Motores de Combustão Interna

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Indaial – 2020 Prof.ª Vanessa Moura de Souza

1^a Edição

M ^otores ^de C ^oMbustão

I ^nterna

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Elaboração:

Prof.ª Vanessa Moura de Souza

Revisão, Diagramação e Produção:

Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI

Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial.

Impresso por:

S729m

Souza, Vanessa Moura de

Motores de combustão interna. / Vanessa Moura de Souza. – Indaial: UNIASSELVI, 2020.

149 p.; il.

ISBN 978-65-5663-243-8

1. Motores. – Brasil. 2. Combustível. – Brasil. Centro Universitário Leonardo Da Vinci.

CDD 629.2

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a presentação

Caro acadêmico, mais um semestre se inicia e, com ele, a disciplina Motores de Combustão Interna, a qual também complementa a disciplina de Práticas de Motores.

Sou a professora Vanessa Moura de Souza, engenheira mecânica, Mestre em Engenharia com ênfase em processos de fabricação, especialista em educação para engenharia, cursando doutorado e lecionando há mais de cinco anos.

É com grande satisfação que escrevemos este livro didático com o intuito de que você, acadêmico, se aproxime desta disciplina e perceba o quanto o seu estudo é indispensável na otimização de produtos, na implementação de novas tecnologias, na prevenção de falhas e melhorias de processos já existentes. Há muitas possibilidades nesse segmento.

Atualmente, um motor de combustão interna com maior rendimento pode chegar a 30%, isso mesmo, apenas 30%. Você, acadêmico, pode ser o futuro desse setor, trazendo inovações e aplicando o conhecimento obtido na faculdade na indústria, trazendo a interdisciplinaridade das outras disciplinas já cursadas.

Na Unidade 1, estudaremos os conceitos básicos e componentes dos motores de combustão interna: histórico, definições, aplicações e classificação das máquinas térmicas. Estudaremos também os componentes fixos e móveis dos motores os quais fazem parte da estrutura geral que englobam os sistemas complementares que auxiliam na lubrificação, arrefecimento e gestão do sistema elétrico.

A Unidade 2 abrangerá o princípio de funcionamento dos motores, ou seja, dois tempos, quatro tempos ou misto; os ciclos termodinâmicos Otto e Diesel assim como os cálculos de desempenho.

A Unidade 3 contemplará o conteúdo relacionado com combustíveis, eficiência e meio ambiente: cálculos de potência e torque, teorias da combustão e as inovações e tendências tecnológicas na área.

Profᵃ. M. Sc. Vanessa Moura de Souza

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Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novidades em nosso material.

Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura.

O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagra- mação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo.

Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilida- de de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador.

Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assun- to em questão.

Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade.

Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE.

Bons estudos!

Olá acadêmico! Para melhorar a qualidade dos materiais ofertados a você e dinamizar ainda mais os seus estudos, a Uniasselvi disponibiliza materiais que possuem o código QR Code, que é um código que permite que você acesse um conteúdo interativo relacionado ao tema que você está estudando. Para utilizar essa ferramenta, acesse as lojas de aplicativos e baixe um leitor de QR Code. Depois, é só aproveitar mais essa facilidade para aprimorar seus estudos!

UNI

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Olá, acadêmico! Iniciamos agora mais uma disciplina e com ela um novo conhecimento.

Com o objetivo de enriquecer seu conhecimento, construímos, além do livro que está em suas mãos, uma rica trilha de aprendizagem, por meio dela você

terá contato com o vídeo da disciplina, o objeto de aprendizagem, materiais complementares, entre outros, todos pensados e construídos na intenção de auxiliar seu crescimento.

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Conte conosco, estaremos juntos nesta caminhada!

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s ^uMárIo

UNIDADE 1 — CONCEITOS BÁSICOS E COMPONENTES ... 1

TÓPICO 1 — MOTORES ... 3

1 INTRODUÇÃO ... 3

2 HISTÓRICO ... 4

3 CONCEITO: COMBUSTÃO INTERNA E EXTERNA ... 6

4 CLASSIFICAÇÃO ... 8

RESUMO DO TÓPICO 1... 11

AUTOATIVIDADE ... 12

TÓPICO 2 — COMPONENTES DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ... 13

2 COMPONENTES FIXOS E MÓVEIS DOS MOTORES ... 13

TÓPICO 3 — SISTEMAS COMPLEMENTARES DOS MOTORES ... 25

2 SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO: AR E COMBUSTÍVEL ... 25

3 SISTEMA DE ARREFECIMENTO ... 33

4 SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO ... 36

5 SISTEMA ELÉTRICO ... 40

LEITURA COMPLEMENTAR ... 44

UNIDADE 2 — PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ... 51

TÓPICO 1 — FASES EM UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA ... 53

2 MOTOR QUATRO TEMPOS ... 53

3 MOTOR DOIS TEMPOS ... 58

TÓPICO 2 — CICLOS TERMODINÂMICOS ... 63

2 CICLOS TERMODINÂMICOS: OTTO E DIESEL ... 63

3 CICLO MISTO ... 78

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2 CONCEITOS PRELIMINARES DE DESEMPENHO ... 85

3 CILINDRADA E CAMARA DE COMBUSTÃO ... 89

4 TAXA DE COMPRESSÃO ... 91

UNIDADE 3 — COMBUSTÍVEIS, EFICIÊNCIA E MEIO AMBIENTE ... 99

TÓPICO 1 — AVALIAÇÃO DOS PARÂMETROS DE DESEMPENHO ... 101

2 POTÊNCIA MECÂNICA E EFETIVA ... 101

3 RESERVA DE TORQUE ... 109

4 DESEMPENHO DE MOTORES ... 110

TÓPICO 2 — COMBUSTÍVEIS ... 115

2 TEORIAS DA COMBUSTÃO ... 115

3 COMBUSTÍVEIS ... 123

TÓPICO 3 — EFICIÊNCIA E MEIO AMBIENTE ... 137

2 EMISSÕES ... 138

3 TENDÊNCIAS TECNOLÓGICAS: VEÍCULOS HIBRIDOS ... 141

REFERÊNCIAS ... 149

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UNIDADE 1 — CONCEITOS BÁSICOS

E COMPONENTES

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

PLANO DE ESTUDOS

A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:

• saber o histórico de evolução de um sistema de geração de energia por calor;

• entender o conceito de motores de combustão interna e externa;

• identificar os principais componentes de um motor assim como suas funcionalidades e características;

• conhecer os sistemas complementares e suas aplicações em motores de combustão interna.

Esta unidade está dividida em três tópicos. Em cada um deles, você encontrará atividades visando à compressão dos conteúdos apresentados.

TÓPICO 1 – MOTORES

TÓPICO 2 – COMPONENTES DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA

TÓPICO 3 – SISTEMAS COMPLEMENTARES DOS MOTORES

Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações.

CHAMADA

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TÓPICO 1 —

UNIDADE 1

MOTORES

1 INTRODUÇÃO

Por volta de 1900, Rudolf Diesel apresentou ao público o protótipo de uma invenção que revolucionaria nossa forma de se locomover e mensurar a distância;

um motor de ignição por compressão, o combustível foi o óleo de amendoim, funcionou apenas durante algumas horas. Tratava-se de um motor de baixa rotação, de injeção indireta que poderia queimar óleos vegetais in natura e até outros combustíveis mais pesados. Após a Segunda Guerra Mundial, teve início efetivamente a produção dos motores de ignição por compressão motor Diesel como foi chamado em homenagem a seu inventor. O motor Diesel foi lançado comercialmente, funcionando com óleo cru, isto é, o petróleo simplesmente filtrado. Naquela época, já se havia constatado de que o funcionamento prolongado com óleo vegetal produzia resíduos de carbono no interior dos cilindros, além de outros danos aos motores. Os motores de combustão abastecidos a diesel e a gasolina, desenvolvido por Otto, outro cientista de renome, multiplicaram-se aos milhões, evidenciando uma clara dependência ao petróleo e, consequentemente, a constatação de sua finitude como importante fonte de energia (TILLMANN, 2013).

