Aula 4 Conhecimentos Técnicos sobre Aviões

Transcrição

1 Universidade Federal do ABC Aula 4 Conhecimentos Técnicos sobre Aviões AESTS002 AERONÁUTICA I-A

2 Suporte ao aluno Site do prof. Annibal: ts002-aeronautica-i-a

3 Roteiro desta aula PARTE I Motores a Pistão Componentes do Motor PARTE II Familiarização e Cultura Aeronáutica Fases de um Voo

4 Motores a pistão Usado em praticamente toda a aviação geral (aviões de pequeno porte). Sua arquitetura é similar aos motores de automóveis, porém com certos refinamentos que são indispensáveis ao uso aeronáutico.

5 Motores a pistão: princípio de funcionamento O motor a pistão utiliza a energia da queima do combustível no interior dos cilindros, onde os gases da combustão impulsionam um pistão. O movimento linear do pistão é transformado em movimento de rotação através de uma biela acoplada a um eixo de manivelas. O motor funciona através de uma sequência de impulsos sobre o pistão. Motores a 4 Tempos Motores a 2 Tempos

6 Motores a pistão: princípio de funcionamento

7 Motores a pistão: princípio de funcionamento cilindro Hélice pistão biela eixo de manivelas

8 Motores a pistão: princípio de funcionamento Fases São fenômenos que sucedem dentro do cilindro durante o funcionamento do motor. Ciclo É o conjunto das 6 fases que ocorrem durante o funcionamento de um motor. Tempo É o conjunto de fases que ocorrem dentro do cilindro quando o pistão percorre um curso. Pontos São as posições extremas que o pistão atinge durante seu Mortos movimento no interior do cilindro. Curso É o caminho percorrido pelo pistão em seu movimento (distância entre os pontos mortos). Cilindrada É o volume interno do cilindro entre os dois pontos mortos. Representa o volume de mistura combustível admitida pelo motor.

9 Cilindrada C = 1 4 πd2 HN D: diâmetro do cilindro H: curso do pistão N: número de cilindros

10 Motor a 4 tempos (Four Stroke Cycle) <Ciclo de Otto>

11 Motor a 4 tempos PONTOS MORTOS E CURSOS Durante o movimento no interior do cilindro, o pistão atinge dois pontos extremos que são o PONTO MORTO ALTO (PMA) (Top Dead Center) e o PONTO MORTO BAIXO (PMB) (Bottom Dead Center). A distância entre os dois pontos mortos se chama CURSO.

12 Motor a 4 tempos

13 Motor a 4 tempos Observações Importantes a Respeito do Ciclo Otto: É completado em 4 tempos ou em 2 voltas do eixo de manivelas (720 o ). Nesse intervalo o pistão recebe apenas um impulso motor. O motor permanece girando durante os demais tempos devido à inércia das partes girantes, em especial, devido à hélice. Na prática, os motores têm 4 ou mais cilindros, e as combustões ocorrem em instantes diferentes, de modo a se auxiliarem mutuamente. Nikolaus August Otto ( )

14 Motor a 4 tempos 1º Tempo: ADMISSÃO (INTAKE) Fase: 1. Admissão (Admissão da mistura combustível) 2º Tempo: COMPRESSÃO (COMPRESSION) Fase: 2. Compressão (Compressão da mistura combustível) 3º Tempo: TEMPO MOTOR (POWER) Fase: 3. Ignição Fase: 4. Combustão (Combustão da mistura combustível comprimida) Fase: 5. Expansão (Expansão dos gases queimados) 4º Tempo: ESCAPAMENTO (EXHAUST) Fase: Escapamento (Escapamento dos gases queimados)

15 Motor a 4 tempos PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO O motor a pistão não parte por si só. É preciso girá-lo algumas vezes até ocorrer a primeira combustão dentro do cilindro. O funcionamento ocorre através da repetição de ciclos. Um ciclo é formado pela sequência de quatro etapas chamadas tempos, durante os quais ocorrem seis fases.

