Práticas de Motores de Combustão Interna

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Indaial – 2020

P ^ráticas ^de M ^otores ^de c ^oMbustão i ^nterna

Prof. Marcelo Henrique Soar

1^a Edição

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Elaboração:

Prof. Marcelo Henrique Soar

Revisão, Diagramação e Produção:

Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI

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

S676p

Soar, Marcelo Henrique

Práticas de motores de combustão interna. / Marcelo Henrique Soar. – Indaial: UNIASSELVI, 2020.

176 p.; il.

ISBN 978-65-5663-217-9 ISBN Digital 978-65-5663-218-6

1. Motores de combustão interna. – Brasil. Centro Universitário Leonardo Da Vinci.

CDD 621.4023

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a Presentação

Caro acadêmico, bem-vindo à disciplina de Práticas de Motores de Combustão Interna. Aprenderemos sobre os principais conceitos necessários referente à teoria de motores a combustão, assim como as aplicações práticas desses conceitos na engenharia.

Este livro está dividido em vários tópicos que tratam de assuntos distintos na área de motores. Cada tópico introduzirá a fundamentação teórica necessária e, ao final, será proposta uma prática experimental que permitirá verifiquemos os conceitos aprendidos e obtenham experiência prática nesse assunto.

Na primeira unidade do livro, estudaremos sobre os principais tipos de motores a combustão, as partes que o compõe e seu funcionamento, os detalhes do sistema de alimentação de combustível assim como um estudo da potência gerada e eficiência obtida em motores real e ideais.

Na segunda unidade, abordaremos sobre os diferentes tipos de combustíveis utilizados nos motores. Os sistemas de ignição, escoamento e exaustão dos gases e a performance dos motores também serão estudados nessa unidade.

Na terceira unidade, que é a última do livro, estudaremos o resfriamento de motores a combustão interna, o que inclui os conceitos de atrito, lubrificação e transferência de calor. Nesta unidade, também serão abordados os assuntos de turbocompressores e controle de poluentes.

Este livro foi desenvolvido para que você, acadêmico do método EAD (Ensino a Distância), encorajando não apenas o estudo, mais a prática, os exercícios, e a busca por materiais complementares, faça proveito de todas essas oportunidades e enriqueça a sua experiência.

Bons estudos!

Prof. Marcelo Henrique Soar

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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!

NOTA

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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.

Acesse o QR Code, que levará ao AVA, e veja as novidades que preparamos para seu estudo.

Conte conosco, estaremos juntos nesta caminhada!

LEMBRETE

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s ^uMário

UNIDADE 1 — CONCEITOS GERAIS DE MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA ... 1

TÓPICO 1 — TIPOS DE MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA ... 3

1 INTRODUÇÃO ... 3

2 O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA NA ATUALIDADE ... 3

3 COMBUSTÃO INTERNA E COMBUSTÃO EXTERNA ... 4

4 MOTORES ALTERNATIVOS A 2 TEMPOS E MOTORES A 4 TEMPOS ... 5

5 IGNIÇÃO POR FAÍSCA E IGNIÇÃO ESPONTÂNEA ... 8

6 ATIVIDADE PRÁTICA – MOTORES A GASOLINA DE 2 TEMPOS VS 4 TEMPOS ... 10

RESUMO DO TÓPICO 1... 12

AUTOATIVIDADE ... 13

TÓPICO 2 — COMPONENTES DO MOTOR ... 15

2 ESTRUTURA EXTERNA: BLOCO DO MOTOR, CÁRTER E CABEÇOTE ... 15

3 MECANISMO: PISTÃO, BIELA E VIRABREQUIM ... 18

4 VÁLVULAS, DUTOS E CAMES ... 20

5 ATIVIDADE PRÁTICA – ESTUDO DO TEMPO DAS VÁLVULAS ... 24

TÓPICO 3 — SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL ... 29

2 CARBURADOR ... 29

3 INJEÇÃO ELETRÔNICA ... 32

4 ATIVIDADE PRÁTICA – ESTUDO DO CARBURADOR E JATOS ... 33

TÓPICO 4 — CICLOS PADRÃO A AR E CICLO REAL ... 37

2 OS DOIS CICLOS: PADRÃO A AR E REAL ... 37

3 CICLOS PADRÃO A AR ... 38

3.1 CICLO OTTO ... 39

3.2 CICLO DIESEL ... 40

4 CICLO REAL ... 41

5 ATIVIDADE PRÁTICA – TESTE DE DESEMPENHO DE UMA MOTOR DIESEL DE 4 TEMPOS ... 46

LEITURA COMPLEMENTAR ... 49

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UNIDADE 2 — COMBUSTÍVEIS E PERFORMANCE ... 57

TÓPICO 1 — COMBUSTÍVEIS ... 59

2 TIPOS DE COMBUSTÍVEIS ... 59

2.1 GASOLINA ...61

2.2 DIESEL ...61

2.3 COMPOSTOS OXIGENADOS ...62

2.4 ÓLEOS VEGETAIS E GORDURAS ANIMAIS ...62

2.5 BIODIESEL ... 63

3 PROPRIEDADES ... 64

3.1 OCTANAGEM ... 64

3.2 PODER CALORÍFICO ...66

3.3 MASSA ESPECÍFICA ... 68

3.4 VOLATILIDADE ... 68

3.5 TEOR DE ENXOFRE ... 68

3.6 NÚMERO DE CETANO (NC)... 69

4 ATIVIDADE PRÁTICA – DETERMINAÇÃO DO PODER CALORÍFICO DE UM COMBUSTÍVEL POR BOMBA CALORIMÉTRICA ... 69

TÓPICO 2 — SISTEMAS DE IGNIÇÃO ... 75

2 IGNIÇÃO POR FAÍSCA ... 75

2.1 COMPONENTES DO MOTOR DE IGNIÇÃO POR FAÍSCA ... 75

2.2 FATORES QUE INFLUENCIAM NO SISTEMA DE IGNIÇÃO POR FAÍSCA ...76

2.3 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE IGNIÇÃO POR FAÍSCA ...77

2.4 CÁLCULO DO TEMPO DE IGNIÇÃO ... 81

3 IGNIÇÃO ESPONTÂNEA ... 82

3.1 COMPONENTES DO MOTOR DE IGNIÇÃO ESPONTÂNEA ... 82

3.2 FATORES QUE INFLUENCIAM NA IGNIÇÃO ESPONTÂNEA ... 83

4 ATIVIDADE PRÁTICA – IGNIÇÃO POR FAÍSCA VS IGNIÇÃO ESPONTÂNEA ... 83

TÓPICO 3 — EXAUSTÃO E EMISSÕES ... 89

2 SISTEMAS DE EXAUSTÃO ... 89

3 GASES EMITIDOS ... 93

4 CONTROLE DE EMISSÕES ... 94

4.1 CONTROLE DE EMISSÕES NOS MOTORES DE CICLO OTTO ... 94

4.2 CONTROLE DE EMISSÔES NOS MOTORES DE CICLO DIESEL ... 96

5 ATIVIDADE PRÁTICA – ANÁLISE DE GASES DE EXAUSTÃO POR APARELHO ORSAT ... 97

TÓPICO 4 — PERFORMANCE ... 103

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5 MAPAS DE DESEMPENHO ... 109

6 ATIVIDADE PRÁTICA – TESTE DE DESEMPENHO DE MOTOR À GASOLINA COM DINAMÔMETRO ... 110

UNIDADE 3 — RESFRIAMENTO E TURBOCOMPRESSORES ... 117

TÓPICO 1 — ATRITO E LUBRIFICAÇÃO ... 119

2 FUNDAMENTOS DO ATRITO ... 119

3 COMPONENTES SOB ATRITO ... 125

3.1 CONJUNTO DO PISTÃO ... 125

3.2 MANCAIS DO VIRABREQUIM ... 128

3.3 TREM DE VÁLVULAS ... 131

4 SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO ... 133

5 LUBRIFICANTES ... 134

6 MÉTODOS DE MEDIÇÃO ... 139

7 ATIVIDADE PRÁTICA – DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA DE ATRITO UTILIZANDO O MÉTODO DA LINHA DE WILLIAN ... 141

