MOTORESDE COMBUSTÃOINTERNA. RobsonGuedesdeSousaeGlaucoBuenodaSilva

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1 MOTORESDE COMBUSTÃOINTERNA RobsonGuedesdeSousaeGlaucoBuenodaSilva CONTROLEDEPROCESSOSINDUSTRIAIS

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3 Autor Robson Guedes de Sousa Mestrando em ciências mecânicas pela Universidade de Brasília (UnB), graduado em Engenharia Mecânica e de Automóveis pela Faculdade de Engenharia Industrial (FEI), no estado de São Paulo, o primeiro e um dos mais bem conceituados cursos superiores desta área no Brasil. É também diplomado como Técnico em Mecatrônica pela Escola Técnica Estadual (ETE) Lauro Gomes, também em São Paulo. Atua no segmento automotivo desde 1999, trabalhou como projetista técnico no desenvolvimento de autopeças em multinacionais de grande porte, fabricantes de componentes automotivos, e atuou como engenheiro de projetos e engenheiro de produtos no segmento de fabricação de automóveis em uma das maiores montadoras de veículos do mundo, a General Motors. Possui experiência como perito judicial em engenharia mecânica automotiva, prestando serviços para o Tribunal de Justiça do Distrito Federal e Territórios (TJDFT). Coautor Glauco Bueno da Silva Graduado em Engenharia Mecânica pela Universidade de Brasília (UnB), pós-graduado em Engenharia de Segurança do Trabalho pelo Instituto Laboro Universidade Estácio de Sá, e também em Docência do Ensino Superior pela FACTED Brasília. Especialista em gestão de frotas de veículos leves e pesados, desenvolvimento de projetos de revitalização de veículos militares e especiais, gestão de manutenção industrial leve e pesada. Atua como consultor autônomo nas áreas de segurança do trabalho em altura, segurança de máquinas com foco em oficinas metalúrgicas e oficinas mecânicas veiculares pesadas e leves. Possui experiência como docente nas disciplinas de matemática e física nos níveis fundamental e médio, dinâmica das organizações no nível superior e formação e treinamento de Cipas e SESMTs. Revisão Clícia Silveira NT Editora Projeto Gráfico NT Editora Ilustração Daniel de Almeida Motta Rodrigo Souza da Silva Capa Figuramundo Editoração Eletrônica NT Editora e Figuramundo NT Editora, uma empresa do Grupo NT SCS Q. 2 Bl. D Salas 307 e 308 Ed. Oscar Niemeyer CEP Brasília DF Fone: (61) sac@grupont.com.br V 1.0 Todos os esforços foram feitos para creditar devidamente os detentores dos direitos das imagens utilizadas nesse livro. Eventuais omissões de crédito e copyright não são intencionais e serão devidamente solucionadas nas próximas edições, bastando que seus proprietários contatem os editores. Motores de Combustão Interna. / NT Editora. -- Brasília: p. : il. ; 21,0 X 29,7 cm. ISBN Motor; 2. Ciclo Otto; 3. Combustão interna. Copyright 2014 por NT Editora. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por qualquer modo ou meio, seja eletrônico, fotográfico, mecânico ou outros, sem autorização prévia e escrita da NT Editora.

4 LEGENDA ÍCONES Prezado(a) aluno(a), Ao longo dos seus estudos, você encontrará alguns ícones na coluna lateral do material didático. A presença desses ícones o ajudará a compreender melhor o conteúdo abordado e também como fazer os exercícios propostos. Conheça os ícones logo abaixo: Saiba Mais Este ícone apontará para informações complementares sobre o assunto que você está estudando. Serão curiosidades, temas afins ou exemplos do cotidiano que o ajudarão a fixar o conteúdo estudado. Importante O conteúdo indicado com este ícone tem bastante importância para seus estudos. Leia com atenção e, tendo dúvida, pergunte ao seu tutor. Dicas Este ícone apresenta dicas de estudo. Exercícios Toda vez que você vir o ícone de exercícios, responda às questões propostas. Exercícios Ao final das lições, você deverá responder aos exercícios no seu livro. Bons estudos!

5 Sumário 1. MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Breve histórico dos motores Definição de motor de combustão interna (MCI) Classificação dos motores de combustão interna MOTORES DO CICLO OTTO Revisão do conceito do motor do ciclo Otto Funcionamento do ciclo Otto Visão geral dos componentes e subsistemas integrados em um motor BLOCO DO MOTOR E CÁRTER DE ÓLEO Localização e função do bloco do motor Características construtivas Galerias de lubrificação e circuito de arrefecimento Cilindros de combustão Mancais de assentamento do virabrequim Juntas, gaxetas e retentores Filtros de óleo e água Localização e função do cárter de óleo VIRABREQUIM, PISTÕES, BIELAS, CASQUILHOS E VOLANTE DO MOTOR Virabrequim Pistões, bielas e anéis de pistão Casquilhos e rolamentos Volante do motor Polia do motor Conjunto montado CABEÇOTE Localização e função do cabeçote do motor Eixo de comando de válvulas Eixos de balanceamento do conjunto (ante vibração) Engrenagens, correias e correntes de distribuição Válvulas de admissão e escape Relação entre diagramas de queima e folga de regulagem de válvulas Lubrificação do conjunto NT Editora

