INSTITUTO POLITÉCNICO DE SANTARÉM ESCOLA SUPERIOR AGRÁRIA DE SANTARÉM CURSO DE LICENCIATURA EM ENGENHARIA DA PRODUÇÃO ANIMAL ESTUDO SOBRE O MOTOR A DOIS TEMPOS Trabalho com vista à dispensa da parte prática da unidade curricular de Agricultura Geral e Máquinas Agrícolas I David Quintino nº2439 Marcos Vechini nº2676 Daniel Mirrado nº2709 Raphael Lucas nº090318013 SANTARÉM 2009
ÍNDICE GERAL 1 INTRODUÇÃO HISTÓRICA... 2 2 OBJECTIVOS... 4 3 MOTOR A DOIS TEMPOS... 4 3.1 Definição... 4 3.2 Constituição... 4 3.3 Funcionamento... 8 3.4 Enquadramento... 10 3.5 Avarias, manutenção e melhorias... 11 4 MOTOR A DOIS TEMPOS vs. MOTOR A QUATRO TEMPOS... 12 5 CONCLUSÕES... 13 6 BIBLIOGRAFIA... 14 1
1 INTRODUÇÃO HISTÓRICA A invenção do motor a vapor no século XVIII e a Revolução Industrial, vieram mudar completamente a tecnologia no transporte e na mecanização. A teoria fundamental dos motores de combustão interna de dois tempos foi publicada por Nicolas Léonard Sadi Carnot, inventor do ciclo de Carnot, em 1824. O primeiro motor de combustão interna foi construído em 1860 por Étienne Lenoir, constituído por um único cilindro e tinha um elevado consumo de carvão. Dois anos depois, Beau de Rochas estabeleceu os fundamentos para o funcionamento dos motores de combustão interna: 1. Relação superfície-volume do cilindro deve ser a menor possível; 2. Processo de expansão deve ser o mais rápido possível; 3. Expansão máxima possível; 4. Pressão máxima possível no início da expansão; Os dois primeiros pontos têm como objectivo reduzir a perda de calor através do cilindro. O terceiro ponto considera que quanto maior expansão (curso do êmbolo) maior é o trabalho produzido e o quarto ponto considera que quanto maior a pressão maior é o trabalho produzido na expansão. Em 1876, Nikolaus August Otto construiu um motor com melhores performances, reinventando o princípio do motor de quatro tempos, proposto por Beau de Rochas e em seguida esquecido. Já em 1893 Rudolf Diesel descreve um novo tipo de motor de combustão interna diferente do motor de Otto, utilizando como combustível o óleo diesel. Assim os motores de combustão interna são classificados em relação ao seu princípio de funcionamento baseado no ciclo Otto ou no ciclo Diesel. O ciclo de funcionamento é o conjunto de transformações na massa gasosa no interior da câmara de 2
combustão, desde a sua admissão, até a sua eliminação para o exterior (escape). Os motores baseado no ciclo Otto ou de ignição por centelha, utilizam a energia da centelha elétrica da vela de ignição para dar início a reação de combustão, enquanto que os motores do ciclo diesel ou motores de ignição por compressão utilizam o aumento da temperatura devido a compressão de ar dentro da câmara. Após a compressão, o combustível é pulverizado na massa de ar quente dando início a combustão. Ambos os ciclos podem ser completados em dois ou quatro movimentos do êmbolo. Quando o motor completa o seu ciclo em dois movimentos do êmbolo (ou uma volta da cambota) é chamado de motor de dois tempos e quando completa o ciclo em quatro movimentos do êmbolo (ou duas voltas da cambota) é chamado motor de quatro tempos. O motor de combustão interna foi convencionado a ser utilizado para o trabalho e transporte, devido as suas características, a flexibilidade para rodar em diversas velocidades, potência para propulsão de diversos tipos de veículos. O desenvolvimento do motor a dois tempos pareceu ser um passo revolucionário na mecanização, pois devido a sua simplicidade e aparente potência prometia fazer esquecer o motor a quatro tempos. Com a passagem dos tempos isso não aconteceu, sendo o motor a 4 tempos o mais diversificado em todo o mundo e objecto de inúmeros melhoramentos. O motor a dois tempos, por outro lado, manteve a sua estrutura muito semelhante a inicial e devido a factores importantes como a eficiência e poluição tem havido a tendência de desaparecer do mercado. 3
2 OBJECTIVOS Com este estudo pretendeu-se aprofundar os nossos conhecimentos sobre o motor a dois tempos desenvolvendo uma pesquisa sobre a sua história, como se pode definir, como se constitui, como funciona, quais os cuidados de manutenção, as avarias e melhoramentos que se podem fazer e comparando-o com o motor a quatro tempos. 3 MOTOR A DOIS TEMPOS 3.1 Definição O motor de combustão interna pode ser genericamente definido como um órgão, composto por partes fixas e partes móveis, que tem como objectivo converter a energia química do combustível em energia mecânica, facultando assim movimento ao corpo no qual se enquadra. O motor a dois tempos pode ser definido como um motor de combustão interna que por cada transformação de energia (explosão), o pistão percorre duas vezes o cilindro. 3.2 Constituição A seguir passamos a descrever os constituintes que integram o motor a dois tempos. Mecanicamente é bastante simples e possui poucas peças móveis. Este divide-se em duas partes, o cárter e o cilindro. O cárter é uma câmara selada herméticamente, normalmente em aço estampado, é o órgão que fecha o bloco na sua parte inferior e também serve como depósito de combustível para o motor. 4
