Relatório Projecto Feup

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1 Relatório Projecto Feup Realizado por: Equipa 506

2 Índice 1. Introdução Principais constituintes do motor de combustão interna Motor de explosão Evolução do motor de explosão Sistema de ignição no motor explosão Sistema de injecção no motor de explosão O motor Diesel Evolução Histórica do motor Diesel Funcionamento do sistema de injecção no motor Diesel Sistema de Injecção no motor Diesel Conclusão Web\ografia

3 1. Introdução No âmbito do Projecto FEUP a nossa equipa foi convidada a desenvolver um trabalho sobre motores de combustão interna. Após uma breve pesquisa acerca do funcionamento dos mesmos, optámos por abordar os Sistemas de injecção e de ignição dos motores Diesel e de explosão, os mais importantes e utilizados na sociedade mundial. Abordaremos, ainda, a evolução dos já referidos motores de combustão interna desde os trabalhos de Jean Joseph Étienne Lenoir e de Rudolf Diesel, que transformaram primitivos sistemas de conversão energética nos complexos motores que reconhecemos nos dias de hoje. Começaremos por fazer uma abordagem aos constituintes do motor de combustão interna. Dois dos processos essenciais a considerar, os quais relevámos no nosso estudo, passam pelo funcionamento de certas formas de injecção de combustível e da ignição dos motores. Desta forma, pretendemos conhecer e compreender um pouco melhor a real importância que assumem no nosso quotidiano, tão dependente da existência de meios de transporte eficientes. As suas vantagens e desvantagens, bem como os aspectos que distinguem estes dois tipos de motores, são outras das elações que pretendemos retirar desta pesquisa. 3

4 2. Principais constituintes do motor de combustão interna O motor de combustão interna (Fig. 1) é constituído, fundamentalmente, por três partes: o cabeçote ou cabeça do motor, o bloco e o cárter. Fabricado em ferro fundido ou em ligas de alumínio, a cabeça do motor é a tampa que se une ao bloco de cilindros, de maneira a oferecer resistência as explosões do motor. Fig. 1 Hoje em dia quase todos os motores apresentam válvulas no cabeçote. No cabeçote dos motores de quatro tempos existe para cada cilindro, uma válvula de descarga, uma válvula de admissão, uma câmara de combustão, um colector de admissão, um colector de descarga. No motor de combustão interna as válvulas (Fig. 2) têm como função controlar a entrada e saída dos gases do cilindro do motor. São formadas por uma cabeça em forma de disco fixas por uma haste cilíndrica. Fig. 2 Ainda na cabeça do motor existe a árvore de cames, ou árvore de comando de válvulas (Fig. 3), que tem como função o controlo da abertura das válvulas. É um veio cilíndrico formado por um conjunto de peças cuja função é controlar a abertura das válvulas. 4

5 Fig. 3 O bloco (Fig. 4) é a parte central do motor. É nele que é feito o suporte para os cilindros e para a cambota, e é onde estão ligados a cabeça do motor e o cárter. A manufactura do bloco do motor é, geralmente, feita em ferro fundido. No interior do bloco existem tubos onde circula o liquido arrefecimento e o óleo de lubrificação. Fig. 4 O cilindro é um furo no bloco aberto, nas duas extremidades, e é onde se desloca o pistão. O tamanho dos cilindros e o número de cilindros existentes no motor fazem alterar a potência, pois quanto maiores os cilindros mais combustível é queimado o que resulta numa maior potência. O número de cilindros pode variar de um para doze ou dezasseis. Uma vez que os cilindros atingem temperaturas na ordem dos 300ºC um bom sistema de refrigeração é essencial. A cambota (Fig. 5) é o constituinte do motor onde a energia libertada na combustão é transformada em energia Fig. 5 mecânica. Nas extremidades da cambota encontram-se dois componentes importantes. O volante do motor e uma roldana. O volante do motor é a peça onde são suavizadas as explosões do motor. Muitas vezes o volante é cortado para conferir mais aceleração ao carro. Por outro lado, a roldana serve para fazer girar vários dispositivos, como a bomba de ar condicionado e a bomba de água. 5

