Disciplina:
Motores a Combustão Interna
Princípios Básicos da Operação de
Motores a Combustão Interna:
Motores de Combustão Interna
• Motor: Máquina projetada para converter uma forma de
energia em energia mecânica, podendo ser de diversos tipos: 1. Motores pneumáticos: convertem ar comprimido em
2. Motores elétricos: convertem eletricidade em movimento mecânico.
3. Motores a combustão: queimam combustível para gerar calor e com isto gerar força.
• Motores a combustão queimam combustível, o qual pode ser de origem fóssil, tal como gasolina, óleo diesel, óleo
combustível (não confundir com diesel), gás natural, ou de
fontes renováveis, tais como biometanol, biodiesel, metanol,
hidrogênio.
• Combustão externa: a queima ocorre em pressão atmosférica (motor Stirling, motor a vapor, etc.).
Motor combustão externa:
• Combustão interna: a queima ocorre em uma câmara de alta temperatura e alta pressão.
Motor combustão interna: motor diesel Motor combustão
• Motores a combustão interna possuem algumas vantagens sobre os de combustão externa:
1. Ausência de trocadores de calor no circuito do fluido de trabalho, tal como a caldeira e condensador de uma
instalação a vapor. Isto implica em simplicidade, menor peso, menor tamanho e evita-se as perdas no processo de
transmissão de calor.
2. Todas a peças podem trabalhar a temperatura bem abaixo da máxima temperatura cíclica, o que permite o uso de
temperaturas cíclicas elevadas, aumentando a eficiência do conjunto.
• Estas vantagens são de importância no campo de transportes terrestres, onde é essencial o pequeno peso e volume do par motor / combustível.
• Combustão interna: a queima pode ser contínua ou intermitente.
• Contínua: foguetes, turbinas a gás (aviões), turbinas a vapor
(navios de grande porte, geração de eletricidade).
Turbofan GP7200 Pratt & Whitney
Foguete Soyuz-FG
• Intermitente: grande variedade de tipos já inventados, mas os
de alguma relevância em termos de projeto ou de aplicação comercial são: motores de 4 tempos, 2 tempos, e rotativo Wankel.
Motor 2 tempos Motor 4 tempos
Motor de Dois Tempos
• O motor de dois tempos é um tipo de motor de combustão interna no qual ocorrem as etapas de admissão, compressão, expansão e exaustão de gases a cada volta do eixo.
• Existe uma grande variedade de tipos de motores de dois tempos. Devido a sua simplicidade e baixo peso, trata-se de um motor popular em aplicações de baixa potência, tais como motosserras, motocicletas e geradores elétricos portáteis.
• Por outro lado, são fabricados motores dois tempos de grande porte, tal como o maior motor de combustão interna do
• Motores dois tempos de pequeno porte não utilizam o cárter para conter o óleo lubrificante.
• A lubrificação é feita misturando-se óleo lubrificante ao
combustível (normalmente 1:40) seja diretamente no tanque de combustível, seja através de um dispositivo dosador
automático.
• Durante a funcionamento do motor, o lubrificante contido no combustível deposita-se nas superfícies deste, lubrificando os elementos mecânicos a medida em que passa da câmara de combustão para o cárter.
• Motores dois tempos de pequeno porte normalmente não tem válvulas, e sim duas janelas na parede da câmara de
combustão, comunicando o cilindro com o exterior (exaustão) e o cárter (admissão).
• No caso de motores dois tempos de pequeno porte, o
funcionamento pode ser descrito genericamente como segue: • À medida que ocorre o movimento ascendente do êmbolo,
este obstrui as janelas, e em seguida comprime a mistura gasosa existente na parte superior do cilindro.
• Ao mesmo tempo cria-se um vácuo no cárter, que força a admissão de ar atmosférico no interior do mesmo.
vela Mistura ar- combustível-lubrificante virabrequim Janela de admissão
O fluxo da mistura
ar-combustível-lubrificante é normalmente chamado de fluxo de limpeza.
• Quando o pistão atinge o PMS (ponto morto superior) ocorre a ignição, por meio da centelha na vela.
• Os gases em expansão devido a queima, levam o pistão ao PMI (ponto morto inferior), girando o virabrequim, e
liberando a janela de escape, permitindo a saída dos gases de combustão.
