MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA I

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1 Departamento de Engenharia de Biossistemas ESALQ/USP MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA I LEB0332 Mecânica e Máquinas Motoras Prof. Leandro M. Gimenez 2017 TÓPICOS Motores de combustão interna I Aspectos teóricos, princípio de funcionamento tipos de motor Motores de combustão interna II Órgãos fundamentais dos motores, componentes Motores de combustão interna III Sistemas complementares: alimentação, arrefecimento, lubrificação, elétrico, exaustão 2 1

2 O que são motores? Motor = máquina transdutora de energia Converte qualquer tipos de energia em energia mecânica Motor eólico Motor hidráulico Os gases de combustão transferem calor a um segundo fluido que opera como fluido de trabalho Externa Motores a combustão ( máquina térmica ) Utilizam os próprios gases de combustão como fluido de trabalho Interna 4 2

3 Máquina térmica Sistema que converte calor ou energia térmica em energia mecânica que então pode ser empregada para realizar trabalho Ciclos termodinâmicos em que ocorrem expansão, compressão e mudança de temperatura de gases 5 Flexibilidade dos motores a combustão interna Motor pequeno Motor grande 6 3

4 Motores de combustão interna Motores utilizados como fonte de potência nas máquinas agrícolas Transformam energia química presente no combustível em energia mecânica para realizar trabalho. 7 Liberação da energia em motores a combustão Combustão = reação química exotérmica entre uma substância (o combustível) e um gás (o comburente), geralmente o oxigênio, para liberar calor. Combustível = substâncias na forma líquida, sólida ou gasosa cuja reação de oxidação é altamente exotérmica, ou seja, libera grande quantidade de calor. 8 4

5 Combustível Eficiência na conversão química mecânica Motores a gasolina, Ciclo Otto 25 a 33% Motores a diesel, Ciclo Diesel 35 a 40% A combustão é um processo complexo e em função do tipo de combustível ocorre de modo distinto o que exige máquinas térmicas adequadas 9 Combustão Diesel óleo Menos refinado Moléculas mais longas C 16 H 34 Não volatiliza facilmente Vaporização e alta pressão e temperatura para ignição Gasolina Moléculas menores C 6 H 18 Altamente volátil Inflama facilmente Em alta pressão e temperatura explosão e não combustão Centelha para ignição 10 5

6 Combustiveis Poder Calorífico (Inferior) Quantidade de energia interna contida no combustível Gasolina: 44,5 x 0,30 = 13,4 MJ kg -1 13,4 MJ kg -1 0,735 kg L -1 = 18,2 MJ L -1 Diesel: 42,8 x 0,35 = 15,0 MJ kg -1 15,0 MJ kg -1 0,829 kg L -1 = 18,1 MJ L -1 Energia no combustível Energia Mecânica Atrito Calor 11 Liberação da energia em motores a combustão A expansão gasosa resultante gera pressão Pressão aplicada em órgãos receptores gera movimento e assim trabalho. Quando os órgãos receptores são constituídos por cilindro e êmbolo que apresentam movimento retilíneo alternativo: motor alternativo de êmbolos 12 6

7 Motores alternativos de êmbolos O êmbolo no interior do cilindro, através da biela, um movimento circular à arvore de manivelas. 13 Motores alternativos de êmbolos Motor monocilindrico: um conjunto êmbolo cilindro Motor policilindrico: dois ou mais cilindros A disposição dos cilindros varia: Cilindros em linha Cilindros em V Cilindros opostos 14 7

8 Motores alternativos de êmbolos Cilindros em linha Cilindros em V Cilindros opostos 15 Motor nas máquinas agrícolas Trator = fonte de potência para diversas máquinas e implementos 16 8

9 Máquinas autopropelidas Possuem a própria fonte de potência/motor Ex: Colhedora de grãos 17 Conceito de Trabalho Uma das formas de transmissão de energia Trabalho (J) = Força (N) x deslocamento (m) Força (N) = massa (kg) x aceleração ( v/ t) Força altera a velocidade de um corpo 9

10 Conceito de potência Capacidade de transmitir energia por tempo Transmissão de energia pode ser através de Realização de trabalho Transmissão de calor Conceito de Torque T = f x d T = TORQUE (mkgf) f = INTENSIDADE DA FORÇA (kgf) d = DISTÂNCIA PERPENDICULAR ENTRE O EIXO E A DIREÇÃO DA FORÇA. 10

