motores CI

MOTORES DE COMBUSTÃO MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNAINTERNA

JORGE R. HENRÍQUEZ GUERRERO

GRUPO DE ENGENHARIA TÉRMICA (GET)

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

JORGE R. HENRÍQUEZ GUERRERO GRUPO DE ENGENHARIA TÉRMICA (GET)


Motores de Combustão InternaIntrodução

São Máquinas Térmicas nas quais a energia química dos combustíveis se transforma em trabalho mecânico. O fluido de trabalho consiste nos produtos da combustão.

� A mistura ar-combustível queima dentro de um cilindro e por esta razão échamado de motor de combustão interna.

� Devido à queima da mistura de ar com combustível formam-se gases quentes que se expandem rapidamente, empurrando um pistão no interior do cilindro e transferindo este movimento para as demais partes mecânicas do motor.

� Podem operar consumindo combustíveis líquidos (gasolina, álcool, óleo combustível, Diesel, etc.) ou gasosos (gás natural, GLP, gases residuais ou manufaturados, etc.).


� Existem MCI do tipo rotativo (a grande maioria das turbinas a gás, motor Wankel, etc.) e do tipo alternativo (a pistão), sendo estes últimos subdivididos em motores de ignição por centelha ou Otto e de ignição por compressão ou Diesel.

� Os motores de ignição por centelha funcionam a 4 tempos (necessitam de duas rotações para completar um ciclo) ou a 2 tempos (necessitam de apenasuma rotação para completar um ciclo). São produzidos com potências que variam desde poucos quilowatts até cerca de 13 MW.

� A eficiência máxima dos motores de ignição por centelha de 4 tempos a gasolina assume valores que variam entre 27 e 30% (PCI), ou maior, no caso de motores que empregam taxas de compressão elevadas, como os a álcool ou a gás natural otimizados, chegando até a 35%.

� Os motores de ignição por compressão também podem funcionar a 4 ou a 2 tempos. No entanto, os motores diesel de 2 tempos não apresentam consumo de combustível superior aos de 4 tempos, como acontece no caso dos motores Otto, pois, na fase de admissão, o combustível não está presente, logo não háperdas pelo escape.


Os primeiros MCI do tipo alternativo foram desenvolvidos a partir de meados de 1800, quando alguns pesquisadores apresentaram seus protótipos.

� 1860 — J. J. E. Lenoir: primeira tentativa, sem compressão prévia da mistura ar-combustível, alcançando até 4,5 kW e eficiência máxima de 5%;

� 1862— Alphonse Beau de Rochas: patente francesa de um motor de quatro tempos;

� 1867— Nicolaus Otto e Fugen Langen: compressão da mistura e eficiência máxima de 11%;

� 1876— Nicolaus Otto: motor de quatro tempos, redução de 1/3 do peso do motor e 1/16 do curso do pistão, eficiência máxima de 14%;

� 1880 — Dugald Clerk e James Robson e Karl Benz: desenvolvimento do primeiro motor de dois tempos;

� 1892 — Rudolf Diesel: data da patente, demora 5 anos para construir o motor de ignição por compressão;

� 1957— Felix Wankel: primeiro teste bem-sucedido de um motor rotativo.

Histórico:


Em 1893 Em 1893 RudolfRudolf Christian KarlChristian Karl Diesel, Diesel, engenheiro francês nascido em Paris, engenheiro francês nascido em Paris, que desenvolveu o primeiro motor em que desenvolveu o primeiro motor em AugsburgAugsburg. . RudolfRudolf Diesel registrou a Diesel registrou a patente de seu motorpatente de seu motor--reator em 23 de reator em 23 de Fevereiro de 1897, desenvolvido para Fevereiro de 1897, desenvolvido para trabalhar com trabalhar com óóleo de origem vegetal.leo de origem vegetal.

Nicholas A.Otto(1832 Nicholas A.Otto(1832 –– 1891) 1891) ConstruConstruíí um motor operacional um motor operacional em em HolzhausenHolzhausen, Alemanha , Alemanha 1876, depois de ter inventado, 1876, depois de ter inventado, independentemente, o mesmo independentemente, o mesmo ciclo. O motor foi chamado ciclo. O motor foi chamado motor Otto silencioso. motor Otto silencioso.


Na França, em 1862, Beau de Rochas (1815-1893), listou as condições, sob as quais um melhor desempenho poderia ser obtido:

� Menor relação superfície/volume para o cilindro e o pistão;

� Processo de expansão o mais rápido possível;

Estas condições visavam a redução das perdas de calor a um valor mínimo, conservando a exergia nos gases de exaustão.

� Máxima expansão possível;

� Máxima pressão possível no começo do processo de expansão dos gases dentro do cilindro.

Estas visavam obter o máximo de potência possível.

De Rochas também indicou o método de operação desejável em um MCI:1. indução durante o deslocamento do pistão “para fora”;

2. compressão durante o movimento do pistão “para dentro”;

3. ignição da carga de ar-combustível no ponto morto superior do pistão, seguida por expansão durante o deslocamento seguinte do pistão, “para fora”;

4. exaustão durante o curso seguinte do pistão, “para dentro”.

