Ciclos de operação. Motores alternativos: Razão de compressão. Máquinas Térmicas I Prof. Eduardo Loureiro

Transcrição

1 Ciclos de operação Motores alternativos: O pistão move-se pra frente e pra trás no interior de um cilindro transmitindo força para girar um eixo (o virabrequim) por meio de um sistema de biela e manivela. A rotação permanente do eixo proporciona um movimento cíclico do pistão. O pistão chega a parar no Ponto Morto Superior PMS e no Ponto Morto Inferior PMI, quando o volume no interior do cilindro é mínimo e máximo, respectivamente. O volume mínimo denominamos: volume da câmara V c (clearance volume). O volume varrido pelo pistão, que corresponde à diferença entre o volume total, V t e o volume da câmara é chamado de Volume deslocado, V d. A razão entre o máximo volume e o mínimo volume é a taxa de compressão, r c. Os valores de r c variam de 8 a 12 nos motores de ignição por centelha e de 12 a 24 nos motores de ignição por compressão. Vt V c Vd Vc V c r c Razão de compressão

2 Ciclo de 4 tempos (ciclo Otto) 1 Curso de admissão: Começa com o pistão se movendo do PMS para o PMI, permitindo que o cilindro seja preenchido com mistura fresca. Para aumentar a massa induzida a válvula de admissão abre-se um pouco antes de começar o curso e fecha um pouco depois de terminar. 2 Curso de compressão: Quando as duas válvulas estão fechadas a mistura é comprimida a uma pequena fração de seu volume inicial. Próximo do final do curso de compressão a combustão é iniciada e a pressão no cilindro cresce mais rapidamente. Fonte: Cada cilindro requer 4 cursos do pistão, ou duas revoluções do virabrequim, para completar a seqüência de eventos que produz um tempo útil. Este ciclo tanto pode ser usado por motores de ignição por centelha como por motores de ignição por compressão. Executar MotorOTTO.exe 3 Curso de expansão: Curso útil, começa com o pistão no PMS terminando no PMI. Gases a altas temperatura e pressão empurram o pistão para baixo e forçam o virabrequim a girar. Cerca de cinco vezes mais trabalho é realizado sobre o pistão no tempo de expansão do que o inverso no tempo de compressão. Quando o pistão aproxima-se do PMI a válvula de descarga abre-se fazendo a pressão cair para próxima da pressão de exaustão. 4 Curso de exaustão: Neste curso os gases queimados deixam o cilindro: primeiro porque a pressão no interior do cilindro é bem maior que no sistema de exaustão, e depois eles são varridos para fora pelo movimento do pistão. Quando o pistão está chegando próximo ao PMS, a válvula de admissão abre-se e a válvula de exaustão fecha-se um pouco depois do PMS.

3 Ciclo de 2 tempos Portas na lateral do cilindro, abertas e fechadas pelo movimento do pistão, controlam o fluxo de admissão e exaustão quando o pistão encontra-se próximo do PMI. Os quatro tempos anteriores são reduzidos a: 1 Curso de compressão: (lado direito da figura) As portas de admissão e exaustão são fechadas. Ao mesmo tempo em que o pistão comprime o conteúdo do cilindro, movendo-se para o PMS, induz a entrada de mistura fresca no cárter (crankcase). Quando o pistão se aproxima do PMS a combustão é iniciada. 2 Curso de expansão: Similar ao curso de expansão do ciclo de 4 tempos até que o pistão se aproxima do PMI, quando primeiro abrem-se as portas de exaustão e depois as portas de admissão são descobertas. A maior parte dos gases queimados deixam o interior do cilindro devido à diferença de pressão (blowdown process). Quando as portas de admissão são descobertas, a mistura fresca que estava comprimida no cárter escoa para dentro do cilindro. O ciclo de 4 tempos requer, para cada cilindro do motor, duas revoluções do virabrequim para cada tempo útil. Para obter maior potência para um dado tamanho de motor, com um projeto mais simples do sistema de válvulas, foi desenvolvido o ciclo de 2 tempos. O ciclo de dois tempos também pode ser usado por motores de ignição por centelha ou motores de ignição por compressão. O pistão e as portas têm suas formas projetadas para defletir a mistura que entra não permitindo que ela escoe diretamente para as portas de exaustão e para melhorar o processo de varredura dos gases residuais. Há a vantagem de se ter um tempo útil a cada revolução do virabrequim. Porém, é muito difícil preencher completamente o volume deslocado com mistura fresca (baixa densidade de carga) e parte desta mistura fresca escoa diretamente para fora no processo de varredura. Esta segunda característica é uma séria desvantagem nos motores de ignição por centelha.?

