Motores de combustão interna

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1 Motores de combustão interna

2 Motores de combustão interna Histórico Introdução Vantagens e Desvantagens Classificação Comparação Ciclo Otto e Diesel Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos Principais Componentes dos MCI. Dimensionamento Combustíveis e comburentes Sistema de Distribuição Sistema de Alimentação ou Injeção Sistema de Resfriamento Sistema de Lubrificação Potência e rendimento

3 HISTORICO DOS MOTORES 1824: SadiCARNOT escreve Reflexões sobre a potência motriz do fogo ; 1860: LENOIR escreve na Bélgica: O motor sem compressão ; 1862: França. Alphonse BEAU durochas define teoricamente o ciclo do motor a 4 tempos; 1876: Nicolas OTTO constrói o primeiro motor a combustão, seguindo a teoria de BEAU durochas; Taxa de compressão: 2,5:1 e rendimento de 15%. 1884: Primeiro automóvel em 12/12/1884 na França

4 HISTORICO DOS MOTORES 1894: Primeira corrida de automóvel entre as cidades de Paris e Rouen; 1897: Surge o primeiro motor DIESEL, construído por...rudolf DIESEL, em Augsburgna Alemanha.20cv a 172 rpm, η~26% 1898: Primeiro salão do automóvel, Paris. 1904: Primeiro navio a Diesel; 1909: Motor diesel injeção Indireta pronto para entrar em produção; 1912: Primeira locomotiva a Diesel; 1936: Primeiro veículo de passeio Diesel, Mercedes 260D; 1954: Surge o motor rotativo (Wankel); 1989: Primeiro veículo de passeio Diesel a injeção direta (Audi); 1997: Primeiro veículo de passeio com injeção direta a gasolina (Mitsubishi GDI);

5 E antes deles, em 1712, o inglês Thomas Newcomen, desenvolveu o primeiro motor a vapor...com sucesso...mas ainda era a combustão externa HISTORICO DOS MOTORES

6 HISTORICO DOS MOTORES E antes dele, em 1673, o físico alemão Christian Huygens, a mando do rei Louis XIV, da França, desenvolveu o primeiro motor a combustão interna. A pólvora, mas a combustão interna. Objetivo do motor: bombear mais de 3000 m3 de água para abastecer as fontes do palácio de Versailles.

7 Desde então, a produção de veículos aumenta a cada dia...

8 Previsão para o mercado americano

9 Carros por 1000 habitantes

10 INTRODUÇÃO Os motores de combustão podem ser classificados como de: COMBUSTÃO EXTERNA, no qual o fluido de trabalho está completamente separado da mistura ar/combustível, sendo o calor dos produtos da combustão transferido através das paredes de um reservatório ou caldeira, ou de COMBUSTÃO INTERNA, no qual o fluido de trabalho consiste nos produtos da combustão da mistura de ar/combustível.

11 INTRODUÇÃO No caso dos motores a combustão interna podemos distinguir ainda: Motores alternativos do tipo a ignição por centelha e motores a ignição por compressão ou Diesel. Motores axiais: No caso das turbinas de avião e a gás. Nestes últimos, as diferentes evoluções do fluido motor acontecem em espaços sucessivos e justapostos. Ao contrário dos motores alternativos onde as transformações acontecem todas no mesmo espaço, a câmara de combustão.

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13 Vantagens e Desvantagens A principal vantagem dos motores de combustão interna sobre as instalações de potência de outros tipos, consiste na ausência de trocadores de calor, tais como a caldeira e condensador de uma instalação a vapor. Maior eficiência máxima; Menor razão de peso e volume da instalação para a potência máxima (exceto, possivelmente, no caso de unidades maiores do que 7353 kw ou c.v.); Maior simplicidade mecânica; O sistema de refrigeração de um motor de combustão interna transfere uma quantidade de calor muito menor que o condensador de uma instalação a vapor de igual potência e, normalmente. O menor tamanho do trocador de calor é uma vantagem nos veículos de transporte e em outras aplicações, nas quais o resfriamento deve ser feito por meio de ar atmosférico.

