ESTUDOS SOBRE MOTORES DIESEL

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1 Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XVI ENCITA / 2010 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil 20 de outubro de 2010 ESTUDOS SOBRE MOTORES DIESEL Vitor Alexandre Carlesse Martins Divisão de Engenharia Mecânica Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil Bolsista PIBIC-CNPq vtacmartins@gmail.com Ezio Castejon Garcia Divisão de Engenharia Mecânica Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil ezio@mec.ita.br Resumo. Este trabalho tem por propósito fazer um compilado de conhecimento acerca dos motores Diesel. Pretende-se com isso auxiliar na formação sobre esse tema. Após pesquisa em bibliografias desse gênero foi concluída que a melhor forma de fazer esse estudo é dividi-lo nas seguintes partes como explicado a seguir. Na parte introdutória serão apresentadas características dos motores Diesel bem como fazer uma apresentação do conteúdo. O segundo tópico a ser abordado tratará dos componentes do motor Diesel e a terceira parte de formas de classificar tais motores. Em seguida serão tratados os principais sistemas que o compõe: sistema de combustível de lubrificação e de refrigeração além de um estudo sobre turbocompressores. Complementando os estudos de uma forma mais prática parte desse trabalho é fruto de pesquisas realizadas em retíficas de São José dos Campos e tem com foco a recuperação (retífica) desses motores. Ao longo desde trabalho serão vistos as aplicações dos motores diesel desde para finalidades estacionárias até os motores marítimos e também será abordadas algumas soluções tecnológicas atuais e comparações com os motores movidos a gasolina. Palavras chave: motores combustão interna motores diesel ciclo termodinâmico. 1. Introdução Os motores Diesel são um tipo especial de motores de combustão interna cuja principal característica que os faz diferir dos motores de ciclo Otto é a maneira com a qual ocorre a ignição do combustível. Neste motor durante a etapa de compressão do ar no cilindro a temperatura do ar aumenta de forma que quando o combustível na forma pulverizada entra em contato com o ar quente este combustível sofre ignição sem a necessidade de centelha primária. Por essa razão os motores Diesel são também chamados de motores à compressão. Comparativamente aos motores do ciclo Otto os quais a ignição dá-se por meio de uma centelha produzida por uma vela os motores do ciclo Diesel apresentam maior eficiência térmica uma vez que a sua taxa de compressão é mais elevada. Essa taxa de compressão é definida como a relação entre o volume total do cilindro ao iniciar-se a compressão e o volume no fim da compressão. Enquanto no ciclo Otto essa taxa segundo referência [1] está compreendida na faixa de 6 a 12: 1 considerando tanto motores à gasolina e a álcool no ciclo Diesel essa relação está entre 16 a 20: 1. Além disso para baixas rotações um grande torque proporcionado para tal motor fazendo com que tal motor seja ideal para trabalhos mais pesados como a movimentação de carga e o transporte. Quando utilizado para geração estacionária de energia os motores Diesel assim como turbinas a gás conforme referência [2] são ideais para ser utilizados em unidades geradoras de pico pois possuem características que permitem paradas e partidas várias vezes por dia. Devido à facilidade de partida estas unidades são utilizadas como unidade de emergência. Estas unidades são caracterizadas por baixo investimento de capital e alto custo de combustível. Naturalmente existem desvantagens dos motores Diesel quando comparados com os motores Otto. Para uma mesma potência o motor Diesel é mais pesado do que os motores do ciclo Otto e apresentam o inconveniente de apresentarem mais vibração de sua estrutura. Isso é decorrente da necessidade do motor Diesel ter estrutura mais reforçada do que os motores Otto. Outro ponto de desvantagem é relativo à questão financeira. O custo de investimento inicial dos motores Diesel é consideravelmente maior comparativamente aos motores do ciclo Otto. Com relação às perspectivas tecnológicas para a evolução dos motores Diesel algumas diretrizes devem ser levadas em conta. Considerando a preocupação ambiental quanto a poluição atmosférica o controle da poluição passou a ser um requisito de projeto para novos motores. Ademais o alto custo de combustível exige para novos projetos a redução do consumo de combustível do motor. Outras diretrizes a serem consideradas na evolução dos motores são o baixo custo de manutenção o gerenciamento eletrônico de sistemas do motor a utilização de materiais resistentes a altas temperaturas e a redução de vibração. 2. Componentes dos motores diesel Nessa seção serão considerados apenas os componentes essenciais para o entendimento do processo de transformação de energia química em energia mecânica que são os componentes internos. Um estudo das demais partes do motor será apresentado na seção 5 de sistemas do motor.

