Volume
1
MOTORES
DE COMBUSTÃO INTERNA
Franco Brunetti
MOTORES
DE COMBUSTÃO INTERNA
Volume 1
Motores de Combustão Interna – Volume 1
© 2012 Franco Brunetti
1ª reimpressão – 2013
Editora Edgard Blücher Ltda.
FICHA CATALOGRÁFICA
Rua Pedroso Alvarenga, 1245, 4º andar
04531-012 – São Paulo – SP – Brasil
Tel 55 11 3078-5366
contato@blucher.com.br
www.blucher.com.br
Brunetti, Franco
Motores de Combustão Interna: volume 1 /
Franco Brunetti. – São Paulo: Blucher, 2012.
Bibliografia
ISBN 978-85-212-0708-5
Segundo Novo Acordo Ortográfico, conforme 5. ed.
do Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa,
Academia Brasileira de Letras, março de 2009.
1. Motores. 2. Motores de combustão interna.
3. Automóveis – motores I. Título
É proibida a reprodução total ou parcial por quaisquer
meios, sem autorização escrita da Editora.
Todos os direitos reservados pela Editora
Edgard Blücher Ltda.
12-0267
CDD 629.287
Índices para catálogo sistemático:
1. Motores
2. Motores de combustão interna
Agradecimentos
Agradeço a todos aqueles que se empenharam para a elaboração deste livro,
em especial ao professor engenheiro Fernando Luiz Windlin, que incentivou
o projeto e não mediu esforços na coordenação dos trabalhos, abdicando horas
de convívio familiar. A sua esposa e ilhos minha gratidão e respeito.
Ana Maria Brunetti
Apresentação
O Instituto Mauá de Tecnologia sente-se honrado por incentivar esta merecida homenagem ao saudoso Prof. Eng. Franco Brunetti. Dos 47 renomados proissionais que atuaram neste projeto, muitos foram seus alunos, alguns
desrutaram do privilégio de atuarem como seus colegas de trabalho e todos
guardam pelo Mestre uma imensa admiração.
Sob a incansável coordenação do Prof. Eng. Fernando Luiz Windlin, os
dois volumes desta obra reúnem, sem perder a docilidade acadêmica das aulas
do Prof. Brunetti, o que de mais atual existe na área de motores de combustão
interna.
O leitor, maior beneiciário deste trabalho, tem em suas mãos o mais amplo tratado sobre o tema já publicado no Brasil. Rico em ilustrações, com uma
moderna diagramação e um grande número de exercícios, o material tem sua
leitura recomendada para os estudantes de curso de engenharia, mas também
encontra aplicação em cursos técnicos e na atualização proissional daqueles
que atuam na área.
Prof. Dr. José Carlos de Souza Jr.
Reitor do Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia
Prefácio da 3ª Edição
No inal de 2009, a Engenharia icou mais triste com a perda do Prof. Franco
Brunetti, reconhecido como um dos mais importantes professores de Engenharia do Brasil.
O Prof. Brunetti, nestas quatro décadas de magistério em diversas Universidades, participou da formação da grande maioria dos engenheiros que hoje
atuam na indústria nacional e dos professores (ex alunos) que continuam seu
trabalho.
Seu nome sempre estará associado às disciplinas: Mecânica dos Fluidos,
para qual deixou um livro que revolucionou a forma de ministrar esta matéria,
e, Motores de Combustão Interna, sua grande paixão.
Nascido em Bolonha, Itália, desde os 12 anos de idade no Brasil, graduado
em Engenharia Mecânica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo,
POLI/USP – turma de 1967. Sua realização era a lousa de uma sala de aulas e
durante toda vida uniu a experimentação com a didática.
Professor impecável e amigo para todas as horas deixou saudades, porém
estará sempre presente:
Presente pela cultura que transmitiu;
Presente pela amizade que conquistou;
Presente pelo exemplo que legou;
Sempre presente porque mais que um professor foi um educador.
Como gratidão pelos diversos anos de trabalho conjunto, resolvemos transformar sua apostila num livro, de forma a perpetuar seu nome. Nos capítulos
10
que compõem esta obra, mantivemos a marca singela do Educador, com algumas atualizações decorrentes dos avanços tecnológicos.
Cabe aqui ressaltar o companheirismo do Prof. Oswaldo Garcia que sempre apoiou ao Prof. Brunetti nas apostilas anteriormente editadas.
Não podemos deixar de agradecer a esposa, e as ilhas, que permitiram este
trabalho.
Nossos agradecimentos ao Instituto Mauá de Tecnologia pelo apoio e coniança incondicionais.
À todos aqueles que ajudaram na atualização, por simples amizade e/ou
pelo tributo ao grande mestre Brunetti, e que encontram-se citados em cada
capítulo, minha eterna gratidão.
São Paulo
Fernando Luiz Windlin
Coordenador desta Edição
Prefácio da 2ª Edição
Finalmente consegui roubar do dia a dia o tempo necessário para realizar uma
revisão e uma ampliação da 1ª edição desta publicação.
Muitas das imperfeições foram corrigidas e acrescentei assuntos importantes como: sobrealimentação, combustíveis e emissões.
Todos os assuntos tratados devem ser compreendidos como uma exposição
didática apenas de conceitos fundamentais.
Cada assunto poderia ser desenvolvido em muitos livros e não apenas em
algumas páginas como foi feito. Entenda-se que o objetivo da obra é o de criar
uma base e despertar o interesse do leitor que futuramente, se quiser se desenvolver neste ramo da tecnologia, deverá ler obras mais especializadas de cada
um dos assuntos.
A grande diiculdade numa publicação deste tipo é exatamente esta. Conseguir extrair de um imenso universo de conhecimentos, o que é básico e
atual, de maneira compreensível para o leitor iniciante. Este objetivo eu acho
que foi atingido e creio que seja o grande valor deste trabalho.
Eu e o Prof. Oswaldo Garcia agradecemos os subsídios de alunos e colegas
que apontaram os erros da 1ª edição e sugeriram modiicações e espero que
continuem com esta contribuição.
Mas, agradecemos principalmente Ana Maria, Claudia e Ângela, cujo trabalho de digitação, revisão e composição foram fundamentais para esta nova
edição.
São Paulo, fevereiro de 1992
Prof. Eng. Franco Brunetti
Prefácio da 1ª Edição
Após muitos anos lecionando Motores de Combustão Interna na Faculdade de
Engenharia Mecânica, consegui organizar neste livro os conhecimentos básicos da matéria, ministrados durante as aulas.
Com muita honra vejo o meu nome ao lado do meu grande mestre no assunto, o Prof. Oswaldo Garcia, que muito contribuiu com seus conhecimentos
e com publicações anteriores, para a realização desta obra.
Se bem que reconheça que não esteja completa e que muita coisa ainda
possa ser melhorada, creio que este primeiro passo será de muita utilidade,
para os estudantes e amantes do assunto.
Aproveito para agradecer a minha esposa Ana Maria e a minha ilha Claudia que, com paciência e perseverança, executaram a datilograia e as revisões
necessárias.
