UNIVERSIDADE CATÓLICA DE BRASÍLIA

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1 UNIVERSIDADE CATÓLICA DE BRASÍLIA PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO Curso de Física TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO Curso de Física POR DENTRO DO CICLO OTTO Autor: Franklin Ayslan Carvalho Ribeiro POR DENTRO DO CICLO OTTO Orientador: Prof. Dr. Paulo Henrique Alves Guimarães Autor: Franklin Ayslan Carvalho Ribeiro Orientador: Prof. Dr. Paulo Henrique Alves Guimarães BRASÍLIA 2009

2 FRANKLIN AYSLAN CARVALHO RIBEIRO POR DENTRO DO CICLO OTTO Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade Católica de Brasília para obtenção do Grau de Licenciado em Física. Orientador: Prof. Dr. Paulo Henrique Alves Guimarães Brasília Novembro de 2009

3 POR DENTRO DO CICLO OTTO RESUMO O texto a seguir apresenta uma revisão teórica sobre as leis da termodinâmica e conceitos da engenharia mecânica relacionados ao funcionamento de motores de combustão interna (MCI), que utiliza como fluido operante a mistura de ar e combustível (ciclo Otto). Será realizada também uma etapa experimental, que compreende a montagem de um motor de combustão interna real de forma didática e o desenvolvimento de um suporte, para que este motor seja mostrado em várias posições, ou seja, o suporte é constituído de dois eixos centrais com rotação de 360. Com o objetivo de transformar o motor em material didático, foram realizados cortes em seu bloco principal esse bloco foi pintado em cores diferentes para obter uma melhor visualização das peças que compõem o motor. O modelo escolhido para realizar este experimento foi o motor CHT, fabricado pela Ford e Volkswagen. Palavras chave: Motor de combustão interna, Termodinâmica, Ciclo Otto. 1. INTRODUÇÃO Neste trabalho de conclusão de curso será estudado o rendimento, a potência, a capacidade volumétrica, a taxa de compressão e o consumo especifico de combustível para motores de combustão interna, através deste estudo poderá ser realizada uma analise das vantagens e desvantagens na utilização dos motores tipo BOXER, CHT e V8. Visando facilitar a didática para explicar o funcionamento das maquinas térmicas e as leis da termodinâmica, foi desenvolvido material didático que auxilie o desenvolvimento deste conteúdo. O material didático consiste na montagem de um motor real de combustão interna onde poderão ser observados todos os estágios de funcionamento de uma maquina térmica. O experimento desenvolvido neste trabalho tem como objetivo demonstrar o funcionamento e identificar os quatro tempos do ciclo Otto em um motor real. Será realizado como parte experimental à apresentação de motor real de combustão interna de quatro tempos (ciclo Otto), modelo CHT fabricado em conjunto pela Volkswagen do Brasil e pela Ford do Brasil parceria denominada Autolatina, com cortes em seu bloco, pintado em cores diferentes para uma melhor visualização, também será instalado, o distribuidor, a bomba de água e óleo, o sistema de injeção de combustível, para que possa ser entendido o funcionamento do motor. Este motor possui disposição dos cilindros em linha no total de quatro cilindros, o combustível utilizado neste modelo é o álcool possuindo diferença para o modelo a gasolina apenas na forma e tamanho da câmara de combustão. O motor será pintado na cor azul, os cortes em vermelho, as bombas de combustível, de água e óleo pintados na cor laranja, carburador e polias na cor grafite e cabeçote na cor 2

4 cromado, as demais peças também serão pintadas em cores diferentes e chamativas para facilitar a visualização. Para sustentação e apresentação do experimento foi, desenvolvido um suporte em metal, com o eixo de suporte do motor com rotação de 360. O trabalho realiza uma revisão teórica dos conceitos da termodinâmica e conceitos ligados a engenharia mecânica, com o objetivo de facilitar o entendimento do funcionamento do motor de combustão interna e de cada parte que constitui o motor. A revisão teórica discutirá as três leis da termodinâmica, rendimento de Carnot, o ciclo Otto e a determinação de rendimento através da visão da Física. Também apresenta conceitos como rendimento mecânico, potência, rendimento volumétrico, cilindrada, taxa de compressão e consumo especifico de combustível que são discutidos a partir da visão da engenharia mecânica. 2. REVISÃO TEORICA 2.1 Leis da termodinâmica As leis da termodinâmica são divididas em quatro princípios fundamentais. Estas leis determinam o equilíbrio térmico entre corpos, a quantidade de calor recebido por um sistema a partir da variação de energia interna e de trabalho e o funcionamento das máquinas térmicas. Analisando dois corpos, com temperaturas diferentes, que são colocados em contato após certo tempo estes terão a mesma temperatura. Se os mesmos forem colocados em contato com um terceiro corpo, os três irão possuir, após certo tempo, uma temperatura comum ou a mesma temperatura. Esta observação experimental resume a lei zero ou lei do equilíbrio térmico propondo que se dois corpos estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro, estarão em equilíbrio térmico um com o outro. A elevação de temperatura de um sistema pode ocorrer adicionando calor ou realizando trabalho sobre o sistema. A realização de trabalho sobre um sistema pode ser feita de várias maneiras. Uma delas é o experimento de Joule, que converte energia potencial de pesos, que caem, em trabalho sobre a água. Outra maneira seria deixar cair um vaso com água de uma altura (h) e efetuar, colisão inelástica com o solo, ou aproveitar o trabalho mecânico da queda de corpos para gerar energia elétrica e depois aquecer a água. O importante nas experiências deste tipo é observar que as quantidades de trabalho que causam variação de temperatura são idênticas (TIPLER, 2000). Logo pelo principio da conservação de energia podemos concluir que o trabalho efetuado sobre o sistema contribui para a elevação da energia interna do sistema. 3

