eixo de cames (motor
de válvulas laterais) e a bomba de óleo.
• As extremidades do cárter têm frequentemente garras
destinadas a fixação do motor. As paredes extremas e
as divisórias internas suportam os mancais do
Órgãos Móveis – Pistão ou
Êmbolo
• É a parte móvel da câmara de combustão, recebe a
força de expansão dos gases queimados,
transmitido-a à biela, por intermédio de um pino de
aço (pino do pistão). É em geral fabricado em liga de
alumínio.
Órgãos Móveis – Biela e
Virabrequim
• Braço de ligação entre o pistão e o eixo de
manivelas que recebe o impulso do pistão,
transmitindo-o ao eixo de manivelas
(virabrequim).
• O conjunto biela-virabrequim transforma o
movimento retilíneo do pistão em movimento
rotativo do virabrequim.
• Virabrequim (Eixo de manivelas, Árvore de
manivelas): eixo motor, na maioria das vezes, é
instalado na parte inferior do bloco, recebendo
ainda as bielas que lhe imprimem movimento.
Órgãos Móveis – Eixo de
Comando de Válvulas
• Tem por função abrir as válvulas de admissão e
descarga, nos tempos de admissão e escapamento. É
acionado pelo eixo de manivelas, através de
engrenagem, corrente ou correia dentada. Possui
ressaltos que elevam o conjunto: tucho, haste,
Órgão Móveis - Válvulas
• Existem dois tipos: de admissão e de escape (descarga). A
primeira abre-se para permitir a entrada da mistura
combustível/ar (ou ar puro, conforme o caso) no interior do
cilindro. A segunda abre-se para permitir a saída aos gases
queimados.
Órgão Móveis – Outros
componentes
• Cilindros: são de ferro fundido, cuja fundição fácil
permite executar as mais variadas formas do bloco e
das câmaras de água. Geralmente as fundições de
bloco com cilindros inclusos (não camisas) contém
cromo, para aumentar a resistência dos cilindros ao
desgaste. Principais defeitos que surgem são desgaste
interno e ovalização.
• O grande desgaste dos cilindros leva a um consumo
exagerado de óleo e de combustível, a um depósito de
sujeira nas velas, a uma marcha ruidosa e a diminuição
da potência.
Dimensionamento
• O bloco de cilindros é frequentemente fundido numa
peça única com o cárter superior do motor. Devemos
ter uma montagem precisa dos elementos mecânicos
internos (virabrequim, bielas e pistões).
– Sendo assim algumas definições são pertinentes:
– Ponto Morto Superior (PMS);
– Ponto Morto Inferior (PMI).
– São nestas posições onde o êmbolo muda de sentido de
movimento estando no seu máximo (PMS) ou no seu
Dimensionamento -
Exemplo
• Tomando como exemplo o motor de um Ômega
GLS (GM). Do seu catálogo têm-se os seguintes
dados:
• Motor Dianteiro Longitudinal M.P.F.I.
• Número de Cilindros =04
• Diâmetro cilindro =86,0 mm
• Curso do pistão =86,0 mm
• Taxa de Compressão= 9,2:1
• Assim, substituindo em C = 1998,229 cm
3.
Combustíveis e
Comburentes
• Os motores de combustão interna podem ser operados com vários tipos diferentes de combustíveis, incluindo materiais líquidos,
gasosos e mesmo sólidos. O caráter do combustível usado pode ter considerável influência sobre o projeto, potência, eficiência,
consumo e, em muitos casos, confiabilidade e durabilidade do motor.
• Pode-se dizer que 99% dos motores de combustão interna utilizam combustíveis líquidos derivados do petróleo.
• Os produtos resultantes do refino do petróleo são classificados por sua utilização, peso específico e sua volatilidade, conforme
determinado pela destilação à pressão atmosférica ao nível do mar. Quais sejam: gás natural, gasolina, querosene, destilado
(semelhante a querosene), óleos diesel, óleos combustíveis (apropriados para queimadores contínuos), óleos lubrificantes.
Combustíveis e
Comburentes
• COMBUSTÍVEIS PARA MOTORES DE IGNIÇÃO POR
CENTELHA
• Quanto ao desempenho do motor de ignição por centelha,
as seguintes características do combustível são
importantes: volatilidade; características de detonação e
pré-ignição; calor de combustão por unidade de massa e
volume; calor latente de vaporização; estabilidade química,
neutralidade e limpeza; segurança.
• VOLATILIDADE: tendência de um líquido evaporar-se.