2 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Cada motor Diesel tem apenas poucas partes principais operantes no que se refere à transformação da energia química em mecânica por meio da combustão. As partes auxiliares são necessárias para manter juntas as partes internas operantes e para garantir o bom desempenho das funções delas. As principais partes internas são: Cilindro: é o local onde o combustível é queimado e a potência é desenvolvida. O interior do cilindro é formado por uma camisa que pode ser tanto seca quanto molhada. Nesta a refrigeração é feita por meio da circulação de água em sua volta. Sua substituição geralmente é mais fácil em caso de desgaste. Cabeçote do Cilindro: é a parte que encerra uma das bases do cilindro e usualmente contém as válvulas de admissão e exaustão de gases. Pistão: encerra a outra base da área de trabalho do cilindro. Ele transmite à árvore de manivelas ou virabrequim a potência desenvolvida pela queima do combustível. Nele existem anéis que tem a finalidade de promover uma selagem hermética entre o pistão e a camisa do cilindro. Tal vedação ocorre nos dois sentidos tanto a pressão da compressão como a passagem de óleo lubrificante para a câmara de combustão com a ajuda do próprio lubrificante. Tais anéis apresentam materiais e geometrias diferentes uma vez que um deles serve para oferecer maior resistência ao desgaste e ao calor enquanto outro tem o objetivo de controlar a lubrificação das paredes do cilindro do êmbolo e dos anéis. A distância que o pistão percorre entre um terminal do cilindro ao outro do Ponto Morto Superior (PMS) ao Ponto Morto Inferior (PMI) é denominado de curso do pistão. Biela: é o componente responsável pela transmissão da força do movimento alternativo para o rotativo. Uma das extremidades é ligada ao pino do pistão enquanto a outra tem uma junção com os moentes (casquilhos) que correspondem aos colos móveis da árvore de manivelas. Árvore de manivelas: também conhecida como virabrequim ou girabrequim é o eixo do motor responsável pela transformação do movimento retilíneo do pistão em movimento rotativo. Ela é formada pelos colos fixos (munhões) e móveis. Os colos móveis também chamados de moentes são onde trabalham as bielas. O virabrequim possui protuberâncias colocadas excentricamente para servir de contrapeso promovendo assim o balanceamento deste elemento giratório. Em uma extremidade existe um flange para adaptação de um volante. Na outra extremidade do virabrequim são acoplados flanges para adaptação de engrenagens ou polias para transmissão de movimento para o mecanismo de comando de válvulas bomba de injeção de óleo e alternador elétrico por meio de correias dentadas de borracha correntes de rolos de aço ou engrenagens. Na fabricação a superfície do virabrequim recebe o tratamento de cementação com a finalidade de deixá-la mais rígida. Volante: é um componente ligado à árvore de manivelas que tem como a finalidade de ganhar energia cinética proveniente da energia de combustão e por inércia manter-se girando durantes os períodos em que não há combustão nos cilindros. Além disso o volante tem papel também no sistema de partida do motor sendo que o volante constitui-se também de uma engrenagem que em geral possui segundo referência [3] 132 dentes e usualmente denominada de cremalheira do volante. Uma árvore de cames também chamada de árvore de comando de válvulas trata-se de um mecanismo acionado pela árvore de manivelas por meio de engrenagem ou correia e comanda de forma sincronizada o acionamento das válvulas de admissão e de exaustão do motor por meio de sistemas cames seguidores. O fechamento dessas válvulas é feito por meio de uma mola de válvula. 3. Classificações Os motores Diesel podem ser classificados de diversas formas de acordo com vários critérios a serem considerados. Uma forma de diferenciar os motores pode ser quanto ao tipo de sistema de arrefecimento que eles utilizam normalmente a água ou a ar. Outras formas de classificação dos motores encontradas na literatura em especial a referência [3] é quanto às aplicações que possuem e também uma classificação de acordo com a disposição dos cilindros no motor podendo ser utilizados cilindros em linha opostos dois a dois com pistões opostos e com cilindros em V. A seguir iremos propor algumas formas de fazer tais classificações: 3.1. Quanto a quantidade de cursos (ou tempos) Na linguagem usual diz-se que há motores de dois ou quatro tempos. No entanto conforme referência [4] existe uma confusão de conceitos de tempo e curso. Os motores diesel funcionam em 4 tempos sendo eles: Admissão Compressão Combustão e escape porém eles podem ser de 2 ou 4 cursos. Curso do pistão é a distância percorrida por este quando se desloca entre o ponto morto superior e o ponto morto inferior enquanto tempo é a denominação dada para cada etapa de um ciclo do motor. Nos motores de 4 cursos cada tempo é realizado em um curso do pistão e no motor de 2 cursos 2 tempos acontecem em cada curso. Entretanto na maioria das vezes a referência é a de motor de quatro ou dois tempos e não de quatro ou dois cursos de tal forma que deste ponto em diante não farei distinção entre uma ou outra denominação. Nesta subseção será explicado o funcionamento e a diferença entre esses dois tipos de motores.