Atualmente, a distância se tornou relativa com o uso dos motores de combustão interna, aplicados em carros de passeio, motos, caminhões entre outras utilizações presentes no nosso dia a dia, que impactam diretamente na nossa rotina na questão de locomoção ao trabalho, alimentos, distribuição de equipamentos. Há quem diga, porém que esse tipo de motor está com os dias contados, devido à evolução dos motores elétricos. Segundo especialistas, os motores de combustão ainda serão utilizados por muitos anos, claro, passando por diversas inovações focadas em rendimento e emissões. E sim, os motores elétricos terão seu lugar no futuro, mas neste momento ainda estão em fase de pesquisa e desenvolvimento para se tornar habitual nos carros de passeio.

Neste tópico inicial, compreenderemos a importância e a evolução dos motores de combustão no contexto de projetos e uso de novas formas de energias, seu desempenho e eficiência, assim como sua classificação.

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2 HISTÓRICO

Durante esses longos milênios, dia sim, dia não, as pessoas ficavam cara a cara com a invenção mais importante na história da produção de energia – e não conseguiam perceber isso. Essa invenção as encarava cada vez que uma dona de casa ou um servo colocava no fogão uma chaleira para ferver água para o chá ou uma panela cheia de batatas. No minuto em que a água fervia, a tampa da chaleira ou da panela saltava. O calor estava sendo convertido em movimento.

Mas tampas de panelas saltando eram uma perturbação, sobretudo se alguém esquecia a panela no fogo e a água transbordava.

Um avanço parcial na conversão do calor em movimento ocorreu após a invenção da pólvora na China do século IX. No início, a ideia de usar pólvora para propelir projéteis era tão antinatural que durante séculos a substância foi usada primordialmente para produzir fogos de artifício. Mas – talvez depois que algum especialista em fogos de artifício moeu pólvora em um morteiro e esta atirou longe o pilão – as armas acabaram por surgir. Cerca de 600 anos se passaram desde a invenção da pólvora até o desenvolvimento de uma artilharia eficaz. Mesmo então, a ideia de converter calor em movimento continuou sendo tão antinatural que outros três séculos se passaram antes de as pessoas inventarem a próxima máquina que usava calor para mover as coisas. A nova tecnologia nasceu nas minas de carvão da Grã-Bretanha: o motor a vapor (HARARI, 2015).

Contudo, a descoberta crucial mesmo foi o motor de combustão interna, que levou pouco mais de uma geração para revolucionar o transporte humano e transformar o petróleo em poder político líquido (HARARI, 2015). O petróleo era conhecido há milhares de anos e usado para impermeabilizar telhados e lubrificar eixos. Mas até um século atrás ninguém pensava que fosse útil para muito mais do que isso. A ordem cronológica dessas descobertas que ocasionaram a evolução das máquinas térmicas e seus respectivos estudiosos:

• Século XVII: com o uso da pólvora para movimentar um pistão dentro de um cilindro.

• 1824: Sadi CARNOT escreve “Reflexões sobre a potência motriz do fogo” o qual introduziu o ciclo de Carnot.

• 1860: LENOIR escreve na Bélgica: “O motor sem compressão”.

• 1862: França. Alphonse BEAU du ROCHAS define teoricamente o ciclo do motor a 4 tempos.

• 1876: Nicolas OTTO constrói o primeiro motor a combustão, rendimento de 15%.

• 1878: Dugald Clerck desenvolve o princípio de funcionamento do motor a 2 tempos (2T).

• 1884: Primeiro automóvel na França.

• 1894: Primeira corrida de automóvel entre as cidades de Paris e Rouen.

• 1897: Surge o primeiro motor DIESEL, construído por Rudolf DIESEL na Alemanha.

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• 1898: Primeiro salão do automóvel em Paris onde são apresentados os primeiros modelos de carros de passeio.

• 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).

• 1996: Primeiro veículo de passeio com injeção direta a gasolina, Mitsubishi GDI.

Durante milênios antes da Revolução Industrial, os humanos já sabiam como usar uma grande variedade de fontes de energia. Eles queimavam madeira a fim de derreter ferro, aquecer casas e assar bolos. Navios a vela usavam a energia eólica para se mover, e moinhos d’água capturavam o curso de rios para moer grãos. Mas todas essas opções tinham problemas e limites claros. Não havia árvores disponíveis em toda parte, o vento nem sempre soprava quando era necessário, e a força da água só era útil para quem morava perto de um rio (HARARI, 2015).

Um problema ainda maior é que as pessoas não sabiam como converter um tipo de energia em outro. Elas podiam usar o movimento do vento e da água para mover navios e moinhos de pedra, mas não para aquecer água ou derreter ferro. Inversamente, elas não podiam usar a energia produzida pela queima de madeira para fazer um moinho de pedra se mover. Os humanos só tinham uma máquina capaz de realizar tais truques de conversão de energia: o corpo.

No processo natural do metabolismo, o corpo dos humanos e de outros animais queima combustíveis orgânicos conhecidos como alimentos e converte a energia liberada em movimento muscular. Homens, mulheres e animais podiam consumir grãos e carne, queimar seus carboidratos e gorduras e usar a energia para puxar uma carroça ou um arado. Uma vez que os corpos humano e animal eram os únicos dispositivos de conversão de energia disponíveis, a energia muscular era essencial para quase todas as atividades humanas.

Músculos humanos construíam carroças e casas, músculos de bois aravam campos e músculos de cavalos transportavam alimentos. A energia que alimentava essas máquinas musculares orgânicas vinha de uma única fonte: as plantas. Essas, por sua vez, obtinham energia do Sol. No processo de fotossíntese, capturavam energia solar e armazenavam-na em compostos orgânicos. Quase tudo que as pessoas fizeram ao longo da história foi abastecido pela energia solar capturada pelas plantas e convertida em energia muscular (HARARI, 2015).

O desenvolvimento dos motores foi acompanhado pelo respectivo avanço dos sistemas auxiliares que os compõem. Podem-se destacar os sistemas a seguir, os quais estudaremos de maneira efetiva no Tópico 3 desta unidade:

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• Sistema de alimentação de combustível desenvolvido por Maybach em 1892, que foi o percussor dos carburadores.

• Sistema de ignição por alta tensão desenvolvido por Robert Bosch em 1902, que substituiu a ignição por chama. Nele, o controle do início da chama era precário.

• Sistema de distribuição de combustível por válvulas, cames e balancins desenvolvidos por Morey do exército americano em 1826.

• Sistema de arrefecimento, ou sistema de resfriamento, a água, desenvolvido também por Morey.

Mesmo decorridos mais de 100 anos, da invenção do motor de combustão, o seu desenvolvimento continua em ritmo crescente. Atualmente, a indústria mecânica está em constante aprimoramento e melhoria da qualidade e eficiência dos motores que produz, buscando mudanças importantes nos projetos e na operação dos motores de combustão, principalmente na necessidade de controle das emissões e otimização do consumo de combustível. A perda de calor do sistema durante os cursos de compressão e expansão contribui para redução em potência e eficiência, até cerca de 10% da potência e da eficiência do ciclo equivalente de ar/

combustível. Um motor moderno, em geral, aproveita aproximadamente 30% da energia do combustível para seu movimento. Os demais 70% são eliminados pelo calor. Esses valores podem variar em função de o motor apresentar uma versão equipada ou não com turboalimentador e ar pós-arrefecido.