Gases de exaustão Janela de exaustão
Janela de transferência
• Além disso, o movimento descendente do pistão
aumenta a pressão no cárter, o que impele a mistura ar-combustível para o cilindro quando a janela de
transferência é aberta, além de impedir que os gases de exaustão se desloquem para o cárter.
• Existem dezenas de variantes do funcionamento aqui descrito, mas para motores dois tempos de pequeno porte esta
descrição atende razoavelmente na maioria dos casos. • Entretanto, motores de grande porte e elevada potência
utilizam uma dinâmica bastante diferenciada. Um dos
modelos de maior sucesso com motores diesel de grande porte, é o que utiliza o sistema “uni-flow”.
• No sistema “uni-flow” a mistura
ar-combustível, neste caso ar-diesel, entra por janelas próximas ao PMI do pistão, enquanto que os gases de escape saem através de uma válvula de escape,
disposta na área superior do cilindro. Assim, o fluxo de limpeza ocorre em uma única direção, e por isto o nome “uni-flow”.
• A adoção de válvulas em motores dois tempos não é incomum, podendo ser encontrada em motores de
motocicleta, motores diesel estacionários (Detroit Diesel), alguns pequenos motores de dois tempos marítimos (Cinza Marine), locomotivas diesel (Electro-Motive Diesel) e grandes motores de propulsão navais diesel, dois tempos (Wärtsilä).
• Outras soluções também são encontradas embora não sejam comuns em projetos atuais, tais como a adoção de dois
pistões no mesmo cilindro, operando em sentidos opostos (Junker Jumo, Napier Deltic).
Motor Quatro Tempos
• A maioria dos motores a combustão interna são baseados
neste ciclo, sendo aplicado para a fabricação de motores mais eficientes e menos poluentes do que os motores a dois
tempos, apesar da maior complexidade, peso e volume, comparando motores de mesma potência.
• A combustão ocorre na câmara de combustão (composto pelo cilindro, fechado na parte superior pelo cabeçote, e na parte inferior, pelo topo do pistão.
• Graças ao sistema biela-manivela, o movimento alternativo de translação do pistão é transformado em movimento rotativo no virabrequim.
• Os motores multicilindros associam os diversos cilindros
segundo geometrias variáveis: as mais usadas são as em linha ou em "V", mas existem também radiais, em "H“ (boxer), etc.
Motor em V
Motor em H, boxer Motor radial
• Por outro lado, o motor de combustão interna diesel não
utiliza centelha ou faísca para inflamar o combustível, uma vez que o diesel, quando injetado na câmara de combustão no
estágio final da compressão, entra em combustão
espontaneamente ao encontrar-se em elevada pressão e em contato com oxigênio.
Motor Rotativo Wankel
• O motor Wankel é um tipo de motor rotativo de combustão
interna, e que emprega um rotor ou rotores em forma de prisma, e não pistões, bielas e
virabrequim como usados nos motores alternativos de
combustão interna.
• Este tipo de motor carrega hoje o nome do seu inventor, o alemão Felix Wankel.
• Como já mencionado, o motor Wankel não utiliza pistões, bielas e virabrequim, não tendo assim qualquer movimento alternativo e empregando um número menor de peças.
• Isto faz com que não tenha massas que tenham de ser
aceleradas e desaceleradas continuamente, permitindo, em conjunto com o menor número de peças, um funcionamento com menos vibração e atrito, e consequentemente, mais
suave e silencioso.
• Estas características tornaram o motor Wankel atrativo
tecnicamente, mas dificuldades com a vedação interna entre câmaras, baixa durabilidade e alto consumo tem impedido
sua utilização em larga escala na área automobilística, embora tenha encontrado espaço consistente na motorização de
• De modo simplificado, pode ser afirmado que o “bloco” do motor Wankel consiste em uma câmara (3) cujo formato
interno se aproxima de dois círculos que se sobrepõem quase totalmente.
• Na câmara, o “pistão” do motor, o rotor (6) de formato
prismático, gira de forma excêntrica em relação ao eixo (8), o qual seria o equivalente ao virabrequim dos motores
• O formato do rotor e da câmara foi desenvolvido de modo que os três vértices do rotor estão sempre muito próximos da superfície interna da câmara, sendo que esta proximidade
funciona como uma vedação.
• O movimento do rotor faz com que o espaço entre as arestas do rotor e a parede interna da câmara varie continuamente, aumentando e diminuindo em acordo com a rotação.