5 Assim, a primeira lei da termodinâmica pode ser expressa por uma equação onde a variação de energia interna do sistema é igual a soma entre a variação da quantidade de calor e o trabalho efetuado pelo sistema. Na forma diferencial pode ser escrita desta maneira, conforme equação (1). du = ᵭQ ᵭW (1) Sendo du a energia interna, ᵭQ a variação de energia interna e đw o trabalho efetuado pelo sistema. Por convenção o trabalho terá sinal positivo (+W) quando efetuado pelo sistema e negativo (-W) quando realizado sobre o sistema. A conversão total de trabalho mecânico em energia térmica é possível de ocorrer, porém é impossível remover energia térmica do sistema e converter totalmente em trabalho mecânico, sem que seja necessário alterar o sistema ou sua vizinhança. A primeira lei da termodinâmica nos leva a concluir que a energia se conserva. Há uma forma de ver a energia mais útil e menos útil. Esta forma de utilizar energia é o que trata a segunda lei da termodinâmica. A segunda lei da termodinâmica foi enunciada de forma diferente por Kelvin, Clausius e Kelvin Planck. Cada enunciado será apresentado abaixo (TIPLER, 2000). É impossível remover energia térmica de um sistema a uma certa temperatura e converter a energia em trabalho mecânico sem modificar de alguma maneira, o sistema ou as vizinhanças do sistema.(enunciado Kelvin) Não há nenhum processo cujo único efeito seja o da transferência de energia de um corpo frio para outro quente. (enunciado Clausius) É impossível que uma máquina térmica operando em ciclo, tenha como único efeito a extração de calor de um reservatório e a execução de quantidade equivalente de trabalho. (enunciado Kelvin Planck) 2.2 Processos quase estáticos Processos termodinâmicos são determinados quando ocorrem alterações nas variáveis de estado (pressão, temperatura e volume), que se relacionam pela equação (2). PV = nrt (2) Na equação (2) P é a pressão, V representa o volume, n o número de moles e R é a constante universal dos gases e T a temperatura expressa em Kelvin (K). Para que o processo seja considerado quase estático, é necessário considerá-lo ocorrendo de forma muito lenta de maneira a permitir que o sistema entre em equilíbrio a cada instante. Num processo isobárico a pressão é mantida constante. W = PdV = P V 4

6 No processo isotérmico a temperatura é mantida constante. Para determinar o trabalho isotérmico temos que considerar a análise do processo em que a variação de energia interna seja nula ( U = 0), já que a temperaturas inicial e final são iguais. O trabalho isobárico é igual à quantidade de calor (HALLIDAY; RESNICK, 2009). P = nrt V dv Q = nrt V Q = nrt ln V f V i (3) No processo adiabático não ocorre troca térmica, entre o sistema e o exterior, ou seja, não ocorre variação de calor ( Q = 0), logo utilizando a primeira lei da termodinâmica temos que o trabalho adiabático e dado pela equação (4). ᵭW = du ᵭW = C v dt dw = C v dt dw = C v (T 2 T 1 ) dw = C v (T 1 T 2 ) dw = C v ( P 1V 1 nr P 2V 2 nr ) W = P 1V 1 P 2 V 2 γ 1 (4) Onde o fator gama (γ) é definido como a razão entre a capacidade calorífica a pressão constante e a capacidade calorífica a volume constante. 2.3 Máquinas térmicas γ = C p C v (5) São dispositivos que operam entre ciclos que tem como objetivo converter a maior quantidade possível de calor em trabalho. O ciclo da máquina térmica consiste na absorção de uma determinada quantidade de calor da fonte quente (Q q ), realização de trabalho (W) e ceder calor para uma fonte fria (Q f ) no momento que retorna ao estado inicial. Por convenção a quantidade de calor absorvida (Q q ) recebe o sinal positivo e a quantidade de calor cedido (Q f ) recebe o sinal negativo (TIPLER, 2000). A representação simplificada da máquina térmica pode ser feita conforme a figura 1. 5