3 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de Motor de quatro cursos (tempos) Um ciclo de trabalho estende-se se por duas rotações da árvore de manivelas ou seja quatro cursos do pistão. No primeiro curso com o pistão em movimento descendente do PMS ao PMI dá-se a admissão em que a válvula de admissão se abre e à medida que o pistão desce o ar entra de forma a ocupar o espaço dentro do cilindro. No segundo curso ocorre a compressão em que o pistão faz movimento ascendente. Pouco antes do pistão completar o curso começa a injeção de óleo Diesel por um sistema de injeção de combustível. Nesse curso tanto a válvula de admissão quanto o de escape ficam fechadas. O ar é comprimido de acordo com a taxa de compressão do motor e conseqüentemente a temperatura do ar e a pressão aumentam podendo chegar a 700 C e a cerca de 30 a 40 kgf/cm 2 conforme referência [4]. No Terceiro curso em que acontece a combustão com o pistão em movimento descendente temos a ignição com a expansão dos gases e transferência de energia ao pistão (tempo motor). Os gases ao dilatarem empurram o pistão para baixo fazendo o girar o virabrequim e movimentando o motor. Como a injeção de óleo Diesel não é instantânea a combustão dura tanto tempo quanto durar a injeção diferentemente dos motores de ciclo Otto em que a ocorre uma queima rapidíssima da mistura ar-combustível. Outra diferença importante é no que tange à pressão em que ocorre a combustão para os motores desses dois ciclos. A pressão no cilindro na combustão do ciclo Diesel chega a ser o dobro da pressão no cilindro de um motor de ciclo Otto. Isso acarreta na estrutura mais reforçada dos motores Diesel. No quarto tempo o pistão com a válvula de escape aberta empurra os gases de escape para a atmosfera. Durante os quatro cursos ou duas rotações transmitiu-se trabalho ao pistão só uma vez Motor de dois cursos (tempos) O ciclo motor abrange apenas uma rotação da árvore de manivelas ou seja dois cursos do pistão. No primeiro curso ocorre o escape e a admissão de ar. Com o pistão no PMI a válvula de admissão se abre com ar entrando de forma já pré-comprimida e com movimento de redemoinho empurrando os gases residuais de combustão que saem pela válvula de escape pela própria pressão dos gases de admissão. No segundo curso ocorre a combustão e o escape. No final do curso de subida inicia-se a injeção de óleo diesel pulverizado que ao entrar em combustão com o ar irá dilatar a mistura resultante e forçar o pistão para baixo. Vantagens: O motor de dois cursos com o mesmo dimensionamento e rpm dá uma maior potência que o motor de quatro tempos e o torque é mais uniforme. Além disso ele possui maior leveza e simplicidade de fabricação com relação ao motor de quatro cursos. Desvantagens: Consome mais combustível mesmo considerando menor peso morto com relação ao motor de quatro cursos. É mais poluente de forma que a combustão não é perfeita devido às suas características construtivas e trabalha a temperaturas maiores sendo necessária essária maior qualidade de projeto e fabricação com o intuito de não surgir trincas no bloco de cilindros Classificação quanto ao número de cilindros no motor A potência do motor está relacionada à quantidade de óleo diesel que sofre o processo de combustão e dessa forma para alcançar potências elevadas seria necessário um cilindro cada vez maior. Entretanto tal medida iria gerar pancadas bruscas do motor em que contrapesos seriam necessários serem alocados no girabrequim que dessa forma deveria ser estruturamente reforçado. A solução para isso é utilizar motores com vários cilindros. São normalmente produzidos motores de e 12 cilindros sendo também produzido de 2 cilindros para aplicações de pequenas potências. 4. O Ciclo diesel Figura 1: (a) Diagrama PV de ciclo Diesel padrão. (b) Típico ciclo Diesel real.

4 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 No ciclo Diesel padrão considera-se quatro transformações termodinâmicas. Da figura 1(a) a transformação entre os estados 1 e 2 é uma compressão isentrópica em que é realizado sobre o gás um trabalho W12. Assim pode-se tirar a seguinte relação entre as variáveis de estado temperatura e volume para os estados considerados: =( ) (1) Definindo a taxa de compressão (r) como segue: r= (2) Pode-se reescrever a Eq. (1) da seguinte forma. T =T r (3) Entre os estados 2 e 3 há o fornecimento de calor a pressão constante q 23 para o ciclo. q =mc (T T ) (4) O ciclo realiza trabalho W 34 entre os estados 3 e 4 numa expansão isentrópica. Logo: = =( ) (5) Sendo V 1 =V 4 e definindo a taxa de admissão (ρ) como: ρ= (6) Tem-se que = (7) A perda de calor q 41 do ciclo ocorre entre os estados 4 e 1 a volume constante. q =mc (T T ) (8) Do processo entre os estados 2 e 3 considerando a teoria de gás perfeito tem-se que: = =ρ. T =ρt r (9) Combinando as Eq`s (7) e (8) obtêm-se: T =T ρ (10) O rendimento do ciclo é calculado da seguinte forma: η= (11) Considerando a conservação de energia para o ciclo pode-se reescrever a rendimento da seguinte forma: η= =1 (12) Considerando o coeficiente de Poisson dado por: γ= (13)

5 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 E as Eq`s (4) e (8) pode-se reescrever a expressão para o rendimento como segue: η=1 ( ) ( ) (14) Substituindo as Eq`s (3) (9) e (10) na Eq. (14) e simplificando será obtido o rendimento térmico para o motor diesel padrão. η=1 ( ) ( ) (15) Apesar de o ciclo padrão Diesel teórico ter como vantagem facilitar os cálculos ele não representa o ciclo em sua realidade. A figura 1(b) retirada da referência [5] representa um diagrama pressão-volume típico de um ciclo real de motor diesel. Pode-se listar uma série de fatores que fazem o ciclo real diferir do padrão proposto para os cálculos. A forma com que o calor é fornecido ao gás pode não se dar de forma constante e depende do mecanismo de operação que se utiliza. Existe ainda o fenômeno descrito na referência [6] denominado atraso de ignição que consiste no tempo entre o início da injeção e o começo do processo de combustão. Ademais a compressão e a expansão consideradas no ciclo padrão não são isentrópicas. 