São Paulo, março de 1989
Prof. Eng. Franco Brunetti
Conteúdo
Volume 1
1 INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
1.1
1.2
Introdução 27
Motores alternativos
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.2.6
1.3
1.4
29
Nomenclatura 29
Nomenclatura cinemática 32
Classificação dos motores alternativos quanto à ignição 34
Classificação dos motores alternativos quanto ao número de tempos do ciclo
de operação 36
Diferenças fundamentais entre os motores de 2T e 4T 41
Diferenças fundamentais entre os motores ciclos Otto e Diesel a 4T 42
Outras classificações
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5
1.3.6
1.3.7
1.3.8
1.3.9
42
Quanto ao sistema de alimentação de combustível 42
Quanto à disposição dos órgãos internos 45
Quanto ao sistema de arrefecimento 46
Quanto às válvulas 47
Quanto à alimentação de ar 48
Quanto à relação entre diâmetro e curso do pistão 51
Quanto à rotação 52
Quanto à fase do combustível 52
Quanto à potência específica 52
Motores rotativos
1.4.1
1.4.2
1.5
1.6
27
54
Turbina a gás 54
Motor Wankel 58
Histórico 62
Aplicações 64
Exercícios 67
Referências bibliográficas
Figuras 76
76
14
2 CICLOS
2.1
2.2
Introdução 77
Ciclos reais traçados com um indicador de pressões
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.3
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.3.6
2.3.7
78
Funcionamento dos indicadores de pressão 78
Diagrama da variação da pressão de um motor Otto a 4T 85
Diagramas de variação da pressão de um motor de ignição espontânea
(Diesel), a 4T 91
Diagramas da variação da pressão para um motor a 2T de ignição por faísca 95
Ciclos-padrão a ar
2.3.1
2.3.2
2.4
77
96
Introdução 96
Ciclo Otto (padrão a ar do ciclo do motor de ignição por faísca, a 4 tempos
ou Otto) 96
Conceitos definidos a partir dos ciclos-padrão a ar 106
Ciclo Diesel (padrão a ar do ciclo do motor de ignição espontânea ou Diesel) 113
Ciclo Misto ou de Sabathé 116
Ciclo Brayton (representativo do ciclo simples da turbina a gás) 121
Comparação dos ciclos 123
Diagramas e rotinas computacionais para misturas combustível-ar
125
2.4.1
Introdução 125
2.4.2
Propriedades de misturas de combustíveis e gases de combustão 125
2.4.3
Solução dos ciclos por meio de rotinas computacionais para misturas
combustível-ar 136
2.5
Comparação dos ciclos reais com os ciclos teóricos
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.4
142
Admissão e escape 143
Perdas de calor 144
Perda por tempo finito de combustão 144
Perdas pelo tempo finito de abertura da válvula de escape
Exercícios 145
Referências bibliográficas
Figuras 157
157
3 PROPRIEDADES E CURVAS CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES
3.1
3.2
Momento de força, conjugado no eixo ou torque (T)
Freio dinamométrico ou dinamômetro 160
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.3
159
Freio de Prony 160
Dinamômetros hidráulicos 163
Dinamômetros elétricos 167
Propriedades do motor
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
144
181
Potência efetiva 181
Potência indicada 182
Relações entre as potências 183
Controle ou variação da potência do motor
189
159
15
3.3.5
3.3.6
3.4
Determinação da potência de atrito
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.5
3.6
Consumo específico 191
Relações envolvendo pressão média
Acionando o motor de combustão desligado, por meio de um motor elétrico 198
Teste de Morse 198
Reta de Willan 200
Curvas características dos motores 202
Redução da potência do motor a condições atmosféricas padrões
3.6.1
3.6.2
3.6.3
Cálculos do fator de redução 207
Comparativo entre fatores de redução
Banco de teste de veículos 210
Exercícios 211
Referências bibliográficas
Figuras 222
209
223
Introdução 223
Previsão do comportamento de um motor instalado num dado veículo
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.3
206
221
4 RELACIONAMENTO MOTOR-VEÍCULO
4.1
4.2
194
198
Força de arrasto 224
Força de resistência ao rolamento
Força de rampa 234
229
Força total resistente ao avanço de um veículo
4.3.1
4.3.2
Raio de rolamento 235
Relacionamento motor-veículo
223
235
236
4.4
Relacionamento entre ensaios em bancos de provas e aplicações do motor
em veículos 240
Exercícios 240
Referências bibliográficas 240
Figuras 240
5 AERODINÂMICA VEICULAR
5.1
5.2
Introdução 251
Força de arrasto 257
5.2.1
5.2.2
5.3
5.4
5.5
251
Força de arrasto de superfície (skin friction) 257
Força de arrasto de pressão ou de forma 261
Força de sustentação e momento de arfagem (Pitching)
Força lateral 275
História da aerodinâmica veicular 278
5.5.1
5.5.2
5.5.3
A era das linhas de corrente 278
Estudos paramétricos 291
Corpos de um volume único 294
273
16
5.5.4
5.5.5
5.5.6
O corpo do veículo do tipo “Pantoon” 297
Os veículos comerciais 298
Motocicletas 302
Exercícios 303
Referências bibliográficas
6 COMBUSTÍVEIS
6.1
6.2
319
324
Octanagem ou Número de Octano 325
Volatilidade 338
Composição dos gases de escapamento e relação Ar-Combustível
Poder calorífico 347
Massa específica 348
Tonalidade térmica de um combustível 349
Corrosão ao cobre 350
Teor de enxofre 351
Estabilidade à oxidação 351
Outros parâmetros 354
381
Breve histórico 381
Álcoois 384
Éteres 384
Principais propriedades 385
Efeitos no desempenho dos veículos 391
Óleos vegetais, gorduras animais, biodiesel e H-Bio
6.6.1
6.6.2
6.6.3
6.6.4
356
Qualidade de ignição: cetanagem ou número de cetano (NC)
Volatilidade 369
Massa específica 371
Viscosidade 372
Lubricidade 373
Teor de enxofre 374
Corrosão ao cobre 374
Pontos de turbidez, de entupimento e de fluidez 374
Combustão 376
Estabilidade química 380
Condutividade elétrica 380
Compostos Oxigenados
6.5.1
6.5.2
6.5.3
6.5.4
6.5.5
6.6
314
Óleo Diesel (gazole, Dieselöl, Dieselolie, gasóleo, gasolio, Mazot)
6.4.1
6.4.2
6.4.3
6.4.4
6.4.5
6.4.6
6.4.7
6.4.8
6.4.9
6.4.10
6.4.11
6.5
Petróleos 314
Produção de derivados
Gasolina (gasoline, gas, petrol, benzin, benzina, essence)
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.4
6.3.5
6.3.6
6.3.7
6.3.8
6.3.9
6.3.10
6.4
313
Um pouco de história 313
Combustíveis derivados do petróleo
6.2.1
6.2.2
6.3
309
Óleos vegetais 395
Gorduras animais 397
Biodiesel 397
H-BIO 400
Exercícios 403
Referências bibliográficas
Figuras 409
408
394
358
344
17
7 A COMBUSTÃO NOS MOTORES ALTERNATIVOS
7.1
A combustão nos motores de ignição por faísca
7.1.1
7.1.2
7.1.3
7.2
7.3
7.4
411
Combustão normal 411
Detonação no motor de ignição por faísca 417
Fatores que influem na detonação no motor Otto
Câmara de combustão 422
A combustão nos motores Diesel 425
Fatores que influenciam na autoignição no ciclo Diesel
7.4.1
7.4.2
7.4.3
7.5
411
427
Qualidade do combustível 427
Temperatura e pressão 427
Turbulência 428
Tipos básicos de câmaras para motores Diesel
7.5.1
7.5.2
7.5.3
420
428
Câmaras de injeção direta ou abertas 428
Câmaras de injeção indireta ou divididas 429
Comparação entre as câmaras divididas e abertas
7.6 A combustão por autoignição controlada CAI/HCCI
Exercícios 437
Referências bibliográficas 445
Figuras 446
8 MISTURA E INJEÇÃO EM CICLO OTTO
430
431
447
Parte I – FORMAÇÃO DA MISTURA COMBUSTÍVEL-AR NOS MOTORES DO CICLO OTTO 447
8.1 Introdução 447
8.2 Definições 448
8.2.1
8.2.2
8.2.3
8.3
Limite pobre 450
Mistura econômica 451
Mistura de máxima potência
Limite rico 451
450
451
Curva característica do motor em relação à mistura
8.4.1
8.4.2
8.4.3
8.5
8.6
8.7
449
Tipo de mistura em relação ao comportamento do motor
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.3.4
8.4
Relação combustível-ar 448
Relação combustível-ar estequiométrica
Fração relativa combustível-ar 450
451
Carburador elementar 452
Sistema de injeção 453
Curva característica 453
Carburador 459
Injeção mecânica para motores Otto 460
Injeção eletrônica para motores Otto 461
8.7.1
8.7.2
Classificação dos sistemas de injeção eletrônica
Sistema analógico de injeção eletrônica 468
467
18
8.7.3
8.7.4
Sistema digital de injeção eletrônica 471
Métodos numéricos aplicados ao estudo de formação de mistura
Exercícios 476
Referências bibliográficas
Figuras 486
474
485
Parte II – INJEÇÃO DIRETA DE COMBUSTÍVEL EM CICLO OTTO (GDI – GASOLINE DIRECT
INJECTION) 487
8.8 Introdução 487
8.9 Requisitos de combustão e formação de mistura 489
8.9.1
8.9.2
8.9.3
8.9.4
Mecanismo de atomização do spray 489
Automatização do combustível 490
Orientação da combustão 495
Combustão homogênea e estratificada 497
8.10 Sistema de injeção direta de combustível
8.11 Controle da combustão 500
8.11.1 Mapa característico de combustão
8.11.2 Injeção em dois estágios 503
8.11.3 Partida a frio 504
8.12 Emissões de poluentes
498
500
506
8.12.1 Formação de poluentes 506
8.12.2 Pós-tratamento de poluentes 509
8.13 Conclusões 511
Exercícios 513
Referências bibliográficas
514
9 SISTEMA DE IGNIÇÃO E SENSORES APLICADOS AOS MOTORES
Parte I – SISTEMAS DE IGNIÇÃO 515
9.1 Visão geral 515
9.2 Os componentes de um sistema de ignição convencional
9.3 Princípio de funcionamento 517
9.4 Cálculo do tempo de ignição 527
9.5 Avanço ou atraso no tempo de ignição 530
9.6 As evoluções tecnológicas no sistema de ignição 534
9.6.1
9.6.2
9.6.3
Ignição transistorizada com platinado 536
Ignição transistorizada sem platinado 537
Ignição eletrônica mapeada 538
Exercícios 540