7 Figura 1: máquina térmica simplificada Fonte: Física para cientistas e engenheiros, volume 1, Paul A. Tipler. As máquinas térmicas operam com um fluido operante que determina o tipo de máquina térmica, este fluido pode ser, por exemplo, o vapor de água (máquina a vapor), ar e combustível (motor de combustão interna ciclo Otto) e ar (motor de combustão interna ciclo diesel). O reservatório quente ou fonte quente possui uma temperatura (T q ), que é maior que a temperatura (T f ) do reservatório frio ou fonte fria. Como este sistema é ideal o reservatório quente e frio possuem uma capacidade calorífica muito grande, com o objetivo de absorver e ceder energia térmica sem sofrer modificação considerável de energia (NUSSENZVEIG, 2002). Tendo o estado inicial, final e do fluido operante coincidente, podemos considerar que a energia interna inicial e final são iguais, obtendo ( U = 0), com isso pela primeira lei da termodinâmica a variação da quantidade de calor é igual ao trabalho realizado, conforme a equação (6), equação (7). dq dw (6) W Q q Q f (7) O rendimento térmico ( ) de uma máquina térmica pode ser determinado pela razão entre o trabalho realizado e calor absorvido da fonte quente. W ε (8) Q q Como o trabalho (W) pode ser calculado utilizando a equação (7), substituindo a equação (7) na equação (8), obtemos que o rendimento térmico pode ser determinado em função da quantidade de calor da fonte quente e fria, pela equação (9). Qq Qf Qf ε 1 (9) Q Q q q 6

8 2.4 Ciclo de Carnot Ciclo teórico que descreve o funcionamento de uma máquina reversível, que possui a maior eficiência operando entre dois reservatórios. Esta máquina pode ser resumida como uma máquina térmica ideal que opera com o maior rendimento possível. De acordo com o teorema de Carnot nenhuma máquina térmica operando entre dois reservatórios térmicos pode ser mais eficiente do que uma máquina reversível que opere entre os mesmos dois reservatórios. Conforme este teorema pode-se concluir que todas as máquinas de Carnot, operando entre os mesmos dois reservatórios, possuem o mesmo rendimento. Este rendimento é conhecido como rendimento de Carnot ( c ), que não depende do fluido operante, mas depende da temperatura dos dois reservatórios (HALLIDAY; RESNICK, 2009). Para entender o significado de máquina reversível, é necessário antes diferenciar processo reversível do processo irreversível. Processo reversível é aquele onde não ocorre trabalho de forças dissipativas, a condução térmica só ocorre isotermicamente e o processo deve ser quase estático. Qualquer processo que viole estas três condições será considerado irreversível. O ciclo de Carnot possui quatro etapas reversíveis, que podem ser expressas por um diagrama P x V (TIPLIER, 2000), conforme figura 2. Figura 2: Ciclo de Carnot Fonte: Física para cientistas e engenheiros, volume 1, Paul A. Tipler. Na etapa 1 2 absorção isotérmica quase estática de calor de um reservatório quente. Do ponto 2 até 3 expansão adiabática quase estática com diminuição da temperatura até a temperatura da fonte fria. No ponto 3 até 4 rejeição isotérmica quase estática de calor para a fonte fria. 7

9 inicial. Na etapa 4 1, ocorre compressão adiabática quase estática até atingir o estado Para determinar o rendimento de Carnot será analisado um ciclo com as quatro etapas, onde o gás ideal é o fluido operante. O rendimento térmico de uma máquina térmica é dado pela equação (9), como este não depende do tipo de máquina, com o resultado desta equação obtem-se uma validade geral. Na máquina de Carnot será necessário determinar as quantidades de calor nas etapas que ocorrem absorção e rejeição de calor. Na primeira e segunda etapa, ocorre respectivamente absorção isotérmica e rejeição isotérmica. Nestes processos a variação de energia interna é nula ( U = 0), obtendo que a quantidade de calor absorvido (Q q ) ou rejeitado (Q f ) é igual ao trabalho (W). Q q = W = PdV = Q f = W = PdV = 2 nrt q V dv = nrt qln V 2 1 V 1 4 nrt f V dv = nrt f ln V 3 3 V 4 Calculando a razão entre Q f e Q q, obtemos o resultado. (10) (11) Q T q f ln V 4 V = 3 Q q T q ln V (12) 2 V 1 A equação para o processo adiabático é dada pelas equações (13) e (14), que é utilizada para relacionar a expansão na segunda e terceira etapas e a compressão na primeira e quarta etapas. Obtemos. T q V 2 γ 1 = T f V 3 γ 1 T q V 1 γ 1 = T f V 4 γ 1 Dividindo membro a membro das equações (13) e (14), encontramos. γ 1 V 2 V 1 = V 3 V 4 γ 1 (13) (14) (15) Portanto, como as razões entre os volumes são iguais, podemos concluir que a razão entre os logaritmos dos volumes também são iguais, assim obtemos. Q f Q q = T f T q (16) O rendimento de Carnot, então deve ser expresso da seguinte maneira. ε c = 1 T f T q (17) Este rendimento representa o maior possível entre as duas temperaturas. 8