5. Sistemas dos motores diesel 5.1 Sistema de Combustível O Óleo Diesel é um combustível que não queima com facilidade e para queimar rapidamente de forma limpa e com segurança ele deve ser pulverizado como um spray de aerosol. Além disso sabe-se que durante a compressão a pressão no cilindro pode chegar de 20 a 30 vezes a pressão atmosférica. Para pulverizar o combustível é necessária uma pressão muito maior da ordem de 170 atm. Estes dados numéricos foram retirados da referência [1]. É essencial que cada jato de combustível pulverizado no cilindro tenha quantidade muito bem dimensionada. Como cada esquichada de combustível no motor possue volume da ordem de poucos centésimos de mililitro caso cada injeção esteja desregulada de forma a exceder a quantidade de combustível em valores pequenos como 001 ml o consumo global do motor será consideravelmete grande. Dessa forma o sistema de injeção que é um sistema abrangido pelo sistema de combustível é uma da das mais sofisticadas partes do motor Alcançando pressões de quase 200 atm conforme referência [1] sendo responsável por dosar quantidades muito pequenas de combustível e ainda repetindo a injeção em até meio milhão de vezes por hora. A seguir serão listados os componentes com suas respectivas funções do sistema de combustível. Tanque: é um reservatório fechado que serve para armazenar o combustível que o motor necessita. Em tanques grandes de motores que são utilizados para transporte há a necessidade de defletores para evitar que o combustível não alimente o motor. Além disso é necessário um sistema de ventilação para deixar o ar entrar a medida que o combustível é consumido pelo motor. Filtro primário: é um filtro que tem por finalidade prevenir que impurezas e umidade alcancem o motor. Bomba de combustível: é responsável por retirar óleo Diesel do tanque e empurrá-lo para as demais partes do sistema. Em alguns motores existem bombas que podem ser operadas manualmente. Nesses casos o combustível pode ser bombeado sem que o motor esteja ligado. Filtro fino: É o componente que tem por missão remover partículas de sujeira que se tão pequenas podem não serem vistas a olho nu e que são capazes de fazer um revestimento fino sobre superfícies de componentes impossibilitando-os de operar. A bomba injetora é um componente essencial do motor pois é onde o combustível é pressurizado e quantificado em doses para cada jato se combustível que alcançará o cilindro. Na maioria dos motores Diesel utiliza-se um sistema de bomba em linha (figura 2(a)) dotada de um pistão para cada cilindro e acionada por uma árvore de cames movimenta um mecanismo que impulsiona o combustível quando o êmbolo motor (pistão) atinge o ponto de início de injeção no final do tempo de compressão. O controle de vazão de combustível ou seja a quantidade de óleo injetado em cada cilindro é feito por meio de um rasgo presente na lateral do pistão. Como esse pistão é giratório devido a uma cremalheira que é movimentada por meio de cabos conectados ao pedal do acelerador mais ou menos óleo combustível é injetado no cilindro. Esse pistão com seu respectivo rasgo está retratado na foto da figura 2(b).

6 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 2: (a) Foto de Bomba injetora em linha e bico injetor. (b) Pistão rotatório de bomba injetora Existem ainda outras formas de injeção de combustível. São eles o sistema de bomba rotativa sistema de injetores unitários e sistema de pressão e tempo. Os bicos injetores são dotados de paredes grossas com o intuito de resistir bem a altas pressões e são responsáveis por pulverizar o combustível. Os principais tipos de bicos injetores são os injetores mecânicos e os injetores eletrônicos ou controlados eletronicamente. Os injetores mecânicos podem ser de dois tipos: os injetores de orifícios ou injetores de agulha. Os injetores de orifício possuem dois ou mais orifícios trabalhando em altas pressões. Eles são utilizados em motores de injeção direta. Nos motores de injeção indireta são usados os injetores de agulhas que podem ter jatos convergentes ou divergentes sendo a forma do jato determinado pela extremidade da agulha componente deste injetor. Os injetores eletrônicos são acionados por comando eletrônico e apresentam funcionamento semelhante ao mecânico. Os bicos injetores assim como as bombas são fabricados para aplicações específicas geralmente não podem ser trocados entre modelos diferentes de motores. É necessário ter atenção especial quando for o caso de substituir bicos ou bombas injetoras para que sejam utilizados os componentes corretos sendo esse serviço realizado por firmas especializadas. Alguma parcela de combustível que é bombeado para o injetor pode não chegar ao cilindro. Essa quantidade de combustível retorna ao tanque pela chamada linha de retorno. O fluxo do óleo Diesel nesse sistema de combustível começa no tanque de onde a bomba de combustível leva ao filtro primário e secundário respectivamente. A partir daí o óleo Diesel segue para a bomba injetora e o injetor. A parcela de combustível que não atinge o cilindro retorna ao tanque de combustível. Cabe aqui discorrer sobre uma nova tecnologia que vem sendo empregada como solução para sistema de injeção de combustível: o common rail. Nesse sistema o combustível é injetado nos cilindros sob elevada pressão sendo o tal processo de injeção controlado eletronicamente de sorte que seja utilizado volume ideal e haja exatidão no tempo de injeção. Dessa forma há a garantia de máxima eficiência com pouca emissão de poluente e mínimo consumo de combustível. A exatidão do tempo de injeção é realizada por meio de válvulas magnéticas controladas eletronicamente. 5.2 Sistema de Lubrificação O intuito de promover a lubrificação do motor é reduzir o desgaste ao qual com a operação do motor ficam submetidos seus componentes. Evidentemente quando não é feita uma lubrificação correta mais rapidamente o motor irá desgastar e a maior durabilidade dele depende do atendimento das especificações do fabricante quanto aos requisitos de lubrificação como troca de óleo de tempos em tempos e o uso do tipo correto de óleo. Além da falta de lubrificante o desgaste pode ocorrer de outras formas. Uma forma é a entrada de material estranhos no motor. Outra forma de desgaste é a corrosão ocasionada por substâncias presentes no óleo lubrificante que podem reagir com água em condições críticas e formarem ácidos corroendo componentes do motor como o cilindro onde ocorrem altas temperaturas e pressões. Pode-se formar quando a fuligem combina-se com compostos de enxofre uma pasta abrasiva que dificulta o movimento relativo de peças do motor. O sistema de lubrificação tem os seguintes componentes: Carter de óleo tubulações bomba de óleo filtros válvulas de descarga e bicos de pulverização. Veremos a finalidade de cada componente desse sistema a seguir. Cárter: tem a finalidade de armazenar o óleo lubrificante. Ele possui um suporte para uma vareta de forma a verificar o nível de óleo. Em casos em que o motor balança muito a bomba de sucção pode não conseguir puxar o lubrificante assim é necessária a presença de outro reservatório com localização tal que a bomba não funcione a seco. Esse reservatório extra é denominado Cárter seco.