TÓPICO 2 — TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA ... 147

2 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ... 147

2.1 CONDUÇÃO ... 147

2.2 CONVECÇÃO ... 149

2.3 RADIAÇÃO ... 152

3 SISTEMA DE ARREFECIMENTO ... 153

4 BALANÇO DE ENERGIA ... 155

5 ATIVIDADE PRÁTICA – ESTUDO DO BALANÇO DE CALOR DE UM MOTOR A DIESEL A QUATRO TEMPOS DE UM CILINDRO ... 157

TÓPICO 3 — SUPERCOMPRESSOR E TURBOCOMPRESSOR ... 163

2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ... 163

3 TURBOCOMPRESSORES VS SUPERCOMPRESSORES ... 165

4 ATIVIDADE PRÁTICA – ANÁLISE DE UM MOTOR DE QUATRO TEMPOS DE CILINDRO ÚNICO COM COMPRESSÃO DUPLA ... 165

REFERÊNCIAS ... 175

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UNIDADE 1 — CONCEITOS GERAIS DE MOTORES A

COMBUSTÃO INTERNA

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

PLANO DE ESTUDOS

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

• distinguir os diferentes tipos de motor a combustão;

• identificar as principais partes que compõe o motor a combustão interna;

• desenhar o diagrama de válvulas;

• descrever o funcionamento do sistema de alimentação de combustível;

• calcular os principais parâmetros de um motor;

• determinar os fatores que são afetados pela variação da rotação do motor;

• aprofundar os conhecimentos por meio de atividades práticas.

Esta unidade está dividida em quatro tópicos. No decorrer da unidade você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.

TÓPICO 1 – TIPOS DE MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA TÓPICO 2 – COMPONENTES DO MOTOR

TÓPICO 3 – SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL TÓPICO 4 – CICLOS PADRÃO A AR E CICLO REAL

Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos CHAMADA

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TÓPICO 1 —

UNIDADE 1

TIPOS DE MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA

1 INTRODUÇÃO

Caro acadêmico, você está prestes a começar um novo passo em seus estudos e provavelmente está se perguntando: qual a importância de você aprender sobre motores a combustão interna?

Motores a combustão interna são um dos equipamentos mais utilizados na atualidade; praticamente todo carro que anda nas ruas hoje utiliza um motor a combustão interna para realizar a sua propulsão. No entanto, existem muitos tipos diferentes de motores.

Neste tópico, você estudará a classificação dos motores a combustão interna, e como afetam o seu funcionamento, incluindo o número de tempos, o modo de ignição, entre outros, e também verá uma breve discussão sobre as várias aplicações dos motores a combustão interna na atualidade.

2 O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA NA ATUALIDADE

O motor de combustão interna é um dos mais utilizados na atualidade, com a gasolina, um dos seus tipos de combustível, sendo o mais utilizado no mundo. Um exemplo clássico é o automóvel, que você com certeza já viu (FOGAÇA, 2016).

No ano de 2016, foram produzidos mais de 70 milhões de automóveis no mundo com mais de 1 bilhão de estimativa de carros presentes nas ruas. A China é a maior produtora, com quase 34% da produção mundial. O Brasil é o 9º colocado nesse ranking, produzindo mais de 1,7 milhões de carros naquele ano, portanto, existe um grande mercado para essa indústria, que vem crescendo com relação aos anos anteriores (WORLDOMETER, 2018).

Além disso, podemos citar também motocicletas, caminhões, trens, navios, entre outras máquinas de uso moderno que utilizam o motor a combustão. No entanto, não são motores idênticos utilizados em todas essas máquinas citadas;

cada uma apresenta um motor que é apropriado para suas especificações e particularidades, podendo alterar sua forma de ignição, forma do ciclo,

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Na Figura 1 você pode ver o motor de combustão interna presente em um automóvel. Perceba como o motor propriamente dito encontra-se na parte dianteira do carro, sob o capô da frente, que é o mais comum.

FIGURA 1 – MOTOR A COMBUSTÃO EM UM AUTOMÓVEL.

FONTE: < https://cutt.ly/GfEro0T>. Acesso em: 16 fev. 2020.

Perceba, na Figura 1, que existem também outros equipamentos que podem ser vistos acoplados ao motor e trabalham em conjunto com ele. Esses não estão limitados a ficar próximo a ele, mas estendem-se até a parte traseira do automóvel. Para um entendimento completo do funcionamento do motor a combustão, precisamos também entender o funcionamento desses sistemas complementares.

3 COMBUSTÃO INTERNA E COMBUSTÃO EXTERNA

A primeira distinção que deve ser feita é a de motores de combustão interna e externa, já que, neste livro, limitaremos nossos estudos a, apenas, os motores de combustão interna.

Para que o motor realize trabalho, é necessário que ele aqueça um fluido, chamado fluido de trabalho, que geralmente é ar ou água, e, que, através da pressão gerada pelo aquecimento, irá movimentar um mecanismo, que pode ser um pistão ou turbina, dessa forma, gerando energia mecânica.

Os motores de combustão interna são aqueles em que o combustível encontra-se misturado com o fluido de trabalho, enquanto que nos motores de combustão externa existem câmaras separadas, uma onde ocorre a queima do combustível e outra onde encontra-se o fluido de trabalho, que será aquecido (BRUNETTI, 2013). Na Figura 2 você pode observar um motor a combustão externa, na Figura 2a e um a combustão interna, na Figura 2b.

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TÓPICO 1 — TIPOS DE MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA

Como alguns exemplos de máquinas que utilizam motores a combustão externa podemos citar o motor a vapor, utilizados em veículos de grande porte como navios e trens, e os combustíveis mais utilizados por eles são carvão, óleos e madeira (SILVA; RODRIGUES; 2016).

FIGURA 2 – MOTORES DE COMBUSTÃO EXTERNA (A) E INTERNA (B)

FONTE: O autor

4 MOTORES ALTERNATIVOS A 2 TEMPOS E MOTORES A 4 TEMPOS

Os motores que realizam trabalho através do movimento alternado de um pistão são, por esse motivo, chamado de motores alternativos. Esses motores são divididos em duas classes principais: motores a 2 tempos e motores a 4 tempos (BRUNETTI, 2013).

Os motores a quatro tempos têm sua operação dividida em quatro etapas, que são caracterizadas pelo curso do pistão. Essas etapas estão ilustradas em detalhes na Figura 3 sendo elas:

1. Admissão.

2. Compressão.

3. Expansão.

4. Escape.

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FIGURA 3 – MOTOR A QUATRO TEMPOS. ETAPAS DE (1) ADMISSÃO, (2) COMPRESSÃO, (3) EXPANSÃO, (4) ESCAPE

FONTE: <https://cutt.ly/yfErTvr>. Acesso em: 16 fev. 2020.

Na Etapa 1, de admissão, a válvula de admissão é aberta, permitindo a entrada de ar dentro da câmara de combustão. Nessa etapa, o pistão se move do Ponto Morto Superior (PMS) até o Ponto Morto Inferior (PMI).

Na Etapa 2, de compressão, o pistão se move de forma a comprimir o ar e o combustível, o que leva a um aumento da densidade e temperatura do fluido na câmara, preparando para a ignição. Nessa etapa, o pistão se move do PMI ao PMS.

Na Etapa 3, ocorreu a ignição, aumentando subitamente a pressão dentro da câmara de combustão, o que empurra o pistão para baixo. Nessa etapa é que é extraído trabalho do combustível através do movimento do pistão, que será convertido em movimento do eixo em outras partes. Nessa etapa o pistão se move do PMS ao PMI.