3 CONCEITO: COMBUSTÃO INTERNA E EXTERNA

As máquinas térmicas são dispositivos que permitem transformar calor em trabalho, conforme Figura 1, que exemplifica a entrada de ar e combustível, que geram calor e se transformam em energia mecânica com saída de trabalho, gases do escape e perda de calor. O calor, por sua vez, pode ser obtido de diferentes fontes: combustão, energia elétrica, energia atômica, entre outros.

Caro acadêmico, no link a seguir há uma reportagem muito interessante a respeito da história dos carros em 50 objetos. Acesse https://revistaautoesporte.globo.com/

Noticias/noticia/2015/04/especial-historia-do-carro-em-50-objetos.html.

DICAS

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FIGURA 1 – FLUXOS DE MASSA E ENERGIA EM UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA

FONTE: Brunetti (2012, p. 26)

Em geral, máquinas térmicas possuem as seguintes características:

• Recebem calor de uma fonte à alta temperatura (energia solar, fornalha, reator nuclear, combustão etc.).

• Convertem parte desse calor em trabalho (em geral, na forma de um eixo rotativo).

• Rejeitam o restante do calor para um sumidouro à baixa temperatura (a atmosfera, os rios, dentre outros).

• Operam em um ciclo.

As máquinas térmicas são classificadas como máquinas de combustão externa e interna, dependendo de como o calor é fornecido para o fluido de trabalho.

A combustão externa apresenta, para o processo de combustão, o fluido de trabalho completamente separado da mistura ar/combustível, sendo o calor dos produtos da combustão transferidos através das paredes de um reservatório ou caldeira, para os motores a vapor.

Há muitos tipos de motores a vapor, mas todos têm um mesmo princípio:

queima-se algum tipo de combustível, como carvão, e usa-se o calor resultante para ferver água, produzindo vapor. À medida que o vapor se expande, empurra um pistão (BRUNETTI, 2012). O pistão se move, e qualquer coisa que esteja conectada ao pistão se move com ele. O calor foi convertido em movimento. Nas minas de carvão britânicas do século XVIII, o pistão era conectado a uma bomba que extraía água do fundo dos poços de mineração. Os primeiros motores eram incrivelmente ineficazes. Era preciso queimar uma enorme quantidade de carvão para bombear um volume minúsculo de água. Mas, nas minas, o carvão era abundante e estava ao alcance da mão, e por isso ninguém se importava.

Nas décadas que se seguiram, os empreendedores britânicos melhoraram a eficácia do motor a vapor, o tiraram dos poços de mineração e o conectaram a teares, revolucionando a produção têxtil, tornando possível produzir quantidades

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cada vez maiores de tecidos baratos. Rompeu-se também uma importante barreira: se era possível queimar carvão para movimentar teares, por que não usar o mesmo método para movimentar outras coisas, como veículos? Surgia então os motores a vapor (TILLMANN, 2013).

Os motores à combustão interna são aqueles em que o combustível é queimado internamente, o combustível pode ser ar e gasolina ou diesel. Um mecanismo constituído por pistão, biela e virabrequim; o qual vimos na disciplina de Elementos de Máquina e relembraremos no final desta Unidade 1, transforma a energia térmica (calorífica) em energia mecânica. O movimento alternativo (vai e vem) do pistão dentro do cilindro é transformado em movimento rotativo através da biela e do virabrequim. Os principais motores modernos são derivados dos construídos por Otto e Diesel e as características básicas dos mesmos são as seguintes:

• Motores de ciclo Otto: utilizam combustível de baixa volatilidade, como a gasolina e o álcool. Para ignição necessitam de centelha produzida pelo sistema elétrico.

• Motores de ciclo Diesel: utilizam como combustível o óleo diesel. A inflamação do combustível injetado sob pressão na câmara de combustão ocorre pela compressão de ar e consequente elevação da temperatura. Neste livro didático estudaremos os motores de combustão interna.

4 CLASSIFICAÇÃO

Os principais motores modernos são derivados dos construídos por Otto e Diesel e as características básicas deles são as seguintes:

• Motores de ciclo Otto: utilizam combustível de baixa volatilidade, como a gasolina e o álcool. Para ignição necessitam de centelha produzida pelo sistema elétrico.

• Motores de ciclo Diesel: utilizam como combustível o óleo diesel. A inflamação do combustível injetado sob pressão na câmara de combustão ocorre pela compressão de ar e consequente elevação da temperatura.

Porém podem ser classificados sob análise de diversos aspectos. Quanto à forma de se obter trabalho mecânico, os motores de combustão interna são classificados em:

• Motores alternativos: quando o trabalho é obtido pelo movimento de vaivém de um pistão, transformado em rotação contínua por um sistema biela-manivela.

• Motores rotativos: quando o trabalho é obtido diretamente por um movimento de rotação. São exemplos: turbina a gás e o motor Wankel, Figura 2. Pode- se visualizar que as três faces do rotor estão simultaneamente em três fases diferentes do ciclo clássico de quatro tempos, possuem formato e rotor triangular (BRUNETTI, 2012):

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FIGURA 2 – MOVIMENTO ROTATIVO DE UM MOTOR WANKEL

FONTE: Brunetti (2012, p. 58)

Motores de impulso: quando o trabalho é obtido pela força de reação dos gases expelidos em alta velocidade pelo motor. Neste caso são exemplos: motor a jato e foguetes.

Sob o aspecto de utilização são definidos como:

• Estacionários – destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como: geradores elétricos, motobombas (uma bomba comum com um motor acoplado) ou outras máquinas que operam em rotação constante.

• Industriais – destinados ao acionamento de máquinas agrícolas ou de construção civil: tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação fora de estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações.

• Veiculares – destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, caminhões e ônibus, incluindo aeronaves.

Pela forma de ignição são chamados de motores por centelha (Ignição por Centelha – ICE) ou por compressão (Ignição por Compressão – ICO).

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Há diversas classificações os quais os conceitos discutiremos de forma aprofundada ao decorrer das unidades, porém de forma resumida ainda podemos citar as seguintes classificações:

FASES DOS CICLOS DE TRABALHO

• Dois tempos (2 T): a admissão e o escape ocorrem ao mesmo tempo da compressão e expansão.

• Quatro tempos (4 T): admissão, compressão, expansão e escape ocorrem de maneira individual.

NÚMERO DE CILINDROS

• Monocilíndricos: duplo cilindro

• Policilíndricos: mais de dois cilindros DISPOSIÇÃO DOS CILINDROS

Conforme disposição dos cilindros: em linha, em V, opostos. A disposição dos cilindros e pistões determina o comportamento do motor quanto a uma série de fatores como potência, perdas mecânicas e até mesmo vibrações. Os motores com cilindros em linha, é a forma mais comumente utilizada, entretanto, no mercado atual, muitas vezes, é necessário motores com muitos cilindros com o objetivo de aumentar a potência. A consequência disso são carros com frentes muito compridas, por exemplo um de 12 cilindros. A alternativa foi dividir os cilindros em duas linhas unidas pelo virabrequim, dando origem aos motores em V ou opostos, que logo mostrou ter mais vantagens do que a simples diminuição de tamanho. Exemplos de carros que utilizam esta disposição: motos em geral, Porche e Subaru.