6 6. ADMISSÃO DE AR E SISTEMA DE ESCAPE Sistema de admissão de ar Sistema de escape ALIMENTAÇÃO E GERENCIAMENTO DA INJEÇÃO Localização e funções Tanques, linhas e filtros de combustível Sistema eletrônico de injeção de combustível Funcionamento do sistema de injeção SISTEMA DE ARREFECIMENTO E SISTEMAS PERIFÉRICOS DO MOTOR Sistema de arrefecimento Sistemas periféricos do motor GLOSSÁRIO BIBLIOGRAFIA Motores de Combustão Interna 5

7 APRESENTAÇÃO Olá! Seja bem-vindo ao Curso de Motores de Combustão Interna! Neste curso, você terá a oportunidade de aprender conceitos básicos sobre os tipos e o princípio de funcionamento dos motores de combustão interna existentes, com destaque para o motor mais conhecido e utilizado no mundo, o motor de aplicação veicular. Os motores de combustão interna fazem parte do nosso cotidiano, seja impulsionando veículos, como automóveis, motos, caminhões, grandes embarcações, máquinas agrícolas ou gerando energia elétrica, como ocorre em boa parte dos municípios no Brasil. Alguns tipos de motores serão apresentados de forma introdutória, permitindo que o aluno tenha uma percepção geral da enorme abrangência deste tema quando consideramos as mais variadas concepções, aplicações e características de funcionamento dos motores de combustão interna. É muito importante que você se dedique e entenda cada uma das lições antes de iniciar uma nova lição. Isso facilitará o desenvolvimento do seu aprendizado e a compreensão do funcionamento do motor, etapa a etapa. Não deixe de resolver as questões ao final de cada lição, pois só assim você poderá testar os seus conhecimentos sobre o conteúdo já apresentado, antes de prosseguir com o estudo. Aproveite esta oportunidade para desenvolver os seus conhecimentos! Bons estudos, Robson Guedes de Sousa Glauco Bueno da Silva 6 NT Editora

8 1. MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Objetivos Ao finalizar esta lição, você deverá ser capaz de: Conceituar um motor de combustão interna; Apresentar brevemente as suas principais classificações; e Explicar os princípios básicos de funcionamento. Vamos ao trabalho? Figura 1 Ilustração do primeiro motor de combustão interna 1.1 Breve histórico dos motores A história dos motores, se contada desde o início, se integra à história da própria física e mais intimamente à história de um dos ramos da física, chamado termodinâmica. A Termodinâmica é o ramo da ciência física que estuda, entre outras grandezas, principalmente as relações entre o calor trocado e o trabalho realizado. De uma forma mais sucinta e didática, pode-se dizer que a Termodinâmica estuda as relações entre a temperatura e o trabalho, embora existam outras grandezas envolvidas. O primeiro motor de combustão interna era à pólvora, desenvolvido em 1673 pelo físico holandês C. Huygens, objetivando o bombeamento de água para as fontes do palácio de Vesailles, na França, a mando do rei Louis XIV. O funcionamento desse motor, embora caracterize combustão interna, era bastante diferente dos motores de hoje. Calor: calor é um termo associado à transferência de energia térmica de um sistema ou corpo físico para outro, em decorrência da diferença de temperatura entre eles. Motores de Combustão Interna 7

9 Potência motriz: por vezes chamada de força motriz. A potência motriz definese como a capacidade de mover ou produzir trabalho. Em 1712, o inglês T. Newcomen desenvolveu o primeiro motor a vapor, mas se tratava de um motor de combustão externa, em que a combustão era realizada fora do motor e a energia térmica a ser transformada em trabalho era conduzida pelo vapor. Já em 1824, o físico Sadi Carnot, considerado o pai da termodinâmica por ter obtido sucesso na apresentação de fundamentos termodinâmicos e teorias sobre as máquinas térmicas, escrevia Reflexões sobre a potência motriz do fogo, conceitos ligados aos princípios básicos de funcionamento dos motores. Figura 2 Ilustração do motor a vapor de Newcomen Quase 50 anos mais tarde, em 1876, Nikolaus Otto construiu o primeiro motor à combustão de quatro tempos, que empresta o seu nome, o motor de ciclo Otto. Embora a ideia original tenha sido do engenheiro francês A. Beau de Rochas, que concebeu o princípio de funcionamento do motor de combustão interna de quatro tempos, Otto foi o responsável pela primeira realização prática. Em 1897, na Alemanha, surge o motor a Diesel, batizado com o nome de seu criador, o engenheiro alemão Rudolf Diesel. Em 1904, o mundo conhecia o primeiro navio movido a diesel e em 1912 a primeira locomotiva a diesel. Figura 4 Primeiro motor do ciclo Diesel Figura 3 Ilustração do motor de ciclo Otto 8 NT Editora