10 2.5 Ciclo Otto Este ciclo é um modelo teórico, que melhor representa o funcionamento de um motor de combustão interna. O ciclo é composto por seis etapas representadas no diagrama P x V (STONE, 1999), conforme figura (3). Figura 3: Ciclo Otto teórico Fonte: Introduction to internal combustion engines, Richard Stone. Na etapa 0 1 ocorre admissão da mistura ar e combustível, ocorrendo compressão adiabática até o ponto 2. Do ponto 2 até o ponto 3, ocorre o rápido aquecimento da mistura a volume constante (processo isocórico). No ponto 3 até o ponto 4, ocorre uma expansão da mistura muito rápido, daí por isso não há tempo para troca de calor, ou seja, é um processo adiabático. Na penúltima etapa, que compreende os pontos 4 e 1, ocorre uma fuga da mistura por processo isocórico. Na ultima etapa, que é representada no gráfico como, 1 0 ocorre expansão e expulsão dos resíduos. O rendimento térmico de qualquer máquina térmica é expresso pela equação (6), mas por ser um procedimento complicado, em um motor real determinar a quantidade de calor de fonte quente (Q q ) e da fonte fria (Q f ). O rendimento térmico do ciclo Otto será expresso em função dos volumes máximos e mínimos cuja razão é conhecida como taxa de compressão (K). O calor cedido e recebido ocorre em processos isocóricos, logo as quantidades de calor cedidas e recebidas podem ser determinadas pelas equações (18) e (19). Q q = C v T 1 T 4 (18) 9

11 (21). Q f = C v T 3 T 2 (19) Nas transformações adiabáticas as relações são definidas pelas equações (20) e T 3 V γ 1 γ 1 3 = T 4 V 4 γ 1 V T 3 = T 4 4 V 3 γ 1 T 3 = T 4 K γ 1 (20) De maneira análoga, obtemos a relação para as temperaturas T 1 e T 2. T 2 = T 1 K γ 1 (21) Substituindo as equações (20) e (21) na equação 7, obtemos o rendimento em função da razão entre os volumes. ε = 1 1 (22) Kγ Conceitos da engenharia mecânica Com o objetivo de obter um melhor entendimento sobre o funcionamento do motor de combustão interna e métodos utilizados pela engenharia para determinar o rendimento mecânico, rendimento volumétrico, potência, taxa de compressão, consumo especifico de combustível e cilindrada. Nesta parte iremos realizar uma breve definição dos temas acima citados. As variáveis abordadas nesta parte correspondem à Física pura. 2.6a Potência e rendimento mecânico A potência desenvolvida por um motor é denominada de forma geral como, a potência gerada no eixo do motor (bhp) (STONE, 1999). A equação (23) determina matematicamente esta relação. Onde F é a força de atrito e r o raio do eixo. W = 2πrF (23) A potência total gerada pelo movimento dos pistões é designada como potência indicada (ihp). Uma parte da potência indicada, oriunda da combustão do fluido operante, não é aproveitada como potência no eixo. Esta perda de potência é devida ao atrito existente entre o contato das peças móveis do motor, denominada pela engenharia como potência de atrito (fhp) (STONE, 1999). ihp = bhp + fhp (24) A razão entre a potência do eixo e a potência indicada é conhecida pela engenharia como o rendimento mecânico de um motor. ε M = bhp ihp (25) 10

12 Para determinar a potência do eixo e a potência indicada é necessário definir o conceito de pressão média efetiva e pressão média indicada. Pressão média efetiva (p m ) é definida como a pressão constante que seria necessária no interior do cilindro, durante o curso, de expansão, para desenvolver uma potência igual à potência do eixo (STONE, 1999). Pressão média indicada (p i ) é entendida como a pressão constante que seria necessária no interior do cilindro, durante o curso de expansão, para desenvolver uma potência igual à potência indicada (STONE, 1999). A expressão matemática que representa a pressão média efetiva e pressão media indicada estão escritas, respectivamente, nas equações (26) e (27). bhp = ihp = p m LANn x p i LANn x (26) (27) Onde A é a área da cabeça do pistão, L significa o curso do pistão, N representa o número de rotações por minuto (rpm), n é o número de rotações por cilindro, entre dois cursos de expansão (para motores de quatro tempos x = 2) (STONE, 1999). O fator expresso nas equações 26 e 27 representam a conversão da potência necessária para elevar a altura de um pé, em um segundo, uma carga de 550 libras, onde 550 x 60 = para transformar em minuto, desta forma os valores de bhp e ihp será dado em libras por polegada ao quadrado. 2.6b Rendimento volumétrico Definida de forma geral como a medida efetiva do processo de admissão e exaustão dos gases aspirados e expulsos pelo motor no decorrer do ciclo. Este rendimento é arbitrariamente definido, para motores que possuem como fluido operante a mistura de ar e combustível, como a razão entre a massa de ar aspirada por cilindro por ciclo (M ar ) e a massa de ar que ocuparia o cilindro a pressão e temperatura ambiente (M normal ) (STONE, 1999). ε v = M ar M normal (28) Considerando que o ar obedece à lei dos gases a equação (28) pode ser reescrita em função do volume de ar aspirado com densidade ambiental pelo cilindro por ciclo (V ar ) e do volume do cilindro (V c ). ε v = V ar V c (29) 2.6c Cilindrada e taxa de compressão 11