7 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 A tubulação é responsável pelo caminho em que o óleo será transportado. Bomba de óleo: tem por objetivo empurrar o óleo lubrificante através do sistema retirando do cárter e levando até outras partes. Ela pode ser de três tipos distintos: bomba de engrenagem bomba de rotor e bomba de palheta sendo a primeira a mais utilizada. Válvula de descarga: evita que a pressão suba a níveis elevados. Consiste de um mecanismo com mola e caso a pressão fica elevada abre-se passagem a um caminho de escape para o lubrificante. Filtro de óleo: tem a função de purificar o óleo lubrificante evitando a presença nele de material abrasivo substâncias provenientes da queima do óleo no motor e até mesmo material estranho. Atualmente utiliza-se um sistema de filtragem total do óleo lubrificante em que a cada circulação do óleo todo o óleo presente no cárter é filtrado sem refluxo de lubrificante. O filtro mais comum utilizado é composto por pilhas de papel descartável com pequenas distâncias entre cada lamina. Existe ainda na entrada da tubulação um filtro de aço para evitar impurezas de maiores dimensões. 5.3 Sistema de Refrigeração No projeto de um motor existe uma faixa de temperaturas em que o funcionamento do motor é ótimo. Quando o funcionamento do motor ocorre em temperaturas muito altas alguns metais que o constitui podem ficar pastosos de tal forma que o motor sofre engripamento isto é ele pára. Devido à diferença de temperatura não controlada o motor pode sofre dilatação anômala de sorte que partes do motor que não se aqueceram podem trincar. Para ilustrar sabe-se que dentro da câmara de combustão a temperatura pode chegar por volte de 2000 C e os gases de combustão na exaustão chegam a 800 C. Assim conforme a referência [4]...O sistema de refrigeração deve retirar o calor excessivo das peças de metal fazendo com que elas e todo motor trabalhem a uma temperatura mais ou menos constante que pode ser de 92 a 94 graus centígrados. Entretanto o sistema de refrigeração não pode retirar calor em excesso pois isso prejudicaria o sistema de lubrificação do motor uma vez que o óleo lubrificante trabalha em valores superiores a uma temperatura crítica abaixo da qual sua viscosidade fica elevada e sua locomoção entre as peças fica prejudicada. Existem dois tipos de sistemas de refrigeração: o sistema de refrigeração a água e o sistema de refrigeração a ar Sistema de refrigeração a água Os três tipos de sistema de refrigeração a água são o sistema de termossifão o sistema de radiador aberto e o sistema de radiador selado. No sistema de termossifão o transporte de água ao longo dos caminhos de refrigeração do motor baseia-se na propriedade que a água tem de dilatar quando aquecida e evaporar ficando assim mais leve principalmente quando há ar dissolvido na água que carrega consigo vapor quente. Dessa forma não há necessidade de bomba de água para movimentar o fluido. O fluido quente que sobe para a parte superior do radiador cuja colméia é composta de tubos e aletas de cobre e alumínio é resfriado por um ventilador que promove o resfriamento do vapor de água. Ao se resfriar a água desce para a parte inferior do radiador a partir da onde sai um tubo que distribui a água para as várias câmaras do motor que necessitem de resfriamento. A grande desvantagem desse tipo de sistema é que o radiador precisa ser grande ocupando grande espaço sendo de pouca utilidade para meio de transportes como caminhões. No sistema de radiador aberto há o aproveitamento do sentido natural do fluxo de água porém para acelerar o processo de resfriamento utiliza-se uma bomba cujo acionamento dá-se por meio de conexões com o virabrequim do tipo correias ou engrenagens. Outra peculiaridade desse sistema é a utilização de duas válvulas termostáticas. Uma delas regula o fluxo de água conforme a temperatura da água deixando passar mais água se a temperatura estiver alta. A outra válvula serve para enviar um sinal elétrico para indicar num painel a temperatura do motor. O último tipo de sistema de refrigeração a água é o que vem sendo mais utilizado. O sistema de radiador selado é semelhante ao de radiador aberto porém não trabalha a pressão ambiente usando uma pressão por volta de 15 vezes a pressão atmosférica. Dessa forma ele necessita de uma estrutura mais reforçada e mais cara. Nos motores refrigerados a água se a água do radiador fica muito aquecida transformando-se em vapor tal pressão mais elevada irá empurrar a mola da válvula na abertura do radiador de forma que o vapor de água escapa para a atmosfera. Após uso contínuo o motor pode apresentar um nível de água baixo sendo necessário o enchimento do radiador. Dentre as possíveis causas do superaquecimento do motor estão: defeitos tipo furos no radiador em mangueiras ou conexões tampa do radiador defeituosa deixando escapar vapor de água além da conta ventilador do radiador ou bomba de água defeituosa e entupimento de câmaras de refrigeração devido ao acumulo de óxido ou calcário. Convém ressaltar que em regiões que faz muito frio aditivos são adicionados a água do radiador com a finalidade de evitar o congelamento.