Beau de Rochas patenteou o princípio do motor de 4 tempos (1862), mas não o desenvolveu comercialmente. Em 1876, o alemão Nicolaus Otto construiu um motor de quatro cilindros que funcionava com os principios estabelecidos por Beau de Rochas


A crescente adoção da geração elétrica descentralizada também tem levado a um aumento significativo das vendas de motores alternativos com potência entre 1 e 1O MW, principalmente em se tratando dos motores alimentados com gás natural, cujas vendas representavam 4% do mercado de motores para geração de energia elétrica em 1990.

Estes motores têm despertado interesse devido à sua eficiência (32-35% ou mais, base PCI), ao seu baixo custo inicial e à facilidade de manutenção, resultado de uma infra-estrutura de serviços bem estabelecida.


Os motores alternativos também têm sido cada vez mais utilizados em sistemas de cogeração, onde é efetuada a recuperação do calor dos gases de escape, da água de resfriamento do motor e, em alguns casos, do óleo do sistema de lubrificação.

Nestas instalações;

A potência de eixo pode ser utilizada para:

Gerar eletricidade, Acionar uma bomba, um compressor ou qualquer outra carga

O calor recuperado pode ser utilizado para diversos fins:

Fornecimento de água quente para lavanderias, cozinhas de restaurantes, hotéis, calefação e também para produção de frio (água gelada) em sistemas de refrigeração por absorção.


Balanço energético típico de um motor alternativo (a gás natural):

Gases de escape: Pode-se reaproveitar até 29% da energia em forma de vapor (normalmente com temperatura entre 350 e 500 °C e pressão de 7 a 8 bar ou mais).

Sistema de arrefecimento do motor (resfriamento dos cilindros): o calor pode ser quase totalmente reaproveitado, porém a baixa temperatura (90 a 95 °C),

Sistema de resfriamento do óleo do motor: reaproveitamento em temperatura ainda mais baixa (50 °C) e que poderiam ser utilizadas para fins sanitários.

(Perdas com radiação)


Classificação dos Motores de Combustão Interna:

Existe uma grande variedade de MCI e, dependendo do enfoque, os motores podem ser classificados segundo diferentes características, conforme a seguir;

Segundo o método de ignição:

Esta é a classificação fundamental, que separa os MCI alternativos em dois grupos com características de operação e desempenho muito diversas (Otto e Diesel)

Ignição por centelha (em motores convencionais, onde a mistura ar + combustível é uniforme ou em motores de carga estratificada, onde a mistura ar + combustível não é uniforme)

A mistura de ar + combustível é admitida no cilindro e comprimida na câmara de combustão, iniciando a combustão por meio de um centelhamento proveniente da vela.

Ignição por compressão (em motores diesel convencionais e também em motores a gás quando se utiliza a injeção piloto de outro combustível)

Somente ar é admitido ao cilindro, comprimido e somente então o combustível é injetado. O calor do ar comprimido é que irá provocar a ignição da mistura espontaneamente

Ciclo Otto

Ciclo Diesel


Motor Ciclo Otto:

� Devido ao fato que a mistura ar-combustível é comprimida, torna-se necessário o uso de um combustível volátil, de rápida vaporização, que possa ser distribuído uniformemente no ar de admissão.

� Alem disso, a compressão da mistura ar-combustível pode resultar numa combustão espontânea e prematura durante o curso de compressão, originando um fenômeno conhecido como “batida de pino” do motor. Isto pode ser evitado introduzindo aditivos ao combustível para aumentar a capacidade de suportar maiores taxas de compressão (principalmente a base de chumbo).

� Considerações de ordem ecológica têm estabelecido severas limitações a este tipo de aditivos, forçando o uso de menores taxas de compressão nos motores de ignição por centelha.


Motor Ciclo Diesel: Ar é admitido na câmara de combustão (cilindro) e comprimido até taxas elevadas de pressão (e temperatura), suficientes para provocar a combustão espontânea do combustível.

� O combustível é injetado no final do processo de compressão.

� Devido à inexistência de combustível no processo de compressão, taxas de compressão maiores podem ser usadas no motor de ignição por compressão se comparado com o motor de ignição por centelha.

� Neste tipo de motores, o sistema de ignição (velas, cabos, bobinas e distribuidor) é eliminado.


Segundo o movimento do pistão

Alternativo (Otto, Diesel): Os motores alternativos possuem êmbolos que se movem para cima e para baixo ou para frente e para trás. Uma parte chamada virabrequim transforma este movimento alternado em movimento circular, giratório.


Rotativo (Wankel, Quasiturbine): Um motor rotativo, utiliza rotores no lugar de êmbolos. Os rotores produzem diretamente o movimento giratório. O motor de Wankel funciona de acordo com o ciclo OTTO


O motor Wankel, consta apenas de cilindro, de duas partes rotativas, árvore com respectivo excêntrico, volantes, massas de compensação e o pistão rotativo, que gira engrenado a um pinhão fixo.

Vantagens relativamente aos congêneres alternativos:

• Eliminação dos mecanismos biela-manivela com redução dos problemas de compensação de forças e momentos, bem como vibratórios;

• Menor número de peças móveis, o que poderá ocasionar construção e manutenção mais simples e de menor custo;

• Maior concentração de potência, logo menor volume e peso.

• Existência de torque e potências suaves a todas as velocidades

Problemas (desvantagens):

• Alto consumo de combustível (de certa maneira já resolvido)

• Problemas de vedação entre pistão e cilindro; e problemas de lubrificação, sendo que estes dois últimos já foram sanados.