Compressão
Ignição Exaustão
• Deste modo, a mistura ar/combustível é succionada pela baixa pressão da região de admissão (4a), pois esta encontra-se
aumentando de tamanho. Logo após, com o movimento do rotor, a mistura é conduzida e comprimida até a região de ignição (4b), onde sofre detonação por meio de centelha (9). Por fim, os gases de combustão são expulsos através da janela de escape (2), ao sofrerem compressão na região de exaustão.
Compressão Ignição Exaustão Admissão 4a 4b 4c
• Desta forma, verifica-se que todas as etapas do ciclo do motor quatro tempos (admissão, compressão, explosão e exaustão) também ocorrem no motor Wankel.
• Além disso, pode-se afirmar que todas as faces do rotor estão em três etapas diferentes todo o tempo, durante sua
operação. Compressão Ignição Exaustão Admissão 4a 4b 4c
• Entretanto, o formato que a câmara de ignição assume faz com que a queima da mistura seja incompleta, fazendo com que combustível não detonado seja eliminado na exaustão. • Esta característica, intrínseca ao seu projeto, faz com que o
motor Wankel tenha um consumo mais elevado, assim como maior nível de emissões de exaustão do que um motor
convencional de mesma potência.
• Outra particularidade é a questão da vedação entre os
vértices do rotor e as paredes da câmara. Devido a dilatação térmica e a necessidade de elevada precisão dos
componentes, esta vedação é difícil de ser obtida. Além disso, devido à rotação elevada, o motor Wankel gera mais calor um motor 4 tempos convencional. Estas duas características
juntas fazem com que este motor opere com máxima eficiência em uma faixa de rotações, o que reduz a versatilidade de operação.
• Embora o número de desvantagens frente aos motores alternativos sejam muitas, suas vantagens ainda fazem o motor Wankel atraente para muitos.
• Algumas das vantagens do motor Wankel (baixo nível de
vibração mesmo em alta rotação, baixo desgaste, vida longa, simplicidade de manutenção) o tornam atraente para o
consumidor comum
• Entretanto, são os aficionados de carros esportivos que tem especial atenção sobre este tipo de motor, pois sua
capacidade de entregar com rapidez elevada potência e torque, aliada ao pequeno tamanho e peso, permitem o projeto de carros com baixo centro de gravidade e alto desempenho.
Mazda RX-7 1997 Mazda 787B – vencedor na 24h Le Mans 1991
Motores Turbo-Jato
• Em julho de 1944 o Messerschmitt Me 262, equipado com dois motores turbojato Jumo 004B de 900 kg de empuxo
cada, tornou-se o primeiro avião a jato produzido em série a entrar em serviço operacional. Messerschmitt Me 262 A-1a
• Deste tempo para a atualidade, os motores à jato puro
evoluíram enormemente, porém os princípios fundamentais do funcionamento deste tipo de motor continuam
inalterados.
• O ar atmosférico entra no motor e é parcialmente
comprimido no difusor, sendo depois comprimido a uma taxa muito mais elevada no compressor, o qual pode ser do tipo centrífugo ou de fluxo axial.
• Este ar altamente comprimido entra na câmara de combustão, na qual uma quantidade suficiente de combustível é injetada continuamente.
• A mistura é queimada também de forma contínua, o que faz elevar a temperatura dos gases no ponto (4) até ≈930oC.
• O ar aquecido, contendo aproximadamente 25% de gases produzidos na combustão, expande na turbina, a qual é diretamente conectada ao compressor de ar.
• A rotação da turbina, portanto, é o que movimenta o compressor.
• Da turbina, os gases passam através de um tubo o qual pode ser equipado com um pós-queimador (não necessariamente). • Os gases, desta forma, expandem em uma saída de geometria
variável e são ejetados para a atmosfera em um jato de alta velocidade.
• Uma vez que os gases da exaustão da turbina contém uma grande quantidade de ar que não foi empregado na
combustão, a velocidade dos gases de saída pode ser
aumentada (e consequentemente, o empuxo) pela queima de combustível adicional no interior do bocal de saída.
• O dispositivo para realizar esta ação é denominado de pós-queimador.
• O pós-queimador, e é capaz de aumentar o empuxo em cerca de 35%. Na velocidade de ≈930 km/h, em uma emergência tática, o pós-queimador pode aumentar o empuxo em até 60%. Com o acionamento deste equipamento, a temperatura no ponto 7 (começo da redução no bocal de saída) pode
chegar a ≈1850oC.