13 Cilindrada é definida como o volume total deslocado pelo pistão entre o ponto médio inferior (PMI) e o ponto médio superior (PMS), multiplicado pelo número de cilindros do motor (SANTOS, 2009). Estes pontos representam as duas posições do eixo de manivelas (virabrequim), para as quais o êmbolo (pistão) está em completo repouso e inverte o sentido do movimento. A figura 6 representa estas posições. Figura 6: curso do pistão entre os pontos PMI e PMS. Fonte: Apostila aula 1 Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos. A equação que determina o cálculo da cilindrada é expressa pela equação (30). C = πd2 4 N cilindro (30) Onde D é o diâmetro do cilindro e N cilindro representa o número de cilindros do motor. Taxa de compressão de um motor pode ser definida como o número de vezes em um intervalo de tempo que é comprimida pela câmara de compressão, antes do processo de combustão, a quantidade de ar ou mistura de ar e combustível aspirado para dentro do cilindro pelo pistão (STONE, 1999). Representada matematicamente pela equação (31). TC = C + c c (31) Onde C é a cilindrada do motor definida pela equação (30) e c representa o volume da câmara de combustão. Na análise termodinâmica do motor de combustão interna, a taxa de compressão é diretamente responsável pelo rendimento térmico do motor. Desta maneira, quanto maior a taxa de compressão obtém um melhor aproveitamento energético do processo de queima do fluido operante (TAYLOR, 1961). Câmara de compressão é o espaço livre do cilindro quando o pistão encontra no ponto médio superior (PMS). 12

14 Figura 7: Taxa de compressão do fluido operante. (Modificada) Fonte: Apostila aula 1 Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos. 2.6d Consumo específico de combustível Determinada como a razão entre a taxa de fluxo massivo de combustível Ṁ e a produção de força Ẇ, compreendida como o consumo de combustível em relação ao trabalho realizado. Conforme expresso pela equação (32) (TAYLOR, 1961). SFC = M dm W = dt dm dt = dw dw dt = dm dw dt (32) 2.7 Motores de combustão interna O primeiro motor de combustão interna foi desenvolvido em 1876, por Augusts Nikolaus Otto, a partir de estudos realizados pelo engenheiro francês Alphonse Beau de Rochas em Ao longo do tempo os motores de combustão interna sofreram melhorias em diversas partes como no tamanho, peso, materiais, economia no consumo de combustível, combustíveis utilizados na mistura, eficiência, potência, quantidade de cilindros e posição dos cilindros. Basicamente um motor de combustão interna (MCI) é composto por peças fixas (bloco do motor, cabeçote e carter) e peças móveis (pistão, biela, árvore de manivelas ou virabrequim, árvore de comando de válvulas e válvulas de admissão e escape) (SANTOS, 2009). O bloco do motor é o motor propriamente dito, onde são usinados os cilindros, para motores com câmaras de combustão fixas ou os furos para a colocação das câmaras de combustão. Câmaras de combustão ou camisas são cilindros onde ocorre a combustão do fluido operante (combustível e ar no ciclo Otto ou apenas ar no ciclo Diesel), e também é onde o pistão realiza o seu movimento (SANTOS, 2009). 13

15 Figura 7: Bloco do motor. Fonte: Apostila aula 1 Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos. Cabeçote pode ser definido como tampa superior do bloco do motor, contra a qual o pistão comprime o fluido operante. Nesta peça estão os furos para a instalação das velas de ignição e furos para os bicos injetores de combustível no caso de motores injetados ou furos para entrada do fluido operante no caso de motores carburados, posicionado em sua parte inferior estão as válvulas de admissão e escape. Figura 8: Cabeçote. Fonte: Apostila aula 1 Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos. O carter é a tampa inferior do bloco do motor, cobrindo o virabrequim, bomba de óleo lubrificante e bielas, com função de reservatório de óleo lubrificante. Os componentes móveis de um motor de combustão interna podem ser definidos da seguinte maneira (SANTOS, 2009): Pistão é a parte móvel da câmara de combustão que recebe a força da expansão do fluido operante, transferindo para a biela, através do pino do pistão, o movimento. A biela é o braço de ligação entre o pistão e o virabrequim, sendo importante salientar que o conjunto biela e virabrequim transformam o movimento retilíneo do pistão em movimento rotativo do virabrequim. 14

16 Figura 9: Conjunto pistão, biela e agregados. Fonte: Apostila aula 1 Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos. A árvore de manivelas, eixo de manivelas ou virabrequim é definido como eixo motor, que na maioria das vezes, está posicionada na parte inferior do bloco do motor, recebendo as bielas. Árvore de comando de válvulas ou eixo comando de válvulas possui a função de abrir as válvulas de admissão e escape, respectivamente, nos tempos de admissão e escapamento. O acionamento deste eixo é realizado pelo virabrequim, através de engrenagem, corrente ou correia dentada. Possuindo também ressaltos que elevam o conjunto tucho, haste e balancim (SANTOS, 2009). Existem dois tipos de válvulas que podem ser diferenciadas pelo tamanho, forma e função. A válvula de admissão tem a função de permitir a entrada do fluido operante na câmara de combustão. A válvula de escape possui a função de escape dos gases oriundos da queima do fluido operante após a expansão do pistão. O conjunto de acionamento das válvulas é compreendido por tucho e uma haste, que o interliga ao balancim, apoiando se diretamente sobre a válvula. No momento em que o eixo comando de válvulas gira, o ressalto deste aciona o tucho, que é um pequeno cilindro aberto na parte superior, que por sua vez move a haste, fazendo com que o balancim transmita o movimento à válvula. Para cada ressalto do eixo comando de válvulas, que relaciona com cada válvula, existe um conjunto de acionamento. 15