6 A terceira e última parte do motor é o cárter. O cárter (Fif. 6) tem como principal função a lubrificação das partes móveis do motor. Serve também como escudo para a cambota e como recipiente para o óleo que cai das áreas móveis do motor. Fig. 6 6

7 3. Motor de explosão FEUP- Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto O motor de explosão é um motor que, através da queima de gasolina, realiza trabalho capaz de movimentar veículos automóveis, bem como diversas máquinas, e servir como geradores eléctricos portáteis. Tal como o motor Diesel, o motor de explosão é constituído por câmaras de combustão (onde há a queima de combustível) e cilindros (tubos onde deslizam os êmbolos). Estes estão ligados, por uma haste, à cambota, onde os movimentos do pistão são transformados em movimentos de rotação. Outros componentes essenciais para o fornecimento de combustível ao motor, iguais nos dois motores em foco, são o depósito, a bomba de injecção e a borboleta. 3.1 Evolução do motor de explosão Fig. 7 Fig. 8 Entre 1852 e 1860 o francês Jean Joseph Étienne Lenoir, desenvolve e constrói o primeiro motor fixo de explosão, movido a gás. No ano de 1860 regista a patente da sua invenção. Ao fim de três anos, Lenoir consegue, finalmente montar o seu motor num triciclo, aplicando os funcionamentos básicos de uma máquina a vapor (Fig. 7). Neste seu motor o combustível era o gás e o óleo leve, e foi utilizado um carburador primitivo. Uma vez que a potência do motor era muito baixa a sua invenção revelava uma fraca aplicabilidade prática e o carro não chegou sequer a ser comercializado. Apesar disso esse triciclo circulou entre Paris e Joinville-le-Pont, o que valeu a Lenoir o Grande Prémio Argenteuil. Mais tarde, em 1880, o matemático Delamarre-Deboutteville, desenvolveu os estudos iniciais de Lenoir construindo um motor, patenteado em 1884, o qual baptizou de Simplex (Fig. 8). Funcionava com 2 cilindros horizontais ligados a um só eixo de 7

8 manivela e o seu combustível era o gás. A transmissão deste veículo era como a da bicicleta, com corrente. Os trabalhos de Lenoir foram novamente retomados mais tarde por Nikolaus Otto que quando se deparou com os trabalhos do primeiro sentiu que haveria ali mais alguma coisa a fazer. Durante o tempo que Otto dedicou ao desenvolvimento do motor de explosão ele tentou tornar o já existente motor de combustão mais eficiente. Torna-lo útil. Foi então que Otto, em Janeiro de 1862, criou o primeiro motor a quatro tempos do mundo (Fig. 9), embora muito barulhento e de difícil manutenção, pois as pancadas das explosões faziam com que não existisse material que sustentasse aquele motor. Continuou a trabalhar no seu motor até que em 1864, em parceria com Eugen Langen fundou a N.A. Otto & Cia, a primeira fábrica de motores de combustão interna do mundo. Depois de muito trabalho Otto consegue finalmente dominar a explosão e a partir Fig. 9 de 1876 começam a ser produzidos industrialmente os motores de combustão interna de Otto, modelo que serve de base a todos os motores de explosão modernos. 8

9 3.2 Sistema de ignição no motor explosão Nos dois motores em estudo, uma das diferenças fulcrais é o sistema de ignição (Fig. 10). Fig. 10 O motor de explosão funciona num ciclo de quatro tempos, também conhecido como ciclo de Otto um ciclo termodinâmico que explica o funcionamento dos motores de combustão interna. A ignição dos mesmos é feita com recurso a uma vela de ignição, a responsável pela faísca que inicia a combustão. Os quatro tempos deste ciclo (Fig. 11) são: Admissão: o pistão afasta-se do cilindro fazendo com que haja uma injecção de ar e de combustível na câmara de combustão. Compressão: o pistão aproxima-se novamente do cilindro provocando a compressão do ar e da gasolina, que permite que a explosão seja mais energética. Combustão: no seu movimento ascendente o pistão atinge a vela de ignição. Esta liberta uma faísca que inicia a combustão. A combustão faz com que haja aumento de volume e com que o pistão seja deslocado para baixo. Escape: quando o pistão atinge o fundo a válvula de escape abre-se e os gases são libertados para um tubo para o efeito. Fig. 11 9