16 1º TEMPO: ADMISSÃO Movimento: PMA PMB Válvula de admissão: Aberta Válvula de escapamento: Fechada 1 ª Fase: Admissão pistão aspira a mistura ar+combustível para dentro do cilindro. Quando pistão chega no PMB A válvula de admissão se fecha e a mistura fica presa dentro do cilindro.

17 2º TEMPO: COMPRESSÂO Movimento: PMB PMA Válvula de admissão: Fechada Válvula de escapamento: Fechada 2ª Fase: Compressão pistão comprime a mistura ar+combustível que ficou confinada dentro do cilindro. Pouco antes do pistão chegar ao PMA Ocorre a 3º fase: Ignição.

18 3º TEMPO: TEMPO MOTOR Movimento: PMA PMB Válvula de admissão: Fechada Válvula de escapamento: Fechada 3ª Fase: Ignição A vela produz uma faísca. 4ª Fase: Combustão 5ª Fase: Expansão O motor já pode funcionar sozinho, pois o impulso dado à hélice é suficiente para mantê-lo girando até a próxima combustão.

19 4º TEMPO: ESCAPAMENTO Movimento: PMB PMA Válvula de admissão: Fechada Válvula de escapamento: ABERTA 6ª Fase: Escape Quando o pistão chega ao PMA, a válvula se fecha Fim do primeiro ciclo, e tudo e repete na mesma sequência.

20 Motores a 4 tempos Resumo do funcionamento

21 Motor a 4 tempos

22 Motor a 4 tempos O que vimos até este ponto sobre motores a 4 tempos são considerações teóricas. Na prática, o ciclo teórico sofre alguns ajustes que levam em consideração os seguintes fatores: A combustão real não é instantânea E as válvulas não se abrem e nem se fecham instantaneamente As válvulas e as tubulações oferecem resistência à passagem da mistura e dos gases queimados. A mistura e os gases queimados têm inércia Retardo no início do fluxo da mistura e no término do fluxo dos gases queimados

23 MODIFICAÇÕES NO CICLO São ajustes determinados experimentalmente pelo fabricante do motor, para obtenção da máxima eficiência durante a operação do motor. As modificações são: MODIFICAÇÕES NOS TEMPOS DE ADMISSÃO Avanço na abertura da válvula de admissão Atraso no fechamento da válvula de admissão MODIFICAÇÕES NO PONTO DE IGNIÇÃO Avanço na ignição MODIFICAÇÕES NOS TEMPOS DE ESCAPAMENTO Avanço na abertura da válvula de escapamento Atraso no fechamento da válvula de escapamento Estas modificações são feitas para as condições de cruzeiro. As demais condições de operação, como por exemplo, marcha lenta (idle), decolagens, etc, são transitórias admite-se eficiência não ideal.

24 Modificações nos tempos de admissão Têm a finalidade de aumentar a carga combustível (mistura) admitida no cilindro. Avanço na Abertura da Válvula de Admissão (AvAA) Atraso no Fechamento da Válvula de Admissão (AtFA)

25 Modificações nos tempos de admissão A ignição deve ocorrer antes do PMA, porque a mistura leva certo tempo para se queimar. Assim, a combustão no motor real se inicia no segundo tempo (compressão) e termina no terceiro (motor). Como a velocidade de combustão é constante, o avanço da ignição dever ser tanto maior quanto maior a velocidade de rotação do motor.

26 Modificações nos tempos de escapamento Têm a finalidade de eliminar os gases queimados da maneira mais completa possível. Avanço na Abertura da Válvula de Escapamento (AvAE) Atraso no Fechamento da Válvula de Admissão (AtFE)

27 CRUZAMENTO DE VÁLVULAS É o nome dado à situação que ocorre no início da admissão, quando as duas válvulas permanecem abertas simultaneamente, devido ao avanço na abertura da válvula de admissão e o atraso no fechamento da válvula de escapamento.