10 Daí em diante o desenvolvimento dos motores de combustão interna ganhou novas aplicações e os avanços em tecnologia surgiram em intervalos cada vez mais curtos, conduzindo a história aos dias de hoje, em que os motores dos veículos possuem diversos sensores e funcionam sob a supervisão de computadores. Será que você fixou os conceitos iniciais? Vamos exercitar? Exercitando o conhecimento... O motor de combustão interna denominado Otto recebe esse nome por quê? a) Funciona sob os princípios do ciclo termodinâmico apresentado por Nicolaus Otto, batizado de ciclo Otto, em homenagem ao seu criador. b) Apenas para diferenciá-lo do motor Diesel.... Se você escolheu a opção a, você acertou! Parabéns! O motor Otto tem esse nome porque funciona de acordo com o ciclo termodinâmico conhecido como ciclo Otto, que leva o nome de seu criador. 1.2 Definição de motor de combustão interna (MCI) Antes de conceituar um motor de combustão interna, é importante definir o que são máquinas e máquinas térmicas. Máquina pode ser definida como um instrumento, aparelho, dispositivo ou um conjunto de mecanismos combinados dedicados a transmitir movimento e/ou transformar formas diferentes de energia entre si, por exemplo, energia mecânica em energia elétrica, energia química em energia térmica, energia térmica em energia mecânica etc. As máquinas térmicas, por sua vez, são máquinas que permitem transformar calor em trabalho. Figura 5 Exemplo de máquina (esquerda) e máquina térmica (direita) Motores de Combustão Interna 9

11 Combustível: é qualquer substância que reage com um comburente (como o oxigênio ou outro qualquer) liberando energia em forma de calor, gases e chamas. No MCI, refere-se à gasolina, ao álcool, GLP, GNV, diesel etc. Combustão: também chamada de queima, é a reação química entre o combustível e o comburente. No MCI, referese à queima do combustível (álcool, GLP, GNV, gasolina, diesel etc.). Agora, que conhecemos a definição de máquina e de máquina térmica, define-se um motor de combustão interna ou motor à explosão como uma máquina térmica que transforma a energia química presente no combustível em trabalho mecânico, ou de forma ainda mais simples e didática, é uma máquina que transforma combustível em movimento. Nos MCI, o fluido de trabalho consiste nos produtos da própria combustão, ou seja, o trabalho útil do motor é realizado por meio da ignição da mistura ar e combustível e da consequente expansão dos gases gerados pela queima. 1.3 Classificação dos motores de combustão interna Os motores de combustão interna são divididos conforme segue. De acordo com o tipo de movimento do pistão Motores alternativos O trabalho mecânico é obtido pelo movimento de vai e vem do pistão. Motores rotativos O trabalho mecânico é obtido pelo movimento de rotação (por exemplo, turbinas a gás, motor Wankel). Figura 6 Ilustração de um motor alternativo Figura 7 Ilustração de um motor rotativo motor Wankel Pistão: também chamado de êmbolo, é o componente mecânico do motor, cilíndrico e de material metálico, que realiza movimento alternativo dentro dos cilindros do motor. 10 NT Editora

12 Motores de impulso Trabalho obtido pela força de reação aos gases expelidos em alta velocidade pelo motor (por exemplo, motor a jato, foguetes). Figura 8 Exemplo de motor de impulso Turbina Será que você entendeu? Vamos exercitar? Exercitando o conhecimento... Os motores de combustão interna, classificados de acordo com o tipo de movimento do pistão são divididos em:... Se você respondeu alternativos, rotativos e de impulso você acertou! Parabéns! São essas as classificações dos motores quanto ao tipo de movimento do pistão. Motores de Combustão Interna 11

13 Importante! São muitas as diferenças, os modelos e os detalhes envolvidos no funcionamento desses três tipos de motores de combustão interna. Uma noção geral dessas classificações é importante para transmitir a percepção de que existem variados tipos e construções de motores de combustão interna, cada qual com características próprias, que os tornam mais adequados a determinadas aplicações. Apresentar em detalhes os conceitos e o funcionamento de cada um deles extrapolaria a capacidade deste material. Por isso, ao longo deste curso, focaremos nos motores de combustão interna do tipo alternativo, também conhecidos como motores de êmbolo ou de pistão, os mais utilizados nos automóveis que vemos nas ruas. Nomenclatura relacionada às posições do pistão Para entender melhor os movimentos do pistão, que determinam muitos dos conceitos vistos a seguir, é necessário entender a nomenclatura referente às posições do pistão no interior do cilindro. As duas posições mais extremas, que determinam o curso de movimentação do pistão são chamadas de PMI e PMS, conforme ilustra a figura abaixo. Figura 9 Nomenclatura das posições do pistão Ponto Morto Inferior (PMI): é a posição da cabeça do pistão, quando este se encontra o mais distante possível do cabeçote do motor. Ponto Morto Superior (PMS): é a posição da cabeça do pistão, quando este se encontra o mais próximo possível do cabeçote do motor. 12 NT Editora