14 Vantagens e Desvantagens

15 Classificação Os MCI podem ser classificados em: a) Quanto a propriedade do gás na admissão: ar (Diesel) e mistura ar-combustível (Otto); b) Quanto à ignição: por centelha (ICE) [spark ignition (SI)] e por compressão (ICO) [compression ignition (CI)]; c) Quanto ao movimento do pistão: Alternativo (Otto, Diesel) e Rotativo (Wankel, Quasiturbine); d) Quanto ao ciclo de trabalho: 2 tempos e 4 tempos; e) Quanto ao número de cilindros: monocilíndricos e policilíndricos; f) Quanto à disposição dos cilindros: em linha à opostos (boxer) em V à em estrela (radial);

16 Classificação g) Quanto à utilização: estacionários, industriais, veiculares e marítimos. Pode-se classificar os motores de combustão interna segundo os vários sistemas que os compõem, por exemplo: ( i ) ADMISSÃO DE COMBUSTÍVEL: motores com carburação (Otto) e com injeção (Diesel, Otto); ( ii ) REFRIGERAÇÃO: ar (natural ou forçada) e água (termo-sifão, forçada); ( iii ) IGNIÇÃO: magneto e bateria; ( iv ) DISPOSIÇÃO DAS VÁLVULAS: em I, L, T, F; e ( v ) DISPOSIÇÃO DO COMANDO DE VÁLVULAS: no bloco e no cabeçote (OHC, DOHC).

17 Comparação Ciclo Otto e Diesel A tabela abaixo mostra as principais diferenças entre os Ciclo Otto e Ciclo Diesel:

18 Ciclo Otto

19 Ciclo Otto 1-2 (compressão) - adiabática reversível, por tanto, isentrópica; a volume constante (combustão); 3-4 (expansão) - adiabática, reversível, portanto, isentrópica; e a volume constante (exaustão). Na modelagem mais simples, o ciclo fica reduzido ao diagrama da figura inferior. A eficiência do ciclo Otto é obtida substituindo na expressão da eficiência, as relações entre as temperaturas.

20 Ciclo Otto O pistão começa no estado 1 no PMI e comprime o ar até que ele atinja o PMS no estado 2; Ocorre então a combustão instantânea, em razão da ignição provocada por uma faísca elétrica (centelha) resultando em um aumento súbito de pressão para o estado 3, enquanto que o volume permanece constante; O processo prossegue através do curso de ação do pistão, enquanto o ar expande para o estado 4; No final do processo uma transmissão de calor súbita para a vizinhança completa o ciclo.

21 Ciclo Diesel

22 Ciclo Diesel Características do Ciclo Diesel: 1-2 : compressão - adiabática reversível, por tanto, isentrópica. 2-3 : a pressão constante (combustão) 3-4 : expansão - adiabática, reversível, por tanto, isentrópica 4-1 : a volume constante (exaustão)

23 Ciclo Diesel No ciclo Diesel a ignição do combustível acontece normalmente pela própria compressão, a vela é definido:

24 Ciclo Diesel Se fosse possível que um motor que trabalhe no Ciclo Otto operasse em altíssimas pressões, teríamos uma eficiência mais alta que com o ciclo Diesel. A verdade é que os motores ciclo Otto funcionam com relações de pressão menores, e então, em termos gerais, a eficiência que se obtém com eles é menor que a obtida com o ciclo Diesel. Uma outra vantagem dos ciclos Diesel é que podem funcionar com combustíveis menos nobres, óleos mais pesados, no caso. Se a razão de compressão for suficientemente grande, a temperatura do ar no cilindro quando o pistão aproxima-se do PMS excederá a temperatura de ignição espontânea do combustível. Isto ocorrerá se a razão de compressão for cerca de 14 vezes maior. Nenhuma ignição por faísca elétrica será necessária. A combustão ocorrerá por causa da temperatura alta do ar comprimido.