28 MOTORES A PISTÃO: MOTOR A 2 TEMPOS Seu ciclo tem 2 tempos. É mais simples que o de 4 tempos, pois tem poucas peças móveis. O próprio pistão funciona como válvula deslizante, abrindo e fechando janelas (ou luzes) por onde a mistura é admitida e os gases queimados são expulsos. (Two Stroke Cycle)

29 MOTORES A PISTÃO: MOTOR A 2 TEMPOS 1º Tempo

30 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES MOTORES A PISTÃO: MOTOR A 2 TEMPOS 2º Tempo Gases da combustão se expandem Pistão desce Pistão abre a janela de escapamento Mistura é comprimida no cárter Saída dos gases queimados Janela de transferência é aberta Expulsão dos gases queimados Mistura comprimida no cárter invade o cilindro

31 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES MOTORES A PISTÃO: MOTOR A 2 TEMPOS Vantagens Mais simples Mais leve Mais potente Produz um tempo motor para cada volta do eixo de manivelas Menor custo Usado em ultraleves e girocópteros. Desvantagens Pouco econômico: parte da mistura é desperdiçada junto com os gases queimados. Após o escapamento, parte dos gases queimados fica dentro do cilindro, contaminando a mistura. Aquece mais: as combustões ocorrem com mais frequência. Lubrificação imperfeita: é preciso diluir o óleo no combustível. Menos flexível que o de 4 tempos: a eficiência diminui mais acentuadamente quando se variam as condições de rotação, altitude, temperatura, etc.

32 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão

33 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão CILINDRO Parte do motor onde a carga combustível é admitida, comprimida e queimada. Material resistente, leve e bom condutor de calor. É constituído de 2 partes: Corpo e cabeça.

34 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão CORPO DO CILINDRO Feito de aço, em geral. Possui alhetas de refrigeração ou resfriamento para eliminar o calor. Parte interna é endurecida para reduzir o desgaste provocado pelo movimento do pistão.

35 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão CABEÇA DO CILINDRO Feito de liga de Al, em geral. Local onde são instaladas as válvulas e as velas. Válvulas => Instaladas dentro das guias de válvulas, e as cabeças assentam sobre anéis de metal chamados sedes de válvulas. Possui alhetas de refrigeração ou resfriamento para eliminar o calor.

36 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão CÂMARA DE COMBUSTÃO É o espaço no interior do cilindro onde a mistura é queimada. Nos motores aeronáuticos as mais utilizadas são a hemisférica ou semi-esférica.

37 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão PISTÃO (ÊMBOLO) Peça cilíndrica que desliza no interior do cilindro. Sua função é aspirar a mistura, comprimi-la, expulsar os gases queimados e transmitir a força expansiva da combustão à biela. Feita em liga de Al para ser leve e boa condutora de calor.

38 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão ANÉIS DE SEGMENTO Existe uma pequena folga entre o pistão e o cilindro para permitir o livre movimento e compensação da dilatação. Essa folga é vedada pelos anéis de segmento instalados na saia do pistão. Existem 2 tipos: Anéis de Compressão e Anéis de Lubrificação.

39 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão BIELA Peça em aço resistente que conecta o pistão ao eixo das manivelas, transmitindo a força expansiva dos gases. É formada por várias partes, e seu corpo tem a seção em forma de I ou H, para máxima resistência e mínima massa.

40 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão EIXO DE MANIVELAS É a peça giratória que transforma o movimento retilíneo alternativo do pistão e biela em movimento rotativo. O movimento circular do eixo de manivelas é utilizado para acionar a hélice, e, através de engrenagens produzir outros acionamentos úteis ao motor e ao avião.

41 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão MANCAIS São peças que apóiam e permitem o movimento das partes móveis com o mínimo atrito.