516
515
19
Parte II – SENSORES APLICADOS AOS MOTORES 542
9.7 Sensores de rotação e fase do motor 542
9.8 Sensor de pressão e temperatura do coletor de admissão
9.9 Sensor de posição da borboleta 546
9.10 Caudal de ar 547
9.11 Concentração de oxigênio (sonda λ) 548
9.12 Sensor de temperatura 550
9.13 Sensor de detonação – “Knock” 550
9.14 Outros 551
Exercícios 552
Referências bibliográficas 552
544
Volume 2
10 SISTEMAS DE INJEÇÃO PARA MOTORES DIESEL
10.1 Requisitos do sistema e classificação
10.2 Sistema de bomba em linha
10.3 Sistema modular de bombas individuais
10.3.1 Unidades injetoras tipo bomba-bico
10.3.2 Unidades injetores tipo bomba-tubo-bico
10.4
10.5
10.6
10.7
Unidade de comando eletrônica
Bicos injetores
Sistema distribuidor ou de bomba rotativa
Sistema acumulador ou tipo Common Rail
10.7.1 Bomba de alta pressão
10.7.2 Injetor
10.7.3 Injeção modulada Common Rail
Exercícios
Referências bibliográficas
Figuras
11 CONSUMO DE AR NOS MOTORES A QUATRO TEMPOS
11.1 Introdução
11.2 Eficiência volumétrica
20
11.2.1 Densidade ou massa específica de entrada
11.2.2 Eficiência volumétrica baseada na massa de ar seco
11.3
11.4
11.5
11.6
Potência e pressão média em função da eficiência volumétrica
Processo de admissão ideal
Eficiência volumétrica pelo diagrama indicado
Efeito das condições de operação sobre a eficiência volumétrica
11.6.1
11.6.2
11.6.3
11.6.4
11.6.5
11.6.6
11.6.7
11.6.8
Índice de Mach na entrada
Efeito das dimensões do motor na eficiência volumétrica
Efeito da relação combustível-ar
Efeito da temperatura de admissão
Efeito da temperatura do fluido de arrefecimento
Efeito do ângulo de superposição de abertura das válvulas (overlap)
Influência do ângulo de fechamento da válvula de admissão
Influência da relação de compressão
11.7 Coletores de admissão
11.7.1 Influência do diâmetro e comprimento dos dutos
11.7.2 Influência do volume do plenum
11.7.3 Interferência entre cilindros
11.8 Influência do período de exaustão
11.9 Sobrealimentação
11.9.1
11.9.2
11.9.3
11.9.4
11.9.5
11.9.6
Sobrealimentação mecânica
Turbocompressor
O ciclo ideal
O turbocompressor
Ajuste do turbocompressor ao motor (matching)
Considerações sobre o motor turboalimentado
Exercícios
Referências bibliográficas
Figuras
12 SISTEMAS DE EXAUSTÃO
12.1 Introdução
12.2 O processo de descarga nos motores de combustão interna
12.3 Efeitos dinâmicos em coletores de escapamentos
12.3.1 Disposição geral dos coletores de descarga
12.3.2 Sintonia de tubos de escapamento
12.4 Atenuação de ruído em sistemas de exaustão
12.4.1
12.4.2
12.4.3
12.4.4
12.4.5
Princípios de acústica em dutos
Desempenho de filtros acústicos
Elementos acústicos de atenuação
Efeitos complexos e considerações acústicas
Simulação numérica
21
Exercícios
Referências bibliográficas
13 EMISSÕES
13.1 Introdução
13.1.1
13.1.2
13.1.3
13.1.4
13.1.5
13.1.6
13.1.7
13.1.8
13.2
13.3
13.4
13.5
Monóxido de carbono (CO)
Óxidos de nitrogênio (NOx)
Hidrocarbonetos (HC)
Aldeídos
Compostos de enxofre (SO2 e H2S)
Partículas
Compostos de chumbo
Dióxido de carbono (CO2)
Controle das emissões no motor Otto
Controle das emissões no motor Diesel
Medição de emissões
Legislação acerca de emissões
13.5.1 Ensaios de emissões veiculares
13.5.2 Ensaios de emissões de motores
13.6 Análise dos componentes
13.6.1
13.6.2
13.6.3
13.6.4
13.6.5
13.6.6
13.6.7
13.6.8
Monóxido e Dióxido de Carbono
Óxidos de Nitrogênio
Hidrocarbonetos
Oxigênio
Aldeídos
Material particulado
Sulfeto de Hidrogênio e Dióxido de Enxofre
Amônia
13.7 Métodos alternativos de medição
13.7.1 FTIR
Exercícios
Referências bibliográficas
14 LUBRIFICAÇÃO
14.1 Introdução
14.2 Classificação
14.2.1 Sistema de lubrificação por salpico ou aspersão
14.2.2 Sistemas de lubrificação – Motores 2 Tempos
14.2.3 Sistemas de lubrificação sob pressão ou forçada
14.3 Blow by
14.4 Separadores de Blow by
22
14.5 Cárter
14.5.1
14.5.2
14.5.3
14.5.4
14.5.5
14.5.6
14.5.7
14.5.8
14.5.9
14.5.10
Cárter – Volume
Válvula PCV – positive cranckase ventilation
Bomba de óleo
Válvula reguladora de pressão
Filtros – projeto/seleção
Filtros – seleção do meio filtrante
Sistemas de filtragem – total
Sistemas de filtragem – parcial
Trocador de calor
Bomba elétrica
14.6 Razões para o consumo de lubrificante em um motor
Exercícios
Referências bibliográficas
Figuras
15 LUBRIFICANTES
15.1 Introdução
15.2 Propriedades dos óleos lubrificantes
15.2.1
15.2.2
15.2.3
15.2.4
15.2.5
15.2.6
15.2.7
15.2.8
15.2.9
15.2.10
15.2.11
15.2.12
15.2.13
Viscosidade
Índice de viscosidade
Ponto de fluidez
Oleoginosidade ou oleosidade
Corrosão
Espuma
Emulsão
Detergência
Estabilidade
Massa específica
TBN (Total Base Number ou reserva alcalina)
TAN (Total Acid Number)
Resistência à extrema pressão
15.3 Aditivos para lubrificantes
15.4 Óleos básicos sintéticos
15.5 Classificação dos óleos básicos
Exercícios
Referências bibliográficas
16 RUÍDO E VIBRAÇÕES
16.1 Introdução
16.1.1 Introdução à acústica
16.1.2 Introdução às vibrações
23
16.1.3 Fundamentos de análise modal experimental
16.1.4 Análise espectral
16.2 Ruído e vibrações em motores à combustão
16.2.1
16.2.2
16.2.3
16.2.4
Análise de ordem e assinatura – vibrações
Análise de ordem e assinatura – acústica
Resposta vibroacústica em motores
Alguns fenômenos de ruído e vibrações comuns em motores
16.3 Considerações finais
Exercícios
Referências bibliográficas
17 CINEMÁTICA E DINÂMICA DO MOTOR
17.1 Introdução
17.2 Cinemática do sistema biela-manivela
17.3 Principais forças
17.3.1 Força de pressão
17.3.2 Forças de inércia
17.3.3 Diagrama da força total
17.4 Momento no eixo
17.5 Volante
17.6 Balanceamento das forças de inércia
17.6.1 Forças centrífugas
17.6.2 Forças de inércia alternativas
Exercícios
18 TRIBOLOGIA
18.1 Introdução
18.2 Rugosidade e topografia
18.2.1 Parâmetros de rugosidade
18.2.2 Contato entre superfícies
18.3 Desgaste
18.3.1 Modelos de desgaste
18.3.2 Ensaios de desgaste
18.4 Atrito
18.4.1 Coeficiente de atrito estático versus dinâmico
18.4.2 Fundamentos do atrito no deslizamento
18.5 Regimes de lubrificação
18.6 Materiais empregados em motores de combustão interna
Exercícios
Referências bibliográficas
24
19 SISTEMAS DE ARREFECIMENTO
19.1 Introdução
19.2 Fluxo de energia
19.3 Limites de temperatura
19.3.1 Limites de temperatura – válvulas
19.3.2 Limites de temperaturas – pistões
19.3.3 Limites de temperaturas – cilindros
19.4
19.5
19.6
19.7
Processos de arrefecimento
Resfriamento por circulação de ar
Resfriamento por circulação de óleo
Resfriamento por circulação de água
19.7.1 Resfriamento por circulação de água – termossifão
19.7.2 Resfriamento por circulação de água – forçada
19.8 Válvula termostática
19.9 Tipos de válvulas termostáticas
19.9.1
19.9.2
19.9.3
19.9.4
Estrangulamento
Passo
Com aquecimento
Eletrônica
19.10 Bomba d’água
19.11 Bomba d’água – elétrica
19.12 Ventiladores
19.12.1
19.12.2
19.12.3
19.12.4
Ventiladores mecânicos
Ventiladores – tipo viscosos
Ventiladores – elétricos
Ventiladores – CVV
19.13 Vaso de expansão
19.14 Aditivos
19.14.1 Etileno glicol
19.14.2 Propileno glicol
19.15 Mangueiras
19.16 Sistema híbrido
19.17 Fundamentos da transferência de calor
19.18 Objetivo e requisitos dos radiadores
19.19 Dimensionamento dos radiadores
Exercícios
Referências bibliográficas
Figuras
25
20 PROJETO DE MOTORES
20.1 Análise de mercado, portfólio, tecnologia, fornecedores e concorrência
20.2 Conceituação do produto e envelope
20.2.1 Tipo de aplicação
20.3 Análise preliminar de desempenho
20.4 Projeto do sistema de combustão
20.5 Projeto estrutural do bloco
20.6 Projeto do trem de força
20.7 Projeto do absorvedor de vibrações torcionais
20.8 Projeto do sistema de comando de válvulas
20.9 Projeto do sistema sincronizador
20.10 Projeto do sistema de acessórios e agregados
20.11 Projeto do volante de inércia
20.12 Projeto do sistema de partida
20.13 Projeto de suportes e coxins
20.14 Protótipo virtual
20.15 Pesquisa e desenvolvimento do produto
20.16 Lançamento do produto e pós-venda
Exercícios
Referências bibliográficas
Figuras
21 VEÍCULOS HÍBRIDOS
21.1
21.2
21.3
21.4
21.5
Introdução
Histórico
Mercado atual
Tendências
Evolução tecnológica
21.5.1
21.5.2
21.5.3
21.5.4
21.5.5
Sistema em série
Sistema em paralelo
Sistema combinado série – paralelo
Híbrido médio
Híbrido forte
21.6 Funcionamento básico
21.7 Gerenciamento do sistema híbrido
21.7.1 Estratégias dos veículos híbridos – gestão de energia
26
21.7.2 Estratégias dos veículos híbridos – modos de operação
21.7.3 Estratégias dos veículos híbridos – modos de operação-arranque
21.8 Tendências tecnológicas
21.9 Participação do governo
21.10 Alternativa para o Brasil
Exercícios
Referências bibliográficas
Figuras
1
Introdução ao estudo dos
motores de
combustão interna
Atualização:
Fernando Luiz Windlin
Clayton Barcelos Zabeu
Ednildo Andrade Torres
Ricardo Simões de Abreu
José Roberto Coquetto
Sérgio Lopes dos Santos
Sergio Moreira Monteiro
1.1
Introdução
As máquinas térmicas são dispositivos que permitem transformar calor em trabalho. O calor pode ser obtido de diferentes fontes: combustão, energia elétrica,
energia atômica, etc. Este texto preocupa-se apenas com o caso em que o calor é
obtido pela queima do combustível, isto é, energia química em trabalho mecânico.