Já na Etapa 4 foi extraído o trabalho possível do combustível, restando apenas permitir que o ar e combustível escape pela abertura da válvula de escape, permitindo que uma nova massa de combustível seja admitida através do retorno para a etapa 1. Nessa etapa o pistão se move do PMI ao PMS.

Note na Figura 3 que no eixo que existe na base do pistão ocorreram duas voltas completas entre as etapas 1 e 4, após o qual repete-se o ciclo. Isso indica que o pistão se moveu para cima e para baixo duas vezes, totalizando quatro movimentos por ciclo; por isso esse tipo de motor é chamado de motor a quatro tempos.

Já os motores a dois tempos, como o próprio nome sugere, possuem apenas movimento para cima e para baixo uma vez por ciclo, totalizando dois movimentos por ciclo. As etapas que constituem esse ciclo são:

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1. Admissão e Compressão.

2. Expansão e Escape.

Na Figura 4 você pode observar as etapas do motor a dois tempos. Note que foi adicionada uma figura do momento intermediário entre as duas etapas, que é a Figura 4b. Na Figura 4a podemos ver o momento da ignição, em que o fluido na câmara de combustão atingiu sua temperatura máxima e começa a forçar o pistão para baixo, que é o trabalho fornecido. Conforme o pistão se move para baixo, uma passagem de escape por onde o ar quente sai, pela esquerda.

Essa é a Etapa 2 da lista citada acima, de Expansão e Escape.

FIGURA 4 – MOTOR A DOIS TEMPOS NA COMPRESSÃO (A), DURANTE O PERCURSO (B) E NA EXPANSÃO (C)

(a) (b) (c)

FONTE: <https://cutt.ly/ifEtuiQ>. Acesso em: 16 fev. 2020.

Já na Figura 4c, vemos a etapa de admissão e compressão, em que o ar frio entra pela direita, ao mesmo tempo que o pistão inicia o seu percurso para cima, comprimindo o fluido em preparação para a ignição.

Perceba na imagem da direita da Figura 4 que a admissão e escape ficam abertas simultaneamente, o que faz com que parte da mistura ar-combustível que entra preparada para combustão acaba escapando e sendo perdida, o que é uma desvantagem do motor a dois tempos.

Outra diferença é que, no motor a quatro tempos, a mistura ar- combustível é inserida pelo topo, através das válvulas, enquanto no motor a dois tempos ela preenche a carcaça a qual o pistão ocupa, chamada de cárter. Essa é uma diferença importante pois o cárter no motor a quatro tempos é dedicado à lubrificação, enquanto que no motor a dois tempos, o cárter deve conter a mistura ar-combustível e o lubrificante ao mesmo tempo. Isso resulta em uma pior qualidade de lubrificação no motor a dois tempos.

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Perceba que o motor a dois tempos gera duas explosões no mesmo tempo que o motor a quatro tempos gera apenas uma, portanto você esperaria que ele produziria o dobro de trabalho. No entanto, devido às desvantagens discutidas de lubrificação e perda de combustível ele acaba sendo menos eficiente do que o motor a quatro tempos (BRUNETTI, 2013).

A Tabela 1 enumera as principais diferenças entre os motores de dois tempos e quatro tempos que foram descritas até aqui.

TABELA 1 – COMPARAÇÃO ENTRE OS MOTORES A DOIS TEMPOS E A QUATRO TEMPOS

Diferenças 4T 2T

Tempos x Ciclo útil 2 voltas manivela 1 volta manivela

Fator de tempos x=2 x=1

Sistema mecânico Mais complexo

Mais simples Ausência de:

Válvulas Eixo comando

Alimentação Boa

Perda de mistura no Ruim escape

Presença de lubrificante

Lubrificação Boa Ruim

Presença de combustível

FONTE: Brunetti (2013, p. 41)

Note que na tabela também foi incluída uma característica chamada de Fator de tempos, que é simplesmente o número de voltas da manivela que ocorrem em um ciclo térmico, conforme a Equação 1.

5 IGNIÇÃO POR FAÍSCA E IGNIÇÃO ESPONTÂNEA

Os motores a combustão interna necessitam de um mecanismo para causar a ignição do combustível. Existem dois mecanismos comuns: os motores de ignição por faísca, também chamados de motor Otto, e os motores de ignição espontânea, também chamados de motor Diesel.

Os motores de ignição por faísca utilizam um mecanismo chamado de vela de ignição, que você pode ver na Figura 5. Se você observar nas Figuras 3 e 4, pode ver também esse aparelho na posição no topo da câmara de ignição, assim como a faísca que ele gera na etapa quando ocorre a ignição.

(Eq. 1)

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FIGURA 5 – VELA DE IGNIÇÃO

FONTE: <https://cutt.ly/CfEuuom>. Acesso em: 17 fev. 2020.

Já os motores de ignição espontânea, não é necessário uma faísca, a ignição é feita pelo próprio processo de compressão. A compressão rápida gera um aumento de pressão e temperatura na câmara da combustão, o que faz com que a mistura ar-combustível chegue a uma temperatura alta o suficiente para queimar (BRUNETTI, 2013).

A temperatura para que ocorra a ignição espontânea depende do combustível sendo utilizado, como você pode ver na Tabela 2.

TABELA 2 – TEMPERATURA DE AUTOIGNIÇÃO

Temperatura de autoignição – TAI (°C)

Diesel Etanol Hidratado Metanol Gasolina E22

250 420 478 400

FONTE: Brunetti (2013, p. 35)

Nos motores de ignição por faísca a mistura ar-combustível é injetada já suficientemente misturada, enquanto nos motores de ignição espontânea apenas o ar é admitido, dessa forma, enquanto o combustível é injetado no momento logo antes da ignição, o que evita que a ignição ocorra antes da hora certa.

Por esse motivo, o motor de ignição espontânea necessita de uma alta pressão para injetar o combustível, já que deve superar a alta pressão gerada pelo próprio pistão, e torna-se complicado para garantir a combustão completa, devido à injeção ocorrer no último momento.

Outra diferença é a taxa de compressão do pistão (a relação entre o volume final e inicial), que é baixa no motor de ignição por faísca, justamente para evitar que ocorra a ignição espontânea, enquanto no motor de ignição espontânea, a taxa de compressão é alta justamente para garantir a autoignição.

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6 ATIVIDADE PRÁTICA – MOTORES A GASOLINA DE 2 TEMPOS VS 4 TEMPOS

Nesta prática, você estudará os motores a gasolina de 2 e 4 tempos utilizando modelos que servem para demonstrar os conceitos e as etapas e funcionamento de cada tempo do motor a combustão.

OBJETIVO

Estudar o funcionamento, princípios e detalhes construtivos de motores a gasolina de 2 e 4 tempos.

MATERIAL

1 Modelo de um motor a gasolina de 2 tempos.

1 Modelo de um motor a gasolina de 4 tempos.

PROCEDIMENTOS

1. Observar as quatro etapas dos motores a quatro tempos:

a. Admissão.

b. Compressão.

c. Expansão.

d. Exaustão.

1. Observar as etapas correspondentes dos motores a dois tempos:

2. Observar e identificar a função das várias partes do motor.

a. Cilindro.

b. Pistão.

c. Biela.

d. Câmara de combustão.

e. Válvulas.

f. Dutos.

g. Vela de ignição.

h. Virabrequim.

i. Eixo de cames.

j. Cames.

k. Carburador.

Para identificar as partes do motor e as suas funções, leia os Tópicos 2 e 3 desta unidade.

NOTA

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QUESTIONÁRIO

1. Qual o princípio de funcionamento do motor a quatro tempos?

2. Qual o princípio de funcionamento do motor a dois tempos?

3. Quais as principais diferenças entre os motores a dois e quatro tempos?

4. O que é a etapa de admissão?

5. O que é a etapa de compressão?

6. O que é a etapa de expansão?

7. O que é a etapa de escape?

UNI

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Neste tópico, você aprendeu que:

• Os motores a combustão dividem-se em internos e externos, os internos misturam combustível com o fluido de trabalho, enquanto os externos mantêm os dois em câmaras separadas.