42 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão VÁLVULAS Têm a função de abrir e fechar a entrada da mistura combustível e a saída dos gases queimados no cilindro. Válvula de admissão: cabeça em forma de tulipa. Válvula de escapamento: cabeça em forma de cogumelo (melhor aerodinâmica). A Válvula de admissão é resfriada pela própria carga de combustível, mas a válvula de escapamento está sujeita a forte aquecimento.

43 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES COMPONENTES DO MOTOR SISTEMA DE COMANDO DE VÁLVULAS É o mecanismo que efetua a abertura das válvulas. Parte mais importante: Eixo de ressaltos ou eixo de comando de válvula É um eixo acionado por engrenagens. Nos momentos apropriados, o ressalto faz o rolete subir, fazendo a válvula se abrir. O fechamento das válvulas é feito por molas (nos motores aeronáuticos existem duas ou três molas em cada válvula, enroladas em sentidos contrários para não se embaraçarem)

44 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão CÁRTER É a carcaça onde estão fixados o cilindro, o eixo de manivelas e os acessórios. O motor é fixado ao avião através do cárter => É através dele que o torque do motor e a tração da hélice é transmitido à estrutura do avião. Outras funções do cárter: Proteção das partes internas do motor contra a penetração de impurezas e manter o eixo de manivelas alinhado. Confeccionados em ligas de Al.

45 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão BERÇO DO MOTOR É a estrutura que fixa o motor ao avião. Feito em tubos de aço em diagonal, para suportar o torque e a tração. Os pontos de fixação ao cárter possuem coxins de borracha para absorver as vibrações do motor.

46 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão MOTORES MULTICILÍNDRICOS Para construir motores com grande potência é melhor aumentar a quantidade de cilindros do que o tamanho dos mesmos. Cilindros menores efetuam mais rapidamente a admissão, a combustão e a exaustão. Motores multicilíndricos funcionam com mais suavidade. Em aeronáutica, os cilindros podem ser dispostos em diferentes formas como: Cilindros Horizontais Opostos Cilindros Radiais Cilindros em Linha

47 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor a pistão MOTOR COM CILINDROS HORIZONTAIS OPOSTOS É a configuração mais usada atualmente. Área frontal pequena, compacto, leve e barato. Todos os cilindros ficam na posição horizontal, permanecendo limpos, sem acúmulo de óleo na câmara de combustão e nas velas. Fabricados com 4 ou 6 cilindros.

48 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor MOTOR RADIAL Cilindros são dispostos radialmente em torno do eixo de manivelas, e formam uma configuração em estrela. Apesar da área frontal relativamente grande, essa é a configuração que melhor acomoda um grande número de cilindros, sem prejuízo da leveza e compacidade. Foram substituídos pelos turbo hélices.

49 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES Componentes do motor MOTORES COM CILINDROS EM LINHA Os cilindros são dispostos em linha, formando uma área frontal pequena. Para um mesmo número de cilindros, é mais pesado que os horizontais opostos. É pouco usado em aeronáutica.

50 CONHECIMENTOS TÉCNICOS SOBRE AVIÕES REFERÊNCIAS UTILIZADAS NESTA AULA 4.1 Jorge M. Homa, Aeronaves e Motores, Editora Asa, 29ª Edição Acyr Costa Schiavo, Conhecimentos Técnicos e Motores para Pilotos, Editora EAPAC, John F. Welch, Van Sickle s Modern Airmanship, Tab Books, 7th Edition, 1995.

51 Para o trabalho Fabricante 2. Modelo 3. Uso 4. Asa 5. Aileron 6. Fuselagem 7. Estabilizador 8. Profundor 9. Flapes 10. Slats 11. Deriva 12. Leme 13. Spoilers 14. Manche 15. Trem de pouso 16. Amortecedores de pouso 17. Distância de pouso e decolagem 18. Rodas 19. Motores 20. Número e alinhamento de cilindros 21. Eficiência dos motores 22. TBO