Motor Motor QuasiturbineQuasiturbine

Em 1996 foi patenteado o motor Em 1996 foi patenteado o motor QuasiturbineQuasiturbine, uma evolu, uma evoluçção do ão do motor motor WankelWankel. .

Foi desenvolvido por uma equipe Foi desenvolvido por uma equipe formada pela famformada pela famíília canadense lia canadense SaintSaint--HilaireHilaire, chefiada pelo f, chefiada pelo fíísico Dr. sico Dr. Gilles Gilles SaintSaint--HilaireHilaire. .

No No QuasiturbineQuasiturbine, v, váárias das rias das desvantagens do motor desvantagens do motor WankelWankelforam eliminadas.foram eliminadas.


Segundo o ciclo de trabalho� 2 tempos

� 4 tempos

Motor a Quatro Tempos:O ciclo se completa a cada quatro cursos do êmbolo, de onde vem a sua denominação. Um ciclo de trabalho estende-se por duas rotações da árvore de manivelas, ou seja, quatro cursos do pistão.

No primeiro tempo, com o pistão em movimento descendente, dá-se a admissão, que se verifica, na maioria dos casos, por aspiração automática da mistura ar-combustível (nos motores Otto), ou apenas ar (motor Diesel). Na maioria dos motores Diesel modernos, uma ventoinha empurra a carga para o cilindro (turbocompressão).

No segundo tempo, ocorre a compressão, com o pistão em movimento ascendente. Pouco antes do pistão completar o curso, ocorre a ignição por meio de dispositivo adequado (no motor Otto), ou a autoignição (no motor Diesel).


No Terceiro tempo, com o pistão em movimento descendente, temos a ignição, com a expansão dos gases e transferência de energia ao pistão (tempo motor).

No quarto tempo, o pistão em movimento ascendente, empurra os gases de escape para a atmosfera.

� Durante os 4 tempos (ou duas rotações) transmitiu-se trabalho ao pistão só uma vez.

� Para fazer com que as válvulas de admissão e escapamento funcionem corretamente, abrindo e fechando as passagens nos momentos exatos, a árvore de comando de válvulas (ou eixo de cames) gira a meia rotação do motor, completando uma volta a cada ciclo de quatro tempos.



Motor Dois TemposOs motores deste tipo combinam em dois cursos do êmbolo as funções dos motores de quatro tempos, sendo assim, há um curso motor para cada volta do virabrequim. Normalmente estes motores não têm válvulas, eliminando-se o uso de tuchos, hastes, etc. O carter, que possui dimensões reduzidas, recebe a mistura ar-combustível e o óleo de lubrificação, deve ser cuidadosamente fechado pois nele se dá a pré-compressão da mistura.

1º Tempo - Curso de Admissão e CompressãoO êmbolo dirige-se ao PMS, comprimindo a mistura ar-combustível. As janelas de escape e carga são fechadas, abrindo-se a janela de admissão. Com o movimento do êmbolo, gera-se uma pressão baixa dentro do carter e assim, por diferença de pressão admite-se uma nova mistura ar-combustível-óleo lubrificante, que será utilizado no próximo ciclo. Pouco antes de atingir o PMS, dá-se a centelha, provocando a combustão da mistura, gerando uma força sobre o êmbolo. Inicia-se então o próximo ciclo. O virabrequim, neste primeiro tempo, dámeia volta, 180 graus.


2º Tempo - Combustão e EscapeNo PMS, dado início à combustão por meio de uma centelha (spark), o êmbolo é forçado até o PMI. Durante o curso, o êmbolo passa na janela de descarga dando vazão aos gases da combustão. Ao mesmo tempo o êmbolo abre a janela de carga permitindo que uma nova mistura ar-combustível entre no cilindro preparando-o para o novo ciclo e forçando os gases provenientes da combustão para fora (lavagem). O virabrequim dá meia volta, 180 graus, fechando o ciclo..


Segundo o número de cilindros� Monocilíndricos

� Policilíndricos


Segundo a utilização:

ESTACIONÁRIOS - Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como Geradores, máquinas de solda, bombas ou outras máquinas que operam em rotação constante;

INDUSTRIAIS - Destinados ao acionamento de máquinas de construção civil, tais como tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação fora-de-estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde se exijam características especiais específicas do acionador;

VEICULARES - Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, tais como caminhões e ônibus;

MARÍTIMOS - Destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso naval. Conforme o tipo de serviço e o regime de trabalho da embarcação, existe uma vasta gama de modelos com características apropriadas, conforme o uso. (Laser, trabalho comercial leve, pesado, médio-contínuo e contínuo)


�� ESTACIONESTACIONÁÁRIOSRIOS

Destinados ao acionamento Destinados ao acionamento de mde mááquinas estacionquinas estacionáárias, rias, tais como geradores, tais como geradores, mmááquinas de solda, bombas quinas de solda, bombas ou outras mou outras mááquinas que quinas que operam em rotaoperam em rotaçção ão constante.constante.


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O Wärtsilä-Sulzer RTA96-C: é o motor Diesel mais potente do mundo atualmente.

� É de dois tempos, turboalimentado.