14 Curso do pistão (S): é a distância percorrida entre o PMI e o PMS. Diâmetro (D): dos cilindros do motor, onde os pistões estão alojados. V 1 : é o volume total entre o PMI e o cabeçote do motor. V 2 : é chamado de volume morto ou volume da câmara de combustão. Representa o volume da mistura ar e combustível, quando totalmente comprimida pelo pistão, ou seja, o volume entre o PMS e o cabeçote do motor. Vamos exercitar? Exercitando o conhecimento... Curso do pistão significa: a) A direção que o pistão se movimenta enquanto sobe e desce no cilindro. b) A amplitude de movimento do pistão entre o ponto chamado PMI e o ponto chamado PMS.... Se você escolheu a opção b, você acertou! Parabéns! O curso do pistão é a distância entre o ponto morto superior e o ponto morto inferior, pois é de um ponto a outro que o pistão se movimenta continuamente. De acordo com a disposição e o número dos cilindros A alteração da disposição dos cilindros permite que se altere também as características dimensionais dos motores, ou seja, podem tornar o motor mais compacto em altura, largura ou comprimento. As principais classificações são as seguintes: Em linha Figura 10 Motor 4 cilindros em linha Figura 11 Motor 6 cilindros em linha Cilindros : são os volumes cilíndricos vazados no bloco do motor por onde se movimentam os pistões. Sua porção superior é denominada câmara de combustão ou câmara de explosão e é onde ocorre a deflagração do combustível. Motores de Combustão Interna 13

15 Em V Figura 12 Motor 4 cilindros em V ou motor V4 Figura 13 Motor 6 cilindros em V ou motor V6 Opostos ou boxer Figura 14 Motor Boxer de 4 cilindros Figura 15 Motor Boxer de 6 cilindros Radial Figura 16 Cilindros radiais 5 cilindros Figura 17 Motor radial 9 cilindros 14 NT Editora

16 Exercitando o conhecimento... Quando você ouvir o termo motor V6, saberá que se trata de um motor com a disposição dos cilindros em formato de e que este motor possui um total de cilindros. Entendido? De acordo com o tipo de ignição Motores de ignição por faísca ou centelha (MIF) motor Otto Nestes motores, é necessário que haja uma faísca para inflamar o combustível no interior do motor. Figura 18 Ilustração do centelhamento no interior da câmara de combustão Figura 19 Ilustração da ignição por compressão no interior da câmara de combustão Motores de ignição espontânea ou por compressão (MIE) motor Diesel Nestes motores, o combustível se inflama espontaneamente ao entrar em contato com o ar quente sob forte compressão no interior do cilindro, sem a necessidade de centelha. Saiba mais! Originalmente, os motores de combustão interna foram concebidos para a aplicação em indústrias e não em veículos. Eles derivam das máquinas a vapor, que equipavam tecelagens, navios, guinchos e guindastes. Centelha: fagulha, faísca ou partícula incandescente. Motores de Combustão Interna 15

17 Diferenças entre os motores ciclos Otto (MIF) e Diesel (MIE) Mecanicamente o funcionamento dos dois tipos de motores não apresenta muitas diferenças. O princípio de funcionamento é basicamente o mesmo, entretanto, em decorrência da alta taxa de compressão necessária para a ignição espontânea nos motores Diesel, eles normalmente possuem construção mais robusta e trabalham em regimes de rotação menores. As principais diferenças entre os ciclos Otto e Diesel se resumem conforme a seguir: Homogeneizada: derivação de homogêneo. Válvula de admissão: é um dispositivo que bloqueia ou libera a entrada de gases nos cilindros do motor. Autoignição: é quando ocorre a combustão espontânea, sem a presença de uma fonte de ignição, como uma faísca. Ocorre quando o simples contato do combustível com o comburente já é suficiente para promover a reação. Admissão do combustível na câmara de combustão Nos motores convencionais do ciclo Otto MIF, a mistura ar e combustível é homogeneizada antes da introdução na câmara de combustão (ou seja, antes da passagem pela válvula de admissão), exceto quando for um motor com injeção direta de combustível, caso em que se admite apenas ar pela válvula de admissão e o combustível é injetado diretamente no cilindro, sem passar pela válvula de admissão. Já nos motores do ciclo Diesel MIE, há admissão apenas de ar e o combustível é injetado através de um sistema de injeção de alta pressão, devido à necessidade de se injetar o óleo Diesel finamente pulverizado. O combustível é injetado ao final do curso de compressão do pistão, e, em fração de segundo, se espalha pela câmara de combustão se misturando ao ar, já comprimido pelo pistão e, portanto, em alta temperatura. Modo de ignição Nos MIF, conforme já vimos, a ignição é provocada por uma faísca. Essa faísca ou centelha é produzida pela vela, que está ligada a um sistema elétrico. Nos MIE, a combustão ocorre por autoignição, ou seja, o Diesel se inflama quando submetido à temperatura de autoignição (TAI), após o contato com o ar quente. Os combustíveis em geral possuem valores típicos de TAI, conforme mostra a figura a seguir. Figura 20 Tabela de valores típicos de temperatura de autoignição TAI ( C) Temperatura de autoignição TAI (ºC) Diesel Etanol hidratado Metanol Gasolina E Taxa de compressão Nos MIF, o momento da ignição do combustível é comandado pela faísca, portanto, a taxa de compressão será relativamente baixa para não provocar a autoignição. Já nos MIE, é necessária uma taxa de compressão suficientemente elevada para que a compressão no interior do cilindro eleve a temperatura acima da TAI do combustível. Conceito de Taxa de compressão A taxa de compressão é um conceito intrínseco dos motores de combustão interna. Trata-se da relação entre o volume da câmara completamente distendida (pistão na posição inferior) e o volume 16 NT Editora