4 A figura ao lado mostra um motor de ignição por centelha, quatro cilindros em linha. A função da maior parte dos componentes deste motor será revisada nos slides a seguir. Tente nomear (antes e depois da leitura) os componentes apontados palas setas da figura.

5 Os cilindros estão inseridos dentro do bloco do motor. Os blocos são normalmente feitos de ferro fundido devido à resistência ao desgaste e baixo custo. Passagens para a água de resfriamento são introduzidas na fundição do bloco. Motores carga-pesada freqüentemente usam camisas do cilindro, pressionadas dentro do bloco que podem ser trocadas quando desgastadas. Podem ser camisas molhadas ou camisas secas dependendo se estão ou não em contato com a água de resfriamento. O uso de alumínio vem crescendo na construção dos menores blocos dos motores de ignição por centelha para reduzir o peso. No interior do bloco são montados o virabrequim e pistões.

6 O virabrequim é normalmente feito de aço forjado. Ele é suportado por mancais fixos. O número máximo de mancais fixos é um a mais que o número de cilindros. O virabrequim tem partes excêntricas (manivelas) na extremidade das quais (mancais móveis) são acopladas as bielas. Em ambos os acoplamentos são inseridas bronzinas para melhor deslizamento. O bloco do motor é selado na parte inferior por uma chapa fina de metal, o cárter, conformada para servir de reservatório ao óleo de lubrificação, servindo também para resfriá-lo.

7 O virabrequim é normalmente feito de aço forjado. Ele é suportado por mancais fixos. O número máximo de mancais fixos é um a mais que o número de cilindros. O virabrequim tem partes excêntricas (manivelas) na extremidade das quais (mancais móveis) são acopladas as bielas. Em ambos os acoplamentos são inseridas bronzinas para melhor deslizamento. O bloco do motor é selado na parte inferior por uma chapa fina de metal, o cárter, conformada para servir de reservatório ao óleo de lubrificação, servindo também para resfriá-lo.

8 Os pistões são feitos de alumínio nos motores menores ou ferro fundido nos maiores e mais lentos. O pistão sela o cilindro e transmite a pressão gerada pela combustão dos gases para o virabrequim através do sistema biela-manivela.

9 A biela, normalmente de aço liga forjado, é acoplada na sua parte superior ao pistão, por meio de um pino de aço. O pino é vazado para redução de peso. O movimento oscilante da biela exerce forças também oscilantes na parede do cilindro, através da saia do pistão (região abaixo dos anéis de segmento).

10 A folga entre a lateral do pistão e a parede do cilindro é fechada pelos anéis de segmento inseridos em reentrâncias laterais na cabeça do pistão. Estes anéis servem para evitar a fuga de gases e controlar o óleo de lubrificação. Os anéis superiores são chamados anéis de compressão e os inferiores raspam o excesso de óleo das paredes do cilindro removendo-o para o cárter. Este último deve ser ventilado (suspiro) para evitar aumento de pressão.

11 O cabeçote, de alumínio ou ferro fundido, sela a parte superior dos cilindros. Deve ser robusto e rígido o suficiente para distribuir as forças dos gases uniformemente para o bloco do motor. O cabeçote abriga as velas de ignição nos motores de ignição por centelha ou os bicos injetores nos de ignição por compressão e o mecanismo das válvulas. Individuais Peça única

12 O cabeçote, de alumínio ou ferro fundido, sela a parte superior dos cilindros. Deve ser robusto e rígido o suficiente para distribuir as forças dos gases uniformemente para o bloco do motor. O cabeçote abriga as velas de ignição nos motores de ignição por centelha ou os bicos injetores nos de ignição por compressão e o mecanismo das válvulas.

13 As válvulas são feitas em aço liga forjado. O resfriamento das válvulas de exaustão, que operam em torno de 700º C, pode ser melhorado com o uso de hastes ocas parcialmente cheias de sódio que, através de evaporação e condensação retira calor da cabeça quente da válvula para sua haste mais fria. Os motores de ignição por centelha mais modernos trazem as válvulas no cabeçote (overhead valve location). Esta geometria proporciona uma câmara de combustão mais compacta com mínima perda de calor, maior velocidade da chama e ainda permite melhor fluxo de admissão e escape.

14 Os assentos das válvulas podem ser usinados no cabeçote ou bloco (se for ferro fundido) ou podem ser prensados. Uma mola, presa a cada haste de válvula a mantém fechada (em contato com o assento). Um dispositivo gira a válvula por poucos graus, na sua abertura, polindo o assento para evitar pontos quentes e prevenir a deposição de material no assento.