FIGURA 3 – DISPOSIÇÃO DOS CILINDROS

FONTE: Adaptado de Tillmann (2013)

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Neste tópico, você aprendeu que:

• O motor de combustão interna passou por uma grande jornada de desenvolvimento e postulados teóricos até chegar aos dias de hoje.

• As máquinas térmicas são dispositivos que permitem transformar calor em trabalho.

• As máquinas de combustão externa apresentam para o processo de combustão o fluido de trabalho completamente separado da mistura ar/combustível.

• Os motores a combustão interna são aqueles em que o combustível é queimado internamente.

• Os motores de combustão interna podem ser classificados em: Otto, Diesel, 2 Tempos e 4 Tempos, alternativos, rotativos, estacionários, industriais, veiculares, pela sua ignição, fases de trabalho, número e disposição dos cilindros.

RESUMO DO TÓPICO 1

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1 Máquinas térmicas são máquinas que transformam energia térmica em energia mecânica. Diante disto, qual é a principal diferença entre motores de combustão interna e motores de combustão externa?

2 Diversas são as maneiras as quais podemos classificar os motores de combustão interna, se levarmos em conta a utilização, qual seria a sua classificação?

3 Mesmo decorridos mais de 100 anos, da invenção do motor de combustão, o seu desenvolvimento continua em ritmo crescente. Atualmente, a indústria mecânica está em constante aprimoramento e melhoria da qualidade e eficiência dos motores que produz. Dentro deste contexto explique por que o motor de combustão interna é tão ineficiente e quais aspectos poderiam aumentar seu desempenho?

AUTOATIVIDADE

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TÓPICO 2 —

UNIDADE 1

COMPONENTES DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA 1 INTRODUÇÃO

São denominados componentes as partes auxiliares que trabalham em conjunto para o funcionamento do motor. São responsáveis pelo fornecimento das condições favoráveis para que o processo de transformação da energia química dos combustíveis nos motores se realize de forma eficiente e contínua.

Os principais componentes de um motor de combustão interna se dividem em dois grupos: componentes fixos e componentes móveis. Neste tópico, serão abordadas as partes que compõem um motor de combustão e suas funcionalidades.

2 COMPONENTES FIXOS E MÓVEIS DOS MOTORES

Os componentes fixos são as peças que formam a estrutura principal no motor, ou seja, sua base; incluem: bloco do motor, cabeçote e cárter. Já os componentes móveis são: pistão ou êmbolo, camisas, biela, árvore de manivelas ou virabrequim, válvulas de admissão, válvulas de escape e árvore de comando de válvulas, guias e sede das válvulas, porcas, molas, bucha do balancim, parafuso regulador, mancais, tuchos, casquilhos ou bronzinas, compensadores de massa, volante, juntas, dentre outros.

Bloco

Constitui a maior parte do motor e sustenta todas as outras peças que compõem o motor, na Figura 4 pode-se visualizar o mesmo. Suas etapas de fabricação envolvem fundição, usinagem e tratamentos de superfície assim como o estudo e aplicação de requisitos tecnológicos na sua construção: dilatação, contração, pressão de trabalho. Geralmente, são confeccionados em ferro fundido, alumínio fundido, alumínio forjado ou aço forjado.

Para visualização de todos os componentes de um motor de forma interativa, leia o artigo a seguir e assista ao vídeo: https://www.carrodegaragem.com/quais-sao- principais-partes-motor-carro/.

DICAS

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FIGURA 4 – BLOCO DO MOTOR

Alguns blocos possuem cilindros removíveis em formato de tubos os quais formam as paredes do cilindro no bloco propriamente dito, onde pistões de locomovem, denominados camisas. As camisas podem ser úmidas, quando o líquido de arrefecimento está em contato direto com a camisa e que entre si trocam calor; ou secas, quando o líquido de arrefecimento não está em contato direto com a camisa. São fabricadas por usinagem de precisão e com um alto acabamento superficial para diminuir o atrito.

FIGURA 5 – CAMISA DE UM BLOCO DE MOTOR

Quando os cilindros são fixos no bloco, formando uma só peça, dizemos que o bloco é integral, também chamado de monobloco. O bloco integral, quando comparado aos de cilindros substituíveis (camisados), apresenta desvantagem de só poder ser submetido a um número limitado de retíficas em seus cilindros, devido à diminuição da espessura de suas paredes. Em casos extremos, quando o bloco integral não suportar mais retíficas, pode-se efetuar o encamisamento, isto é, o bloco é retificado e um cilindro de menor diâmetro é prensado dentro dele, como se fosse um cilindro substituível (TILLMANN, 2013).

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Cabeçote

Este componente fecha o bloco na sua parte superior formando a câmara de combustão. Possui diversos orifícios para fixação de velas ou bicos injetores, válvulas. Normalmente, é fabricado com o mesmo material do bloco.

FIGURA 6 – CABEÇOTE

FONTE: Adaptado de Brunetti (2012)

Cárter

O cárter fecha o bloco na sua parte inferior e serve de depósito para o óleo lubrificante do motor. Normalmente, é fabricado de ferro fundido ou alumínio fundido.

FIGURA 7 – CARTER

FONTE: <https://cutt.ly/ad5NGXQ>. Acesso em: 6 nov. 2019.

Válvulas

São elementos metálicos responsáveis pela vedação da abertura de admissão do ar e pela vedação dos orifícios de saída dos gases da combustão. A seguir, pode-se visualizar seu posicionamento no motor.

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FIGURA 8 – POSIÇÃO DAS VÁLVULAS

Existem dois tipos de válvulas: válvulas de admissão e válvulas de escape.

A primeira abre-se para permitir a entrada da mistura combustível/ar (ou ar puro, conforme o caso) no interior dos cilindros. A outra, de escape, abre-se para dar saída aos gases queimados na combustão. Alguns motores possuem válvulas laterais, ou seja, válvulas dispostas ao lado dos cilindros. Essa disposição clássica assegura um funcionamento silencioso. Há também as válvulas suspensas – Motores com válvulas suspensas possuem válvulas colocadas sobre os cilindros.

Essa disposição permite uma forma mais racional da câmara de combustão, favorece a potência do motor e um rendimento térmico superior.

No geral, são acionadas por um sistema de comando. O movimento do virabrequim é transmitido para o eixo de comando de válvulas por meio de engrenagens. O eixo de comando de válvulas liga-se por uma vareta ao eixo dos balancins. Este, por sua vez, é que acionará as válvulas, na Figura 9 tem se a disposição deste conjunto.

FIGURA 9 – CONJUNTO DE VÁLVULAS INTEGRADO COM O MOTOR

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Nos motores de quatro tempos, a relação de rotação da árvore de manivelas para a árvore do comando de válvulas ou eixo de cames é de 2:1, isto é, a cada duas voltas da árvore de manivelas, o eixo de cames realiza somente uma. Isso ocorre devido ao fato de o motor necessitar de duas voltas no virabrequim para completar a realização de um ciclo.

Eixo de comando de válvulas

O eixo de cames, ou comando de válvulas, é um eixo que tem excêntricos, peças com formato excêntrico, ou seja, em forma de gota esfeirodal, destinados a agir sobre os elementos impulsionadores das válvulas, balancins, haste e tuchos em tempos precisos. A forma e a posição dos cames determinam, diretamente, as características de potência e de regime do motor. A função desse eixo é abrir as válvulas de admissão e escape, respectivamente, nos tempos de admissão e escapamento. É acionado pelo eixo de manivelas, através de engrenagens, corrente ou por correia dentada.