� Fabricado em Aioi, no Japão, pela Diesel United com tecnologia Wärtsilä, de cujo site essas imagens foram colhidas, o RTA96-C impressiona.

� Está sendo produzido em versões de 6 a 14 cilindros em linha.

� Foi projetado inicialmente para aplicação em navios porta-container, mas encontra utilização em qualquer grande embarcação similar propelida por um único motor.



Segundo a disposição dos cilindros:• Em linha

• Opostos (boxer)

• Em V

• Em W

• Em estrela (radial)

• Etc.

Os motores de combustão interna policilíndricos permitem várias disposições dos cilindros.

Motores em Linha: Cilindros do motor alinhados em uma única linha


Motor em V: Motor formado por 2 conjuntos de cilindros em linha formando uma ângulo entre os dois conjuntos.

Esta configuração permite motores mais compactos que os motores em Linha

O ângulo formado depende do número de cilindros do motor

Os motores V6 (ângulo de 60º) e motor V8 (ângulo de 90º) são os mais comuns

Motor V8

Motores em V com mais de 8 cilindros podem ter mais de uma ângulo ideal

V10 (72º ou 144º); V12 (60º); V16 (45º, 90º ou 135º)


Motor em VR: É uma variante da configuração em V ou uma mistura de motor em V e motor em Linha

Motor radial (motor estrela): Nesta configuração os cilindros são dispostos radialmente. Foi muito utilizado para mover hélices de aviões.


Motor Boxer: Nesta configuração a disposição dos cilindros é oposta

Os cilindros se afastam e se aproximam simultaneamente

Este tipo de motor poderia ser considerado um motor em V com ângulo de 180º


Componentes Principais dos Motores de Combustão Interna

Os principais componentes de um MCI podem ser divididos em;

(a) Elementos fixos, (b) Elementos moveis e (c) Elementos auxiliares



Bloco: órgão estacionário fabricado de ferro fundido, onde são usinados os cilindros ou orifícios para a colocação dos pistões. Possui cavidades que constituem as galerias de escoamento da água de resfriamento; quando substituíveis são denominadas camisas d’água; na parte inferior estão os alojamentos dos mancais centrais onde se apóia o eixo de manivelas.


Cabeçote: fecha os cilindros e define parte da câmara de combustão, sendo preso ao bloco por meio de parafusos prisioneiros e por uma junta. Possui furos onde são instalados as velas de ignição ou os bicos injetores, bem como as válvulas de admissão e descarga, no caso de motores de 4 tempos ou de 2 tempos com válvulas de descarga.


Cárter: é também um órgão estacionário, fixado na parte inferior do bloco por meio de parafusos, sendo construído de alumínio ou ferro estampado. É o local onde se deposita o óleo lubrificante.


Cilindro: é o espaço por onde se desloca o pistão.

cilindro

Em alguns motores o cilindro é constituído por uma "camisa" que nada mais é que um tubo cilíndrico colocado no bloco do motor e que possibilita a circulação de água em sua volta, bem como uma fácil substituição em caso de desgaste.

Cilindro de uma motocicleta refrigerado a ar


Câmara de combustão: é o espaço livre entre o ponto morto superior e o cabeçote, onde se procede a queima da mistura ar-combustível. Sua forma e o valor da taxa de compressão influenciam muito no rendimento e na potência do motor.

� Nela, a mistura ar/combustível do motor a gasolina, que entrou pela válvula de admissão, será comprimida e, após a faísca emitida pela vela, explodirá para que a expansão dos gases movimente o pistão e dê seqüência ao funcionamento do motor.

� Dependendo do grau de modernidade do motor, a câmara pode estar inserida no cabeçote ou na cabeça dos pistões – esse último mais comumente achado.

� Basicamente, o volume da câmara de combustão define a Taxa de Compressão do motor. Quanto menor for seu volume, maior será essa relação e, conseqüentemente, melhor o rendimento do motor. Todos os componentes que atuam em sua formação ou ao seu redor influenciam diretamente em sua eficiência: a posição das válvulas e o desenho dos dutos de admissão, por exemplo.


Câmara Hemisférica

A câmara do tipo hemisférica é considerada como o tipo mais adequado para ser usado nos motores de taxa de compressão não muito elevada.

Este tipo de câmara além de proporcionar ao motor um bom rendimento, possui ainda a vantagem de permitir o posicionamento da vela em uma zona central, minimizando assim a ocorrência do fenômeno da detonação.

Como desvantagem, este tipo de câmara obriga quase sempre a utilização do comando duplo, o que provoca um custo adicional do motor.

Os motores de taxa de compressão elevada, quando utilizam este tipo de câmara, devem possuir um rebaixamento na cabeça do pistão para não interferir com as válvulas.


Câmara Triangular

A câmara triangular, assim como a hemisférica, possui uma boa capacidade para não permitir a ocorrência da detonação, porém este tipo de câmara é pouco usada, porque além de apresentar os mesmos inconvenientes da câmara hemisférica, possui um menor espaço para as válvulas.

Câmara no Pistão

Este tipo de câmara é normalmente conhecida como “Heron”. Ela é empregada principalmente nos motores Diesel.A sua principal vantagem é a facilidade de construção e a desvantagem é a limitação dos diâmetros das válvulas.

Câmara Trapezoidal

Este tipo de câmara é utilizado nos motores de taxa de compressão alta.A sua desvantagem está na dificuldade de fabricação, devido a suaforma irregular.