18 da câmera completamente comprimida (pistão na posição superior). Por exemplo, quando um motor possui taxa de compressão de 10:1, significa que o volume da câmara é dez vezes maior quando o pistão está no Ponto Morto Inferior do que quando o pistão está no Ponto Morto Superior. Figura 21 Volume da câmara distendida e comprimida A figura abaixo mostra alguns valores de taxa de compressão normalmente praticados para os diferentes tipos de combustível. Entretanto, com o passar do tempo, a presença cada vez mais intensa da eletrônica nos motores tende a alterar essa relação. Figura 22 Valores típicos de taxa de compressão Relação ou taxa de compressão MIF MIE Etanol hidratado Gasolina E22 Diesel 10,0:1 até 14,0:1 8,5:1 até 13,0:1 15,0:1 até 24,0:1 Motores de Combustão Interna 17

19 Saiba mais! O volume total ou a cilindrada total de um motor é o volume de deslocamento do pistão (do PMI ao PMS) multiplicado pelo número de cilindros. Por exemplo, um veículo que possua um motor de 4 cilindros com cilindrada de 2.0 (litros), possui um volume de deslocamento de 0,5 litro em cada um dos 4 cilindros. Exercitando o conhecimento... O fenômeno da autoignição é também conhecido como: a) Ignição espontânea. b) Ignição esporádica.... Se você escolheu a opção a, você acertou! Parabéns! A ignição espontânea ou autoignição é a situação em que um combustível ou material se incendeia naturalmente ao ser submetido a uma determinada temperatura, mesmo sem a presença de fogo ou de faísca. De acordo com o ciclo de operação Motores alternativos a quatro tempos (4T) Nos motores quatro tempos, um ciclo de operação se completa após quatro etapas ou quatro movimentos do pistão, após os quais o ciclo se reinicia. Na verdade, estas quatro etapas são processos distintos, conhecidos como admissão, compressão, expansão e exaustão. Durante o ciclo de quatro tempos, o eixo do motor realiza duas voltas completas. Figura 23 Ciclo de 4 tempos do motor alternativo 18 NT Editora