8 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de Sistema de refrigeração a ar Esse tipo de sistema de refrigeração que não é muito empregado baseia-se na propriedade que o ar tem de absorver calor quando em contato com peças quentes (no caso aletas) e de expandir de forma a ficar mais leve e subir. As vantagens do motor refrigerado é sua maior leveza e a não necessidade de vedação contra vazamentos uma vez que não tem líquidos. Em compensação existem muitas desvantagens do sistema de refrigeração a ar. Quando o motor de um veículo está parado ou em marcha lenta há uma insuficiência de refrigeração necessitando por vezes de um radiador para resfriar o óleo lubrificante. Há dificuldade de fundição do bloco do motor com aletas e como não há um líquido refrigerante existe a dificuldade de medir a temperatura do motor para indicar em algum painel. Os principais tipos de refrigeração a ar são: sistema com aspiração a ar por turbina e o sistema com exaustão de ar por ejetor. O sistema de aspiração a ar por turbina é o mais utilizado e força o ar a passar pelas aletas por meio de uma turbina que é usada para aspirar o ar. Em situações em que o motor gera muita potência a baixas rotações o ar passa muito lentamente pelo motor havendo portanto dificuldade de refrigeração. Na refrigeração por exaustão de ar por ejetor utiliza a propriedade de que o gás em movimento com alta velocidade cria uma zona de baixa pressão em sua volta e arrasta o ar que está em torno desse escoamento em movimento. Dessa forma são utilizados os gases de exaustão para movimentar o ar de refrigeração. A vantagem é que há maior necessidade de refrigeração quanto maior a aceleração e como o aumento da aceleração aumenta o fluxo de gás de exaustão mais rapidamente será a movimentação dos gases de refrigeração. 5.4 Turbocompressores Sabe-se que uma das formas de aumentar a potência de um motor é melhorar a combustão. Para isso é necessário colocar mais ar dentro do cilindro do motor de forma a mais oxigênio ser misturado ao óleo diesel. Como o espaço dentro do cilindro continuará o mesmo a forma de colocar mais ar dentro dele é realizar a compressão do ar. Dentre os tipos de compressores utilizados para esta finalidade está o turbocompressor que é o utilizado atualmente. Sabe-se que Rudolphe Diesel patenteou um tipo de turbocompressor e muitos outros pesquisadores posteriormente trabalharam neste sentido. Os turbocompressores foram amplamente utilizados e com sucesso em motores aeronáuticos na segunda guerra mundial uma vez que em elevadas altitudes o ar é rarefeito é há necessidade de realizar compressão prévia do ar. A partir dos avanços obtidos para este tipo de uso estendeu-se sua aplicação para os demais tipos de motores como navais terrestres e estacionários. Basicamente o princípio do turbocompressor é aproveitar a energia proveniente dos gases de escape para girar uma turbina cujo eixo está conectado a um compressor de ar. Nesse compressor além do aumento da pressão do ar tem-se o aquecimento do gás. Assim é utilizado um resfriador intermediário para resfriar o ar que será admitido no cilindro do motor. Para que o turbocompressor funcione é necessária uma energia mínima dos gases de escape. Assim o turbocompressor só é acionado a partir de certa rotação que segundo a referência [5] varia entre a rotações por minuto. Cabe ressaltar aqui que os sistemas de lubrificação e refrigeração do turbocompressor são integrados aos sistemas do motor. Por se tratar de um equipamento de precisão reparos em turbocompressores exigem que o mecânico tenha passado por treinamento especial além da utilização de equipamentos especiais de oficina. 6. Retíficas Foram realizadas visitas a retíficas com o intuito de aprender na prática os componentes dos motores bem como a recuperação de motores e aprendizado sobre quais os principais defeitos que um motor pode apresentar decorrente do uso. Será aqui apresentada uma divisão de acordo com o componente do motor diesel. Entretanto antes da retifica de cada parte do motor os componentes passam pela etapa de limpeza que consiste em imergi-los em uma caldeira aquecendo uma mistura de água e uma substancia denominada disodium trixosilicate no caso do componente ser de aço. Outra solução diferente e a frio é usada caso o componente seja de alumínio. Essa etapa de limpeza é essencial para as demais etapas de retificação de motor pois facilita em muito o exame visual que é requerido antes de se usinar qualquer superfície. Esse banho aquecido para o caso de motores diesel que possuem peças maiores pode durar até 24h Bloco de cilindros do motor Após limpeza do bloco com o procedimento descrito acima deve-se fazer um exame cuidadoso do motor para verificar a existência de trincas ou outros possíveis defeitos visíveis. Deve-se inclusive inspecionar o alinhamento dos suportes dos mancais e o quão planas estão as superfícies de apoio entre o bloco e o cabeçote e o bloco e o cárter. Tais verificações devem ser realizadas com relógios comparadores. Os valores aceitáveis devem ser especificados pelos