A cabeça da válvula comporta uma superfície de apoio retificada cujo ângulo pode ser de 30° ou 45°, na Figura 9 pode-se visualizar esse ângulo próxima à cabeça da válvula e à sede:

• Ângulo de 45° permite uma melhor centragem da válvula sobre o seu assento cada vez que se dá o encaixe: utilizam-se as válvulas de escape, mais facilmente deformáveis a altas temperaturas,

• Ângulo de 30° às válvulas de admissão que devem, sobretudo, favorecer a entrada dos gases novos no cilindro.

Pistão (êmbolo)

É o componente responsável por transmitir e ampliar a energia resultante da expansão dos gases após a combustão. É composto por anéis, pino, trava e câmara. No pistão encontram-se dois tipos de anéis: anéis de vedação – estão mais próximos da parte superior (cabeça) do pistão; anéis de lubrificação – estão localizados na parte inferior do pistão e têm a finalidade de lubrificar as paredes do cilindro.

Acadêmico, você acha que as válvulas são importantes em motores de combustão interna? Sim, pois estão totalmente relacionadas com o rendimento do motor através da a vedação do fluído, da admissão e compressão.

IMPORTANTE

(26)

FIGURA 10 – PISTÃO E SEUS COMPONENTES

Tem como função receber a força de expansão dos gases queimados, transmitido à biela, que liga-se ao pistão através de um pino, normalmente fabricado de aço cementado, ou seja, recebe um tratamento térmico para melhorar o seu desempenho e resistência visto que no momento da explosão o pistão recebe um impulso de mais ou menos 20000 N (2000 kgf) 30 vezes por segundo.

Sua temperatura sobe a 350 °C, no centro da cabeça, e cerca de 150 a 200 °C na extremidade final do cilindro.

Os pistões ou êmbolos em movimento definem seu curso pelo deslocamento máximo superior e máximo inferior. Conforme a figura a seguir:

Ponto Morto Superior (PMS) e o Ponto Morto Inferior (PMI). É nessas posições que o êmbolo muda de sentido de movimento, estando no seu máximo (PMS) ou no seu mínimo (PMI) (BRUNETTI, 2012).

FIGURA 11 – DESLOCAMENTO DE UM PISTÃO E SUAS NOMENCLATURAS

FONTE: Adaptado de Martins (2006)

(27)

Outro componente importante são os anéis de segmento, localizados nas ranhuras circulares existentes na cabeça do êmbolo.

FIGURA 12 – LOCALIZAÇÃO DOS ANÉIS DE SEGMENTO

Os anéis de segmento têm como objetivo (MARTINS, 2006):

• Vedar a câmara do cilindro, retendo a compressão.

• Reduzir a área de contato direto entre as paredes do êmbolo e do cilindro.

• Controlar o fluxo de óleo nas paredes do cilindro.

• Dissipara o calor do êmbolo pelas paredes do cilindro.

O motor se desgasta progressivamente nos cilindros, porém, esse desgaste é irregular causando uma ovalização e até mesmo conicidade ao cilindro. Com isso, surge o questionamento, em qual região se dá o maior desgaste?

O maior desgaste verifica-se no PMS. Nesse local, a lubrificação é normalmente insuficiente, enquanto a pressão e a temperatura estão no seu máximo. No PMI, essas condições são exatamente opostas e o desgaste é quase nulo. O desgaste é, em grande parte, devido aos arranques ou aceleração com o motor frio. A condensação da gasolina e a insuficiência de óleo fazem com que durante os primeiros minutos de funcionamento, os pistões funcionem completamente a seco.

IMPORTANTE

(28)

Podem se apresentar de duas maneiras, como anel de compressão responsável pela vedação do cilindro, maciços, inseridos próximas ao topo do êmbolo ou de lubrificação responsável pelo controle de fluxo de óleo, providos de canaletas ou rasgos, geralmente confeccionados de borracha.

Biela

É a parte do motor que liga o pistão ao virabrequim. É fabricado de aço forjado e divide-se em três partes: cabeça, corpo e pé. A cabeça é presa ao pistão pelo pino e o pé está ligado ao virabrequim através de um material antifricção, chamado casquilho ou bronzina. Transforma o movimento retilíneo dos pistões em movimento rotativo do virabrequim. A seguir, tem-se a representação do conjunto biela, composto por cabeça que é a parte que se prende aos moentes, o pé que se acopla ao êmbolo e o corpo que confere o comprimento.

FIGURA 13 – CONJUNTO BIELA

É considerado o órgão responsável por transformar o movimento retilíneo do êmbolo em movimento circular junto ao volante.

A bronzina, também chamada de casquilhos são elementos que estabelecem o contato entre a cabeça da biela e os moentes. São, basicamente, um par de cilindros ocos e recobertos de liga antifricção. São resistentes a corrosão, baixo ponto de fusão e coeficiente de atrito. O excessivo escape de óleo não uniforme nos casquilhos gera uma lubrificação deficiente e superaquecimento.

Quando utilizamos a expressão motor fundido na verdade são os casquilhos que se fundem e aderem à biela devido à lubrificação ineficiente levando ao superaquecimento. E já a expressão motor batendo é o ruído das batidas do mancal da biela contra o moente devido ao excesso de folga no casquilho.

IMPORTANTE

(29)

Virabrequim

É também chamado de girabrequim ou árvore de manivelas, Figura 14. É fabricado em aço forjado ou fundido. Possui mancais de dois tipos: excêntricos os quais estão ligados aos pés das bielas e os de centro que sustentam o virabrequim ao bloco.

FIGURA 14 – VIRABREQUIM

É considerado o eixo do motor propriamente dito, o qual, na maioria das vezes, é instalado na parte inferior do bloco, recebendo ainda as bielas que lhe imprimem movimento.

Volante

É constituído por uma massa de ferro fundido e é fixado no virabrequim.

Acumula a energia cinética, propiciando uma velocidade angular uniforme no eixo de transmissão do motor.

O volante absorve energia durante o tempo útil de cada pistão (expansão devido à explosão do combustível), liberando-a nos outros tempos do ciclo (quando cada pistão não está no tempo de potência), concorrendo com isso para reduzir os efeitos de variação do tempo do motor. O volante destina-se a regularizar e equilibrar a rotação do virabrequim. No momento da explosão, o volante absorve a energia desenvolvida e a restitui nos tempos não motores.

Os motores de um cilindro exigem um volante grande, enquanto os de vários cilindros são equipados com volantes tanto mais leves quanto mais elevado for o número de cilindros (MARTINS, 2006). A seguir, é possível observar um corte longitudinal de um motor 4 cilindros, onde pode-se visualizar o motor e a sua atuação em todos os componentes de um motor.

(30)

FIGURA 15 – MOTOR

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RESUMO DO TÓPICO 2

Neste tópico, você aprendeu que:

• Os componentes fixos são as peças que formam a estrutura principal no motor, ou seja, sua base, já os componentes móveis atuam de maneira a se movimentar para transmitir e transformar a energia e movimento no motor.

• O bloco constitui a maior parte do motor e sustenta todas as outras peças que compõem o motor.

• Camisas são cilindros removíveis em formato de tubos que formam as paredes do bloco, um dos seus benefícios é a facilidade de troca quando é necessário substituição.

• O cabeçote é o componente que fecha o bloco na sua parte superior formando a câmara de combustão;

• Válvulas são elementos metálicos responsáveis pela vedação da abertura de admissão do ar e pela vedação dos orifícios de saída dos gases da combustão.

• O êmbolo é o componente responsável por transmitir e ampliar a energia resultante da expansão dos gases após a combustão.