Ponto Morto Superior e Ponto Morto InferiorSão nestas posições onde o êmbolo muda de sentido de movimento estando no seu máximo (PMS) ou no seu mínimo (PMI).

Curso do Pistão: distância percorrida pelo pistão no interior do cilindro.

Define também o volume total do cilindro.


Cilindrada

É o volume total deslocado pelo pistão entre o P.M.I. e o P.M.S., multiplicado pelo número de cilindros do motor. É indicada em centímetros cúbicos (cm³) e tem a seguinte fórmula:

cilindros

2

NCurso4

DC

π=

Tomando como exemplo o motor de um Ômega GLS (GM). De seu catálogo têm-se os seguintes dados:

Número de Cilindros 04Diâmetro cilindro 86,0 mmCurso do pistão 86,0 mmTaxa de Compressão 9,2:1 ( ) 3

2

cm23,199846,84

6,8C =

π=

Conhecido, no mercado, como 2.0 ou 2,0 litros


Taxa de Compressão:Relação matemática que indica quantas vezes a mistura ar/combustível ou simplesmente o ar aspirado (no caso dos diesel) para dentro dos cilindros pelo pistão é comprimido dentro da câmara de combustão antes que se inicie o processo de queima.

Assim, um motor a gasolina que tenha especificado uma taxa de compressão de 8:1, por exemplo, indica que o volume aspirado para dentro do cilindro foi comprimido oito vezes antes que a centelha da vela iniciasse a combustão

� Do ponto de vista termodinâmico, a taxa de compressão é diretamente responsável pelo rendimento térmico do motor.

� Assim, quanto maior a taxa de compressão, melhor será o aproveitamento energético que o motor estará fazendo do combustível consumido.

� Por esse motivo é que os motores diesel consomem menos que um similar a gasolina:funcionando com taxas de compressão altíssimas (17:1 nos turbodiesel e até 22:1 nos diesel aspirados), geram a mesma potência consumindo menos combustível.

� Há limitações físicas e técnicas para a simples ampliação da taxa. No primeiro caso, ocorre a dificuldade de obtenção de câmaras de combustão minúsculas. Já o seguinte apresenta restrições quanto às propriedades do combustível, i.e., técnicas, o quanto cada um “tolera”de compressão antes de se autoinflamar (octanagem).


A taxa de compressão obedece à relação

chamando de V a cilindrada do motor e v o volume da câmara de combustão (volume morto), têm-se:

Tomando como exemplo o motor de um Corsa Sedan GL (GM). De seu catálogo têm-se os seguintes dados:Motor a Gasolina:

Cilindrada 1.6 (1600 cm³) Número de Cilindros 04 Diâmetro do Cilindro 79,0 mm Curso do Pistão 81,5 mm Taxa de Compressão 9,4:1


Como a Taxa de Compressão já é dada, pode-se calcular então o volume da câmara de combustão v.

Pode-se então calcular a altura deixada no cilindro para a abertura das válvulas:


Com isso pode-se concluir que a Taxa de Compressão é uma propriedade inerente ao motor (bloco, cabeçote, pistões) e não ao combustível utilizado no mesmo.

Não se altera a Taxa de Compressão de um motor apenas modificando o tipo de combustível consumido.

Como exemplo, imagine que a altura (h) do cilindro que compõe o volume morto (câmara de combustão) tenha sido rebaixada de 0,6 mm. Qual será a nova Taxa de Compressão deste motor?

Assim, com a diminuição de 0,6 mm a Taxa de Compressão aumentará de 9,4:1 para aproximadamente 10,0:1.


Calcular a cilindrada de um motor de 6 cilindros, sabendo-se que:— O diâmetro do cilindro é igual a 70 mm.— O curso é igual a 80 mm.

Exemplos:

Calcular a taxa de compressão de um motor de 4 cilindros, cuja cilindrada mais o volume da câmara de combustão é igual a 1330 cm3. O diâmetro do cilindro e o curso são respectivamente de 80 mm e 60 mm.

Volume unitário: Volume Total:

Volume total das câmaras: Volume da câmara de um cilindro:

Taxa de compressão


Poder anti-detonante de um combustível (Octanagem)

Poder antí-detonante de um combustível é a capacidade que tem a sua mistura ar/combustível, de suportar elevados valores de taxas de compressão, sem que ocorra detonação.

O combustível com baixo poder antidetonante, em vez de se queimar progressivamente (como quando recebe a centelha da vela de ignição) explode, quando sofre compressão, solicitando assim bruscamente todos os órgãos do motor. Esta explosão produz, uma diminuição no rendimento do motor.

Causa também erosão nas superfícies sólidas da cabeça do pistão, furos no topo do pistão e quebras nos anéis.


Sendo M a massa do fluido presente no cilindro, quando aparece a centelha, uma certa massa de gás “MC”. próximo da vela entrará em combustão, deslocando-se em seguida para a direita (frente de chama)Quando o pistão atinge o PMS, antes que a massa de gás (que entrou em combustão) chegue à outra extremidade, o resto de mistura não queimada, (devido à alta pressão e temperatura a que está sujeita), explode, ocasionando o fenômeno da detonação.