17 Figura 10: Conjunto tucho, haste, balancins, eixo comando de válvulas, virabrequim e pistão. Fonte: Apostila aula 1 Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos. O ciclo Otto ideal foi definido anteriormente conforme figura (3), o ciclo Otto real pode ser observado na figura (11). Figura 11: Ciclo Otto real. Fonte: Introduction to internal combustion engines, Richard Stone. 3. EXPERIMENTO Consiste na apresentação de um motor real, com cortes em sua estrutura principal. O motor escolhido para este experimento foi o CHT, desenvolvido e fabricado em conjunto pela FORD do Brasil e VW do Brasil. O modelo CHT escolhido possui cilindrada definida pelo fabricante como 1.6 que utiliza como combustível o álcool. O motor apresentado será composto pelo sistema de injeção de combustível e do sistema de escape dos gases, como também de peças acessórias necessárias para o entendimento de seu funcionamento. 16

18 Figura 11: Motor CHT, com todas as peças para o seu funcionamento. Fonte: < O experimento é constituído de um suporte construído em metal, para a sustentação e movimentação deste motor. O suporte foi desenvolvido de forma que o motor gire 360 sobre o seu eixo, conforme figura 12 que representa a primeira idéia para a elaboração do suporte. Figura 12: Esquema básico do suporte do motor. 3.1 Material Os materiais utilizados para a montagem do experimento, assim como as ferramentas utilizadas para a desmontagem, montagem, corte do motor e construção do suporte são listadas abaixo. 17

19 Motor CHT 1.6 Coletor de escape Coletor de admissão com carburador Tubos de ferro Rodas do tipo giratório na dimensão 3x1 Tinta do tipo spray nas cores preto fosco, vermelho, grafite, laranja e cromado. Eixo traseiro do veiculo Palio Furadeira Esmerilhadeira angular Ferramentas para montagem e desmontagem do motor. Resina epóxi Escovas de aço circular Lixa, com numeração 250 e 350 e 450 Disco de corte Água, Óleo diesel, solvente para tinta, gasolina. Pincel de 380 mm Balde, Bacia Trena Paquímetro Morsa de 100 mm Fita crepe 3.2 Método e procedimentos O experimento foi dividido em três etapas, com o objetivo de facilitar e organizar o desenvolvimento da atividade. A primeira etapa consiste na desmontagem, limpeza, definição dos locais que serão realizados os cortes no bloco, realização dos cortes e pintura. O primeiro corte foi realizado no lado direito do bloco, na posição dos pistões 1 e 2 próximo ao volante, com 14,7 x 9,3 cm. O segundo corte realizado no ponto de fixação do distribuidor de corrente elétrica no tamanho de 5,7 x 1,8 cm, o terceiro corte foi feito no lado esquerdo do bloco, próximo a bomba de combustível, sobre o eixo de comando de válvulas com o tamanho de 6,9 x 1,5 cm. 18

20 Figura 13: Cortes no bloco, para acesso as camisas 1 e 2. Figura 14: Cortes no distribuidor de eletricidade e no eixo comando. A ferramenta utilizada para realizar os corte foi a esmerilhadeira angular, com disco de corte. Como a precisão da ferramenta não é a ideal ocorreram estrapolações dos cortes, que foram corrigidos com resina epóxi e utilizando lixa para dar uniformidade aos cortes. Após realizar os cortes e correções, o procedimento de pintura das peças foi iniciado, utilizando (spray) em diversas cores. O bloco foi pintado na cor azul angra, as secções de cortes foram pintadas na cor vermelha para ressaltar a visualização. As camisas deste motor são móveis, por este motivo, foi necessário realizar cortes nas camisas para ser possível a visualização do movimento dos pistões 1 e 2.Na camisa 1 o corte possui 7 cm de comprimento por 4,2 cm de largura, para a camisa 2 o corte realizado tem 4,6 cm de comprimento por 4,1 cm de largura. Os pistões e camisas 3 e 4, não foram instalados para diminuir o peso do sistema, mas foram mantidos nos suporte para que possa ser realizada uma melhor visualização destes componentes. As camisas que foram instaladas no motor foram pintadas na cor grafite. 19

21 Figura 15: Camisas e pistões Na segunda etapa foi realizada a montagem do motor, para o início da etapa todos os parafusos de fixação das peças do motor foram pintados na cor preto fosco, as primeiras peças a serem montadas foram as camisas e os pistões, foi instalado o eixo de virabrequim no bloco. Os anéis dos pistões foram colocados de forma que sua abertura fique a mostra. A instalação correta destes anéis seria cada corte oposto ao outro, com uma diferença de 180 entre cada abertura. Figura 16: Eixo virabrequim O cabeçote pintado na cor cromado, foi instalado em sua posição correta acima do bloco, fixando as camisas 1 e 2. No lado esquerdo do cabeçote foram instaladas as velas de ignição. Neste momento da montagem foi realizada a colocação do motor no ponto, este procedimento consiste em sincronizar a abertura e fechamento das válvulas de admissão e escape. 20