• Biela é a parte do motor que liga o pistão ao virabrequim que é o eixo do motor e esta conectado ao volante que acumula a energia cinética e proporciona uma velocidade angular uniforme.

(32)

1 O cilindro é onde ocorre a combustão sob altas pressões e temperaturas, possui alta resistência de desgaste. A figura a seguir representa as partes básicas de um cilindro de motor, nomeie cada um deles:

2 (SEDUC-AM 2018 – Caderno Motores de Combustão) Nos motores de combustão interna existem componentes fixos e componentes móveis Alguns dos componentes móveis são:

a) Válvulas, anéis de segmento e eixo do comando de válvulas.

b) Bloco do motor, cabeçote e cárter.

c) Válvulas, cabeçote e bloco do motor.

d) Válvulas, cabeçote e cárter.

3 (FVG-RO 2018 – Caderno Motores de Combustão) A figura a seguir mostra um elemento de um motor à combustão interna, esse elemento é denominado:

a) ( ) Virabrequim.

b) ( ) Volante.

c) ( ) Cárter.

d) ( ) Biela.

AUTOATIVIDADE

(33)

TÓPICO 3 —

UNIDADE 1

SISTEMAS COMPLEMENTARES DOS MOTORES 1 INTRODUÇÃO

Os sistemas complementares dos motores proporcionam as condições necessárias para que o processo de transformação da energia interna dos combustíveis em trabalho mecânico se realize de forma eficiente e contínua. Os sistemas complementares dos motores de combustão interna são:

• Sistema de alimentação de ar.

• Sistema de alimentação de combustível.

• Sistema de arrefecimento.

• Sistema de lubrificação.

• Sistema elétrico.

Neste tópico estudaremos cada um deles; suas características, funcionamento e aplicações.

2 SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO: AR E COMBUSTÍVEL

O circuito envolve a admissão do ar, filtragem, participação na combustão e exaustão ou escapamento dos gases para o meio exterior. O ar aspirado pelo motor deve obrigatoriamente passar por filtros de boa qualidade, que garantam a total retenção das impurezas que acompanham esse ar (MARTINS, 2006).

O elemento do filtro do ar tem como função principal reter os contaminantes, como poeira, fuligem, areia e demais impurezas presentes no ar, assegurando que só o ar limpo chegue aos sistemas do motor na quantidade ideal para mistura ar/combustível, evitando desgaste nas partes móveis do motor, prolongando a sua vida útil. A seguir, é possível visualizar as etapas do ar ao percorrer o filtro:

1. O ar ambiente é aspirado para dentro do filtro.

2. As partículas de impurezas são retidas à medida que o ar passa através do elemento de papel plissado.

3. O ar puro se dirige, então, para o coletor de admissão do motor.

(34)

FIGURA 16 – FILTRO

FONTE: Tillmann (2013, p. 55)

Para um eficiente sistema de limpeza do ar, os filtros acoplados aos motores podem atuar com os seguintes subsistemas, ou seja, filtros complementares ao da Figura 16 (MARTINS, 2006):

• Filtro banho de óleo – como o próprio nome diz, é um filtro com óleo para reter partículas, basicamente funciona da seguinte maneira: o ar segue por um tubo até a cuba de óleo, entrando em contato com o mesmo, fazendo com que as partículas menores de poeira fiquem retidas nele.

• Filtro seco – as impurezas são separadas por movimento inercial em um pré- purificador tipo ciclone, no qual o ar admitido adquire um movimento circular.

A força centrífuga faz com que as impurezas maiores sejam depositadas num reservatório. Em seguida, o ar passa pelos elementos filtrantes, primário e secundário. O primário é confeccionado de papel e o secundário de feltro.

• Filtro seco – as impurezas são separadas por movimento inercial em um pré- purificador tipo ciclone, no qual o ar admitido adquire um movimento circular.

A força centrífuga faz com que as impurezas maiores sejam depositadas num reservatório. Em seguida, o ar passa pelos elementos filtrantes, primário e secundário. O primário é confeccionado de papel e o secundário de feltro.

Os filtros de ar secos geralmente são constituídos de elementos de limpeza primário, secundário e tela expandida:

• Elemento primário: fabricado em papel plissado é distribuído homogeneamente, com autoespaçamento. Algumas versões utilizam papel microporoso tratado quimicamente, assegurando alta eficiência de filtragem, resistência mecânica e grande poder de acúmulo dos contaminantes.

• Elemento secundário ou de segurança: assegura a filtração em eventual dano ao elemento primário. Protege o coletor de ar do motor no momento da manutenção.

• Tela expandida: é a proteção do elemento filtrante, uma estrutura de tela de aço expandida o que proporciona maior área de utilização do papel filtrante.

(35)

Todos os sistemas de alimentação de ar possuem características básicas, como entrada e saída de ar e a utilização de filtros, porém alguns possuem aspectos especiais com o intuito de melhoria de desempenho, os mais comumente utilizados são: sistema de aspiração natural, o sistema turboalimentado e o turboalimentado com pós-arrefecimento.

No sistema de aspiração natural ou convencional o ar é admitido dentro do cilindro pela diferença de pressão atmosférica, passando pelos filtros e, através do coletor de admissão, alcança a câmara de combustão. Após a combustão, em forma de gás, ele é empurrado ou forçado pelo pistão a sair pelo coletor de escapamento e, posteriormente, ao meio ambiente, conforme Figura 17.

FIGURA 17 – SISTEMA DE ASPIRAÇÃO NATURAL

No sistema de aspiração turbinado ou turboalimentado o ar é forçado pelo turbocompressor ou turboalimentador a passar pelo processo de filtragem através da turbina de ar, sendo remetido com pressão para a câmara de combustão. Após a combustão em forma de gás, ele aciona a turbina também a gás e é direcionado ao coletor de escapamento e, posteriormente, ao meio ambiente, Figura 18. No sistema, existe um indicador de restrição quanto à qualidade do ar na entrada.

(36)

FIGURA 18 – SISTEMA DE ASPIRAÇÃO TURBOALIMENTADO

Nesses tipos de motores, os chamados superalimentados, o ar é introduzido nos cilindros através de um compressor centrífugo, ou seja, movido por uma turbina.

Você sabe o que significa um motor superalimentado? Nada mais é do que a substituição da admissão de ar da pressão atmosférica por uma admissão forçada fazendo com que o enchimento dos cilindros ocorra sob elevada pressão.

IMPORTANTE

Dessa forma, a superalimentação possui as seguintes vantagens (TILLMANN, 2013):

a) Devido ao aumento da quantidade de ar introduzido nos cilindros, é possível injetar mais combustível, o qual pode levar a um incremento da potência e do torque de até 30%.

b) Favorece a homogeneidade da mistura, devido à forte agitação provocada pela maior pressão e velocidade do ar admitido na câmara de combustão, melhorando, assim, o rendimento da combustão.

A seguir, é possível visualizar o esquema de funcionamento do ar no turbocompressor, nesta mesma figura percebe-se a entrada do ar frio ou a temperatura ambiente em azul e o escape do ar quente em vermelho.

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FIGURA 19 – FUNCIONAMENTO DO AR NO TURBOCOMPRESSOR

O ar comprimido sai do compressor quente devido aos efeitos da compressão e do atrito, esse calor por consequência, provoca a expansão dos fluidos diminuindo sua densidade, tornando-se então necessário um sistema que resfrie o ar antes de ser recebido pelas câmaras de combustão do motor. Esse sistema se chama aftercooler, ou pós arrefecimento, ele tem como objetivo resfriar o ar na saída do turbocompressor, antes de o ar entrar nos cilindros. A seguir, há o desenho esquemático de um aftercooler conectado ao pistão.