Grande importância nos motores carburados, devido a sua
influência na razão vaporar nos cilindros no instante da
Combustíveis e
Comburentes
• DETONAÇÃO: é a explosão da mistura por efeito da
pressão. A resistência à detonação de um combustível
consiste em uma característica extremamente
importante se for usado em motores de ignição por
centelha. Os efeitos da detonação são nocivas para o
motor. Repetidas detonações provocarão
superaquecimento e a perfuração da cabeça dos
êmbolos. O poder anti-detonante é a resistência que
um combustível apresenta à detonação.
• OCTAGEM: a octanagem mede a capacidade da
gasolina de resistir à detonação, ou a sua capacidade
de resistir às exigências do motor sem entrar em
auto-ignição antes do momento programado
Combustíveis e
Comburentes
A detonação, também conhecida como “batida de pino”,
leva à perda de potência e pode causar sérios danos ao
motor, dependendo de sua intensidade e persistência.
• Um combustível de octanagem n é aquele que se
comporta como se fosse uma mistura contendo n% de
isooctano e (100-n)% de n.heptano. Por convenção, o
isooctano puro tem octanagem 100 e o n.heptano puro
tem octanagem zero.
• Hoje, alguns combustíveis aditivados possuem
octanagem superior a escala posta, é uma nova
tecnologia.
Combustíveis e
Comburentes
• No Brasil é utilizada uma gasolina única no mundo, pois trata-se de uma mistura de 76% de gasolina e 24% de álcool etílico (etanol). O teor de álcool na gasolina é objeto de Lei Federal, cuja especificação final é de responsabilidade da Agência Nacional de Petróleo – ANP. • Desde janeiro de 1992, a gasolina brasileira é isenta de chumbo. O
chumbo era utilizado mundialmente para aumentar a octanagem da gasolina, mas, por questões ambientais, vem sendo
gradualmente eliminado.
• As Gasolinas Comum e Comum-Aditivada têm octanagem de 86, indicadas para a maioria da frota de veículos circulante no Brasil. A Gasolina Premium possui maior octanagem, 91. Pode ser utilizada em qualquer veículo, mas não trará nenhum benefício se o motor não exigir este tipo de combustível (alta taxa de compressão, com monitoramento eletrônico, injeção multiponto e projetados para gasolinas de alta octanagem).
Combustíveis e
Comburentes
• As principais propriedades da gasolina e do
álcool estão indicadas abaixo:
Sistema de Distribuição
• O conjunto de elementos que comandam a admissão
de mistura A/C nos motores Otto e o ar nos motores
Diesel, nos cilindros e posteriormente a saída dos gases
queimados, chama-se Sistema de Distribuição.
• São requisitos fundamentais para um sistema de
distribuição eficiente:
cada válvula se mantenha aberta o tempo necessário para
uma boa admissão de mistura ou ar;
a lavagem do cilindro;
e a completa expulsão dos gases queimados; e
que funcione suave e eficientemente nos mais variados
regimes de rotação do motor.
Sistema de Distribuição
• Pode-se designar um motor especificando a disposição dos seus elementos de distribuição:
• Motores de válvulas laterais: possuem válvulas dispostas ao lados dos cilindros. Esta disposição clássica assegura um funcionamento silencioso, assim como uma marcha suave.
• Motores com válvulas suspensas: possuem válvulas colocadas
sobre os cilindros. Esta disposição permite uma forma mais racional da câmara de combustão, favorece a potência do motor e um
rendimento térmico superior. A posição das válvulas suspensas determina melhor rendimento aos altos regimes e convém aos motores potentes de relação volumétrica elevada.
Potência e Rendimento
• A energia mecânica desenvolvida por um motor é
medida com precisão num banco de testes. É
igualmente possível calcular esta energia com uma
certa aproximação tendo em conta as particularidades
do motor considerado. Em ambos os casos,
determina-se a quantidade de trabalho mecânico efetuada em um
dado tempo. Do resultado obtido, deduz-se a potência.
• Potencia do Motor
• Para maior facilidade de compreensão dos fatores que
influenciam a potência de um motor, a potência
efetiva, isto é, a potência gerada no eixo do motor
pode ser calculada pela seguinte fórmula:
Potência e Rendimento
• Rendimento Mecânico
O rendimento mecânico é a relação entre a potência produzida no eixo e a potência produzida no interior do cilindro, provocada pela combustão. Este rendimento é função da força de atrito que ocorre entre os seus diversos órgãos e das forças necessárias p/ acionar os órgãos auxiliares.
• Rendimento Térmico
O rendimento térmico é a relação entre o calor que efetivamente se transforma em trabalho útil e o calor equivalente ao trabalho que poderia ser obtido pela queima do combustível.
• Rendimento Volumétrico
O rendimento volumétrico é a relação entre o peso de ar
efetivamente introduzido no cilindro e o peso teórico máximo, nas condições atmosféricas (150 C e 760 atm).