22 Figura 17: Cabeçote antes da pintura. Para a realização deste procedimento as polias do eixo virabrequim e do eixo comando de válvulas foram instaladas e ligadas pela corrente que faz o seu acionamento simultâneo, estas polias foram pintadas na cor grafite, mostradas nas figuras 18. Figura 18: polia do eixo comando e polia do eixo virabrequim. Após a regulagem do motor, realizou a instalação da tampa do comando de válvula pintada na cor preto fosco e detalhes do nome Ford presente na tampa pintado na cor cromado, os coletores de escape e admissão foram pintados na cor grafite por ser uma única peça de difícil isolamento para ser pintado em cores diferentes cada um, o sistema de injeção de combustível, composta pela bomba de combustível pintada na cor laranja e carburador pintado na cor grafite, o distribuidor de corrente elétrica e cabos foram pintados na cor preto fosco. O filtro de óleo, bomba d água também foram pintados na cor laranja. A configuração final do motor pode ser vista na figura 19 e no anexo 1. O manual para a desmontagem e montagem do modelo CHT, que foi utilizado neste trabalho, também pode ser acessado através do link indicado na referência bibliográfica 7. Animações referentes ao funcionamento de cada modelo citado na introdução deste trabalho podem ser visualizadas através dos links apresentados nas referências bibliográficas. 21

23 Figura 19: Configuração final do motor. Terceira etapa reservada para o desenvolvimento do sistema de acionamento de motor e construção e pintura do suporte. Nesta etapa o suporte foi pintado na cor verde. Os suportes foram construídos em metal com um tubo de ferro com diâmetro externo de 4 cm, altura sem rodas de 1m. Na extremidade superior traseira do suporte foi soldado o eixo giratório com a base fixadora do motor conforme a figura 20. Figura 20: Foto do cubo eixo traseiro soldado no suporte. Na extremidade inferior foi instalada a base em forma de cruz, nas extremidades de cada base foi instalada uma roda, que possui a dimensão de 3x1, para o deslocamento do sistema suporte e motor, como mostra a figura 21, as barras de sustentação e locomoção possui diâmetro externo de 4 cm e comprimento de cada perna de 25,5 cm. 22

24 Figura 21: Estrutura de locomoção dos suportes Para a movimentação da base fixadora frontal foi soldado na parte superior do tubo metálico, um eixo fixo com diâmetro externo de 3,5 cm e comprimento de 7,6 cm, onde é encaixada a base fixadora como mostra a figura 22. Esta base possui uma altura de 16,5 cm e um eixo com diâmetro de 3,5 cm e comprimento de 9 cm. A haste superior possui forma de L deslocado um do outro para a fixação da bomba de água. A haste inferior em forma de U possui respectivamente as dimensões comprimento da base do U de 26,5 cm e 26 cm e as laterais do U de 12 cm e 10,5 cm. Figura 22: Inicio do suporte frontal e base fixadora. Estas medidas são importantes para uma correta distribuição da massa do sistema, evitando a falta de equilíbrio do conjunto. O eixo giratório, utilizado neste suporte, é uma peça do sistema de roda do veiculo Palio, denominada cubo traseiro, que pode ser visualizada na figura 20 e 23. Para que o motor seja parado em seu movimento de rotação sobre o seu eixo, foi soldado um disco de ferro com diâmetro de 13 cm, com seis furos, no eixo da base fixadora traseira a uma distância de 7 cm dos furos já existentes no eixo giratório traseiro utilizada. Uma válvula que 23

25 teve a sua ponta feita como a de um lápis foi utilizada para o travamento deste conjunto como mostra a figura 24. Figura 23: Foto cubo traseiro Figura 24: Chapa de fixação do suporte traseiro. A configuração final do suporte pode ser visualizada na figura 25, esta montagem foi necessária para evitar que o sistema perca o equilíbrio, já que o motor após a montagem permaneceu ainda com um peso muito elevado. A visualização de outras figuras do suporte pode ser feita no anexo 2. Figura 25: Suporte giratório para o motor. 24

26 Para o funcionamento do motor, fazer girar o virabrequim e os pistões não foi necessário desenvolver um sistema de acionamento, já que, os cortes no bloco e nas camisas não proporcionam uma pressão grande, gerada pela compressão do fluído operante (ar e combustível). Desta maneira o motor pode ser girado de forma simples e fácil apenas ao movimentar o volante ou a polia frontal do virabrequim. 4. CONCLUSÃO Com a elaboração deste trabalho de conclusão de curso, mostramos uma visão diferente dos rendimentos, potência, cilindrada, taxa de compressão e consumo especifico de combustível de um motor de combustão interna (MCI). O desenvolvimento da parte experimental melhora a interação do estudante e do leitor, com as leis da termodinâmica e dos conceitos discutidos da engenharia mecânica relacionados ao funcionamento do motor de combustão interna. A interação é favorecida através da visualização dos ciclos de um motor real. Com a construção deste motor conseguimos mostrar todas as etapas e peças, necessárias para o funcionamento do motor, proporcionando ao estudante realizar comparação entre o que ocorre realmente no motor com o que lhe é apresentado pela teoria, na forma de gráficos ou textuais. A revisão teórica e o experimento auxiliam o leitor a realizar as comparações entre os fatores, que são determinantes para a elaboração e desenvolvimento de um motor, a partir dos conhecimentos da Física e da Engenharia Mecânica. 25