25 Ciclo de Potência: ciclo a 4 CICLO A QUATRO TEMPOS e 2 tempos 1 TEMPO (ADMISSÃO): acionado pela biela e pelo virabrequim, o pistão afasta-se do cabeçote e cria uma depressão provocando a aspiração de uma certa quantidade de mistura A/C. Esta mistura A/C penetra no cilindro graças à válvula de admissão que durante todo o curso do pistão se mantém aberta.

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27 Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos 2 TEMPO (COMPRESSÃO): partindo do PMI o pistão sobe até o PMS. Ao iniciar este movimento, a válvula de admissão se fecha e os gases no cilindro sofrem então uma forte compressão. No final do 2 TEMPO, o virabrequim efetuou uma rotação completa; o pistão encontra se novamente no PMS. As válvulas são hermeticamente fechadas e os gases ficam comprimidos num determinado espaço a que se chama câmara de compressão ou câmara de explosão.

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29 Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos 3 TEMPO (EXPLOSÃO): a queima da mistura A/C na câmara de compressão efetua-se no final do 2 TEMPO, alguns instantes antes do pistão ter atingido o PMS. A queima total da massa de gás provoca uma considerável elevação da temperatura, o que originará um grande aumento de pressão. Esta pressão irá comprimir consideravelmente o pistão do PMS ao PMI, transmitindo deste modo ao virabrequim uma força motriz favorável à rotação. É o que se chama tempo motor.

30 Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos

31 Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos 4 TEMPO (DESCARGA): poucos instantes antes do pistão atingir o PMI no final do 3 TEMPO, a válvula de descarga começa a abrir e os resíduos de combustão escapam para o exterior do motor. A expulsão completa realiza-se durante todo o espaço de tempo em que o pistão faz o seu retorno ao PMS. Neste momento a válvula de descarga fecha-se e a admissão abre para logo a seguir iniciar-se um novo ciclo.

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33 Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos Particularidades do ciclo a quatro tempos: Exige duas rotações do virabrequim (720 ) e só fornece uma força motriz ao 3 TEMPO; Há necessidade de acionar o motor por meio de uma força exterior; O 1, 2, e 3 TEMPOS absorvem energia mecânica, o que obriga o emprego de um volante ligado ao virabrequim.

34 Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos CICLO A DOIS TEMPOS O ciclo a 2 tempos inicia no PMI. Necessita de uma rotação do virabrequim e permite obter uma explosão cada vez que o pistão atinge o PMS. Os gases são previamente comprimidos, quer no cárter do motor, quer pelo pistão especial ou pelo compressor. A entrada e a saída dos gases efetuam-se por canais que desembocam nas paredes do cilindro e são abertos pelo pistão no seu PMI. Alguns tipos de motores são munidos de válvulas de escape comandadas por cames.

35 Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos 1 TEMPO: quando o pistão está no PMI, os canais são abertos e os gases queimados escapam do cilindro enquanto os novos gases entram no cilindro sob pressão pelo canal de transvasamento. Estes novos gases são dirigidos ao cabeçote a fim de evitar que se misturem com os gases queimados e que saiam prematuramente. Quando o pistão se desloca do PMI ao PMS, fecha primeiro o canal de transvasamento, depois o canal de desce comprime a nova carga de gás.

36 Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos

37 Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos 2 TEMPO: no final da compressão, os gases são inflamados e a alta pressão obtida comprime o pistão para o ponto morto oposto; é o tempo motor. Instantes antes de atingir o PMI, o pistão abre primeiramente o canal de descarga e em seguida o de transvasamento. Os gases queimados escapam do cilindro enquanto que uma nova carga de mistura penetra nele. Começa um novo ciclo. O ciclo 2 tempos tem as seguintes particularidades.