FIGURA 20 – AFTERCOOLER

(38)

Você já ouviu falar de válvula de alívio wastegate? Com o desenvolvimento de turbinas para gerar maior pressão em baixas rotações, surgiu a necessidade de uma válvula de alívio em rotações elevadas. Sua função é controlar o enchimento de ar na turbina, sua rotação, assim como aliviar o excesso de pressão de escape pela carcaça da turbina.

Além de outras vantagens como: maior torque a baixas rotações, menor temperatura de trabalho e menor índice de emissão de poluentes.

IMPORTANTE

Até o momento discutimos sobre o sistema de alimentação de ar, agora vamos estudar outro importante componente: o sistema de alimentação de combustível. É de extrema importância, visto que é responsável pela garantia de abastecimento de combustível nos motores tanto no ciclo Diesel quanto no ciclo Otto.

Para motores de ciclo Diesel, é injetado combustível nos cilindros no momento exato, a quantidade certa, com pressão recomendada e isento de impurezas já nos motores de ciclo Otto, a mistura de ar e combustível é introduzida na câmara de combustão, comprimido e após, com a centelha a explosão, expansão e escape dos gases tóxico.

Basicamente, o combustível é sugado do reservatório ou tanque através da bomba alimentadora e pressionado nos filtros até a bomba injetora. Ao passar pela bomba injetora, esta o envia sob alta pressão, para cada um dos cilindros, no momento exato de injeção. A seguir, temos a indicação de cada um desses componentes dentro de um motor. Para garantir o perfeito funcionamento do cilindro, o sistema sempre envia uma quantidade maior de combustível, o que garante a pressão do circuito primário, retornando o excesso ao reservatório pela tubulação de retorno (TILLMANN, 2013).

FIGURA 21 – MOTOR COM CORTE LATERAL MOSTRANDO AS BOMBAS

FONTE: Adaptado de Brunetti (2012, p. 74)

(39)

Diversas vezes, a quantidade requerida de combustível em altas rotações não é compatível com o tempo de injeção. Para que a quantidade exata seja entregue como devemos proceder? Adiantando a injeção fim de dar tempo suficiente para formar a mistura ar-combustível através de avanços automáticos.

E como? Utilizando um dispositivo de avanço automático, que nada mais é que um conjunto que permite avançar o ponto de injeção quando o motor atinge alto giro, compensando o atraso da queima. Para fazer essa variação, ele aproveita a força centrífuga criada por dois pesos montados na engrenagem de acionamento da bomba injetora ou acoplamento de avanço.

FIGURA 22 – DISPOSITIVO DE AVANÇO AUTOMÁTICO

Ainda, os contrapesos (1) vencem a força das molas que transmitem o movimento angular para o eixo torcional (2), que, por conseguinte, o move no sentido contrário de giro da árvore de comando, proporcionando o avanço necessário.

O combustível acaba percorrendo um chamado circuito do reservatório até o pistão.

FIGURA 23 – CIRCUITO DO COMBUSTÍVEL Circuito de Combustível

1 - Reservatório de combustível 2 - Válvula de pré aquecimento de

combustível

3 - Filtro de combustível 4 - Bomba alimentadora

5 - Válvula elétrica de desligamento 6 - Bomba de alta pressão

7 - Rail 8 - Injetores

9 - Válvula reguladora de pressão 10 - Tubulação de retorno

11 - Radiador de combustível

FONTE: Martins (2006, p. 78)

(40)

As crescentes exigências de redução de consumo de combustível, tendo em vista menores índices de poluição e funcionamento mais silencioso, não são garantidos nos processos de injeção mecânica.

No sistema de injeção eletrônica, a geração de pressão e a injeção de combustível são separadas, o que significa que a bomba gera a alta pressão que está disponível para todos os injetores através de um tubo distribuidor comum.

Essa pressão pode ser controlada independentemente da rotação do motor. A pressão do combustível, início e fim da injeção, são precisamente calculados pela unidade de comando a partir de informações obtidas dos diversos sensores instalados no motor, o que proporciona excelente desempenho, baixo ruído e mínima emissão de gases poluentes.

A injeção direta Common Rail (CRS) comparada à injeção direta mecânica convencional é um método mais moderno. O combustível é armazenado num acumulador, chamado Rail, sob alta pressão de combustível. Assim, a pressão de injeção já está pronta, à disposição, ao iniciar a injeção. Além disso, a injeção é efetuada de forma seletiva por cilindro e pode ser livremente configurada à perfeição, também visando à pré-injeção. As vantagens mais importantes da injeção eletrônica Common Rail são relativas ao ruído de funcionamento do motor.

Devido à pré-injeção, é menos dura do que na injeção tradicional, e o rendimento é nitidamente mais alto que na injeção em antecâmara (injeção indireta). Com isso, produz-se também uma maior rentabilidade, assim como uma carga menor de material poluente no meio ambiente (MARTINS, 2006).

Os motores com gerenciamento eletrônico funcionam com um sistema de alimentação de combustível controlado eletronicamente. O mecanismo básico de injeção é conhecido como sistema bomba-tubo-bico e consiste numa unidade injetora por cilindro, interligada ao bico injetor, através de uma pequena tubulação de alta pressão. Os elementos alojados na unidade injetora-injetor, câmaras de pressão, descarga de combustível, válvula de controle de vazão e eletroímã de acionamento – são responsáveis pelo aumento da pressão e controle do volume de injeção de combustível que é conduzido ao bico e distribuído, de forma atomizada, na câmara de combustão (MARTINS, 2006).

FIGURA 24 – MECANISMO BÁSICO DE INJEÇÃO

(41)

3 SISTEMA DE ARREFECIMENTO

Um sistema de arrefecimento, ou seja, um sistema de resfriamento, tem por objetivo impedir que os elementos mecânicos do motor atinjam uma temperatura muito elevada ao contato com os gases da combustão, controlando a temperatura ideal dentro da faixa de operação do motor. É um dos sistemas mais importantes pois a manutenção da temperatura ideal de trabalho evita o desgaste. As folgas adequadas e a viscosidade do lubrificante também são responsabilidade do sistema de refrigeração.

O sistema de arrefecimento é o responsável pela troca de calor do motor com o meio ambiente, regulando sua temperatura de trabalho. O calor é transmitido ao fluido de arrefecimento que circula no bloco e cabeçote do motor e, posteriormente, dissipado para o ambiente ao passar pelo radiador. Um bom sistema de arrefecimento garante trabalho motor na faixa ideal de funcionamento, permitindo maior vida aos componentes internos e reduzindo consumo de combustível (BRUNETTI, 2012).

Nas máquinas térmicas que transformam energia calorifica obtida pela combustão dos combustíveis em energia mecânica através de árvore de manivelas, esta transformação é obtida pela mudança de estado, vaporização; de volume, compressão; de temperatura, combustão. Porém o calor total de combustão acaba se perdendo e o trabalho efetivo é apenas 35% do total.

FIGURA 25 – DISTRIBUIÇÃO DA ENERGIA DE COMBUSTÃO

A perda de calor do sistema durante os cursos de compressão e expansão contribui para redução em potência e eficiência, até cerca de 10% da potência e da eficiência do ciclo equivalente de ar/combustível. Um motor moderno, em geral, aproveita aproximadamente 30% da energia do combustível para seu movimento.