Figura 3 - Representação de um cárter. No seu interior possui um contrapeso que encontra-se ligado ao eixo da cambota, e suporta este mesmo. Na sua extremidade, o contrapeso liga-se a biela que tem como função transformar o movimento rectilíneo do êmbolo em movimento circular contínuo na cambota. A biela apresenta o formato de uma barra (corpo) com orifícios nas extremidades. O orifício superior de menor diâmetro é denominado de pé onde liga-se ao êmbolo, o orifício inferior de maior diâmetro é denominado de cabeça. A cabeça da biela é separada em duas partes, sendo fixadas por meio de parafusos, a fim de fazer a união da biela com a cambota. Entre o pé da biela e o êmbolo e a cabeça da biela e a cambota, são colocadas os casquilhos, confeccionados em bronze e revestidas de uma liga metálica antifricção, prolongando a vida útil do motor e evitando o desgaste. Figura 4 - Representação de uma biela. 5
O êmbolo encontra-se no interior do cilindro, é o órgão do motor que recebe o movimento de expansão dos gases. Está preso à biela através do pino do êmbolo, possui um movimento rectilíneo alternativo que dá movimento à biela. O êmbolo possui três partes principais: o topo, que é a parte superior, levemente concava quando possui um deflector, que tem como função direcionar os gases no interior do cilindro. A cabeça, onde estão localizadas as ranhuras para a colocação dos anéis de segmento, e por fim a saia, parte abaixo do orifício do pino do êmbolo. Figura 5 - Êmbolo com deflector. É desejável que o êmbolo seja tão leve quanto possível, sem porém, diminuir sua resistência e desgaste. Os anéis de segmento estão localizados nas ranhuras da cabeça do êmbolo, suas principais funções são: 1. Efectuar a vedação da câmara de combustão, retendo a compressão; 2. Reduzir a área de contacto entre as paredes do êmbolo e do cilindro; 3. Controlar o fluxo de óleo nas paredes do cilindro; 4. Dissipar o calor do êmbolo pelas paredes do cilindro; 6
Existem dois tipos de anéis, de vedação e de lubrificação. Os anéis de lubrificação estão localizados na parte inferior do êmbolo e os de vedação na parte superior do êmbolo. Figura 6 - Anéis de segmento. Na extremidade superior do cilincro encontra-se a vela de ignição, responsável pela ignição da mistura de combustível. Nas extremidades laterias do motor econtra-se ainda dois orifícios, um de admissão (janela de admissão) que é responsável por admitir a mistura do combustível (ar/gasolina/óleo) para o interior do cárter e outro de escape (janela de escape) que é responsavel por remover os gases provenientes da combustão que encontram-se no interior do cilindro. No interior encontra-se ainda outra janela, a janela de transferência. Esta permite a passagem da mistura do combustível do cárter para a câmara de combustão. 7
vela de ignição câmara de combustão janela de escape janela de admissão janela de transferência pistão/êmbolo biela cárter contrapeso Figura 7 - Constituição de um motor a dois tempos. 3.3 Funcionamento No motor a dois tempos o seu ciclo é constituído por apenas dois tempos, deste modo realiza compressão/admissão e combustão/escape em apenas dois movimentos do êmbolo. O próprio êmbolo funciona como válvula deslizante, abrindo e fechando as janelas (admissão, escape e transferência), por onde a mistura é admitida e os gases queimados são expulsos. No primeiro tempo o êmbolo ascende, fechando a janela de escape e de transferência, abrindo a janela de admissão. De seguida comprime (Compressão) a mistura no cilindro e produz vácuo no cárter. Aproximandose do ponto morto superior (PMS), dá-se a admissão (Admissão) de uma nova mistura de combustível no cárter, vindo do carburador devido ao vácuo que se formou durante a subida do êmbolo. A seguir dá-se a ignição, por meio de uma faísca eléctrica da vela e a consequente combustão da mistura combustível. 8
Figura 8 - Esquema do funcionamento de um motor a dois tempos (1º tempo). No segundo tempo os gases da combustão expandem-se (Combustão), fazendo o êmbolo descer, produzindo trabalho e transferindo movimento à cambota. Ao descer, fecha a janela de admissão e comprime a mistura de combustível no cárter. Aproximando-se do ponto morto inferior (PMI), o êmbolo abre a janela de escape, permitindo a saida dos gases que não foram gastos na combustão (Escape). Ao mesmo tempo dá-se a abertura da janela de transferência, a mistura comprimida no cárter invade o cilindro, expulsando os gases queimados que ainda restam na câmara de combustão. Assim volta-se ao ponto inicial, repetindo-se o ciclo. Figura 9 - Esquema do funcionamento de um motor a dois tempos (2º tempo). 9