• Ambos os tipos de motores a combustão são muito utilizados atualmente, como em automóveis, navios e trens.

• Os motores a combustão interna podem ser classificados em motores a quatro tempos e motores a dois tempos, que indica o número de movimentos do pistão por ciclo térmico.

• Os motores a quatro tempos extraem potência em apenas uma explosão para cada duas voltas da manivela, mas possuem maior eficiência de uso de combustível e de lubrificação.

• A ignição nos motores pode ocorrer através de uma vela de ignição ou da ignição espontânea que ocorre como resultado da compressão.

• A temperatura de autoignição depende do tipo de combustível sendo utilizado.

RESUMO DO TÓPICO 1

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1 Os motores a combustão possuem vários tipos de construção diferentes, o que leva a várias classificações: interno e externo, 4 tempos e 2 tempos, ignição por faísca e ignição espontânea, entre outros. Com base nesses conceitos, classifique em V para as verdadeiras e F para as falsas:

( ) Os motores a combustão externa são aqueles que misturam o ar e o combustível.

( ) Os motores de ignição espontânea utilizam a compressão do pistão para realizar a ignição.

( ) Os motores a 4 tempos realizam 4 voltas da manivela para cada ciclo térmico.

( ) Os motores a diesel são um exemplo de motor a 2 tempos.

Agora, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) V – V – F – F.

b) ( ) F – V – F – V.

c) ( ) V – F – V – F.

d) ( ) F – F – V – V.

2 Os motores a combustão interna podem ser classificados quanto ao número de cursos do pistão que realizam para cada ciclo térmico, sendo conhecidos como motores a 2 tempos e motores a quatro tempos. Com base nas características desses dois tipos de motores, associe os itens, de acordo com o código a seguir.

I - Motores a 2 tempos.

II - Motores a 4 tempos.

( ) Alimentação mais estável.

( ) Melhor lubrificação.

( ) Motor de mais simples construção.

( ) Não necessita de válvulas.

Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA:

a) ( ) II – II – I – I.

b) ( ) I – II – I – II.

c) ( ) II – I – II – I.

d) ( ) I – I – II – II.

3 Os motores podem ser classificados por ignição por faísca ou ignição espontânea. Como a escolha do tipo de motor de acordo com essa

AUTOATIVIDADE

(23)

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TÓPICO 2 —

UNIDADE 1

COMPONENTES DO MOTOR

1 INTRODUÇÃO

O pistão do motor, como resultado da explosão do combustível, gera a potência do motor a combustão interna, que é transferida para a manivela e para o eixo. No entanto, para que esse processo funcione corretamente, são necessários vários componentes básicos que servem diversas funções.

Entre essas funções, podemos citar a estabilidade estrutural, a admissão e sucção da mistura ar-combustível nos tempos corretos, transferência da potência obtida para o eixo e aplicação de lubrificação.

Neste tópico, estudaremos sobre os principais componentes do motor, incluindo o bloco do motor, cabeçote, cárter, pistão, biela, válvulas, entre outras partes equipamentos diversos que compõe o motor.

2 ESTRUTURA EXTERNA: BLOCO DO MOTOR, CÁRTER E CABEÇOTE

O bloco do motor é a estrutura principal, que tem a função de sustentação de todos os outros componentes do motor, assim como determinar a disposição dos cilindros, quanto ao seu número e posicionamento. O material com qual é confeccionado geralmente é ferro fundido ou alumínio (WEBMOTORS, 2016).

Na Figura 6 você pode ver um bloco de motor isolado. Perceba os furos cilíndricos maiores na área superior esquerda. Esses indicam que esse motor possui quatro cilindro, com mais quatro do outro lado. Perceba também os furos menores ao redor na mesma superfície; é nessa parte em que encaixará o cabeçote, que é a próxima parte que discutiremos. Por último, a parte inferior do bloco também irá se conectar à outra da mesma forma que a parte superior, que será agora o cárter (WEBMOTORS, 2016).

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FIGURA 6 – BLOCO DO MOTOR

FONTE: <https://cutt.ly/XfEfPD4>. Acesso em: 18 fev. 2020.

O cabeçote do motor fica na parte superior do bloco do motor e é responsável por controlar a saída e entrada de combustível na câmara de combustão, através de vários dispositivos contidos nele, como as válvulas e a vela de ignição para motores de ignição por fagulha (WEBMOTORS, 2016).

Na Figura 7 você pode ver um cabeçote do motor, onde estão visíveis também as válvulas, que podem ser percebidas pelas molas na parte superior. São utilizadas geralmente duas válvulas por cilindro, portanto, podemos determinar que o cabeçote dessa figura é para 4 cilindros, pois há 8 válvulas.

FIGURA 7 – CABEÇOTE DO MOTOR.

FONTE: <https://cutt.ly/5fEfNfA>. Acesso em: 18 fev. 2020.

O cabeçote é geralmente fixado ao motor através do uso de parafusos, com uma junta de vedação colocada entre essas ele e o bloco. O material com qual é confeccionado deve ser igual ao material do bloco (WEBMOTORS, 2016).

(26)

TÓPICO 2 — COMPONENTES DO MOTOR

O cárter é uma peça que é encaixada na parte inferior do motor e possui como principal função armazenar o fluido lubrificante. Um exemplo de cárter pode ser visto na Figura 8, em que está mostrado isolado, separado do resto do motor (WEBMOTORS, 2016).

FIGURA 8 – CÁRTER DO MOTOR

FONTE: <https://cutt.ly/hfEgu1m>. Acesso em 18 fev. 2020.

O cárter da Figura 8 está de cabeça para baixo! O cárter é uma chapa relativamente fina, e a parte que você vê é a parte externa que geralmente fica visível.

A parte inferior do cárter na figura é a que vai se encaixar na parte de baixo do motor, enquanto a parte superior ficará virada para baixo.

ATENCAO

Existem dois tipos de cárter: o cárter úmido e o cárter seco. O cárter úmido é o padrão, pois é significativamente mais barato de produzir e simples de construir e controlar. No cárter úmido o próprio cárter serve como reservatório de óleo, com uma bomba que transfere o óleo para o topo do motor, fazendo com que ele escorra pelos componentes, lubrificando-os, até cair de volta para o cárter.

A desvantagem do cárter úmido é que durante intensas acelerações, o óleo pode ser empurrado em certas direções dentro do motor, deixando outras regiões com pouca lubrificação. Para isso surgiu o cárter seco, que apenas serve para recolher o lubrificante, enquanto esse é armazenado em um tanque separado, e distribuído pelo motor através de um sistema mais preciso de bombeamento (KELLEY BLUE BOOK, 2018).

(27)

Um problema que pode acontecer com o cárter é o vazamento do óleo devido a um furo no componente. A condição do mesmo pode ser avaliada procurando por manchas de óleo na superfície inferior do cárter, verificando a presença de óleo nas juntas e observando se há desgaste da peça.

3 MECANISMO: PISTÃO, BIELA E VIRABREQUIM

O pistão é o mecanismo que fica diretamente em contato com a câmara de combustão, e possui a função de absorver a alta pressão na câmara e transformar em movimento linear para a biela.

O formato do pistão é aproximadamente cilíndrico e é feito de alumínio. Ao redor da superfície cilíndrica, perto do topo do pistão, existem dois tipos de anéis: os anéis de vedação, que impedem o vazamento de combustível pelo pistão e os anéis de lubrificação, que mantém o pistão lubrificado, movendo-se com mínimo atrito.

A biela é o elemento que conecta o pistão ao virabrequim, e converte o movimento linear de um em movimento giratório do outro. A biela é geralmente feita de aço forjado. Na cabeça da biela existe um pino para que essa se conecte ao pistão. No lado oposto a biela se conecta ao virabrequim em um contato que minimiza o atrito.