AD
OS
IM
UE
AR
SQ
SE
GA
CALOR
MOTOR
EL
TÍV
CO
US
MB
TRABALHO
PE
RD
AD
EC
AR
LO
R
Figura 1.1 – Fluxos de massa e energia em um motor de combustão interna – MCI. [A]
28
Motores de Combustão Interna
A obtenção de trabalho é ocasionada por uma sequência de processos realizados numa substância que será denominada “fluido ativo – FA”. No caso da
Figura 1.1, o FA é formado pela mistura ar e combustível na entrada do volume
de controle e produtos da combustão na saída.
Quanto ao comportamento do fluido ativo – FA, as máquinas térmicas
serão classificadas em:
Motores de combustão externa – MCE: quando a combustão se processa externamente ao FA, que será apenas o veículo da energia térmica
a ser transformada em trabalho, como, por exemplo, uma máquina a
vapor, cujo ciclo é apresentado na Figura 1.2 ou motor de Stiling.
Motores de combustão interna – MCI: quando o FA participa diretamente da combustão.
Ao longo do texto serão focados os motores de combustão interna – MCI.
Quanto à forma de se obter trabalho mecânico, os MCIs são classificados em:
Motores alternativos: quando o trabalho é obtido pelo movimento de
vaivém de um pistão, transformado em rotação contínua por um sistema biela-manivela.
FA
FA: fluido ativo
QF: calor fornecido à caldeira
QR: calor retirado na condensação
WF: trabalho fornecido à bomba
WR: trabalho gerado
5
4
Turbina
QF
Caldeira
6
3
Condensador
Economizador
Água de
resfriamento
QR
7
Bomba
2
WR
WF
1
Figura 1.2 – Ciclo Rankine representativo de um motor de combustão externa – MCE.
29
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
Motores rotativos: quando o trabalho é obtido diretamente por um
movimento de rotação. São exemplos: turbina a gás e o motor Wankel.
Motores de impulso: quando o trabalho é obtido pela força de reação
dos gases expelidos em alta velocidade pelo motor. Neste caso são
exemplos: motor a jato e foguetes.
1.2
Motores alternativos
1.2.1
Nomenclatura
De forma a uniicar a nomenclatura tratada neste texto, a Figura 1.3 mostra os
principais elementos de um motor alternativo de combustão interna, enquanto na Figura 1.4 destaca-se o pistão nas posições extremas dentro do cilindro,
denominadas respectivamente de ponto morto superior (PMS) e ponto morto
inferior (PMI).
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
7
5
13
40
11
14
39
30
15
38
31
16
37
32
36
33
35
20
34
19
22
23
26
25
24 23 22
27 28 29 12
21 20 19 18 17
Figura 1.3 – Vista dos componentes de um motor de combustão interna – MCI. [C]
Os componentes apresentados na Figura 1.3 pertencem a um motor ciclo
Diesel e são:
1. Bomba-d'água
2. Válvula termostática
3. Compressor de ar
4. Duto de admissão
5. Injetor de combustível
6. Válvula de escapamento
7. Coletor de admissão
8. Válvula de admissão
9. Linha de combustível
10. Haste de válvula
11. Duto de água
12. Tampa de válvula
continua
30
Motores de Combustão Interna
continuação
13. Cabeçote
14. Tampa lateral
15. Bloco
16. Eixo comando de válvulas
17. Volante
18. Virabrequim
19. Capa de mancal
20. Biela
21. Bujão do cárter
22. Bomba de óleo
23. Cárter
24. Engrenagem do virabrequim
25. Amortecedor vibracional
26. Ventilador
27. Duto de admissão
28. Balancim da válvula de admissão
29. Balancim da válvula de escapamento
30. Coletor de escapamento
31. Pistão
32. Motor de partida
33. Dreno de água
34. Filtro de óleo
35. Radiador de óleo
36. Vareta de nível de óleo
37. Bomba manual de combustível
38. Bomba injetora de combustível
39. Respiro do cárter
40. Filtro de combustível
Quanto ao item 18, virabrequim, não existe uma padronização, podendo
ser chamado de girabrequim, eixo de manivelas e eixo de cambotas, entre outros. A função de cada componente será discutida nos capítulos subsequentes.
Quanto à posição do pistão no interior do cilindro:
V2
V1
PMS
S
D
S
curso
PMI
Figura 1.4 – Nomenclatura referente às posições do pistão.
Onde:
PMS: Ponto Morto Superior – é a posição na qual o pistão está o mais próximo possível do cabeçote.
PMI: Ponto Morto Inferior – é a posição na qual o pistão está o mais afastado possível do cabeçote.
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
31
S:
Curso do pistão – é a distância percorrida pelo pistão quando se desloca de um ponto morto para outro (do PMS ao PMI) ou vice-versa.
V1:
Volume total – é o volume compreendido entre a cabeça do pistão e
o cabeçote, quando o pistão está no PMI.
V2:
Volume morto ou volume da câmara de combustão – é o volume
compreendido entre a cabeça do pistão e o cabeçote, quando o pistão
está no PMS (também indicado com Vm).
Vdu: Cilindrada unitária – também conhecida como volume deslocado
útil ou deslocamento volumétrico, é o volume deslocado pelo pistão
de um ponto morto a outro.
z:
Número de cilindros do motor.
D:
Diâmetro dos cilindros do motor.
Vd:
Volume deslocado do motor, deslocamento volumétrico do motor
ou cilindrada total.
V2
V2
Curso - S
Vdu
Diâmetro - D
V2
Figura 1.5 – Nomenclatura referente às posições do pistão. [C]
Das Figuras 1.4 e 1.5, pode-se deduzir:
2
Vdu = V1 − V2 = π ⋅ D S
4
Eq. 1.1
Para um motor de z cilindros (multicilindro), a cilindrada ou deslocamento volumétrico do motor Vd será:
Vd =Vdu ⋅ z =
π ⋅ D2
S ⋅z
4
Eq. 1.2
32
Motores de Combustão Interna
rv: Relação volumétrica ou taxa de compressão – é a relação entre o volume total (V1) e o volume morto (V2), e representa em quantas vezes V1
é reduzido.
rV =
V1
V2
Eq. 1.3
Da Equação 1.1:
Vdu + V2 =V1 ⇒ Vdu =V1 - V2
rV =
V1 Vdu + V2 Vdu
=
=
+1
V2
V2
V2
Eq. 1.4
A Figura 1.6 apresenta uma relação construtiva típica entre o número z de
cilindros de um motor e a cilindrada total deste. Cabe ressaltar que os incrementos da eletrônica nos motores têm sistematicamente alterado essa relação
por causa dos recursos de controle disponíveis (exemplo: knock sensor).
0,5 L por cilindro
Número de cilindros
12
10
8
6
4
2
1
2
3
4
5
6
7
8
Vdu – cilindrada unitária (L)
Figura 1.6 – Relação típica entre número de cilindros e volume deslocado. [A]
1.2.2
Nomenclatura cinemática
Neste tópico serão descritas algumas características referentes à cinemática
dos motores e, para tanto, será utilizada a Figura 1.7.
33
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
V.E.
V.A.
PMS
x
S
Vp
PMI
L
α
ω
n
r
Figura 1.7 – Nomenclatura cinemática. [C]
Sendo:
V.E.:
válvula de escapamento.
V.A.:
válvula de admissão.
r:
raio da manivela.
n:
requência da árvore de manivelas.
ϖ:
Vp:
velocidade angular da árvore de manivelas.
velocidade média do pistão.
S = 2⋅r
Eq. 1.5
ϖ = 2π ⋅ n
Eq. 1.6
Vp = 2 ⋅ S ⋅ n
Eq. 1.7
a = ângulo formado entre a manivela e um eixo vertical de referência.
a = 0o, quando o pistão está no PMS.
34
Motores de Combustão Interna
a = 180o, quando o pistão está no PMI.
L:
comprimento da biela.
x:
distância para o pistão atingir o PMS.
x = r (1 - cosα ) + L (1 -
1 - ( r ) 2 ⋅ sen 2 α )
L
Eq. 1.8
Vd = V2 + x π Dp 2
4
1.2.3
Eq. 1.9
Classificação dos motores alternativos quanto à ignição
A combustão é um processo químico exotérmico de oxidação de um combustível. Para que o combustível reaja com o oxigênio do ar necessita-se de algum
agente que provoque o início da reação. Denomina-se ignição o processo que
provoca o início da combustão.
Quanto à ignição, os motores alternativos são divididos em dois tipos
fundamentais:
MIF – MOTORES DE IGNIÇÃO POR FAÍSCA OU OTTO
Nesses motores, a mistura combustível-ar é admitida, previamente dosada ou
formada no interior dos cilindros quando há injeção direta de combustível
(GDI) gasoline direct injection, e inflamada por uma faísca que ocorre entre os
eletrodos de uma vela.