Para se evitar o acontecimento da detonação, a vela de ignição, deve ser colocada em um ponto central e o mais perto possível da zona mais quente de modo a facilitar a propagação da combustão em todas as direções. Geralmente o ponto mais quente se situa perto da válvula de descarga. Como a forma da câmara de combustão está relacionada diretamente com o fenômeno de detonação, essa deve ser devidamente escolhida e as mais indicadas são as formas esféricas e as triangulares porque, permitem o posicionamento central da vela.


A detonação do combustível, produz um ruído metálico. Este ruído é conhecido popularmente como “batida de pino”.

O poder antidetonante é medido através da octanagem:

Um combustível de octanagem n é aquele que se comporta como se fosse uma mistura contendo n% de isoctano (C8H18) e (100-n)% de heptano (C7H16). Por convenção, o isoctano puro tem octanagem 100 e o heptano puro tem octanagemzero.

O fenômeno da detonação, pode ser causado pelos seguintes motivos:

a) Qualidade do combustível (baixa octanagem)b) Carga elevada no motor a baixa rotaçãoc) Forma de câmara de combustãod) Temperatura elevada do motore) Temperatura elevada da misturaf) Taxa de compressão elevada


Pré-ignição do combustível

O fenômeno da pré-ignição, se dá, quando a mistura ar-combustível entra em combustão, não por intermédio da centelha da vela e nem pela compressão, mas devido à formação de pontos quentes que dão início à combustão da mistura.

Este fenômeno será tanto ou mais frequente quando:

a) Maior for a temperatura do motor

b) Quando for usado um combustível de baixa qualidade (provoca um aumento da formação de carbono na câmara de combustão).

c) Quando for usada uma vela de grau térmico acima do especificado.


Vela de Ignição: A função da vela de ignição é conduzir a alta voltagem elétrica para o interior da câmara de combustão, convertendo-a em faísca para inflamar a mistura ar/combustível.

A capacidade de absorver e dissipar o calor é denominada grau térmico.

uma parte da energia térmica produzida no motor é absorvida pelas velas de ignição.


Injeção de combustível

INJEÇÃO DIRETA - É o sistema de alimentação no qual o combustível éjogado por um ou mais jatos precisamente orientados no interior do cilindro ou na câmara de combustão, Nesse caso, os injetores, sempre um por cilindro, são mecânicos e a pressão de injeção é maior do que a usada nos sistemas de injeção indireta.

INJEÇÃO INDIRETA - Introduz o combustível sob forma de jato finamente pulverizado no duto de aspiração nos motores a ciclo Otto e na câmara auxiliar nos motores a diesel


Controle da mistura ar-combustível (motores ciclo Otto)

Um sensor (sonda Lâmbda) mede a quantidade de oxigênio presente nos gases de escape e envia essa informação a uma central eletrônica, que calcula a dosagem da mistura ar-combustível podendo intervir para manter a dosagem dentro dos limites ideais


Sobrealimentação em motores:

Utilizado para aumentar a potência do motor sem necessidade de aumentar o seu tamanho (aumento do número de cilindros).

Consiste basicamente na elevação da pressão do ar no coletor de admissão acima da pressão atmosférica, fazendo com que, no mesmo volume, seja possível depositar mais massa de ar, o que significa que mais combustível poderá ser introduzido, resultando numa potência global maior.

Para melhorar os efeitos do turbo-alimentador, adiciona-se ao sistema de admissão de ar, um processo de arrefecimento do ar admitido, normalmente denominado de aftercooler ou intercooler, dependendo da posição onde se encontra instalado, com a finalidade de reduzir a temperatura do ar, contribuindo para aumentar, ainda mais, a massa de ar no interior dos cilindros.

Existem, basicamente, duas técnicas diferentes para a sobrealimentação;

A superalimentação A Turboalimentação


A superalimentação

Também conhecido por superalimentação mecânica.

Consiste numa técnica que utiliza um compressor acionado pelo do motor.

Contudo, o aumento no rendimento reduz-se, em parte, em conseqüência de perdas passivas pelo acionamento do compressor.

A potência para acionar um turboalimentador mecânico é até 15 % da potência do motor. Portanto, o consumo de combustível é maior quando comparado a um motor de aspiração natural com a mesma potência.


A turboalimentação é formada por um conjunto turbina-compressor. Os gases quentes que saem do motor acionam a turbina que, conectada ao compressor, permite que se admita uma massa de ar maior para o interior do cilindro, do que nos motores convencionais.

Não há nenhum acoplamento mecânico com o eixo do motor.

A Turboalimentação


Potência e RendimentoA energia mecânica desenvolvida por um motor é medida com precisão num banco de testes. É igualmente possível calcular esta energia com uma certa aproximação tendo em conta as particularidades do motor considerado. Em ambos os casos, determina-se a quantidade de trabalho mecânico efetuada em um dado tempo. Do resultado obtido, deduz-se a potência.

Recordemos que o trabalho mecânico é sempre composto dos dois fatores:1. uma força que se mede em newtons (N) e que atua por impulso ou por

tração;2. um deslocamento do ponto de ação desta força. Este deslocamento é

medido em metros na direção em que a força provoca o movimento.

Num motor, o impulso que atua sobre o pistão é determinado pela pressão dos gases durante a explosão e, depois da explosão, durante a expansão.