9 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 fabricantes e caso seja constatado um desalinhamento maior que o aceitável o bloco deve ser retificado em uma máquina chamada mandriladora Cilindro Quando consideramos a montagem de camisas secas no bloco de cilindro a importância da limpeza inicial consiste no fato de que a sujeira que ocasionalmente poderá permanecer após a retífica. Isso pode impedir o resfriamento adequado do cilindro e causar um superaquecimento ocasionando deformação das camisas devido a uma dilatação térmica irregular. Outra ocorrência resultante é a incompatibilidade geométrica entre o pistão e o cilindro levando a escoriações. A falta de limpeza poderá também impedir a montagem correta das camisas causando empenamento. Além de ela poder ser feita como descrito inicialmente pode-se realizá-la também com o brunidor. A medida seguinte é realizar a medição em várias alturas do cilindro com o intuito de verificar a existência de ovalização em sua estrutura. Dimensões maiores do que a especificada por fabricantes devem ser evitadas para evitar deformações em anéis e pistões. Caso a medição detecte ovalização além do permitido será realizada primeiro a desmontagem das camisas antigas na prensa. Depois com novas camisas de cilindro faz-se a montagem das camisas sob um processo de interferência sob pressão em prensa. Ajuste de retirada de material pode ser executado sobre a camisa já montada para evitar distorções sobre o conjunto a ser utilizado. As medidas retiradas correspondem a espessuras de 025 mm da camisa do cilindro sendo possível a retirada de material até a segunda retífica. Desta forma são vendidos pelos fabricantes kits de camisas e anéis podendo ser estes kits correspondentes a medidas standard de primeira ou de segunda retífica. Com o intuito de permitir lubrificação entre o pistão e a camisa de forma a ter-se óleo entre estes componentes é interessante que a superfície entre eles tenha sulcos de tamanho controlado. O processo em que isso é realizado é denominado brunimento e ele é realizado com o emprego das chamadas pedras de brunir que devem possuir afiação correta e serem aplicadas sobre a superfície com afiação correta e com óleo adequado. A máquina-ferramenta que realiza a retifica em cilindros está mostrada na figura 3(a) onde também se tem um bloco de motor Ducatu e o pistão para este motor. Figura 3: (a) Motor Ducatu em retificadora de cilindros. (b) Biela de motor Diesel (esquerda) e de motor a gasolina ( menor a direita) Biela As bielas são elementos em constante movimento alternativo e que são submetidas a pancadas e choques precisando ser fortes e ao mesmo tempo leves. Uma solução de engenharia para isso é fazer sua haste em forma de I. É muito importante que a biela não tenha empenamento e que seus mancais estejam perfeitamente alinhados e paralelos. Qualquer imperfeição dessa ordem fará com que o pistão fique desalinhado provocando um contato irregular dos anéis de segmento da parede do cilindro. Pelo exame visual dos pistões o mecânico pode identificar se o desgaste se deve ao desalinhamento da biela. Para evitar o desbalanceamento é necessário medir a massa das bielas sendo que cada motor tem biela com massa especificada e caso uma biela esteja trocada o motor irá sofrer desgaste precoce. Para reduzir o atrito são colocadas bronzinas de material antifricção nos orifícios dos mancais. As bronzinas para motores Diesel são feitas de quatro camadas de um material chamado metal Babbit que é uma liga que contém cobre bronze chumbo e alumínio. Na figura 3(b) tem-se bielas maiores de motores Diesel e uma biela menor de motor a gasolina Cabeçote

10 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Com o uso continuo do motor o cabeçote costuma empenar e com isso formam-se espaços entre ele e o bloco de cilindros levando a vazamentos. Assim a retífica do cabeçote tem como uma das finalidades verificar se o interior do cabeçote está completamente plano e caso contrário retificá-lo. Devem ser realizados exames visuais para verificar se existem trincas ou rachaduras nas câmaras de combustão e se as válvulas se movimentam livremente e se as sedes não estão muito gastas e folgadas ou se as válvulas não estão trincadas. Na figura 4(a) pode-se ver um cabeçote de motor. Caso necessário deve-se retificar as sedes das válvulas do cabeçote para se garantir a concentricidade e perpendicularidade entre a sede da válvula e o furo guia. A máquina que realiza este trabalho está retratada na figura 4(b). Além disso deve-se verificar se a vedação da sede está sendo eficaz ou não por meio de exames com fluidos. Figura 4: (a) Cabeçote de motor Perkins-Caterpillar de trator. (b) Retificadoras de sedes de cabeçote 6.5. Virabrequim Durante o funcionamento o virabrequim fica sujeito a esforços que causam um empenamento que por oras pode causar deformações permanentes. Esse empenamento pode causar defeitos como pancadas no motor esmagamento nas bronzinas superaquecimento do motor desgastes prematuro de anéis pistões e cilindros além de trincas e quebras no virabrequim. Em casos em que o empenamento não é muito grande pode-se tentar endireitar o virabrequim numa prensa pressionando de modo a se deformar alguns milímetros no sentido contrário. Com o uso do motor os colos se desgastam ficando ovalizados e perdendo o paralelismo com o eixo dos mancais de apoio. Nesses casos são feitas as retíficas do virabrequim feitas em máquinas especiais como mostradas na figura 5(a) e figura 5(b). Após esse procedimento é realizado o polimento com o objetivo de obter-se um valor de rugosidade mínimo como retratado na figura 6(b). Figura 5: (a) Retificadora de virabrequim para virabrequins de motor a gasolina. (b) Retificadora de virabrequim de motores diesel. Na figura 6(a) há a ilustração de um virabrequim de motor Diesel porém a forma de armazenamento dele não está correta uma vez que o armazenamento correto para virabrequins é na posição vertical. Armazenando na posição horizontal o virabrequim pode sofrer empenamento.