MIE – MOTORES DE IGNIÇÃO
ESPONTÂNEA OU DIESEL
Nesses motores, o pistão comprime somente ar, até que o mesmo atinja uma
temperatura suficientemente elevada.
Quando o pistão aproxima-se do PMS,
injeta-se o combustível que reage espontaneamente com o oxigênio presente no ar quente, sem a necessidade
de uma faísca. A temperatura do ar necessária para que aconteça a reação espontânea do combustível denomina-se
180º
Figura 1.8 – MIF – Motor de ignição por
faísca. [C]
35
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
“temperatura de autoignição (TAI)”. A Figura 1.9 apresenta uma câmara de
combustão típica de um MIE, enquanto a tabela 1.1 apresenta alguns valores
típicos da TAI.
Figura 1.9 – MIE – Motor de ignição espontânea. [C]
Tabela 1.1 – TAI – valores típicos.
Diesel
250
Temperatura de Autoignição – TAI (°C)
Etanol Hidratado
Metanol
420
478
Gasolina E22
400
As diferentes formas de funcionamento dos dois tipos de motores criam
características distintas que, de certa forma, direcionam as suas aplicações,
como será visto ao longo do texto.
A tabela 1.2 apresenta os valores praticados de taxa de compressão para os
diferentes combustíveis. Novamente cabe ressaltar que a massiva presença da
eletrônica nos motores tem sistematicamente alterado esta relação.
Tabela 1.2 – rv – Valores típicos.
Etanol Hidratado
10,0:1 até 14,0:1
Relação ou Taxa de compressão – rv
MIF
Gasolina E22
8,5:1 até 13,0:1
MIE
Diesel
15,0:1 até 24,0:1
36
1.2.4
Motores de Combustão Interna
Classificação dos motores alternativos quanto ao número de
tempos do ciclo de operação
Ciclo de operação, ou simplesmente ciclo, é a sequência de processos soridos
pelo FA, processos estes que se repetem periodicamente para a obtenção de
trabalho útil. Entende-se por tempo o curso do pistão, e não se deve confundir
tempo com processo, pois, ao longo de um tempo, poderão acontecer diversos
processos, como será veriicado a seguir. Quanto ao número de tempos, os
motores alternativos, sejam do tipo MIF ou MIE, são divididos em dois grupos:
MOTORES ALTERNATIVOS A QUATRO TEMPOS (4T)
Neste caso, o pistão percorre quatro cursos, correspondendo a duas voltas da
manivela do motor, para que seja completado um ciclo. Os quatro tempos, representados na Figura 1.10, são descritos a seguir.
180º
180º
1° Tempo Admissão
2° Tempo Compressão
180º
3° Tempo Expansão
180º
4° Tempo Escape
Figura 1.10 – Os quatro tempos do motor alternativo. [C]
Tempo de Admissão
O pistão desloca-se do PMS ao PMI. Neste movimento o pistão dá origem a
uma sucção (depressão) que causa um fluxo de gases através da válvula de admissão – V.A., que se encontra aberta. O cilindro é preenchido com mistura
combustível-ar ou somente ar nos motores de injeção direta de combustível –
GDI – se for de ignição por faísca, ou por ar (apenas ar), nos MIE.
37
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
Tempo de Compressão
Fecha-se a válvula de admissão e o pistão se desloca do PMI ao PMS, comprimindo a mistura ou apenas ar, dependendo respectivamente se o motor é um
MIF ou MIE. Neste segundo caso a compressão deverá ser suicientemente
elevada para que seja ultrapassada a TAI do combustível.
Tempo de Expansão
No MIF, nas proximidades do PMS, salta a faísca que provoca a ignição da
mistura, enquanto no MIE é injetado o combustível no ar quente, iniciando-se uma combustão espontânea. A combustão provoca um grande aumento da
pressão, o que permite “empurrar” o pistão para o PMI, de tal forma que o FA
sore um processo de expansão. Esse é o processo que realiza o trabalho positivo (útil) do motor.
Tempo de Escape
Com a válvula de escape aberta, o pistão desloca-se do PMI ao PMS, “empurrando” os gases queimados para fora do cilindro, para reiniciar o ciclo pelo
tempo de admissão.
0º
180º
360º
540º
720º
α
1
Número
de
cilindros
Expansão
Escape
Admissão
Compressão
Escape
Admissão
Compressão
Expansão
Compressão
Expansão
Escape
Admissão
Admissão
Compressão
Expansão
Escape
2
3
4
Ciclos do motor
Figura 1.11 – MIF 4T @ z: 4 cilindros. [C]
Cabe ressaltar que, durante o ciclo o pistão percorreu o curso quatro vezes
e o eixo do motor realizou duas voltas (num motor de 4T). A Figura 1.11 mostra
os quatro tempos de um MCI de 4 cilindros.
38
Motores de Combustão Interna
MOTORES ALTERNATIVOS A DOIS TEMPOS (2T) DE IGNIÇÃO POR FAÍSCA
Nesses motores o ciclo completa-se com apenas dois cursos do pistão, correspondendo a uma única volta do eixo do motor. Os processos indicados
no motor a 4T são aqui realizados da mesma maneira, entretanto, alguns
deles se sobrepõem num mesmo curso, conforme pode ser observado na
Figura 1.12.
C
C
B
A
B
Ar +
Combustível +
Lubrificante
A
Patm
Patm
P1
(a) 1o Tempo
Ar +
Combustível +
Lubrificante
P1
(b) 2o Tempo
Figura 1.12 – Motor a 2T de ignição por faísca. [C]
1° Tempo – Figura 1.12 (a):
Suponha que o pistão esteja no PMS e a mistura comprimida. Ao saltar a faísca,
inicia-se, a combustão, e o pistão é impelido para o PMI. Durante o deslocamento do PMS ao PMI, o pistão comprime o conteúdo do cárter (parte inferior) e, num certo ponto do curso, descobre-se a passagem de escapamento,
também denominada janela de escape (B), pela qual os gases queimados, ainda
com pressão elevada, escapam naturalmente para o ambiente. Na sequência, o
pistão descobre a janela de admissão (C) que coloca o cárter em comunicação
com o cilindro, forçando o seu preenchimento com mistura nova.
Observa-se que, num instante desse processo, as passagens (B) e (C) estão
abertas simultaneamente, podendo haver fluxo de mistura nova junto com os
gases de escapamento. Entretanto, um adequado projeto das janelas de admissão
e escapamento em conjunto com o formato do topo do pistão pode minimizar
este fenômeno (chamado de “curto-circuito” entre admissão e escapamento).
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
39
2° Tempo – Figura 1.12 (b):
O pistão desloca-se do PMI ao PMS. Ao longo do seu deslocamento, fecha a
janela de admissão (C) e, a seguir, fecha a janela de escapamento (B) e abre a
passagem (A), de forma que, em virtude da sucção (depressão) criada no cárter
durante o deslocamento ascendente (do pistão), o cárter é preenchido com
mistura nova. Observa-se que, ao mesmo tempo, a parte superior do pistão
comprime a mistura anteriormente admitida. Ao se aproximar do PMS, salta a
faísca, e a pressão gerada pela combustão impele o pistão para o PMI reiniciando a expansão, já descrita no 1o tempo.
Nesse motor tem-se um tempo de trabalho positivo a cada dois cursos do
pistão ou em cada volta da manivela, e não a cada duas voltas como acontece
no motor a 4T. Essa diferenciação de número de voltas para um tempo de trabalho positivo dará origem ao fator de tempos designado pela letra x.
À primeira vista, o motor a 2T deveria produzir o dobro da potência do
motor a 4T para uma mesma rotação. Entretanto, isso não acontece por conta
da precariedade dos diversos processos em decorrência da superposição de
acontecimentos. Outra desvantagem desse motor refere-se à lubriicação, pois
na coniguração usual de motores 2T pequenos, em decorrência do uso do cárter para a admissão da mistura combustível-ar, não é possível utilizá-lo como
reservatório do lubriicante, e a lubriicação ocorre misturando-se lubriicante
numa pequena porcentagem com o combustível (normalmente 1:20 – 1 litro
de lubriicante para 20 litros de gasolina). A lubriicação é realizada por aspersão pela própria mistura admitida no cárter. O processo é precário, reduzindo
a durabilidade, bem como fazendo com que o lubriicante queime junto com o
combustível, diicultando a combustão e comprometendo os gases emitidos.
A favor do motor 2T tem-se a ausência do sistema de válvulas, o que o torna
simples, pequeno, leve e de baixo custo, para uma mesma potência de um motor
a 4T. A Figura 1.12 apresenta simultaneamente os dois tempos deste MIF – 2T,
enquanto a Figura 1.13, apresenta as pressões e temperaturas típicas destes.
Uma vez que nos motores de 4T têm-se duas voltas do virabrequim para o
trabalho positivo e nos de 2T apenas uma volta, faz-se necessário deinir fator
de tempos, designado pela letra x e estabelecer esta relação, ou seja, x será 1
para motores 2T (1 volta para 1 trabalho positivo) enquanto x assumirá o valor
numérico 2 para os motores de 4T. A Figura 1.14 mostra a concepção de um
motor ciclo Diesel a 2T. No caso do motor Diesel, em lugar de se utilizar o
cárter para a admissão, aplica-se uma máquina auxiliar, acionada pelo eixo do
motor. A bomba de lavagem (elemento que provoca a exaustão dos gases de escape) é um compressor volumétrico (blower), que introduz pelas janelas de admissão uma grande quantidade de ar. O fluxo de ar empurra para fora, através
de uma ou mais válvulas de escapamento, os gases de combustão e uma parte
deste é retida quando as válvulas fecham. O pistão comprime fortemente o ar
retido e, quando se aproxima do PMS, injeta-se o combustível que, ao queimar
espontaneamente, gera a pressão necessária à produção de trabalho positivo.