10 3.3 Sistema de injecção no motor de explosão Outra diferença significativa entre os motores em estudo neste trabalho terá de ser o sistema de injecção (Fig. 12). Este é o sistema que trata do transporte do combustível desde o depósito até às variadas câmaras de combustão. Nos motores de explosão, a gasolina é levada para os injectores alimentadores das câmaras de combustão dos cilindros. A quantidade de combustível administrada e o tempo de abertura dos injectores são controlados por um módulo electrónico que regula estas funções de acordo com a rotação do motor. Fig. 12 Actualmente os motores funcionam com uma injecção que é mais sustentável a nível ambiental e económico. É a chamada injecção multiponto sequencial. Este tipo de injecção controla a quantidade necessária de gasolina que é levada para os cilindros em cada momento, conferindo-lhe, assim, as qualidades já mencionadas. 10

11 4. O motor Diesel No motor Diesel (Fig.13), também conhecido como motor de ignição por compressão, a combustão dá-se devido ao aumento da temperatura que é provocado pela compressão da mistura ar+combustível. Este motor foi evoluindo ao longo dos anos tendo começado por ser um motor lento, barulhento e poluente tornando-se num motor rápido, económico e silencioso. Fig Evolução Histórica do motor Diesel O alemão Rudolf Diesel (Fig. 14) foi o criador do primeiro modelo do motor Diesel que a 10 de Agosto de 1893 funcionou de forma eficiente. Este motor foi apresentado em 1898 na Feira Mundial de Paris, França e utilizava como combustível óleo de amendoim. Perante esta invenção o motor começou a sofrer uma evolução constante. Os primeiros diesel eram alimentados por óleos vegetais, petróleo filtrado, etc. Entre 1911 e 1912, Rudolf Diesel afirmou: O motor a diesel pode ser alimentado por óleos vegetais, e ajudará no desenvolvimento agrário dos países que vierem a utiliza-lo... Fig. 14 Com a morte de Rudolf Diesel o principio básico proposto por ele que era que o motor funcionasse a óleo vegetal que permitiria desenvolver a agricultura dos diferentes países e era um combustível bastante barato, foi esquecido no anos 70 pois a industria do petróleo criou o óleo diesel que era ainda mais barato que os outros combustíveis. Por isso passou a ser utilizado em abundância até que os cientistas chegaram a conclusão de que era extremamente prejudicial para o ambiente e então começa a haver agora uma maior preocupação em produzir óleo vegetal para utilizar nos motores. Perante estas mudanças entre o óleo diesel e o óleo vegetal os motores forma sujeitos a uma grande evolução para acompanhar estas variações. 11

12 4.2 Funcionamento do sistema de injecção no motor Diesel O motor Diesel funciona a quatro tempos que são: Admissão nesta fase o motor aspira ar para a câmara de combustão devido ao movimento do pistão que se desloca do PMS (ponto morto superior) para o PMI (ponto morto inferior). Compressão nesta fase o pistão ao deslocar-se do PMI para o PMS comprime o ar existente no cilindro aumentando a temperatura deste. Explosão pouco antes do pistão atingir o PMS é injectado o combustível na câmara de combustão. O contacto entre o combustível e o ar aquecido provoca a uma explosão. Esta explosão faz com que o pistão se mova até ao PMI. Escape Após ter atingido o PMI o pistão volta a subir expulsando os gases resultantes da combustão da mistura. 4.3 Sistema de Injecção no motor Diesel O motor a diesel, antigamente, tinha como sistema de injecção de combustível as bombas injectoras (Fig. 15). Estas bombas estão divididas em dois grupos, as bombas injectoras em linha e as rotativas. Fig. 15 A Bomba injectora em linha é composta por um corpo e vários componentes, entre eles uma régua, varias válvulas que permitem um funcionamento correcto da bomba. O movimento é feito por um veio de excêntricos que faz movimentar os pistões, nesse movimento é feito o débito de gasóleo para os bicos injectores. O desenho da bomba e feito á semelhança de um bloco de motor. Estas bombas são mais lentas tem um consumo mais alto e tem umas dimensões bastantes grandes no entanto são mais fiáveis. 12