38 Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos

39 Ciclo de Potência: ciclo a 4 e 2 tempos

40 Motores Rotativos de Deslocamento Motor Wankel São motores nos quais um membro rotativo é disposto de forma a variar o volume de trabalho de maneira análoga ao de um compressor do tipo palheta, ou por meio de movimento excêntrico de um rotor em um volume cilíndrico. O problema mais difícil em tais motores é a selagem da câmara de combustão contra vazamento sem excessivo atrito e desgaste. Esse problema é bem mais difícil do que o de anéis de segmento convencionais, devido às seguintes razões: - contato de linha em lugar de contato de superfície; - as superfícies a selar são descontínuas, com arestas vivas; - a velocidade do selo é elevada durante parte do ciclo de alta pressão, em contraste com anéis de segmento, cuja velocidade é próxima de zero na máxima pressão do cilindro.

41 Motores Rotativos de Deslocamento Motor Wankel

42 Motores Rotativos de Deslocamento Motor Wankel Embora se diga que o problema de selagem esteja resolvido, não parece razoável aceitar que a solução relativa ao problema da selagem seja tão satisfatória quanto a do anel de segmento dos motores convencionais Em geral, o objetivo dos projetos de motores rotativos de deslocamento foi de evitar (minimizar) vibração, redução de tamanho, peso e redução de custo em comparação com os tipos convencionais. A única vantagem básica desse tipo de motor está no fato de ser alta a relação volume de deslocamento para volume total do motor, obtendo-se assim, maiores potências.

43 Principais Componentes dos MCI Os principais componentes dos MCI estão divididos da seguinte forma: Órgãos (peças) fixos: Bloco do motor; Cabeçote; Cárter. Órgãos móveis: Pistão ou êmbolo; Biela; Arvore de manivelas; Válvulas de admissão e Descarga; e Arvore de comando de válvulas.

44 Órgão Fixo Bloco do Motor É o motor propriamente dito, onde são usinados os cilindros. Na parte inferior do bloco estão os alojamentos dos mancais centrais, onde se apóia o eixo de manivelas (virabrequim).

45 Órgão Fixo - Cabeçote Tampa do motor contra a qual o pistão comprime a mistura, no caso do ciclo Otto, ou o ar, no caso do Diesel. Possui furos roscados onde são instaladas as velas de ignição ou os bicos injetores e onde estão instaladas as válvulas de admissão e descarga escape com suas respectivas redes.

46 Órgão Fixo - Cárter Parte inferior do bloco, cobrindo os componentes inferiores do motor e onde está depositado o óleo lubrificante. O cárter de um motor é em ferro fundido ou em alumínio fundido. Forma a parte principal do bloco do motor e contém o virabrequim, o eixo de cames (motor de válvulas laterais) e a bomba de óleo. As extremidades do cárter têm frequentemente garras destinadas a fixação do motor. As paredes extremas e as divisórias internas suportam os mancais do virabrequim.

47 Órgãos Móveis Pistão ou Êmbolo É a parte móvel da câmara de combustão, recebe a força de expansão dos gases queimados, transmitido-a à biela, por intermédio de um pino de aço (pino do pistão). É em geral fabricado em liga de alumínio.

48 Órgãos Móveis Biela e Virabrequim Braço de ligação entre o pistão e o eixo de manivelas que recebe o impulso do pistão, transmitindo-o ao eixo de manivelas (virabrequim). O conjunto biela-virabrequim transforma o movimento retilíneo do pistão em movimento rotativo do virabrequim. Virabrequim (Eixo de manivelas, Árvore de manivelas): eixo motor, na maioria das vezes, é instalado na parte inferior do bloco, recebendo ainda as bielas que lhe imprimem movimento.

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50 Órgãos Móveis Eixo de Comando de Válvulas Tem por função abrir as válvulas de admissão e descarga, nos tempos de admissão e escapamento. É acionado pelo eixo de manivelas, através de engrenagem, corrente ou correia dentada. Possui ressaltos que elevam o conjunto: tucho, haste, balancim abrindo as válvulas no momento correto.

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52 Órgão Móveis - Válvulas Existem dois tipos: de admissão e de escape (descarga). A primeira abre-se para permitir a entrada da mistura combustível/ar (ou ar puro, conforme o caso) no interior do cilindro. A segunda abre-se para permitir a saída aos gases queimados.