20 Tempo de admissão Na etapa de admissão, a válvula de admissão se abre enquanto o pistão se movimenta de cima para baixo, do PMS ao PMI, criando uma depressão que promove o fluxo dos gases através da válvula para dentro da câmara. O cilindro é preenchido com a mistura ar e combustível, ou, no caso dos MIF, com injeção direta de combustível e dos MIE, somente com ar. Tempo de compressão Na etapa de compressão, com a válvula de admissão fechada, o pistão se movimenta do PMI ao PMS, comprimindo os gases dentro da câmara, que podem ser a mistura ar e combustível, no caso dos MIF sem injeção direta de combustível, ou somente ar, no caso dos MIE ou dos MIF com injeção direta. O cilindro então é preenchido com a mistura ar e combustível, ou, no caso dos MIF com injeção direta de combustível e dos MIE, somente com ar. Importante! Nos MIE e nos MIF com injeção direta, a injeção de combustível é realizada diretamente no cilindro, durante a compressão do ar. É importante reiterar que, no motor Diesel (MIE), a compressão será maior do que no motor Otto (MIF) para que a temperatura de autoignição (TAI) do combustível Diesel seja ultrapassada. Tempo de expansão Na etapa de expansão, o pistão se movimenta do PMS ao PMI, assim como na etapa de admissão, mas dessa vez com a válvula de admissão fechada. Entre as etapas de compressão e expansão, ocorre a ignição/explosão do combustível da seguinte forma: nos MIF, quando o pistão se aproxima do PMS, a vela de ignição promove a centelha que provoca a ignição do combustível. Já no MIE, é injetado o combustível no ar quente, sob alta pressão, provocando a autoignição. Tanto nos MIF quanto nos MIE, a combustão/explosão do combustível provoca um grande aumento da pressão que impulsiona o pistão para o PMI, enquanto os produtos da combustão (gases) sofrem um processo de expansão. A etapa de expansão, dessa forma, é o processo no qual realmente é produzido o trabalho útil do motor. Tempo de exaustão/escape Após a etapa de exaustão, assim como no tempo de compressão, o pistão novamente se movimenta do PMI ao PMS, mas dessa vez com a válvula de escape aberta, expulsando para fora do cilindro os gases produzidos na queima. Em seguida, se inicia um novo ciclo 4T pelo tempo de admissão. - Mapa de queima motor 4T O mapa de queima, em um motor 4T, consiste na interação entre os processos em cada cilindro do motor. Durante o ciclo 4T completo, o pistão percorreu o curso do cilindro quatro vezes, enquanto o eixo do motor realizou duas voltas. A figura 24 representa, em um MCI de 4 cilindros, a interação entre os tempos. O eixo horizontal α representa as rotações do eixo do motor, em que os 720 (duas voltas) correspondem a um ciclo completo de quatro tempos. Motores de Combustão Interna 19

21 Figura 24 Interação entre os 4 tempos de um ciclo de operação em um MCI de 4 cilindros 0º 180º 360º 540º 720º α 1 Expansão Escape Admissão Compressão Número de cilindros 2 Escape Admissão Compressão Expansão 3 Compressão Expansão Escape Admissão 4 Admissão Compressão Expansão Escape Ciclos do motor Motores alternativos a dois tempos (2T) Nos motores dois tempos, um ciclo de operação se completa após duas etapas ou dois movimentos do pistão, reiniciando-se em seguida. Analogamente ao funcionamento do motor 4 tempos, em que o eixo do motor realiza duas voltas por ciclo; no motor 2T, tem-se apenas uma volta do eixo do motor por ciclo. Os processos citados no motor 4 tempos, quais sejam, admissão, compressão, expansão e exaustão, também ocorrem em um motor dois tempos, entretanto, alguns deles se sobrepõem em um mesmo tempo ou curso. Ou seja, em um mesmo deslocamento do pistão ocorre mais de um processo. Figura 25 Motor 2T de ignição por faísca 1º tempo Com o pistão no ponto morto superior (PMS) e com a mistura já comprimida, salta a faísca que produz a combustão. Analogamente ao motor 4T, a alta pressão gerada pela explosão projeta o pistão para o ponto morto inferior (PMI). Durante o curso entre o PMS e o PMI, o pistão comprime o volume 20 NT Editora

22 do cárter (reservatório inferior) elevando a pressão P 1 até que descubra a janela B, que possui a função de saída de escape dos gases queimados. Esses gases, ainda sob elevada pressão, escapam naturalmente para fora do sistema. Ainda durante o deslocamento, o pistão descobre a janela C, que possui a função de admissão da mistura. A janela de admissão C aberta permite a comunicação entre o cárter e o cilindro, fazendo com que a nova mistura, até então sob pressão no cárter, ocupe o cilindro para um novo curso de compressão. Observe na figura 25 que, em face da posição das janelas de escape B e admissão C, haverá um momento durante o processo em que as duas passagens estarão simultaneamente abertas, possibilitando o fluxo de mistura nova, junto aos gases de escapamento, para fora do sistema. Esse fenômeno é conhecido como curto-circuito entre admissão e escape, e seus efeitos variam em função da qualidade do projeto das janelas (admissão e escape) e da cabeça do pistão. 2º tempo Ao longo do deslocamento do ascendente do pistão, do PMI ao PMS, fecha-se a janela de admissão C, a janela de escape B e, em seguida, o pistão libera a passagem A. Em decorrência do movimento ascendente do pistão já com as passagens B e C fechadas, é criada uma depressão (sucção) P 1 no cárter, que promove o preenchimento do cárter com mistura nova através da janela A, que está aberta. Note, ainda, que enquanto a ascensão do pistão promove a depressão no cárter (reservatório inferior), permitindo a entrada da nova mistura, ao mesmo tempo realiza a compressão da mistura anteriormente admitida na câmara de combustão. Cárter: parte inferior do motor que funciona como reservatório de óleo lubrificante. Centelhamento: derivação de centelha. Ao fim da ascensão do pistão, ao se aproximar do PMS, ocorre novamente o centelhamento responsável pela ignição do combustível. Esta, por sua vez, promove a combustão/explosão gerando a pressão que projeta o pistão do PMS para o PMI, reiniciando o processo de expansão já descrito no 1º tempo. - Mapa de queima motor 2T de ignição por faísca MIF ou Otto O mapa de queima, em um motor 2T, consiste na interação entre os processos no cilindro. Durante o ciclo 2T completo, o pistão percorreu o curso do cilindro duas vezes, enquanto o eixo do motor (árvore de manivelas) realizou apenas uma volta. A figura 26 representa a interação entre esses processos, envolvendo as temperaturas e pressões típicas do MIF de 2T. Figura 26 Interação entre os processos de um ciclo de operação em um motor de ignição por faísca (Otto) de 2T Fase do ciclo Transferência Compressão Temperatura dos gases C Pressão do gás (bar) Posição do pistão Rotação da árvore de manivelas Combustão e trabalho Escape Transferência Compressão Combustão e trabalho Escape a a a a a a a 8 15 a 30 1 a a 8 15 a 30 1 a 3 0º 90º 180º 270º 360º 90º 180º 270º 360º 1 2 Motores de Combustão Interna 21