Os demais 70% são eliminados pelo calor. Esses valores podem variar em função de o motor apresentar uma versão equipada ou não com turboalimentador e

(42)

ar pós-arrefecido que complementam o circuito do sistema de arrefecimento do motor conforme Figura 26, que mostram os equipamentos que o compõem:

radiador que serve como reservatório, termostato para controle da temperatura, bomba da água e dissipador de calor. Tudo isso passando na parte inferior dos cilindros, acima dos comandos de válvulas.

FIGURA 26 – CIRCUITO DO SISTEMA DE ARREFECIMENTO DO MOTOR

Existem dois tipos comuns de subsistemas de arrefecimento: o arrefecimento a ar e o arrefecimento a água. Sabe-se que os elementos naturais, ar e água, são excelentes dissipadores de calor e que com mecanismos simples e econômicos esses elementos conseguem trocar o calor com o meio exterior com facilidade.

A seguir, há exemplos de arrefecimento a ar por aletas; em a) o fluxo de ar passa por aletas em forma de cunha que resfriam através do aumento da superfície de contato exposta ao ar e b) por ventilador, ou seja, o ventilador do motor é montado na parte posterior, aspira o ar e insufla sobre as aletas dos cilindros.

FIGURA 27 – ARREFECIMENTO POR A) ALETAS B) VENTILADOR

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Já o resfriamento arrefecimento a água compreende os seguintes elementos (TILLMANN, 2013):

• Bomba centrífuga de baixa pressão e alta vazão que recalca a água do radiador para o bloco do motor.

• Válvula termostática que atua como um dispositivo automático que permite normalizar rapidamente a temperatura do motor e a estabilização ideal de funcionamento do motor.

• Radiador cujo elemento de refrigeração tem a forma de um favo, tubular ou com tiras; a parte superior do radiador possui sempre uma saída de segurança chamada “registro”. Essa saída limita a pressão na circulação quando, por aquecimento, o volume do líquido aumenta.

• Ventilador, que se destina a provocar uma intensa circulação de ar através do elemento de refrigeração do radiador.

• Câmara de água em volta dos cilindros, dos assentos das válvulas e dos cabeçotes. Essa câmara possui na sua parte inferior uma entrada de água fria e na parte superior uma saída de água quente; frequentemente, coloca-se um bujão de esvaziamento no local mais baixo da câmara de água.

Outros elementos importantes do subsistema de arrefecimento é o tanque de expansão, Figura 28, que atua como um reservatório incorporado ao sistema principal com a finalidade de receber o volume de água proveniente da expansão pelo aquecimento e de reintegrar este fluido ao sistema, quando ocorrer contração do volume pelo seu resfriamento.

FIGURA 28 – RADIADOR E SEUS COMPONENTES

A tampa do radiador tem a função de pressurizar a água do sistema de arrefecimento para retardar o ponto de ebulição (ponto de fervura), reduzir as perdas pela evaporação e evitar o fenômeno da cavitação.

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• Retardar o ponto de ebulição (ponto de fervura).

• Reduzir as perdas pela evaporação.

• Evitar o fenômeno da cavitação.

A tampa do radiador possui dois elementos de válvulas. Um maior e outro menor: o maior limita a pressão formada pelo aquecimento da água, e o menor localizado no centro da tampa, limita a depressão que se forma com o esfriamento da água (exemplo: uma parada prolongada do motor após um período de funcionamento).

Para evitar que no inverno a água congele, utiliza-se anticongelantes, por exemplo, junta-se a água álcool ou glicerina pura. O álcool dilui-se facilmente; a mistura permanece homogênea, mas como o álcool se evapora mais facilmente que a água, deve- se verificar a sua proporção periodicamente. A resistência ao frio depende da quantidade de álcool ou de glicerina que se adiciona à água. O acionamento de um motor cuja temperatura está baixa, próxima de 0º C, apresenta certas dificuldades e alguns perigos.

Se não houver lubrificação, o metal mais frágil poderá sofrer, sob o efeito de choques, um começo de ruptura pelo atrito frio (TILLMANN, 2013).

IMPORTANTE

4 SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO

O sistema de lubrificação tem como função distribuir o óleo lubrificante entre partes móveis do motor para diminuir o desgaste, o ruído e auxiliar no arrefecimento do motor. Nos motores de quatro tempos o óleo lubrificante é armazenado no cárter e o fluxo de óleo é feito sob pressão através de galerias existentes no motor. Nos motores de dois tempos do ciclo Otto o óleo lubrificante fica misturado com o combustível no tanque.

O sistema de lubrificação é composto por uma bomba que succiona o óleo do reservatório, pelo cárter, através do elemento pescador que o bombeia para a galeria principal do motor. Em motores turboalimentados, o óleo passa pelo trocador de calor onde é resfriado e direcionado aos filtros. Após a passagem pelos elementos filtrantes é encaminhado às demais partes do motor: mancais, cabeçote, balancins etc.

(45)

FIGURA 29 – RADIADOR E SEUS COMPONENTES

Os sistemas de lubrificação podem ser de quatro tipos:

1. Sistema de mistura com o combustível: é o utilizado nos motores de 2 tempos do ciclo OTTO, o óleo é misturado no combustível na proporção de 1:20 a 1:40.

2. Sistema por salpico: utilizado em motores estacionários monocilíndricos de uso agrícola. Neste sistema, o pé da biela apresenta um prolongamento denominado pescador, uma bomba o alimenta com óleo e ao girar o motor este óleo é borrifado pelo pescador nas paredes dos cilindros e nas demais partes móveis no interior do bloco.

3. Sistema de circulação e salpico: neste sistema uma bomba força a passagem do óleo através de uma galeria principal contida no bloco do motor, ao mesmo tempo que abastece as calhas de lubrificação por salpico. Da galeria principal o óleo, sob pressão, é direcionado a passar através do eixo de manivelas, do eixo de comando de válvulas e do eixo dos balancins. O óleo que escapa dos eixos é pulverizado na parte superior das paredes dos cilindros, nos pistões e nos pinos das bielas.

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4. Sistema de circulação sob pressão: é muito utilizado nos motores de tratores agrícolas. O óleo, como próprio nome já diz, é utilizado sob pressão passando através dos eixos (manivelas, comando de válvulas e balancins). A parte superior dos cilindros e dos pistões é lubrificada pelo óleo que escapa de furos existentes nas conexões das bielas com os pinos dos pistões já a parte inferior das paredes dos cilindros e dos pistões é lubrificada pelo óleo pulverizado de furos existentes nas conexões da árvore de manivelas com as bielas. Devido à longa distância e diversas galerias percorridas pelo óleo neste sistema, o requerimento de pressão na maioria dos motores dos tratores varia de 15 a 40 psi (104 a 276 kPa), podendo em alguns casos chegar até 65 psi (448 kPa).

Os óleos lubrificantes, que são os fluídos utilizados na lubrificação de motores e sistemas de transmissão, apresentam como função:

• Diminuir atrito: com consequente diminuição do desgaste das partes em contato.

• Atuar como agente de limpeza: retirando carvões e partículas de metais que se formam durante o funcionamento do motor.

• Resfriamento auxiliar: nos motores de 4 tempos.

• Vedação: entre os anéis do pistão e a parede do cilindro.

• Redução de ruído: amortece os choques e as cargas entre os mancais.

Os lubrificantes são especificados conforme o gênero de trabalho exigido do motor, isto é, conforme a espécie de serviço a que este é submetido, correspondendo ao sistema de classificação de tipos de óleos, conforme Figura 30.

FIGURA 30 – ESPECIFICAÇÃO DE ÓLEOS LUBRIFICANTES

Motores de Combustão Interna