53 Órgão Móveis Outros componentes Cilindros: são de ferro fundido, cuja fundição fácil permite executar as mais variadas formas do bloco e das câmaras de água. Geralmente as fundições de bloco com cilindros inclusos (não camisas) contém cromo, para aumentar a resistência dos cilindros ao desgaste. Principais defeitos que surgem são desgaste interno e ovalização. O grande desgaste dos cilindros leva a um consumo exagerado de óleo e de combustível, a um depósito de sujeira nas velas, a uma marcha ruidosa e a diminuição da potência.

54 Dimensionamento O bloco de cilindros é frequentemente fundido numa peça única com o cárter superior do motor. Devemos ter uma montagem precisa dos elementos mecânicos internos (virabrequim, bielas e pistões). Sendo assim algumas definições são pertinentes: Ponto Morto Superior (PMS); Ponto Morto Inferior (PMI). São nestas posições onde o êmbolo muda de sentido de movimento estando no seu máximo (PMS) ou no seu mínimo (PMI),

55 Dimensionamento

56 Dimensionamento - Exemplo Tomando como exemplo o motor de um Ômega GLS (GM). Do seu catálogo têm-se os seguintes dados: Motor Dianteiro Longitudinal M.P.F.I. Número de Cilindros =04 Diâmetro cilindro =86,0 mm Curso do pistão =86,0 mm Taxa de Compressão= 9,2:1 Assim, substituindo em C = 1998,229 cm 3. Conhecido no mercado como 2.0 litros.

57 Combustíveis e Comburentes Os motores de combustão interna podem ser operados com vários tipos diferentes de combustíveis, incluindo materiais líquidos, gasosos e mesmo sólidos. O caráter do combustível usado pode ter considerável influência sobre o projeto, potência, eficiência, consumo e, em muitos casos, confiabilidade e durabilidade do motor. Pode-se dizer que 99% dos motores de combustão interna utilizam combustíveis líquidos derivados do petróleo. Os produtos resultantes do refino do petróleo são classificados por sua utilização, peso específico e sua volatilidade, conforme determinado pela destilação à pressão atmosférica ao nível do mar. Quais sejam: gás natural, gasolina, querosene, destilado (semelhante a querosene), óleos diesel, óleos combustíveis (apropriados para queimadores contínuos), óleos lubrificantes.

58 Combustíveis e Comburentes COMBUSTÍVEIS PARA MOTORES DE IGNIÇÃO POR CENTELHA Quanto ao desempenho do motor de ignição por centelha, as seguintes características do combustível são importantes: volatilidade; características de detonação e pré-ignição; calor de combustão por unidade de massa e volume; calor latente de vaporização; estabilidade química, neutralidade e limpeza; segurança. VOLATILIDADE: tendência de um líquido evaporar-se. Grande importância nos motores carburados, devido a sua influência na razão vaporar nos cilindros no instante da admissão.

59 Combustíveis e Comburentes DETONAÇÃO: é a explosão da mistura por efeito da pressão. A resistência à detonação de um combustível consiste em uma característica extremamente importante se for usado em motores de ignição por centelha. Os efeitos da detonação são nocivas para o motor. Repetidas detonações provocarão superaquecimento e a perfuração da cabeça dos êmbolos. O poder anti-detonante é a resistência que um combustível apresenta à detonação. OCTAGEM: a octanagem mede a capacidade da gasolina de resistir à detonação, ou a sua capacidade de resistir às exigências do motor sem entrar em autoignição antes do momento programado

60 Combustíveis e Comburentes A detonação, também conhecida como batida de pino, leva à perda de potência e pode causar sérios danos ao motor, dependendo de sua intensidade e persistência. Um combustível de octanagem n é aquele que se comporta como se fosse uma mistura contendo n% de isooctano e (100-n)% de n.heptano. Por convenção, o isooctano puro tem octanagem 100 e o n.heptano puro tem octanagem zero. Hoje, alguns combustíveis aditivados possuem octanagem superior a escala posta, é uma nova tecnologia.