O virabrequim, também chamado de cambota, é o elemento que irá gerar o movimento giratório a partir do movimento linear do pistão. Para isso o virabrequim consiste em um eixo com formato excêntrico, o que faz com que a força linear que vem da biela seja convertida em movimento de rotação (WEBMOTORS, 2016).

A Figura 9 contém um exemplo desse sistema para um único cilindro.

Perceba como a biela incide sobre o virabrequim com o ângulo. Quando a explosão na câmara de combustão empurrar o cilindro e a biela para baixo, a força que será transmitida irá criar um momento no eixo, pois está fora do centro do eixo, o que resulta em torque e subsequente rotação.

(28)

FIGURA 9 – CONJUNTO PISTÃO-BIELA-VIRABREQUIM

FONTE: <https://cutt.ly/qfEgXzx>. Acesso em: 20 fev. 2020.

O movimento giratório é exatamente o objetivo do motor a combustão do automóvel, pois é esse o tipo de movimento que é utilizado pelas rodas.

Possuindo movimento giratório no virabrequim, tudo que resta é transmitir esse movimento para o eixo que contém as rodas do automóvel.

Na Figura 10 você pode observar um conjunto moderno de pistão-biela- virabrequim, em que o motor utiliza um arranjo de vários cilindros em linha.

Perceba que os pistões se encontram em posições diferentes do ciclo de combustão, a 180º um do outro. Isso é feito pois garante um movimento mais estável ao longo do tempo, ao invés de ter todas as explosões dentro do motor acontecendo ao mesmo tempo.

FIGURA 10 – CONJUNTO PISTÃO-BIELA-VIRABREQUIM PARA MÚLTIPLOS PISTÕES

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Você também pode perceber na Figura 10 que a disposição dos pistões é simétrica, ao invés de dois pistões para cima na esquerda e dois pistões para baixo na direita. Caso fosse construído dessa maneira haveria um binário de forças gerando um momento a cada ciclo, que se alternariam, gerando maiores vibrações no motor, mas na posição mostrada, as forças de lados opostos se cancelam, melhorando a estabilidade.

Os pistões geralmente possuem velocidade em torno de 5 m/s, independente do tamanho projetado do motor, desde motores pequenos para aeromodelos até motores grandes utilizados em navios. O motivo para isso é que os diferentes motores são produzidos com materiais similares, possuindo, portanto, resistência similar (FERGUSON; KIRKPATRICK, 2000).

4 VÁLVULAS, DUTOS E CAMES

Para cada cilindro presente no motor existem dois tipos de válvulas: a válvula de admissão, que é responsável por controlar a entrada de combustível na câmara de combustão e a válvula de escape, que é responsável por controlar a saída do combustível na mesma.

Os motores podem possuir mais de duas válvulas, sendo duas de admissão e duas de escape uma configuração comum em motores modernos. Assim pode- se relacionar o número de válvulas com uma nomenclatura comum: um motor de quatro cilindros, com quatro válvulas por cilindro seria chamado de dezesseis válvulas (16V), enquanto um de seis cilindros seria vinte e quatro válvulas (24V) (WEBMOTORS, 2016).

As válvulas de admissão e escape podem ser visualizadas na Figura 11.

Nessa figura você pode observar as seguintes partes que compõe ou são ligadas à válvula:

1. Cabeça, que é em forma de disco para fechar completamente o duto.

2. Haste cilíndrica.

3. Mola, que fecha a válvula após a pressão diminuir.

4. Tucho, ou impulsor, um elemento que empurra a mola.

5. Came, que controla o movimento do impulsor através da sua rotação.

6. Assento, ou sede da válvula.

7. Guia, dentro da qual a haste desliza.

(30)

FIGURA 11 – VÁLVULAS DE ADMISSÃO E ESCAPE

FONTE: <https://cutt.ly/tfEhb9a>. Acesso em: 18 fev. 2020.

Para que os cames realizem os movimentos de abrir e fechar as válvulas nos tempos certos, é utilizado um mecanismo chamado de árvore de cames que você pode observar na Figura 12. Esse possui um eixo onde são montados vários cames, que se encontram apontando para ângulos diferentes. Conforme a árvore de cames gira, os cames abrem e fecham as válvulas em diferentes tempos.

A árvore de cames, em um motor a quatro tempos, gira à metade da velocidade da rotação do motor, pois há apenas uma admissão e um escape para cada dois ciclos do pistão (FERGUSON; KIRKPATRICK, 2000).

O eixo do virabrequim e da árvore de cames tem um movimento que deve ocorrer em sincronia. Para garantir isso os eixos são conectados através de uma correia sincronizadora. Na Figura 12 você pode ver as polias dentadas na parte superior esquerda, que será conectado ao eixo diretamente abaixo delas por meio de uma correia. Perceba também como a polia da árvore de cames possui diâmetro maior do que o eixo do virabrequim, o que significa que a árvore de cames irá girar mais devagar; de fato, o diâmetro deve ser o dobro para que gire na metade da velocidade.

(31)

FIGURA 12 – ÁRVORE DE CAMES

FONTE: <https://cutt.ly/6fEhFBc>. Acesso em: 20 fev. 2020.

A árvore de cames na Figura 12 é um modelo chamado de Duplo Comando de Válvulas no Cabeçote (DOHC, do inglês). Existem também modelos onde há apenas um eixo que controla as válvulas em ambos os lados, chamado de Comando Simples de Válvulas no Cabeçote (SOHC, do inglês).

Existem também motores que utilizam um balancim entre os cames e a válvulas, conforme a Figura 13. Esse mecanismo permite transmitir a força do came até as válvulas a uma certa distância, e permite controlar o nível de força aplicada nas válvulas através da razão entre o comprimento dos dois braços do balancim.

FIGURA 13 – BALANCIM E CAME EM VÁLVULAS.

FONTE: <https://cutt.ly/FfEhBpI>. Acesso em: 21 fev. 2020.

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Os tuchos são elementos que servem para transformar o movimento dos cames em movimento linear para as válvulas. É importante que exista certa folga entre o tucho e o came ou balancim, conforme a Figura 14, pois permite a expansão térmica dos componentes quando o motor está aquecendo durante a partida.

FIGURA 14 – FOLGA DO TUCHO.

FONTE: <https://cutt.ly/lfEjyvC>. Acesso em: 21 fev. 2020.

A folga de tucho recomendada é de 0,30 mm a 1,50 mm, dependendo o motor e fabricante. O ajuste errado da folga pode causar erros no tempo de abertura e fechamento das válvulas. Em motores mais modernos a necessidade dessa folga já é menor (MARINERSGALAXY, 2017).

A incorreta regulagem das válvulas pode causar um número de problema no motor. Assista ao vídeo a seguir que mostra o método para medir a folga e como corrigi-las:

https://www.youtube.com/watch?v=TMd0QcWy918.

DICAS

A abertura e fechamento de válvulas deve acontecer em tempos aproximadamente iguais aos mostrados na Figura 15. Você pode perceber que, antes da ignição, a válvula de admissão abre um pouco antes do ponto morto

(33)

de escape inicia-se um pouco antes do pistão ser empurrado ao ponto mínimo durante a explosão. Esses tempos afetam a eficiência do motor, por isso não são necessariamente projetados para coincidir com os pontos mortos (FERGUSSON;

KIRKPATRICK, 2000).

FIGURA 15 – PERFIL DE ABERTURA E FECHAMENTO DE VÁLVULAS

FONTE: O autor

5 ATIVIDADE PRÁTICA – ESTUDO DO TEMPO DAS VÁLVULAS

Nos motores, a abertura e fechamento das válvulas, assim como a ignição do combustível não ocorrem exatamente nas posições de máximo e mínimo do movimento do pistão. As válvulas geralmente são projetadas para abrir ligeiramente antes e fechar ligeiramente depois das posições de máximo e mínimo.