23 Motor 2T de ignição por compressão MIE ou Diesel Quando se trata de um motor 2T MIE (Diesel), em detrimento do cárter, aplica-se uma máquina auxiliar para a admissão da mistura, acionada pelo eixo do motor. Uma bomba de lavagem (compressor volumétrico) é utilizada para introduzir uma grande quantidade de ar pela janela de admissão, este ar promove a expulsão (exaustão) dos gases de combustão pelas janelas de escape, sendo uma parte deste ar retida quando do fechamento dessas janelas. Assim como ocorre nos MIF 2T, o pistão comprime o ar até o PMS, mas com a elevada taxa de compressão necessária para a autoignição nos motores a Diesel. Quando o pistão se aproxima do PMS, injeta-se o combustível pulverizado que, em contato com o ar quente, queima espontaneamente. Dessa queima/explosão surge a energia de expansão (pressão) necessária para a produção do trabalho útil. Figura 27 Motor 2T Diesel (MIE) Concepção com a utilização de válvulas de escape Principais diferenças entre os motores de 4T e 2T Pelos conceitos de funcionamento já apresentados, foi possível entender que os princípios relacionados aos processos de admissão, compressão, expansão e exaustão estão presentes tanto nos motores 4T quanto nos motores 2T. A diferença mais relevante, como já vimos, está no fato do trabalho útil ser alcançado em apenas dois deslocamentos no motor 2T (que correspondem a uma volta do eixo do motor) e da necessidade de quatro deslocamentos no motor (que correspondem a duas voltas no eixo do motor). Essa relação entre a quantidade de voltas do eixo do motor é chamada de fator de tempos, para o qual se designa a letra x. Em razão desse fator, se esperaria que, em uma única rotação, um motor 2T produzisse o dobro da potência de um motor 4T. Entretanto, as deficiências existentes nos processos, em decorrência da superposição de estágios no motor 2T impedem que isso aconteça. Outra desvantagem do motor 2T decorre da utilização do cárter como alojamento da mistura ar e combustível, não sendo possível utilizá-lo como reservatório exclusivo do lubrificante, assim como ocorre nos motores 4T. Por esse motivo, nos motores 2T, a lubrificação é realizada misturando-se o lubrificante ao combustível em uma fração aproximada de 1:20, ou seja, uma parte de lubrificante para vinte partes de combustível. 22 NT Editora

24 Atenção! Em razão da mistura de lubrificante com combustível, os dois processos, tanto o de lubrificação quanto o de combustão, tornam-se precários. A durabilidade do motor é comprometida em decorrência da contaminação do lubrificante pelo combustível e, em outro giro, a contaminação do combustível pelo óleo lubrificante faz com que este, ao ser queimado, eleve substancialmente a emissão de poluentes junto aos gases de escape produzidos pelo motor. O motor 2T, por sua vez, não apresenta só desvantagens quando comparado ao motor 4T. O ciclo 2T tem como vantagem a construção mais simples, sem o uso do sistema de válvulas, o que permite torná-lo mais compacto e leve do que um motor 4T de mesma potência. Vamos exercitar? Exercitando o conhecimento... Quais são os quatro processos de um ciclo de operação em um motor 4T?... Se você respondeu admissão, compressão, expansão e exaustão, você acertou! Parabéns! Resumindo... Ao longo desta lição, você conheceu uma breve história sobre o desenvolvimento dos conceitos termodinâmicos aplicados aos motores e sobre o desenvolvimento dos motores de combustão interna. Aprendeu a conceituar um motor de combustão interna e, ainda, conheceu as classificações dos tipos de motores, relacionadas ao tipo de movimento do pistão, à disposição e ao número de cilindros do motor, ao tipo de ignição e à classificação de acordo com o ciclo de operação. Será que você atingiu todos os objetivos? Verifique se você está apto a: Conceituar um motor de combustão interna; Apresentar brevemente as suas principais classificações; e Explicar os princípios básicos de funcionamento de um MCI. Motores de Combustão Interna 23