• Durante a explosão, a pressão aumenta, depois baixa rapidamente no início e mais lentamente em seguida, até o fim do curso do pistão. No momento da abertura das válvulas de escape, a pressão no cilindro não passa de alguns bar.

• O impulso recebido pelo pistão é, portanto, variável, e o trabalho fornecido varia a cada posição do pistão.

• Na prática adota-se uma pressão média, que permite calcular o trabalho real fornecido pelo pistão durante o seu curso motriz.


Sabemos que uma parte do trabalho fornecido pelo pistão é absorvida pelos atritos internos do motor, pelos tempos mortos, pelos efeitos de inércia etc. Então, o trabalho efetivo disponível à saída do virabrequim é, portanto, mais fraco que o trabalho real fornecido pelo pistão.

Para calcular o trabalho efetivo disponível no virabrequim, adota-se uma pressão média mais fraca que a pressão média indicada. É a pressão média efetiva, que varia conforme os motores, o número de rotações e a relação volumétrica.

A pressão média efetiva (Pm) permite, então, calcular o trabalho efetivo fornecido pelo motor.• Este trabalho é tanto maior quanto maior é a superfície do pistão, • Quanto mais longo é o curso,• Quanto mais elevado é o número de cilindros.


Testes do freio (Dinamômetros)

A potência efetiva desenvolvida por um motor mede-se por meio de um freio. O freio compreende sempre duas partes essenciais:

� uma parte móvel ligada ao motor e acionada por este último;� uma parte fixa provida de um dispositivo de frenagem que atua

diretamente sobre a parte móvel.

Um sistema de regulagem permite modificar a eficácia da frenagem.

� A parte fixa é montada sobre um eixo de oscilação (braço de alavanca de um metro).

� É estabilizada por uma carga variável por meio de contrapeso e de uma mola calibrada.

� Durante a frenagem, a parte fixa tende a ser acionada pela parte móvel. Aquela levanta o contrapeso e atua sobre a mola até à obtenção de uma posição de equilíbrio. Conhecendo, então, o valor dos contrapesos em kg, conhece-se igualmente o esforço desenvolvido pelo motor à periferia do dispositivo de frenagem. Este esforço tangencial denomina-se torque motor.


O torque (T) exercido pelo motor é:

A potência (P) desenvolvida pelo motor e absorvida pelo dinamômetro é o produto do torque pela velocidade angular, ou seja:

Freio de Prony:


Tipos de Dinamômetros

Freio de Prony: é formado por um simples tambor metálico frenado por sapatas de madeira. A sua regulagem é delicada; varia constantemente, e o aquecimento das sapatas necessita de uma irrigação contínua e desagradável para os operadores. Este freio é utilizado apenas para testes de fraca potência.

Freio Froude é um freio hidráulico. É composto por uma turbina que gira num carter vedado, munido de chicanas internas, e ligado aos contrapesos. Sob o efeito da turbina, a água atua sobre o cárter e tende a acioná-lo. Varia-se a eficácia da frenagem modificando as possibilidades de reação da água sobre as chicanas do cárter.


Freio a corrente de Foucault

É constituído por dois discos de função girando na frente das extremidades de potentes eletroímãs (campo eletromagnético). Estes últimos são solidários a uma estrutura móvel cujo deslocamento é controlado por um dispositivo de mola calibrada. O motor aciona os dois discos, excitando os eletroímãs, obtém-se um fluxo magnético fixo, que cria nos discos rotação importantes correntes elétricas (correntes de Foucault). A reação destas correntes tem por efeito frear a rotação dos discos, provocando uma tração nos eletroímãs. Variando a importância da excitação, varia-se a eficácia da frenagem. O regime do motor e o esforço (torque) registrado pela mola calibrada permitirão calcular a potência fornecida pelo motor.


Freio elétrico É constituído por um simples dínamo fixado a uma estrutura rígida. Mede-se a tensão e o débito da corrente produzida; deduz-se o número de watts, e, em seguida, tem-se a potência em kW. Mas o rendimento do dínamo não é constante. Varia conforme o número de rotações por minuto e o número de watts produzidos. Cada medida deve ser corrigida por um fator de rendimento diferente que se marca sobre um gráfico dado pelo fabricante do dínamo. As variações de frenagem são obtidas modificando a corrente de excitação por meio de um reostato.

Freio eletro-dinamométricoÉ igualmente constituído por um dínamo. Mas o estator deste dínamo é montado sobre um eixo oscilante, e é ligado igualmente a uma carga de contrapeso completada por um dinamômetro. A reação magnética do induzido tende a acionar o estator; o esforço de acionamento (torque) é medido em quilos pelos contrapesos e pelo dinamômetro. O rendimento do dínamo não entra em conta.Modifica-se a eficácia da frenagem por uma mudança da corrente de excitação como no caso precedente. Este tipo de freio é recente, e é de manobra simples e precisa. Pode, por outro lado, funcionar como motor de lançamento e de acionamento para a rodagem do motor a frio. Permite medir as resistências internas do motor funcionando ociosamente, e dando, assim, indicações exatassobre as condições de funcionamento da superfícies de atrito.




CICLO MOTOR PADRÃO A ARCICLO MOTOR PADRÃO A AR

Ciclo Diesel e Ciclo Otto



[O-1] O pistão desloca do PMS ao PMI aspirando a mistura. A pressão no interior do cilindro é menor que a pressão atmosférica.