11 t POTÊNCIA PMS Ponto Morto Superior PMI Ponto Morto Inferior P = f. d t P = POTÊNCIA f = INTENSIDADE DA FORÇA d = DISTÂNCIA PERPENDICULAR ENTRE O EIXO E A DIREÇÃO DA FORÇA t = TEMPO Cavalo: como se originou esta unidade de potência? 1 Cavalo = 75 kg erguidos a 1 m em 1 s 11

12 Trabalho x Torque Trabalho = Força x Deslocamento J = N x m 2π x r = d Torque = Força x raio x 2π Nm = N x m Pot = Torque x Rotação x 2π W = Nm x rps POTÊNCIA DO MOTOR P m = 2.π.T m.n m P m - POTÊNCIA DO MOTOR T m - TORQUE DO MOTOR N m - ROTAÇÃO DO MOTOR 12

13 Tipos de ciclos de funcionamento OTTO foi descrito por NIKOLAUS OTTO, 1876; DIESEL por RUDOLF DIESEL,

14 Motores do ciclo OTTO Ignição por centelha Utilizam energia elétrica para dar início a reação de combustão. A centelha (faísca elétrica) é produzida pela vela de ignição; O combustível é misturado com o ar fora da câmara de combustão; Pode ser de 2 ou 4 tempos. Tempo do motor: movimento de 180 na árvore de manivela, correspondendo ao deslocamento ascendente ou descendente do êmbolo no cilindro Motores do ciclo DIESEL Ignição por compressão Utilizam o aumento da temperatura, devido a compressão da massa de ar admitida, para dar início a reação de combustão; O combustível é misturado com o ar dentro da câmara de combustão. 14

15 Ciclo Otto 4 tempos Ciclo completo em cada 2 rotações (720 ) da ADM Admissão Compressão Expansão Exaustão Ciclo Otto 1 tempo / 180 Admissão Exaustão Ar + combustível Admissão: êmbolo desce do PMS ao PMI Válvula de admissão aberta Aspiração da mistura Ar + combustível 15

16 Ciclo Otto 2 tempo / 360 Admissão Exaustão Compressão: Êmbolo sobe do PMI ao PMS Válvulas de admissão e escape fechadas Compressão da mistura Ciclo Otto 3 tempo / 540 Admissão Exaustão Combustão/Expansão: Centelha elétrica pouco antes do PMS Ignição da mistura Expansão violenta empurra embolo para baixo Válvulas fechadas Tempo motor 16

17 Ciclo Otto 4 tempo / 720 Admissão Exaustão Resíduos da combustão Exaustão: Êmbolo sobe do PMI ao PMS Válvula de escape aberta Gases expelidos 34 17

18 Frequência dos esforços transmitidos ao volante do motor 35 Frequência dos esforços transmitidos ao volante do motor 36 18

19 Ciclo Otto 2 tempos Ciclo completo em 1 rotação (360 ) da ADM Realizam o ciclo em dois cursos; Admitem mistura de ar, combustível e óleo lubrificante. Motor 2 tempos Admissão Árvore de manivelas 1 Tempo Compressão e admissão Faísca Movimento do PMI ao PMS Compressão na parte superior Vácuo na parte inferior Abertura da janela de admissão e entrada da mistura para a parte inferior 38 19

20 Motor 2 tempos Centelha elétrica com ignição e expansão Êmbolo empurrado em direção ao PMI Abertura do canal de transferência Abertura da janela de exaustão Entrada da mistura nova e expulsão dos gases queimados Exaustão 2 Tempo Expansão e escape Canal de transferência 39 Motor 2 tempos 40 20

21 1 Compressão Admissão 2 Expansão Escape 41 Motores do ciclo diesel de 4 tempos Os motores do ciclo diesel de quatro tempos admitem somente ar. Bico injetor Árvore de manivelas 21