25 Parabéns, você finalizou esta lição! Agora responda às questões ao lado. Exercícios Questão 01 Os motores de combustão interna são objeto de estudo mais explorado por qual ramo da física? a) Cinemática, que estuda o movimento dos corpos. b) Termodinâmica, que estuda as relações entre troca de calor e trabalho. c) Eletricidade, que estuda os fenômenos elétricos. d) Ótica, que estuda os fenômenos da luz e das radiações eletromagnéticas. Questão 02 Você aprendeu que os Motores de Combustão são classificados como máquinas térmicas. Escolha a alternativa que melhor explica essa definição: a) São equipamentos para ancoramento de navios em portos. b) São equipamentos termicamente isolados onde não entra nem sai calor. c) São equipamentos para medição de temperatura ambiente. d) São equipamentos que permitem transformar a energia química contida no combustível em trabalho e energia térmica (calor). Questão 03 Os Motores de Combustão Interna dos ciclos Otto e diesel podem ser classificados a partir de quais características? a) Cor na qual são pintadas suas peças externas. b) Se estão instalados em uma indústria ou em um veículo. c) Quantidade e disposição geométrica dos cilindros, tipo de movimento dos pistões, tipo de ignição e finalidade de uso. d) Posição na qual são instalados nos veículos. Questão 04 Por que os motores de ciclo Otto também são conhecidos como motores de ignição por faísca ou centelha (MIF)? a) Porque precisam de uma centelha para que ocorra a queima da mistura ar e combustível no interior das câmaras de combustão. b) Porque geram muitas faíscas devido à eletricidade estática quando estão em funcionamento. c) Porque ao funcionar, o atrito entre as peças do motor gera faíscas. d) Porque sempre que funciona podemos verificar faíscas na bateria do carro. 24 NT Editora

26 Questão 05 Por que os motores do ciclo diesel também são conhecidos como motores de ignição espontânea (MIE)? a) Porque têm taxa de compressão em suas câmaras de combustão inferior à do motor Otto, logo a mistura inflama facilmente. b) Devido ao mecanismo de ignição. Esses motores possuem alta taxa de compressão, promovendo maior elevação de temperatura da mistura, que inflama sem que haja necessidade de faísca ou centelha. c) O tipo de combustível utilizado é altamente inflamável e não precisa da ação de centelhas ou faíscas. d) Utiliza o conceito de tocha contínua na câmara de combustão, dispensando qualquer centelha ou faísca. Questão 06 A partir do aprendizado ao longo da lição, escolha a alternativa correta: a) Motores do ciclo Otto utilizam diesel e são aplicados em caminhões de grande capacidade de carga. b) Motores do ciclo diesel precisam de uma centelha ou faísca para provocar a queima da mistura ar e combustível em suas câmaras de combustão. c) Motores do ciclo diesel, também conhecidos como motores flex, são largamente aplicados em carros de passeio (no Brasil) e motocicletas. d) Os motores de ciclo Otto e diesel utilizados nos automóveis são de quatro tempos, sendo o primeiro de uso típico em veículos de passeio e o segundo em aplicações utilitárias e de cargas. Questão 07 O que é a taxa de compressão de um motor? a) É quanto incide de imposto de venda sobre um motor em razão de sua potência. b) É a diferença entre a entrada e saída de combustível da câmara de combustão. c) É a razão na qual a massa de ar/combustível é comprimida pelo pistão dentro do cilindro entre o PMI e o PMS. d) É a medida de projeto que permite a redução das dimensões do motor. Questão 08 As fases de um motor quatro tempos são: a) Admissão, compressão, expansão e exaustão. b) Admissão, lavagem, vazamento e descarga. c) Entrada de ar, entrada de combustível, mistura, queima e descarga. d) Compressão, admissão, escape e queima. Motores de Combustão Interna 25

27 Questão 09 As fases de um motor dois tempos são: a) Compressão e escape. b) Admissão e queima. c) Exaustão e admissão. d) No motor dois tempos, os processos de admissão, compressão, expansão e exaustão se sobrepõem parcialmente uns aos outros, logo, os dois tempos ou fases referem-se, tão somente, aos dois movimentos de pistão (descida e subida) durante um ciclo completo. Questão 10 Segundo os conhecimentos que você adquiriu, é correto afirmar: a) Os motores de combustão interna são máquinas a vapor que utilizam diferentes combustíveis e têm diferentes aplicações nos dias atuais. b) Os motores de combustão interna são máquinas térmicas, utilizam diferentes combustíveis, podem operar em dois ou quatro tempos e são amplamente utilizadas atualmente. c) Somente os motores de combustão interna do ciclo diesel são utilizados em aplicações para veículos de passeio. d) Os motores de combustão interna são aqueles que utilizam álcool, gasolina e gás veicular. 26 NT Editora