3.4 Enquadramento Ainda é habitual encontrar motores a dois tempos em diversos transportes e equipamentos tal como: motorizadas, motosserras, equipamentos de jardinagem, geradores eléctricos portáteis, rádio-modelismo, motociclos de estrada, todo-o-terreno e água (como jet skis). Figura 10 - Da esquerda para a direita: moto-roçadeira e kart. Figura 11 - Da esquerda para a direita: carro telecomandado e motosserra. 10
3.5 Avarias, manutenção e melhorias As avarias mais comuns nos motores a dois tempos são: a falta de lubrifição, o que impede o funcionamento do motor ou então o excesso de lubrificação (que pode impedir a ignição e posterior combustão da mistura); e o desgaste das peças do motor ou o isolamento do cárter (que poderá reduzir a performance do motor). A manutenção do motor a dois tempos é semelhante à do motor a quatro tempos. No motor a dois tempos somente existe a necessidade de ter em atenção, utilizando o óleo misturado à gasolina nas quantidades adequadas (25ml por cada litro de gasolina). Devido a sua simples constituição, a performance do motor a dois tempos poderá ser melhorada simplesmente aumentando o diâmentro das janelas de admissão e escape ou aumentando o curso do cilindro (aumento da taxa de compressão). Já uma inovação que poderá melhorar bastante a imagem do motor a dois tempos é a proposta de pesquisadores do Departamento de Energia dos Estados Unidos. A inovação é um pequeno separador que removerá o óleo e os gases não queimados na combustão do sistema de escape do motor, sem comprometer seu desempenho. O separador recolhe o gás saído do motor e o faz girar em alta velocidade, assim dá-se uma separação por centrifugação do óleo, gasolina e dos gases mais leves já resultantes da combustão. Os constituintes mais pesados serão queimados em uma câmara de pós-combustão ou captados e removidos para reciclagem 11
4 MOTOR A DOIS TEMPOS vs. MOTOR A QUATRO TEMPOS No motor a dois tempos, a sua constituição e funcionamento é bastante simplificado quando comparado ao motor a quatro tempos. Não necessita de válvulas de admissão ou escape. Usa a rotação do contrapeso dentro do cárter pressurizado para forçar o combustível a entrar no cilindro. Em teoria possui o dobro da potência do motor a quatro tempos, pois realiza o mesmo trabalho em apenas dois movimentos do êmbolo. Permite o seu funcionamento em várias posições, devido ao seu sistema de lubrificação. Possui uma resposta rápida de aceleração. Mas apesar de o motor a dois tempos aparentar possuir vantagens significativas em relação ao motor a quatro tempos, na realidade isto não acontece. Devido ao seu sistema simples de lubrificação, o desgaste do motor e das suas componenetes é muito mais rápido quando comparado com um motor a quatro tempos. O motor a dois tempos utiliza o combustível de uma forma muito menos eficiente (25 a 35% do combustível sai sem ser aproveitado). São muito mais poluentes, queimando o óleo junto com o combustível durante a combustão. Aquecem mais, devido a um maior número de combustões durante o mesmo espaço de tempo. 12
5 CONCLUSÕES Após este estudo sobre os motores a dois tempos é possível concluir e concordar que o motor a dois tempos é economicamente viável nos veículos de baixa cilindrada e instrumentos mecanizados onde são habitualmente encontrados, devido à sua simplicidade, reduzido peso, potência e principalmente um baixo custo de produção. Assim o motor a dois tempos acaba por apresentar uma melhor relação potência/peso que a maioria dos motores a quatro tempos. Mesmo assim a sua tendência é para desaparecer do mercado, pois na maioria dos veículos e máquinas com necessidades de uma grande cilindrada a sua utilização é economicamente muito pouco viável, pois a sua manutenção requer custos muito mais elevados e a sua durabilidade é muito menor quando comaparado a um motor a quatro tempos. 13
6 BIBLIOGRAFIA ATARES, P.; BLANCA, A. (1996) Tractores y motores agrícolas. 3.ª edición. Madrid, España: Coedición del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación y de Ediciones Mundi-Prensa. HOW STUFF WORKS (2009) O básico sobre motores 2 tempos. Disponível online em: http://hsw.uol.com.br/. Consulta efectuada a 30 de Novembro de 2009. PROJECTO FORFIE (2009) Funcionamento de um motor de explosão a dois tempos. Disponível online em: http://forfie.blogs.sapo.pt/2965.html. Consulta efectuada a 28 de Novembro de 2009. AMSOIL.NET (2009) Two-Stroke Engine Applications and Lubrification Needs. Disponível online em: http://amsoil.net. Consulta efectuada a 27 de Novembro de 2009. WIKIPÉDIA (2009) Motor a dois tempos. Disponível online em: http://www.wikipedia.pt. Consulta efectuada a 28 de Novembro de 2009. 14