40
Figura 1.13 – MIF 2T.
Fase do ciclo
Transferência
Combustão
e
Trabalho
Compressão
20
200 a 400
2000 a 2800
Pressão do gás
(bar)
1
5a8
15 a 30
Transferência
500 a 1200
1a3
Combustão
e
Trabalho
Compressão
120
200 a 400
2000 a 2800
1
5a8
15 a 30
Escape
500 a 1200
1a3
Posição
do
pistão
0°
Rotação da
árvore de
manivelas
90°
180°
1
270°
360°
90°
180°
2
270°
360°
Motores de Combustão Interna
Temperatura
dos gases
(°C)
Escape
41
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
Após a expansão o pistão passa pelas janelas de admissão quando, novamente,
o blower faz a lavagem dos gases de escapamento e proporciona a admissão.
Nota-se que os processos descritos utilizam apenas dois cursos e, consequentemente, uma volta da manivela (x=1). A mesma solução pode utilizar janelas de
escapamento no cilindro, em lugar do uso de válvulas, simpliicando o motor
mecanicamente.
Escape e Admissão
Curso1 Compressão
Curso 2 Expansão
Figura 1.14 – Motor Diesel a 2T – concepção com válvulas de escapamento.
1.2.5
Diferenças fundamentais entre os motores de 2T e 4T
A tabela 1.3 apresenta de forma resumida as principais diferenças entre os
motores de 2T e 4T.
Tabela 1.3 – Motores 2T e 4T.
Diferenças
4T
2T
Tempos x Ciclo Útil
Fator de tempos
2 voltas manivela
x=2
Sistema mecânico
Mais complexo
Alimentação
Boa
Lubrificação
Boa
1 volta manivela
x=1
Mais simples
Ausência de:
Válvulas
Eixo comando
Ruim
Perda de mistura no escape
Presença de lubrificante
Ruim
Presença de combustível
42
1.2.6
Motores de Combustão Interna
Diferenças fundamentais entre os motores ciclos
Otto e Diesel a 4T
Do ponto de vista mecânico, não existem grandes diferenças entre os dois tipos
de motores, a não ser a maior robustez do motor Diesel (decorrente da taxa de
compressão necessária). Dessa forma, as principais diferenças são resumidas a
seguir.
INTRODUÇÃO DO COMBUSTÍVEL
Nos motores Otto a mistura é introduzida, em geral, já homogeneizada e dosada. A exceção se faz para os motores de ignição por centelha de injeção direta
de combustível (GDI), nos quais somente ar é admitido e a injeção de combustível é realizada diretamente no interior do cilindro. Nos motores ciclo Diesel
– MIE admite-se apenas ar, e o combustível é injetado inamente pulverizado
ao inal do curso de compressão, pelo qual, em pouquíssimo tempo, deverá se
espalhar e encontrar o oxigênio do ar. Esse fato faz com que nos MIE seja necessário um sistema de injeção de alta pressão. Por outro lado, torna-se difícil
obter rotações elevadas nesses motores, pois, ao aumentar o ritmo do pistão,
torna-se improvável a combustão completa do combustível, introduzido na
última hora.
IGNIÇÃO
Nos MIF a ignição é provocada por uma faísca, necessitando de um sistema
elétrico para produzi-la. Nos motores ciclo Diesel a combustão ocorre por autoignição, pelo contato do combustível com o ar quente – TAI.
TAXA DE COMPRESSÃO
Nos MIF a taxa de compressão será relativamente baixa para não provocar
autoignição, já que o instante apropriado da combustão será comandado pela
faísca. Nos MIE a taxa de compressão deve ser suicientemente elevada, para
ultrapassar a temperatura de autoignição do combustível – TAI (veja tabelas
1.1 e 1.2).
1.3
Outras classificações
1.3.1
Quanto ao sistema de alimentação de combustível
Os motores ciclo Otto são alimentados por combustível por meio de um carburador ou de um sistema de injeção de combustível. O carburador ainda é
43
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
utilizado em aplicações de baixa potência nas quais as limitações de emissão
de poluentes são menos restritivas do que em aplicações automotivas. A
injeção de combustível, além de mais precisa permite melhores resultados
no controle de emissões podendo ocorrer no coletor de admissão ou diretamente na câmara de combustão (GDI – Gasoline Direct Injection). A Figura
1.15 apresenta esquematicamente um carburador.
Gicleur de
marcha lenta
Calibrador de ar
de marcha lenta
AR
AR
Parafuso de regulagem
da mistura
Borboleta do
acelerador
Figura 1.15 – Alimentação de combustível – MIF – Carburador. [D]
44
Motores de Combustão Interna
A Figura 1.16, apresenta as diferenças entre os sistemas de injeção de combustível PFI – Port Fuel Injection e GDI – Gasoline Direct Injection.
Válvula de admissão
Injetor
Válvula de
admissão
Coletor
de
admissão
Injetor
PFI
GDI
Figura 1.16 – Alimentação de combustível – PFI & GDI – ciclo Otto.
A Figura 1.17 apresenta o esquema de um sistema de injeção de combustível aplicado aos MIEs, onde o combustível é injetado durante a compressão
no interior da câmara de combustão, atualmente com pressões no entorno de
2.000 bar. Em capítulos posteriores estes temas serão detalhados.
Bico injetor
Tanque de
combustível
Bomba injetora
Figura 1.17 – Alimentação de combustível – ciclo Diesel. [A]
45
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
1.3.2
Quanto à disposição dos órgãos internos
Esta classiicação está relacionada com a dimensão possível do conjunto. A Figura 1.18 (a) mostra esquematicamente 3 disposições típicas: cilindros em linha,
em V e opostos ou boxer. A Figura 1.18 (b) mostra dois exemplos de motores aeronáuticos: um boxer e outro radial – este com cilindros dispostos radialmente
em torno do virabrequim.
6
1
2 3
1
4 5
3
2
5
4
67
8
1
2
4
3
(a)
(b)
Figura 1.18 – Disposição dos cilindros. [C]
A Figura 1.19, apresenta esquematicamente motores ciclo Diesel nas versões em linha e em V.
46
Motores de Combustão Interna
Figura 1.19 – Disposição dos cilindros – em linha e em V.
1.3.3
Quanto ao sistema de arrefecimento
O trabalho gerado da combustão resulta uma parcela signiicativa de atrito e
calor. Para a manutenção da vida dos componentes faz-se necessário o arrefecimento de algumas áreas e componentes. O arrefecimento pode ser realizado
com ar (geralmente em motores pequenos) ou com água. A seguir são apresentadas as vantagens e desvantagens de cada sistema:
Sistema de arrefecimento a ar:
Vantagem: mais simples.
Desvantagem: menos eiciente e menos homogênea.
Sistema de arrefecimento à água:
Vantagem: mais eiciente, reduzindo o ruído do motor.
Desvantagem: complexidade.
47
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
A Figura 1.20 apresenta esquematicamente estes sistemas. Num capítulo
posterior, serão revistos e dimensionados estes sistemas de arrefecimento, assim como apresentados com maiores detalhes.
Tampa do
radiador
Temperatura
d’água
Válvula
termostática
Aletas
Ventilador
Aquecedor
interno do
veículo
Cilindro
Ar
Pistão
Galerias
d’água
Radiador
Bombad’água
Figura 1.20 – Sistemas de arrefecimento – água e ar. [C]
1.3.4
Quanto às válvulas
A abertura e o fechamento das válvulas
são usualmente realizados pelo eixo comando de válvulas, assim acaba gerando
uma classiicação relativa à posição desse no sistema. A Figura 1.21 mostra um
sistema típico no qual o trem que movimenta as válvulas é formado por: tucho,
hastes e balancins. Esse sistema, além de
complexo, permite folgas que acabam
por comprometer o desempenho dos
motores. A Figura 1.22 apresenta o eixo
comando agindo diretamente sobre as
válvulas.
Além dessa classiicação quanto à
posição do eixo comando, os motores
também podem apresentar mais que
uma válvula na admissão e/ou escapamento. Num capítulo posterior, serão
Balancim
Haste de
válvulas
Válvulas
Tuchos
Eixo
comando
Figura 1.21 – Sistemas de acionamento
das válvulas. [C]
48
Motores de Combustão Interna
revistos e dimensionados esses sistemas de admissão de ar, assim como apresentados com maiores detalhes.
OHC
OverHead Camshaft
DOHC
Double OverHead Camshaft
Figura 1.22 – Acionamento das válvulas no cabeçote.
1.3.5
Quanto à alimentação de ar
O desempenho de um motor de combustão interna está fortemente associado à
quantidade de ar admitido e retido no interior dos cilindros, pois, quanto mais
ar é admitido, maior também será a quantidade de combustível a ser adicionado e posteriormente oxidado.
O fluxo de ar para o interior dos cilindros no tempo de admissão se dá
em função da geração de um gradiente de pressão entre o coletor de admissão
e o cilindro. No caso em que esse gradiente é ocasionado unicamente pelo
deslocamento do pistão do PMS para o PMI, o que gera uma depressão no
interior do cilindro, e não havendo nenhum dispositivo que eleve a pressão
no coletor de admissão acima da pressão atmosférica, tem-se o motor denominado naturalmente aspirado. Nesses motores, o gradiente de pressão no
processo de admissão é limitado pela pressão de admissão, que será no máximo a pressão atmosférica. Com a finalidade de aumentar esse gradiente e,
consequentemente, a massa de ar admitida pelo motor, surgiram os motores
sobrealimentados. Nesses motores, existem dispositivos que elevam a pressão
49
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
no coletor de admissão acima da
pressão atmosférica.