15 Um eixo de cames, feito em ferro fundido ou aço forjado, com um came por válvula, é usado para a abertura das mesmas. Em motores de 4 tempos o eixo de cames gira com a metade da velocidade do virabrequim. Tuchos, mecânicos ou hidráulicos, acionados pelos cames, comandam as válvulas. Dependendo da posição do eixo de cames e das válvulas, peças adicionais são requeridas para transmitir o movimento dos tuchos para as hastes das válvulas. O eixo de cames é acionado pelo virabrequim por meio de engrenagens, correia ou corrente.

16 Um coletor de admissão e um coletor de escape completam a montagem do motor de combustão por centelha. Outros componentes como: carburador ou sistema de injeção, sistema de ignição, elétrico e de arrefecimento serão estudados mais adiante.

17 Motores de ignição por centelha - Operação Nestes motores, o combustível e o ar são misturados no sistema de admissão antes de entrar no cilindro do motor. Para tal, usa-se um carburador ou um sistema de injeção de combustível. A razão entre a massa de ar e a massa de combustível deve ser mantida constante em cerca de 15:1 para garantir uma boa combustão.

18 Motores de ignição por centelha - Operação A seqüência de eventos que acontecem no interior de um cilindro de um motor de 4 tempos é ilustrada na figura ao lado. Várias variáveis são plotadas em função do ângulo de rotação. O ângulo de rotação é uma variável independente bastante útil porque os processos no motor ocupam intervalos quase constantes para uma larga faixa de velocidade dos motores. A figura mostra o tempo das válvulas e a relação volumétrica para um motor típico. Para manter um alto fluxo de mistura a altas velocidades (garantindo alta potência), a válvula de admissão, que abre antes do PMS (TC), fecha substancialmente depois do PMI (BC). Durante a admissão, a massa induzida de ar e combustível mistura-se, no interior do cilindro, com os gases queimados residuais, remanescentes do ciclo anterior. Depois que a válvula de admissão fecha, o conteúdo do cilindro é comprimido acima da pressão atmosférica e a temperatura também aumenta enquanto o volume é reduzido. Alguma transferência de calor acontece para o pistão, as paredes da câmara e para as paredes do cilindro, porém, seu efeito nas propriedades da mistura não queimada é modesto. Entre 10 e 40 graus antes do PMS uma descarga elétrica entre os eletrodos da vela de ignição é lançada iniciando o processo de combustão. Uma chama turbulenta desenvolve-se a partir da centelha e propaga-se através da mistura de ar, combustível e gás residual dentro do cilindro e extingue-se nas paredes da câmara de combustão.

19 Motores de ignição por centelha - Operação A duração deste processo de queima varia com o projeto e operação dos motores, mas tipicamente é de 40 a 60 graus de rotação, como mostrado na figura. À medida que a mistura queima a pressão no cilindro aumenta acima do nível devido apenas à compressão (linha tracejada). Há um tempo de ignição ótimo, de modo que, para uma dada massa de ar e combustível dentro do cilindro, resulte um torque máximo. Um tempo mais adiantado, ou atrasado, que este ótimo produzirá prior resultado. Este tempo ótimo (maximum brake torque, MBT, timing, em inglês) é um compromisso empírico entre começar a combustão nem tão muito cedo no tempo de compressão (quando trabalho é transferido para os gases) e completar a combustão nem tão muito tarde no processo de expansão (o que dá em menores picos de pressão na expansão). Quando o pistão percorre cerca de dois terços do curso de expansão, abre-se a válvula de exaustão. A pressão no cilindro é maior que a no coletor de escape, então os gases escoam para fora num processo de blowdown, até que as pressões se equilibrem. O pistão então empurra pra fora os gases queimados. A válvula de exaustão abre antes do final do curso de exaustão para garantir que o processo de blowdown não seja muito demorado no curso de exaustão. O timing real é um compromisso que equalize a redução de trabalho transferido para o pistão antes do PMI, contra a redução do trabalho transferido para os gases depois do PMI.

20 Motores de ignição por centelha - Operação A válvula de descarga permanece aberta até um pouco depois do PMS. A válvula de admissão abre justamente um pouco antes do PMS. As válvulas não são abertas e fechadas subitamente para evitar ruído e excessivo desgaste dos cames. Para garantir que as válvulas estejam completamente abertas quando a velocidade do pistão seja máxima, as duas válvulas freqüentemente ficam ambas abertas certo tempo. Se a mistura for admitida a uma pressão menor que a do coletor de descarga, então fluxo reverso de gases queimados para o coletor de admissão ocorre quando a válvula de admissão abre primeiro.