A Figura 16 mostra um exemplo do diagrama que você deverá criar nessa prática. Perceba como a ignição e injeção de combustível ocorrem ligeiramente antes ao ponto de máxima compressão, e termina um pouco depois do ponto de máxima expansão. Para o escape é o contrário, abrindo um pouco antes da máxima expansão e fechando um pouco depois da máxima compressão.

(34)

FIGURA 16 – DIAGRAMA DE ABERTURA E FECHAMENTO DE VÁLVULAS

FONTE: <https://cutt.ly/tfEjVR4>. Acesso em: 22 fev. 2020.

OBJETIVO

Nesta atividade, você, acadêmico, estudará e desenhará o diagrama de abertura e fechamento de válvulas em motores Diesel a 4 tempos de um cilindro.

MATERIAL

1 Motor de testes Diesel a 4 tempos de um cilindro.

1 Nível.

1 Lápis de marcação.

1 Transferidor ou outro dispositivo para medir ângulo de virabrequim.

PROCEDIMENTOS

1. Afixar uma placa no corpo do motor que toca o volante do motor.

2. Marcar a posição de máximo e mínimo do centro do pistão no volante do motor com referência à placa afixada.

3. Marcar na placa afixada quando as válvulas de admissão e escape abrem e fecham conforme o volante do motor é girado lentamente.

4. Medir a folga das válvulas (tucho).

5. Marcar o tempo de ignição por fagulha no motor a gasolina e injeção de combustível no motor a diesel.

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TABELA 3 – TABELA DE OBSERVAÇÕES DE TEMPOS DE VÁLVULA

Tipos motorde

Folga de tucho Tempo das válvulas

Válvula de admissão

(mm)

Válvula escape de

(mm)

Válvula de

admissão Válvula de escape Tempo injeção de Abre (°) Fecha (°) Abre (°) Fecha (°) (°)

1.

Motor Diesel 4 tempos de um cilindro

FONTE: O autor

QUESTIONÁRIO 1. Defina tempo de válvula no motor a gasolina a 4 tempos.

2. O que é a válvula de admissão?

3. O que é a válvula de escape?

4. O que é ignição?

5. Quais são os tipos de sistemas de ignição comumente utilizados.

UNI

(36)

RESUMO DO TÓPICO 2

• Os motores a combustão são compostos de várias partes principais, entre esses as suas partes externas: o cabeçote, bloco e cárter.

• O bloco é a peça que determina a disposição e número dos cilindros.

• O cabeçote é a peça que contém as válvulas e velas de ignição, assim como o controle destas.

• O cárter possui principal função sendo a lubrificação adequada do sistema.

• O mecanismo de potência do motor consiste em três itens principais: o pistão, que recebe movimento linear da pressão da combustão, o virabrequim que recebe movimento linear e transforma em movimento rotativo, e a biela, que transfere forças do pistão para o virabrequim.

• As válvulas são de admissão e escape, podendo ser mais de um par por cilindro.

• As válvulas são movimentadas pelo eixo de cames que controla os tempos de abertura e fechamento das válvulas. Muitas vezes existe um balancim no mecanismo que ajuda a controlar a força exercida.

• Os tuchos são partes entre as válvulas e os cames ou balancim que transmitem o movimento linear para a válvula. Deve haver uma folga entre o tucho e o came/balancim de 0,35 mm a 1,50 mm.

• As válvulas não abrem e fecham exatamente no ponto morto superior ou ponto morto inferior. A posição exata de seu fechamento e abertura pode ser descrito pelo diagrama de abertura e fechamento de válvulas.

(37)

1 As válvulas são um dos principais componentes responsáveis pelo funcionamento dos motores de automóveis. Com base nesses conceitos, classifique em V para as verdadeiras e F para as falsas:

( ) A maioria dos motores usa apenas duas válvulas por cilindro.

( ) A velocidade do eixo de acionamento das válvulas, em um motor a 4 tempos, é a metade da rotação do virabrequim..

( ) Deve haver uma folha entre os tuchos e os cames para balancear a expansão térmica.

( ) A abertura da válvula de escape ocorre no ponto morto inferior.

Assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) V – F – F – V.

b) ( ) F – F – V – V.

c) ( ) V – V – F – F.

d) ( ) F – V – V – F.

2 Os motores a combustão interna são compostos por várias partes principais, como o bloco, cárter, cabeçote, entre outros. Com base nas partes dos motores e suas funções, associe os itens, de acordo com o código a seguir.

I - Biela.

II - Bloco do motor.

III - Cárter.

IV - Virabrequim.

( ) Armazenar o fluido lubrificante.

( ) Sustentação geral.

( ) Transformar movimento linear em movimento de rotação.

( ) Transmitir a força do pistão ao próximo elemento.

a) ( ) II – I – III – IV.

b) ( ) I – IV – II – III.

c) ( ) III – II – IV – I.

d) ( ) IV – III – I – II.

3 Para que o processo de combustão ocorra corretamente no cilindro, é necessário que um mistura ar-combustível seja inserida e retirada nos momentos certos com relação ao movimento do pistão. Descreva como é realizado a sincronização desses processos, e quais os mecanismos utilizados.

AUTOATIVIDADE

(38)

TÓPICO 3 —

UNIDADE 1

SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL

1 INTRODUÇÃO

No tópico anterior, estudamos as partes do mecanismo principal do carro, que é a região do motor onde ocorre a combustão a partir da mistura ar- combustível, e a energia liberada é transformada em energia de rotação para o virabrequim.

No entanto, existem diversas outras partes que são necessárias para gerar as condições corretas para que esse sistema funcione. Por exemplo: é necessário que entre uma mistura de ar combustível nas especificações corretas para que a eficiência da combustão seja boa. O sistema responsável por isso é chamado de sistema de alimentação de combustível.

Neste tópico, estudaremos sobre os principais componentes que formam o sistema de alimentação de combustível, incluindo o carburador e o sistema de injeção eletrônica, que são as duas formas mais utilizadas.

2 CARBURADOR

O sistema de alimentação de combustível do motor utiliza-se de uma bomba, que leva o combustível do tanque até o carburador e, após esse, até a câmara de combustão, já como uma mistura ar-combustível.

O carburador é um dos elementos mais importantes do motor a combustão interna, pois possui a função de misturar o combustível com o ar, que esse necessita para queimar de forma eficiente e permite controlar a velocidade do motor através da potência gerada. Essa mistura deve ser feita na razão correta de massa de ar para massa de combustível projetada.

A Figura 17 mostra um exemplo de um carburador Solex H30, utilizado em um fusca. Os carburadores podem construídos de três formas, dependendo da posição da entrada de ar, que pode ser superior, inferior, ou horizontal. Na Figura 17 podemos ver que a entrada de ar é por cima, na abertura maior do tubo (ENGGSTUDY, 2019).

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FIGURA 17 – CARBURADOR SOLEX H30 DE UM FUSCA

FONTE: <https://cutt.ly/RfExu5s>. Acesso em: 22 fev. 2020.

Os carburadores são compostos por diversas partes, com você pode observar na Figura 18. Entre as principais, podemos listar (REIS, 2015):

• Venturi.

• Injetor de descarga.

• Válvula de aceleração ou válvula borboleta.

• Câmara de flutuação.

• Boia.

• Filtro de entrada.

• Válvula de agulha.

• Válvula de estrangulamento.

FIGURA 18 – PARTES DO CARBURADOR

FONTE: <https://cutt.ly/DfExKVo>. Acesso em: 22 fev. 2020.

(40)

TÓPICO 3 — SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL

O combustível no carburador é primeiro admitido para a câmara de flutuação, através de bombeamento, onde estará aberto à atmosfera para manter sua pressão constante. Esse fluxo passa por um filtro para remover impurezas (ENGGSTUDY, 2019).