61 Combustíveis e Comburentes No Brasil é utilizada uma gasolina única no mundo, pois trata-se de uma mistura de 76% de gasolina e 24% de álcool etílico (etanol). O teor de álcool na gasolina é objeto de Lei Federal, cuja especificação final é de responsabilidade da Agência Nacional de Petróleo ANP. Desde janeiro de 1992, a gasolina brasileira é isenta de chumbo. O chumbo era utilizado mundialmente para aumentar a octanagem da gasolina, mas, por questões ambientais, vem sendo gradualmente eliminado. As Gasolinas Comum e Comum-Aditivada têm octanagem de 86, indicadas para a maioria da frota de veículos circulante no Brasil. A Gasolina Premium possui maior octanagem, 91. Pode ser utilizada em qualquer veículo, mas não trará nenhum benefício se o motor não exigir este tipo de combustível (alta taxa de compressão, com monitoramento eletrônico, injeção multiponto e projetados para gasolinas de alta octanagem).

62 Combustíveis e Comburentes As principais propriedades da gasolina e do álcool estão indicadas abaixo:

63 Sistema de Distribuição O conjunto de elementos que comandam a admissão de mistura A/C nos motores Otto e o ar nos motores Diesel, nos cilindros e posteriormente a saída dos gases queimados, chama-se Sistema de Distribuição. São requisitos fundamentais para um sistema de distribuição eficiente: cada válvula se mantenha aberta o tempo necessário para uma boa admissão de mistura ou ar; a lavagem do cilindro; e a completa expulsão dos gases queimados; e que funcione suave e eficientemente nos mais variados regimes de rotação do motor.

64 Sistema de Distribuição Pode-se designar um motor especificando a disposição dos seus elementos de distribuição: Motores de válvulas laterais: possuem válvulas dispostas ao lados dos cilindros. Esta disposição clássica assegura um funcionamento silencioso, assim como uma marcha suave. Motores com válvulas suspensas: possuem válvulas colocadas sobre os cilindros. Esta disposição permite uma forma mais racional da câmara de combustão, favorece a potência do motor e um rendimento térmico superior. A posição das válvulas suspensas determina melhor rendimento aos altos regimes e convém aos motores potentes de relação volumétrica elevada.

65 Sistema de Distribuição

66 Potência e Rendimento A 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, determinase a quantidade de trabalho mecânico efetuada em um dado tempo. Do resultado obtido, deduz-se a potência. Potencia do Motor Para maior facilidade de compreensão dos fatores que influenciam a potência de um motor, a potência efetiva, isto é, a potência gerada no eixo do motor pode ser calculada pela seguinte fórmula:

67 Potência e Rendimento

68 Potência e Rendimento

69 Potência e Rendimento Rendimento Mecânico O rendimento mecânico é a relação entre a potência produzida no eixo e a potência produzida no interior do cilindro, provocada pela combustão. Este rendimento é função da força de atrito que ocorre entre os seus diversos órgãos e das forças necessárias p/ acionar os órgãos auxiliares. Rendimento Térmico O rendimento térmico é a relação entre o calor que efetivamente se transforma em trabalho útil e o calor equivalente ao trabalho que poderia ser obtido pela queima do combustível. Rendimento Volumétrico O rendimento volumétrico é a relação entre o peso de ar efetivamente introduzido no cilindro e o peso teórico máximo, nas condições atmosféricas (150 C e 760 atm).

70 Velocidade média do pistão O valor máximo da velocidade média do pistão é limitada pelos esforços de Inércia e pela garantia de um bom enchimento dos cilindros. Uma velocidade de 24 m/s nos dias de hoje, é o limite...salvo motores F1.

71 Velocidade Média do Pistão Para motores a ignição por centelha, os valores ficam em torno de 12 a 18 m/s; Existem versões esportivas que atingem a casa dos 23 m/s; Motores de F-1 atuais, ultrapassam a barreira dos 26 m/s; A velocidade média do pistão nos dá uma ideia da escolha técnica do motor. Influenciando prestações e custos de produção