Um desses dispositivos é o
turbocompressor, que utiliza os
gases de escapamento para gerar
trabalho numa turbina e transferi-lo para o compressor, que por
sua vez se encarrega de aumentar
a pressão no coletor de admissão.
Outra forma de sobrealimentação
é a mecânica, na qual o compressor é acionado mecanicamente
pelo motor e comprime o ar no
coletor de admissão e no interior
da câmara de combustão durante
a admissão. As iguras 1.23 e 1.24
apresentam o sistema denominado turbocompressor enquanto a
Figura 1.25 apresenta um compressor mecânico tipo roots.
Figura 1.24 – Turbocompressor. [F]
Entrada de
óleo lubrificante
Saída de
gases de
escape
Turbina
Eixo da
turbina
Admissão
de ar
Compressor
Saída de óleo
lubrificante
Entrada dos
gases para a
turbina
Entrada de
ar para o cilindro
Figura 1.23 – Motor com turbocompressor. [F]
50
Motores de Combustão Interna
Figura 1.25 – Compressor mecânico. [C]
Fluxo de ar
comprimido
Entrada de
óleo lubrificante
MCI
Resfriador de ar
Compressor
Entrada de
ar ambiente
Turbina
Saída de gases
de escapamento
Compressor
Saída de óleo
de lubrificante
Figura 1.26 – Turbocompressor associado a resfriador. [F]
Válvula Wastegate
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
51
O processo de compressão do ar acarreta o aumento da temperatura deste.
Esse aumento ocasiona a redução da massa especíica do ar em comparação a
uma condição de mais baixa temperatura. A im de se minimizar esse efeito de
redução da massa especíica (densidade) do ar gerado pelo aumento de temperatura na compressão, foram concebidos resriadores que reduzem a temperatura após a saída do compressor. A Figura 1.26 apresenta um motor com o
sistema turbocompressor associado a um resriador de ar (ar-ar), aumentando
ainda mais a massa introduzida no interior dos cilindros.
A Figura 1.27 mostra uma das vantagens da utilização da sobrealimentação somada ao resriamento do ar. A redução no tamanho dos motores para a
mesma potência é conhecida como downsizing e muito utilizada neste início de
século na Europa (veja o item 1.3.9).
Figura 1.27 – Downsizing – z = 2 @ 0,9L @ turbocharged. [I]
1.3.6
Quanto à relação entre diâmetro e curso do pistão
Outra forma de classiicar os MCIs é por meio da relação diâmetro-curso do
pistão. Com essa classiicação tem-se:
Motor quadrado: quando o diâmetro do pistão é igual ao curso (D = s).
Esses motores apresentam bom desempenho em todas as rotações.
Motor subquadrado: quando o diâmetro é menor que o curso (D < s).
Esses motores apresentam torque e potência em baixas rotações, sendo um exemplo o motor VW AP-2000 – 827 (82,5 mm x 92,8 mm).
52
Motores de Combustão Interna
Motor superquadrado: quando o diâmetro é maior que o curso (D > s),
caracterizando motores de veículos esportivos com torque e potência
em altas rotações.
O expediente de usar o mesmo bloco em motores de diversas cilindradas é
bastante comum no mercado brasileiro. A tabela 1.4 apresenta uma compilação
histórica de motores nacionais.
Tabela 1.4 – Diâmetro e curso de diferentes motores.
Motor
Vd
(cm3)
S
(cm)
D
(cm)
Potência@Rotação
(kW@rpm)
Torque@Rotação
(Nm@rpm)
Classificação
VW 1.6
VW 2.0
Fiat 1.6
GM 2.5
Ford 1.8
GM 2.0
VW 1.8
Fiat 1.5
Ford 1.6
GM 1.8
1596
1984
1590
2471
1781
1988
1781
1498
1555
1796
81,0
82,5
86,4
101,6
81,0
86,0
81,0
86,4
77,0
84,8
77,4
92,8
67,4
76,2
86,4
86,0
86,4
63,9
83,5
79,5
66@5600
92@5800
62@5700
60@4400
68@5200
81@5600
71@5200
60@5200
54@5200
95@5600
132@2600
191@3000
129@3250
168@2500
152@2800
170@3000
153@3400
125@3500
123@2400
148@3000
Superquadrado
Subquadrado
Superquadrado
Superquadrado
Subquadrado
Quadrado
Subquadrado
Superquadrado
Subquadrado
Superquadrado
1.3.7
Quanto à rotação
Quanto à rotação, os MCIs são classiicados em:
Rápidos: n > 1500 rpm.
Médios: 600 < n < 1500 rpm.
Lentos: n < 600 rpm.
1.3.8
Quanto à fase do combustível
Esta classiicação divide os motores entre aqueles que utilizam combustíveis
líquidos e os gasosos.
1.3.9
Quanto à potência específica
As exigências impostas às emissões de poluentes têm tornado antieconômica a
aplicação de motores ciclo Diesel em automóveis de passeio na Europa. Com isso,
o mercado está retomando a utilização de motores ciclo Otto, mas com maior
potência especíica (equação 1.10).
53
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
Neespecífica = Ne .
VT
Eq. 1.10
Onde:
Neespecífica: potência efetiva especíica.
Ne: potência efetiva.
VT: cilindrada total – Vd
Observa-se nestes motores:
Aumento da potência e torque sem aumentar a cilindrada total – VT,
via de regra obtido por meio de sobrealimentação.
Redução da cilindrada total – VT, mantendo a mesma potência.
Redução do número de cilindros – z.
Seja qual for o caso, o objetivo principal está na redução do consumo de
combustível e emissão de gases poluentes, graças à:
Redução das perdas por bombeamento em decorrência do menor volume varrido pelos pistões a cada revolução do motor e da maior pressão no interior da câmara de combustão.
Redução da transferência de calor devida à redução de área de superfície interna e, consequentemente, maior aproveitamento da energia
térmica na realização de trabalho de expansão.
Redução das perdas por atrito devida à menor dimensão das partes
móveis.
Este último ponto é fundamental, pois a redução é mais eiciente quando
a energia especíica não representa um aumento na rotação do motor, mas
o aumento do torque em toda a faixa de rotações (por meio da melhoria de
enchimento dos cilindros, também chamada de eiciência ou rendimento volumétrico, cuja conceituação será apresentada no Capítulo 3 – Propriedades e
curvas características dos motores). As estratégias adotadas de otimização, para
melhorar o enchimento dos cilindros são:
Quatro válvulas por cilindro.
Eixo comando de válvulas variável na admissão e/ou escapamento.
Sobrealimentação.
54
Motores de Combustão Interna
A utilização do downsizing não pode ser apresentada como uma nova estratégia, pois os motores vêm sorendo redução em seus deslocamentos volumétricos progressivamente desde o início da indústria automotiva, passo a passo,
dependendo da disponibilidade de tecnologias. A redução do consumo de combustível proporcionada pelo downsizing é mais expressiva em cargas parciais
por causa da redução das perdas por bombeamento causadas pela borboleta de
aceleração. Um exemplo de tipo de utilização do veículo no qual o downsizing
pode trazer reduções de consumo é o ciclo urbano, no qual é predominante a
utilização de regimes de cargas parciais (borboleta parcialmente aberta). E para
que se atinjam valores de potência e torque comparáveis aos motores de maior
cilindrada, é necessário que se empreguem formas de sobrealimentação, sendo
a turbocompressão a mais usual.
A tabela 1.5 a seguir mostra que a tendência dos motores automotivos é
um constante aumento da carga especíica. Pode-se notar que a potência especíica dos motores sobrealimentados ciclo Diesel é comparável ao de motores
naturalmente aspirados ciclo Otto, mas com um torque especíico que está no
entorno de 1,5 vez maior.
Tabela 1.5 – Incremento de potência e torque específicos.
Atual
Ciclo
Alimentação
Diesel
Sobrealimentado
Naturalmente
aspirados
Sobrealimentado
Otto
Futura
Potência
específica
(kW/L)
65
Torque
específico
(Nm/L)
150
Potência
específica
(kW/L)
80
Torque
específico
(Nm/L)
200
65
100
65
100
110
200
130
250
O tema downsizing deverá ser aprofundado em outras fontes especíicas ou
revistas atualizadas.
1.4
Motores rotativos
Nesses motores, o trabalho é obtido diretamente de um movimento de rotação,
não existindo, portanto, o movimento alternativo ou de “vaivém”.
1.4.1
Turbinas a gás
A turbina a gás é um motor rotativo de combustão interna, uma vez que utiliza os gases produzidos por uma combustão para o seu acionamento. O ciclo
termodinâmico que representa a turbina a gás simples é o ciclo Brayton. Exis-
55
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
tem diversas possibilidades de modiicação para melhorar o rendimento desse
ciclo, entretanto, não serão estudadas neste texto, e o leitor deverá recorrer à
literatura especializada.
A coniguração mais simples de uma turbina a gás é obtida pelo agrupamento de três subsistemas:
Um compressor que comprime ar numa câmara de combustão.
Uma câmara de combustão onde o combustível queima com o oxigênio do ar.
Uma turbina, propriamente dita, que gira, acionada pelos gases de
combustão.
O compressor é acionado pela turbina, à qual é ligado por um eixo e parte
do trabalho desta é utilizado para essa inalidade. O trabalho da turbina, descontado do trabalho do compressor, é a energia útil do sistema. A Figura 1.28
mostra esquematicamente uma turbina a gás.