13 As bombas injectoras rotativas foram desenvolvidas principalmente pela Bosch, C.A.V. (LUCAS) estas bombas são de dimensões menores e muito mais rápidas que são compostas por um corpo sendo movidas por um veio em que numa das extremidades está colocada um embolo que com a rotação faz injectar o combustível em cada um dos bicos injectores sendo a injecção neste sistema muito mais rápido, com este modelo foi possível desenvolver uns bicos injectores que funcionavam a pressões muito mais elevadas sendo um das vantagens serem de dimensões menores, serem mais rápidas e terem consumos de gasóleo muito inferiores, tendo sido aplicados em várias marcas, sendo o grupo VW um dos primeiros utilizadores desta tecnologia. Mais tarde e após uma grande evolução criou-se o sistema Common-Rail O Common-Rail (Fig.16) é um sistema de injecção directa de combustível no motor Diesel. Este sistema de injecção foi criado nos anos 90 sendo agora muito comum nos automóveis mais recentes. Este sistema consiste numa bomba de alta pressão que através de uma rampa (tubo) comum a todos os injectores fornece uma pressão constante de injecção de combustível não estando dependente da rotação do motor. Este sistema é controlado electronicamente permitindo que o volume de combustível injectado seja o ideal e que este seja injectado no momento certo. Isto permite que o motor seja mais silencioso, mais económico e menos poluente. Fig. 16 A marca pioneira a equipar um veículo com este sistema foi a Fiat mas agora quase todas as marcas optam por este sistema. 13

14 5. Conclusão Após uma elaborada pesquisa, tratamento de informação e criação do relatório ficamos a perceber melhor o funcionamento dos motores de combustão interna. Chegou-se então à conclusão de que de todos os motores existentes, os mais comuns são o motor Diesel e o motor de explosão a quatro tempos. Cada um deles tem vantagens e desvantagens. O motor Diesel, após uma grande evolução, passou de um motor lento, poluente e barulhento para um motor tecnologicamente mais evoluído e com a ajuda da Electrónica tornou-se num dos motores mais procurados pelas pessoas por ser um motor mais económico que o motor a gasolina. O motor a gasolina, aproveitando a tecnologia utilizada nos motores diesel, tem tido também uma grande evolução. O sistema de injecção deste tipo de motores foi o que mais evoluiu pois passou de um sistema de carburadores poluentes para um sistema mais limpo utilizando uma injecção multiponto sequencial. Este motor com a grande evolução que sofreu passou de um motor poluente e caro, para um motor mais económico e amigo do ambiente. Porém, estes motores, apesar de serem ambos de combustão interna, têm grandes diferenças. A grande diferença entre o motor a diesel e o motor a gasolina é a ignição. Enquanto no motor a diesel a explosão do combustível acontece devido ao aumento da temperatura provocado pela compressão da mistura, no motor a gasolina a explosão da mistura ar+combustível é provocado por uma faísca produzida pela vela de ignição no momento em que a compressão na câmara de combustão é máxima. Também os métodos e os sistemas usados na injecção do combustível são diferentes. Enquanto no motor diesel é utilizada uma bomba injectora, no motor de explosão usa carburador ou injecção multiponto sequencial. Tanto um motor como o outro são inimigos do ambiente e têm custos mas são uma peça importante na sociedade e no mundo tecnológico e industrial. A escolha entre o motor Diesel e o motor de explosão está dependente do uso e da forma com o irá usar tendo cada um tem vantagens e desvantagens dependendo da utilização. 14

15 6. Web\ografia Wikipédia Motor a diesel. (accessed October 1, 2009) Motor a diesel. (accessed October 1, 2009) Motor a explosão. (accessed September 24, 2009) Marshall Brain Como funcionam os motores de carros. (accessed September 24, 2009) Publitrade Sistema de injecção dos motores a gasolina. (accessed September 24, 2009) Publitrade Sistema de ignição. (accessed September 24, 2009) Infopédia. Porto: Porto editora, Motores de combustão interna. (accessed September 24, 2009) Bomba Injectora. (accessed October 16, 2009) Motor Diesel. (acessed October 16, 2009) Wikipédia Cambota. (accessed October 17, 2009) Wikipédia Árvore de cames. (accessed October 17, 2009) Wikipédia Cilindro (motor). (accessed October 17, 2009) Wikipédia Cárter. (accessed October 17, 2009) 15