O injetor é a parte que adiciona combustível, o que é realizado na forma de um jato, em partículas que se misturam com o ar de forma a homogeneizar a mistura ar-combustível o máximo possível.

O ar é admitido da atmosfera, passando pela válvula de estrangulamento e chegando até a garganta do Venturi, o que causa um aumento da velocidade e diminuição da pressão. A diferença de pressão entre esse ponto no centro do Venturi com a câmara de flutuação é o que causa a injeção de combustível.

A válvula borboleta no final do Venturi controla o fluxo de ar e, por consequência, a potência gerada pelo motor. Um maior fluxo de ar levará a uma potência maior, e um menor fluxo será o oposto.

O carburador, na maioria dos carros modernos, já foi substituído por um sistema de injeção eletrônica, com o carburador sendo mais utilizado para motocicletas e automóveis utilizados em competições.

Uma das principais desvantagens do carburador é que a razão ar- combustível depende apenas da diferença de pressão entre o Venturi e a câmara de flutuação, sendo controlada apenas pela válvula borboleta. Devido a isso o carburador não é capaz de se adaptar a todas as possíveis condições de funcionamento.

Adicionalmente, a razão ar-combustível diminui abaixo do ideal para velocidades altas, e fica muito alta para velocidades baixas. A razão ar-combustível ideal varia dependendo ambos do tipo de combustível utilizado e das condições de operação do motor. Por exemplo: para um motor a gasolina em um carro que se move a velocidade constante, a razão ar-combustível ideal seria em torno de 15:1, ou seja, 15 g de ar para cada grama de combustível (ENGGSTUDY, 2019).

Já para o mesmo motor durante a partida, o ideal seria uma razão em torno de 9:1 (ou seja, 9 gramas de ar para 1 grama de combustível), o que significa uma mistura mais rica, pois há mais combustível em relação ao ar, já que é necessário maior energia para dar a partida. Para motores acelerando estaria em torno de 11:1 e 13:1, também mais rica do que a velocidade constante, pois precisa de mais energia. Para motores desacelerando, a razão é menor, podendo chegar a 17:1, ou seja, uma mistura com mais ar e menos combustível (CARTREATMENTS, 2020).

Como vantagens, podemos citar a maior simplicidade desse sistema, sendo de mais fácil construção e manutenção do que o sistema de injeção eletrônica,

(41)

3 INJEÇÃO ELETRÔNICA

O sistema de injeção eletrônica é uma tecnologia mais avançada comparado ao carburador, que é obrigatório para os automóveis comerciais lançados no dia de hoje, uma medida que foi adotada devido à menor emissão de gases poluentes quando se usa esse sistema (CHIPTRONIC, 2019).

O sistema de injeção eletrônica é composto por três partes: sensores, uma central de informações e elementos atuadores.

Os sensores possuem a função de medir a rotação, pressão, temperatura e proporção dos gases de combustão no motor e enviar essas informações para a central de informações, que irá utilizá-las para controlar a injeção do combustível na medida certa.

Os atuadores são os dispositivos responsáveis por realizar a injeção de combustível propriamente dita, com o injetor sendo o principal elemento. A Figura 19 mostra um exemplo de um injetor de combustível. O combustível entra pela direita do tubo e é injetado como um spray pelo lado esquerdo de maneira controlada.

FIGURA 19 – INJETOR DE COMBUSTÍVEL

FONTE: <https://cutt.ly/5fEcrNf>. Acesso em: 24 fev. 2020.

Na Figura 20 você pode observar uma vista de corte do mesmo tipo de injetor. Perceba como quando a solenoide é ligada, o caminho é aberto para permitir o spray de combustível. Por isso o nome “injeção eletrônica”, pois é um componente eletrônico que controla a injeção do combustível.

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TÓPICO 3 — SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL

FIGURA 20 – VISTA DE CORTE DE UM INJETOR COM (A) SOLENOIDE DESLIGADA E (B) SOLENOIDE LIGADA

FONTE: <https://cutt.ly/cfEcg8h>. Acesso em: 24 fev. 2020.

Os sistemas de injeção eletrônica são classificados em Single Point e Multipoint. Single Point indica que o sistema utiliza uma única válvula injetora, enquanto o Multipoint, que é o mais utilizado atualmente, utiliza várias válvulas injetoras.

A principal vantagem do sistema de injeção eletrônica, com relação aos carburadores, é a capacidade de se adequar para qualquer condição e velocidade do motor, fornecendo sempre a melhor razão ar-combustível. Isso resulta em maior eficiência do motor, e, consequentemente, menor consumo. Outra vantagem é na partida do motor, que é mais segura, enquanto que no carburador pode apresentar problemas, em especial em dias frios (CHIPTRONIC, 2019).

4 ATIVIDADE PRÁTICA – ESTUDO DO CARBURADOR E JATOS

O ar do carburador, ar entra pelo tubo de Venturi, enquanto que o combustível é inserido na forma de um spray. Nessa atividade prática, você observará esse funcionamento.

Assista o vídeo a seguir, que mostra um bico injetor desmontado, em que é explicada a função exercida por cada uma das partes e o princípio de funcionamento do bico injetor em geral. Link do vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=gpziNM9lK_A.

DICAS

(43)

OBJETIVO

Nessa atividade você estudará o funcionamento do carburador, incluindo assuas partes e os seus dispositivos de jato.

MATERIAL

1 Carburador com jato de partida e compensação PROCEDIMENTOS

1. Identificar as partes do carburador, incluindo:

a. Tubo de Venturi.

b. Garganta do Venturi.

c. Válvula de borboleta.

d. Bico injetor.

e. Jato principal.

f. Jato de compensação.

g. Câmara de flutuação.

h. Flutuador.

i. Válvula de agulha.

j. Jato de partida.

k. Parafuso de controle de ar.

2. Descrever a função de cada uma das partes.

QUESTIONÁRIO 1. Qual o propósito do carburador?

2. Onde ele é utilizado?

3. Qual a vantagem da parte de Venturi

4. Por que a injeção de combustível é realizada na garganta do Venturi?

5. Qual a razão de ar/combustível necessária durante a partida, operação normal e aceleração?

UNI

(44)

RESUMO DO TÓPICO 3

• O sistema de alimentação é responsável pela injeção de combustível na formação da mistura ar-combustível que será dirigida para o cilindro.

• O carburador é um equipamento usado para o sistema de alimentação, principalmente para motocicletas e carros de competição.

• O carburador utiliza um Venturi que diminui a pressão do ar e, através da diferença de pressão, injeta combustível em um spray no ar.

• O sistema de injeção eletrônica é uma alternativa moderna para o carburador, utilizado obrigatoriamente nos carros produzidos hoje.

• O sistema de injeção eletrônica possui melhor controle da razão ar-combustível, e pode considerar as várias variáveis do motor para injetar a quantidade certa.

• O injetor da injeção eletrônica utiliza de uma solenoide controlada eletronicamente para acionar a injeção do combustível.

• A injeção eletrônica pode ser feita na forma Single Point, que é com apenas uma válvula injetora, ou Multipoint, com várias válvulas injetoras.

(45)

1 Os carburadores são um dos modos de injeção de combustível utilizados em motores de combustão interna, sendo composto por várias partes, como válvulas, Venturi e câmara de flutuação. Com base nesses conceitos, classifique em V para as verdadeiras e F para as falsas:

( ) O ar acelera quando se aproxima do centro do Venturi.

( ) A câmara de flutuação deve estar à pressão atmosférica.

( ) Pode controlar o fluxo de combustível, mas não o fluxo de ar.

( ) O Venturi possui maior pressão na sua parte mais fina.

Assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) F – F – V – V.

b) ( ) V – F – F – V.

c) ( ) F – V – V – F.

d) ( ) V – V – F – F.

2 Os dois principais equipamentos que podem ser utilizados para realizar a alimentação de combustível no motor são o carburador e o sistema de injeção eletrônica. Com base nisso, associe os itens, de acordo com o código a seguir.