11 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 6: (a)virabrequim de motor diesel. (b) Polimento de virabrequim. 6.6 Eixo de comando de válvulas É um eixo que possui um came para cada válvula. Ele é constituído de aço carbono com ligas de cromo e sofre o tratamento térmico de cementação para aumentar sua dureza superficial. Com o desgaste as válvulas abrem e fecham em tempos errados sendo necessária portanto a substituição deste eixo Bomba e Bico injetores Como já explicado na seção deste trabalho sobre sistemas de combustível a troca de bombas e bicos injetores devem ser feitos em firmas especializadas. Isso se deve a grande variedade de modelos existentes desses equipamentos. Conforme verificado na empresa de recuperação de bombas visitadas numa bomba injetora tipo em linha os componentes que mais apresentam problemas são o elemento e o tucho de rolete. Para o caso dos bicos injetores o principal problema que eles podem apresentar é quando o bico injetor não está mais realizando a pulverização adequada do combustível. Nesse caso observa-se que na injeção do combustível para o cilindro formam-se jatos de combustível. Na foto da figura 7(a) há um aparato utilizado para detectar este problema. Uma bomba operada manualmente e dotada de um manômetro leva combustível pressurizado para o bico injetor e assim pode-se verificar na saída de combustível do bico injetor se o óleo diesel está sendo pulverizado de forma adequada. Geralmente isso se verifica se a agulha interna bico injetor está danificada. Figura 7: (a) Bomba operada manualmente para teste de bico injetor. (b) Camisa de cilindro em que motor fundiu (esquerda) e camisa normal (direita) Estudo de caso Nas imagens a seguir temos um motor que apresentou falhas de funcionamento. Será feito um estudo de caso sobre isso. Na figura 8(a) e figura 8(b) pode-se ver a existência de trincas no bloco do motor evidenciada na figura 8(b) quando se passou pó de giz sobre a superfície do cilindro

12 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 8: (a)trincas no cilindro. (b) Trinca no cilindro evidenciada com pó de giz. A partir das trincas mostradas acima se verifica a superfície interna dos cilindros na figura 7(b) e vê-se que numa dessas camisas há sinal de atrito intenso entre o pistão e a camisa. Popularmente fala-se que o motor fundiu. Assim é possível encontrar o motivo da falha do motor. Que relação há entretanto entre o a trinca e o fato do motor ter se fundido? A resposta é simples: pelo fato da trinca ter se formado com o aquecimento do motor a trinca fez com que o aquecimento e a conseqüente dilatação não se deram de forma homogênea. Portanto a camisa na operação não estava com formato cilíndrico logo o pistão começou a emperrar causando a fundição do motor. Uma provável causa da trinca foi defeito em alguma parte do sistema de refrigeração do motor. 7. Conclusões O presente trabalho foi proveitoso para aprender sobre motores Diesel. De forma geral ele forneceu a oportunidade de aprender tópicos de motores que não são ensinados na ementa tradicional do curso de Engenharia Mecânica Aeronáutica do ITA. Entre esses tópicos podem-se citar os aspectos gerais de motores quanto classificação os sistemas que os compõem e a maneira com que é feita a recuperação dos motores diesel. Muito pode ser adicionado e complementado a este trabalho para que ele se torne melhor. Como visto ao longo dele foi dado um enfoque bastante qualitativo assim uma sugestão de prosseguimento dos estudos é fazer algumas análises quantitativas sobre os motores diesel a partir desse texto. Ao longo do trabalho acompanhar o trabalho de retíficas foi uma solução para realizar uma parte prática da pesquisa com a possibilidade de conhecer motores que não em livros. 8. Agradecimentos Ao CNPq pelo apoio financeiro e por fornecer essa oportunidade de engrandecimento pessoal. As empresas retífica tamoios e Valparaiba pela oportunidade de visitá-las e acompanhar o trabalho que realizam.ao meu orientador Ezio Castejon Garcia e a minha família. 9. Referências [1] Bartlett T Diesel Engines Adlard Coles Nautical Londres Inglaterra pp 3-4. [2] Zaparoli E.L. de Andrade C.R Sistemas de conservação de energia ITA publicação interna São José dos Campos Brasil 64 p. [3] Maleev V.L Diesel engine operation and maintenance Mcgraw-hill book company Londres Inglaterra pp [4] Rache A.M Mecânica Diesel. Hemus editoras S.Paulo Brasil pp [5] Woodyard D.F Pounder`s Marine Diesel Engines and Gas Turbines Oxford: Elsevier 3 p. [6] Heywood J. B Internal Combustion Engine Fundamentals McGraw-Hill Book New York NY pp