27 5. AGRADECIMENTOS A minha mãe Telma Carvalho e meu pai Geraldo Ribeiro pela paciência, patrocínio e confiança em minha capacidade, minha irmã Rosa Talita pelas criticas, incentivos e leitura do trabalho, minha tia Nadja Indaiá por ceder sua casa para a confecção do trabalho, minha esposa Fabíola Rufino e minha filha Isabela por compreender os momentos de ausência e pela motivação. A todos citados e não citados pelo apoio para a realização deste trabalho e batalha para continuar e concluir o curso de Física. Aos amigos Alexandre, Marina, Sidney, Narla, Fabrício, Thiago, Othon, Daniel, Carlos e Patrícia por ajudarem na confecção do trabalho, na leitura e critica do trabalho, na tradução de livros, no tratamento das figuras, no corte do motor, na pintura e montagem do motor, no desenvolvimento do suporte. A todos os amigos que me esqueci de citar, eu agradeço e o meu muito obrigado. Ao professor Paulo Henrique pelo total apoio, correções, ensinamentos antes e durante o desenvolvimento do trabalho e por ter incentivado e acreditado na minha capacidade de realização este projeto. 26

28 6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS 1. TIPLER, Paul A.. Física para cientistas e engenheiros. Vol. 1, 4 ed. Rio de Janeiro. LTC editora HALLIDAY, David;RESNICK, Jearl Walker. Fundamentos da Física. Vol 2, 8 ed. Rio de Janeiro. LTC editor NUSSENZVEIG, Moysés H. Curso de Física Básica 2. Vol. 2, 4 Ed. São Paulo. Edgard Blücher ltda STONE, Richard. Introduction to internal combustion engines.3 ed. Warrendale,Pa. Editora Society of automotive engineers, Inc SANTOS, Antonio Moreira. Introdução aos motores de combustão interna. Disponível em: < Acessado em: 12 jan TAYLOR, Charles F.; TAYLOR, Edward S. The internal combustion engine. 2 ed. Pennsylvania. Editora international textbook company FORD. Manual de manutenção do CHT. Disponível em: < Acessado em: 22 jun Animação motor V8. Disponível em: < Acessado em: 14 nov Animação motor V8. Disponível em: Acessado em: 14 nov Animação do motor quatro cilindros em linha. Disponível em: <:// Acessado em: 14 nov Animação Boxer. Disponível em: < >. Acessado em: 14 nov SERWAY, Raymond A.; JEWETT, John W. Jr. Princípios da Física. Vol. 2. São Paulo. Cengage Learning editor CHAVES, Alaor Silvério. Física - Curso básico para estudantes de ciências físicas e Engenharias. Vol. 4, 1 ed. Rio de Janeiro. Reichmann e Afonso editor PENIDO FILHO, Paulo. Os motores a combustão interna. Editora LEMI, Belo Horizonte MWM Internnatinal. Apostila de Treinamento. Disponível em:< Acessado em: 12 jan NEBRA, Silvia Azucena. Máquinas térmicas. Disponível em: < Acessado em: 12 jan PEREIRA, José Cláudio. Motor Gerador. Disponível em: < Acessado em: 14 jan

29 18. Historia das leis da Termodinâmica. Disponível em: < Acessado em: 14 jan Mecânica fácil. Disponível em: Disponível em: < >. Acessado em: 22 jan BOSH. Linha de injeção eletrônica e ignição eletrônica. Disponível em: < Acessado em: 22 jan DEUTZ. Disponível em: < Acessado em: 22 jan VOLKSWAGEN. Manual de manutenção do Fusca. Disponível em: < Acessado em: 22 jun Motores de combustão interna. Disponível em: < Acessado em: 23 jun Motor de combustão interna II. Disponível em: < MOTORES-DE-COMBUSTc3O-INTERNA>. Acessado em: 23 jun Fundamentos de motores de combustão interna. Disponível em: < >. Acessado em: 24 jun SENAI. Senai motores. Disponível em:< >. Acessado em 24 jun DANA. Dicas técnicas Dana. Disponível em: < >. Acessado em: 24 jun

30 ANEXO(S) 29

31 ANEXO 1: Figuras adicionais da configuração final do motor. Figura 1: Cabeçote pintado na cor cromado. Figura 2: Bomba de Óleo pintada na cor laranja. 30

32 Figura 3: Visão frontal do motor (bomba de água e polias). Figura 4: Visão lateral (cortes no distribuidor e eixo comando e bomba de combustível). 31

33 Figura 5: Visão lateral do corte no bloco e cortes nas camisas. Figura 6: Bomba de água, carburador e distribuidor. 32

34 Figura 7: Visão do virabrequim e volante. Figura 8: Visão superior do motor completo. 33

35 Figura 9: Visão superior motor com o filtro de ar. Figura 10: Visão superior do motor, com suporte girado. 34

36 ANEXO 2: Figuras adicionais da configuração final do suporte. Figura 11: Barra de travamento dos dois suportes. Figura 12: Barra de travamento em detalhe. 35

37 Figura 13: Suporte frontal (detalhe do eixo de sustentação do motor). Figura 14: Ganchos para a sustentação dos pistões e camisas 3 e 4. 36