22 Motor Diesel (4 tempos) 1ºTempo admissão O êmbolo ao descer aspira ar para dentro do cilindro através da válvula de admissão aberta. 2ºTempo compressão A válvula de admissão fecha-se e o êmbolo ao subir, comprime o ar, aquecendo-o. O combustível é injetado. 3ºTempo expansão/combustão O combustível inflamado pelo ar que aqueceu explode e empurra o êmbolo para baixo. 4ºTempo exaustão A válvula de escape abre-se e o êmbolo ao subir, expele do cilindro os gases de combustão. O que é Cilindrada? O que significa falar que o motor é 2.0? O que é um carro 1000? PMS PMI 22

23 O que é Cilindrada? O que significa falar que o motor é 2.0? O que é um carro 1000? PMS PMI Volume deslocado pelo êmbolo durante o percurso do PMS ao PMI CC = ( D²/4) x h x N D = DIÂMETRO DO CILINDRO h = CURSO DO ÊMBOLO (PMI PARA PMS) N = NÚMERO DE CILINDROS DO MOTOR Cálculo da cilindrada - Exemplo Um motor de 3 cilindros, com diâmetro dos cilindros de 10 cm e curso do êmbolo de 120 mm, qual é sua cilindrada? 23

24 Cálculo da cilindrada - Exemplo Um motor de 3 cilindros, com diâmetro dos cilindros de 10 cm e curso do êmbolo de 120 mm, qual é sua cilindrada? CC = ( D²/4) x h x N = = 10²/4 x 12 cm x 3 = = 25 x 36 = 2827,4 cm³ Cálculo da pressão exercida no Êmbolo - Exemplo Uma mistura combustível atinge pressão de 40 atm dentro do cilindro do motor. Qual a força máxima aplicada pela biela contra o êmbolo, no tempo de compressão, sendo que o diâmetro do cilindro mede 96 mm? 1 atm = 1,03329 kgf/cm² A = r² ou D²/4 24

25 Cálculo da pressão exercida no Êmbolo - Exemplo Uma mistura combustível atinge pressão de 40 atm dentro do cilindro do motor. qual a força máxima aplicada pela biela contra o êmbolo, no tempo de compressão, sendo que o diâmetro do cilindro mede 96 mm? 1 atm = 1,03329 kgf/cm² D = 96 mm,logo r = 48 mm A = r² = 7238,22 mm² = 72,38 cm² P = F/A, logo F = P * A = 40 atm * 72,38 cm² * 1,03329 kgf/cm² F = 2991,7 kgf Câmara de compressão: volume remanescente, localizado no cabeçote, quanto o êmbolo se encontra em seu PMS. Bico injetor de diesel atomizado Válvula de admissão Válvula de exaustão Câmara de compressão Parede do cilindro Êmbolo 25

26 Volume da câmara do cilindro: volume deslocado pelo êmbolo + volume da câmara de compressão. VOLUME DA CÂMARA DE COMPRESSÃO PMS VOLUME DESLOCADO PELO ÊMBOLO PMI RAZÃO DE COMPRESSÃO (R): VOL. DESLOCADO PELO ÊMBOLO + VOL. DA CÂMARA DE COMPRESSÃO VOLUME DA CÂMARA DE COMPRESSÃO OU SEJA: R = VOLUME INICIAL / VOLUME FINAL VOLUME FINAL VOLUME INICIAL 26

27 Cálculo da pressão exercida no Êmbolo - Exemplo Calcular a razão de compressão de um motor com cilindrada de 3784 cc, com 4 cilindros e volume da câmara de compressão de 59 cm³. RAZÃO DE COMPRESSÃO: VOL. DESLOCADO PELO ÊMBOLO + VOL. DA CÂMARA DE COMPRESSÃO VOLUME DA CÂMARA DE OMPRESSÃO OU SEJA: R = VOLUME INICIAL / VOLUME FINAL Cálculo da pressão exercida no Êmbolo - Exemplo Calcular a razão de compressão de um motor com cilindrada de 3784 cc, com 4 cilindros e volume da câmara de compressão de 59 cm³. Volume inicial = (3784 / 4 ) + 59 = = 1005 cm³ Volume final = 59 cm³ Razão = Vinicial / Vfinal = 1005 / 59 = 17,03 27

28 Vídeos Diesel x Gasolina Funcionamento ciclo Otto 4 tempos Funcionamento ciclo Diesel 4 tempos 4Env8yzCpZH1V Funcionamento ciclo Otto 2 tempos 4Env8yzCpZH1V 55 FIM Leandro M. Gimenez lmgimenez@usp.br 28