I - Carburador.

II - Injeção eletrônica.

( ) Apresenta razão ar-combustível imprecisa para rotações altas.

( ) Diminui a emissão de gases poluentes pelo motor.

( ) Obrigatório nos carros comercias hoje produzidos no Brasil.

( ) Utilização diferença de pressão para injetar combustível no ar.

a) ( ) II – I – II – I.

b) ( ) I – II – II – I.

c) ( ) II – I – I - II.

d) ( ) I – I – II – II.

3 O sistema de injeção eletrônica é o mais utilizado nos carros atualmente devido a certas vantagens que apresenta sobre o carburador. Explique quais são as três partes do sistema de injeção eletrônica, ressaltando suas vantagens.

AUTOATIVIDADE

(46)

TÓPICO 4 —

UNIDADE 1

CICLOS PADRÃO A AR E CICLO REAL

1 INTRODUÇÃO

As máquinas térmicas utilizadas na engenharia podem ser analisadas através da termodinâmica, em que o calor, a potência e a eficiência térmica podem ser calculados baseados nas condições de operação.

Através desse cálculo é possível projetar o motor para a potência desejada, com base no tipo e quantidade de combustível e ar, o formato e tipo do motor, sua rotação, entre outros fatores de projeto.

Neste tópico, estudaremos as descrições do funcionamento de motores a combustão interna pelos ciclos padrão a ar e ciclos reais, buscando calcular a eficiência e as outras propriedades do ciclo.

2 OS DOIS CICLOS: PADRÃO A AR E REAL

Uma das simplificações que se costuma realizar para facilitar a análise dos motores a combustão interna é a do ciclo termodinâmico ser um simples ciclo de máquina térmica em que calor é obtido de uma fonte quente e rejeitado para uma fonte fria, com trabalho sendo retirado. Essa simplificação é chamada de ciclo padrão a ar.

Essa modelagem ignora a presença do combustível, trocando-o por uma fonte de calor externa. A Figura 21 ilustra essa mudança, são desenhadas as partes principais desse ciclo assim como de um ciclo real.

(47)

FIGURA 21 – CICLO PADRÃO A AR E CICLO REAL

FONTE: O autor

As duas abordagens serão estudadas neste tópico, com os respectivos resultados que oferecem.

3 CICLOS PADRÃO A AR

As hipóteses do ciclo padrão a ar são (BRUNETTI, 2013):

1. O ar é o fluido de trabalho.

2. O ar pode ser considerado um gás ideal, seguindo a equação de gás ideal Pv=nRT.

3. A mesma massa de ar realiza o ciclo térmico, sem admitir novo ar ou liberar o ar utilizado. Apenas calor entra e sai, sem troca de massa.

4. A expansão e a compressão do pistão são realizadas de forma adiabática e reversível.

5. Ao invés de calor ser gerado na combustão, este vem de uma fonte quente externa equivalente.

6. O calor não utilizado é perdido para uma fonte fria, o que substitui o escape dos produtos da combustão e permite que o sistema volte as condições iniciais.

7. Todos os processos do ciclo padrão a ar são realizados de forma reversível.

Os principais ciclos que analisaremos aqui são os ciclos Otto, que são utilizados em motores a gasolina, e o ciclo Diesel, utilizados em motores a Diesel.

(48)

TÓPICO 4 — CICLOS PADRÃO A AR E CICLO REAL

3.1 CICLO OTTO

O ciclo Otto busca aproximar os motores que utilizam ignição por faísca, sendo composto por quatro etapas principais, conforme a Figura 22, que mostra os diagramas P-v e T-S desse ciclo. As quatro etapas são:

• Etapa 1-2: Compressão isentrópica.

• Etapa 2-3: Fornecimento de calor isovolumétrico a partir da fonte quente.

• Etapa 3-4: Expansão isentrópica.

• Etapa 4-1: Retirada de calor isovolumétrica a partir para a fonte fria.

FIGURA 22 – (A) DIAGRAMA P-V E (B) DIAGRAMA T-S DO CICLO OTTO

FONTE: <https://cutt.ly/0fEbAgn>. Acesso em: 23 fev. 2020.

A primeira e terceira etapa podem ser comparadas com o movimento de compressão e expansão do pistão no motor real. A segunda etapa busca substituir a combustão do combustível dentro do cilindro, enquanto a quarta etapa equivale à saída dos produtos da combustão pelo escape.

Pela conservação de energia, o calor que entra no sistema deve ser igual ao calor mais trabalho que sai do sistema, portanto, podemos escrever o trabalho gerado conforme a Equação 2, onde é igual ao calor que entra na etapa 2-3 menos o calor rejeitado na etapa 4-1.

W Trabalho (J) Q Calor (J)

(Eq. 2)

(49)

A eficiência térmica η é definida como o trabalho retirado sobre o calor fornecido, conforme a Equação 3. Para o ciclo Otto especificamente, podemos escrever a eficiência em função das pressões 1 e 2, conforme a Equação 4.

3.2 CICLO DIESEL

O ciclo Diesel busca aproximar melhor os motores de ignição espontânea, sendo também constituído por quatro etapas principais, cujos diagramas P-v e T-S podem ser visualizados nas Figuras 23 (a) e 23 (b). As quatro etapas desses motores são:

• Etapa 1-2: Compressão isentrópica.

• Etapa 2-3: Fornecimento de calor isobárica a partir da fonte quente.

• Etapa 3-4: Expansão isentrópica.

• Etapa 4-1: Retirada de calor isobárica a partir para a fonte fria.

FIGURA 23 – (A) DIAGRAMA P-V E (B) DIAGRAMA T-S DO CICLO DIESEL

FONTE: <https://cutt.ly/lfEn4SD>. Acesso em: 23 fev. 2020.

A definição para a eficiência térmica dos motores é a mesma, mas para o ciclo Diesel, aplicando a equação de gás ideal, obtemos uma relação diferente para o seu cálculo, conforme a Equação 5.

(Eq. 3)

(Eq. 4)

(50)

TÓPICO 4 — CICLOS PADRÃO A AR E CICLO REAL

O termo entre colchetes no lado direito da Equação 5 é sempre maior do que 1, o que significa que para a mesma razão de compressão, o motor de ciclo Diesel possuirá eficiência menor do que o do ciclo Otto (BRUNETTI, 2013).

(Eq. 5)

Exemplo: um motor com razão de compressão de 10 pode ter seu funcionamento bem aproximado por uma constante adiabática de k=1,4. Se as temperaturas antes e depois do fornecimento de calor forem 600 K e 800 K respectivamente, calcule a eficiência se o ciclo for Otto ou Diesel.

Solução

Para o ciclo Otto:

Para o ciclo Diesel:

IMPORTANTE

4 CICLO REAL

Um ciclo real não se alinha exatamente com os ciclos Otto e Diesel, mas possui um diagrama P-v que apresenta similaridades, como podemos ver na Figura 24.

(51)

FIGURA 24 – DIAGRAMA P-V PARA UM MOTOR A QUATRO TEMPOS REAL

FONTE: <https://cutt.ly/mfEWFy0>. Acesso em: 23 fev. 2020.

Um método de análise dos motores a combustão interna é a análise da pressão na câmara de combustão ao longo do tempo. Como o processo é cíclico, pode-se plotar uma curva em que a pressão é mostrada como função do ângulo do virabrequim, que vai de 0 a 360° para motores a 2 tempos e de 0° a 720° para motores a quatro tempos. A Figura 25 é um exemplo desse tipo de gráfico para motores a dois tempos.

FIGURA 25 – GRÁFICO ÂNGULO DO VIRABREQUIM X PRESSÃO EM UM MOTOR A COMBUSTÃO

FONTE: <https://cutt.ly/DfET10o>. Acesso em: 23 fev. 2020.

Práticas de Motores de Combustão Interna