Ponto 1: A válvula de aspiração se fecha e o pistão se desloca ao PMS comprimindo a mistura

Ponto 2: A vela solta uma faísca dando início à combustão que eleva bruscamente a pressão no interno do cilindro.

CICLO OTTO REAL:

Ponto 3: O pistão começa a deslocar em direção ao PMI aliviando a pressão interna.

Ponto 4: A válvula de descarga se abre provocando uma diminuição quase vertical da pressão.

[1-O] O pistão desloca do PMI ao PMS expulsando os gases da combustão.


Diferença entre Ciclo Real e Teórico (ciclo Otto):

Os principais fatores responsáveis pela diferença entre o ciclo real Otto e teórico são:

a) Perdas por bombeamentoNo ciclo teórico as perdas por bombeamento são nulas, porque a aspiração e descarga são feitas à pressão constante, enquanto que no ciclo real isso não acontece.

b) Perdas pela combustão não instantâneaNo Ciclo teórico o calor é introduzido instantaneamente e a volume constante enquanto que no real a combustão se inicia antes do PMS.

c) Perdas pela dissociação do combustívelNo ciclo teórico não existe dissociação do combustível, enquanto no real o combustível se dissocia em elementos tais como CO2, H2 O, CO e outros compostos, absorvendo calor, (trabalho).

d) Perdas devido abertura antecipada da válvula de descarga. No ciclo teórico a abertura da válvula de descarga é considerada instantânea, enquanto que no real ela se abre antes do pistão atingir o PMI.


e) Perdas de calorNo ciclo teórico, as perdas de calor são nulas enquanto que no real elas sãosensíveis, devido à necessidade de refrigeração dos cilindros.

f) Perdas devido à variação dos calores específicos do fluidoOs calores específicos, a pressão constante Cp e a volume constante Cv de um gás real aumentam com a temperatura mas a sua diferença ésempre constante isto é, (Cp — Cv = R)

Porém, a relação K (Cp/Cv) diminui com o aumento da temperatura. Portanto, o valor da pressão e temperatura máxima obtida no ciclo éinferior à obtida quando os calores específicos são constantes.


CICLO DIESEL REAL: As transformações termodinâmicas do ciclo real Diesel são semelhantes ao ciclo Otto, variando somente na forma.

Por causa da alta taxa de compressão do ciclo Diesel pode-se verificar que os valores dos pontos de pressão de combustão do Diesel são bem superiores aos do ciclo Otto.


Diferença entre Ciclo Real e Teórico (ciclo Diesel): As diferenças são semelhantes às diferenças entre o ciclo Otto real e teórico.

[A] Injeção

[B] Perdas devido ao retardo da combustão

[C] Perdas devido a dissociação do combustível

[D] Perdas devido à combustão não instantânea

[E] Perdas devido à troca de calor com o meio ambiente

[F] Abertura da válvula de descarga

[G] Perdas devido à abertura antecipada da válvula de descarga

[H] Perdas por bombeamento


CICLO OTTO:


Primeira lei da termodinâmica

( )( )4343

1212

TTcuuw

TTcuuw

ve

vc

−=−=−=−=

Processos 1-2 e 3-4 isentrópicos e

Definindo a taxa de compressão:

vp cck =

[ ]kgkJuwq ∆=−

Pressão média efetiva (Pme)( )21 vv

w

deslocadoVolume

wP liqliq

me −==Pressão média efetiva (Pme)

( )21 vv

w

deslocadoVolume

wP liqliq

me −==


vp cck =

A eficiência aumenta com o aumento da taxa de compressão

No ciclo Otto o aumento na taxa de compressão é limitada pelo fenômeno de detonação


CICLO DIESEL: [ ]kgkJuwq ∆=−Primeira lei da termodinâmica

( )1212 TTcuuw vc −=−=

( )[ ] ( )[ ]344323324332 uuquuqwwwe −−+−−=+= −−−−

( ) 0432332 =−== −− qeTTcqq pin

( )[ ] ( ) ( )24232432 TTcTTcuuqw vpe −−−=−−= −

vp cck =

Pressão média efetiva (Pme) ( )21 vv

w

deslocadoVolume

wP liqliq

me −==


Taxa de compressão:2

1

v

vr =

Taxa de expansão:

3

4

v

vre =

Razão de corte:2

3

v

v

r

rr

ec ==

A eficiência aumenta com o aumento da taxa de compressão

A eficiência aumenta com a diminuição da razão de corte









1. Geração Termelétrica; Planejamento, Projeto e Operação, Electo E. S. Lora e Marcos Rosa do Nascimento, Ed. Interciência, 2004.

2. Fundamentos da termodinâmica, Van Wylen – Sonntag – Borgnakke, Ed. Edgar Blucher, 6º ed., 2003

3. http://www.turbodriven.com/pt/turbofacts/principles.aspx

4. Thermodynamics: An engineering approach, Yunus A. Çengel e Michael A. Boles, Ed. McGraw-Hill, 5th edition, 2005.

5. Os motores a combustão interna, Paulo Penido Filho, Ed. Lemi S.A., 1983.

6. Internal combustion engine fundamentals, John B. Heywood, Ed. McGraw-Hill, 1988.

Bibliografia:

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