Combustível
Admissão
Ar
Escape
Expansão
Compressão
Figura 1.28 – Exemplo de uma turbina a gás. [G]
A aplicação desse equipamento pode ser realizada de duas formas distintas.
Forma 1: utilizando diretamente o trabalho do eixo, por exemplo, acionando
geradores elétricos, hélices de avião (turbo-hélice), navios, helicópteros, bombas
hidráulicas e outros. A Figura 1.29 mostra uma turbina a gás que aciona um gerador elétrico de 109 MW enquanto a Figura 1.30 mostra um turbo-hélice.
Forma 2: aproveitando a energia do jato dos gases de escape, acelerados
por um bocal, nesse caso o motor é impelido pela força de reação dos gases e,
na realidade, é um motor de impulso, e não um motor rotativo (é o caso, por
56
Motores de Combustão Interna
Figura 1.29 – Sistema de turbina a gás para acionamento de gerador elétrico. [H]
Propulsão
Compressor
Turbina Exaustão
Caixa de
engrenagens
Eixo
Câmara de
combustão
Figura 1.30 – Turbo-hélice. [G]
exemplo, do turbo jato ou suas variantes, usados na aviação). Nessa aplicação
o sistema de turbina a gás, constituído de compressor, câmara de combustão
e turbina é utilizado como “gerador de gases”, sendo que o elemento fundamental é o compressor, responsável pela introdução de um grande fluxo de ar.
A turbina tem a função de acionamento do compressor. A Figura 1.28 mostra
os componentes de um turbo jato, enquanto a Figura 1.31 mostra esquematicamente uma turbina Rolls-Royce.
Na comparação da turbina a gás com os motores alternativos, pode-se
ressaltar que nestas os processos acontecem continuamente, enquanto que
nos alternativos, os processos são intermitentes. Isso causa uma diferença
57
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
Figura 1.31 – Turbina a gás – componentes internos. [G]
fundamental, já que no sistema de turbina a gás as regiões rias e quentes são
separadas. Assim, a câmara de combustão e a turbina estão continuamente
sujeitas ao contato com os gases quentes, precisando controlar a temperatura
desses.
Nos motores alternativos os processos quentes e rios acontecem no mesmo espaço, dando origem a uma temperatura média relativamente baixa, uma
vez que os materiais assumirão a média das temperaturas ao longo do ciclo. A
Figura 1.32 mostra simultaneamente os tempos ocorrendo num motor rotativo
e noutro alternativo.
Admissão
Expansão
Compressão
Admissão
Escape
Compressão
Figura 1.32 – Turbina a gás x motor alternativo. [G]
Expansão
Escape
58
1.4.2
Motores de Combustão Interna
Motor Wankel
O motor Wankel é constituído fundamentalmente de um rotor, aproximadamente triangular e de um estator, cujo formato geométrico é gerado pela posição dos três vértices do rotor durante o seu movimento. Apesar de ser considerado um motor rotativo, o rotor sore movimentos de translação associados
à rotação. A Figura 1.33 indica o movimento do rotor, guiado pela engrenagem
central, evidenciando que o rotor não gira em torno de seu eixo, o que provoca
deslocamentos laterais.
i
j
i
j
A
D
Admissão
Admite ar + combustível
p1 < patm
Compressão
Comprime a mistura
p2 > patm
i
j
C
Expansão
Expansão da mistura
p3 > p2
B
i
j
Escape
Limpeza do sistema
p4 > patm
Figura 1.33 – Sequência das posições do rotor do motor Wankel, ao longo de sua rotação. [C]
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
59
Para compreender o funcionamento do sistema o leitor deve acompanhar apenas uma das faces do rotor (veja na Figura 1.33 a face i – j) e veriicará que esta
realiza todos os processos observados no motor alternativo de pistão. De forma
não fasada, esses processos acontecerão nas outras duas faces.
Nota-se que, em razão da relação das engrenagens, uma das faces completará uma volta somente após três voltas do eixo do motor, portanto,
para cada face do rotor, será realizado trabalho positivo somente a cada três
voltas do eixo. Entretanto, como a cada volta do rotor as três faces realizam
trabalho positivo, conclui-se que se realiza trabalho positivo a cada volta
do eixo do motor, o que é equivalente a um motor alternativo – MIF a 2T.
A ausência de válvulas e a simplicidade do motor tornam seu uso interessante, nas mesmas aplicações do motor alternativo. As desvantagens básicas
que apresenta são:
Necessidade de lubriicante misturado com o combustível, como no
motor a 2T.
Desgaste prematuro das laminas de vedação dos vértices do rotor (Figura 1.34).
Grande diferença de temperaturas entre o lado quente e o lado rio,
provocando deformação da pista do estator sobre a qual gira o rotor.
Rotor
Engrenagem de rotor
Câmara
Paletas de vedação
Figura 1.34 – Rotor Wankel. [3]
Para a produção de maiores potências, podem-se utilizar dois ou mais
rotores em série sobre o mesmo eixo, com posições defasadas, o que auxilia
no balanceamento conforme apresentado na Figura 1.35. A Figura 1.36, mostra
fotograias dos principais componentes de um motor Wankel.
60
Motores de Combustão Interna
Engrenagem
interna do rotor
Rotor
Lâminas de
vedação lateral
Câmara
Eixo
Engrenagem
do eixo
Figura 1.35 – Motor Wankel com dois rotores.
Figura 1.36 – Fotografias de um motor Wankel.
Lâminas de
vedação dos
vértices
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
61
Para correlação da cilindrada dos rotativos Wankel com os convencionais
alternativos, desenvolveu-se a equação 1.10.
Vd = B ⋅ e ⋅ R 4K sen 180º
K-1
K
Eq. 1.11
Onde:
B – largura do rotor.
e – excentricidade do rotor.
R – raio da circunferência circunscrita pelo rotor.
K – número de câmaras.
z= K - 1
Eq. 1.12
Sendo z o número de cilindros de um motor alternativo equivalente. A Figura 1.37 apresenta o motor Mazda 1991 RX7 com 4 rotores em série que venceu
as 24 Horas de Le Mans. A Figura 1.38 motra o carro Mazda RX8 equipado com
um motor Wankel de dois rotores.
Figura 1.37 – Motor Mazda 1991 RX7.
62
Motores de Combustão Interna
Motor: Wankel;
z = 2 rotores;
Ignição faísca;
Vdu = 1,3 L;
Nemáx = 250 cv;
Motor Renesis
eleito motor do ano 2003.
Figura 1.38 – Carro: Mazda RX8.
1.5
Histórico
Cabe, nesta introdução, um pequeno aceno histórico para que o leitor tenha
uma ideia dos pioneiros dos motores, alguns dos quais a eles ligaram seus nomes. O MIF 4T é baseado nos princípios de funcionamento apresentados por
Beau de Rochas em 1862, entretanto, o aperfeiçoamento e a aplicação prática
desses motores deve-se a Nikolaus August Otto em 1876. Por causa disso, esse
motor é normalmente denominado “motor Otto”.
Figura 1.39 – Nikolaus August Otto. [D]
O princípio de funcionamento do motor a 2T de ignição por faísca deve-se
a Dugald Clerck em 1878. Já o motor de ignição espontânea foi desenvolvido
inicialmente por Rudolf Christian Karl Diesel em 1892, daí ser comumente
chamado de “motor Diesel”.
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
63
Figura 1.40 – Rudolf Diesel e seus manuscritos. [E]
A turbina a gás, na sua forma mais simples é a execução prática do ciclo
Brayton (1873), mas o seu desenvolvimento procedeu-se realmente nos últimos
80 anos, principalmente durante a Segunda Guerra Mundial, quando houve
necessidade de grandes potências com motores leves, isto é, grandes potências
especíicas.
Os motores rotativos tiveram seu estudo iniciado antes de 1920, mas a sua
execução foi retardada até 1960, quando Wankel e Froede puderam construir
um motor economicamente competitivo e de fácil execução. A produção inicial do motor, que leva o nome do seu idealizador, deve-se à fábrica alemã NSU,
em 1963.
A câmara de combustão
r
r
r
é o resultado da
intersecção de 3
cilindros - epitrocoide
Figura 1.41 – Dr. Felix Wankel e a epitrocoide. [D]
64
1.6
Motores de Combustão Interna
Aplicações
As aplicações de um dado tipo de motor numa certa área são função de suas
características gerais. Entre essas, pode-se destacar: peso, volume, ruído, coniabilidade, facilidade de manutenção, consumo de combustível, vida útil, vibrações, potência máxima, custo de operação e emissões.
A importância de cada uma dessas características, em cada aplicação particular, em geral, não deixa dúvidas sobre a opção do tipo de motor a ser utilizado. Em certos casos, porém, existe uma superposição de características desejáveis, que permitiria adotar duas ou mais soluções. Nesse caso, o know-how do
fabricante é quem decide, já que ninguém se aventuraria em novas soluções,
quando já se tem alguma satisfatória. Assim, dentro das possíveis superposições que possam existir, bem como dos possíveis casos particulares que o leitor
possa ter observado, apresenta-se, a seguir, uma indicação geral das principais
aplicações dos diversos tipos de MCI.
Os motores Otto a 4T (MIF – 4T) caracterizam-se por uma baixa relação
peso-potência e volume-potência, desde que a potência máxima seja relativamente baixa (400 kW ou cerca de 540 cv).
Outras características próprias desses motores são a suavidade de funcionamento em toda a faixa de uso, o baixo custo inicial e sistemas de controle
de emissões relativamente simples e baratos. Essas características tornam esse
motor adequado à aplicação em automóveis, apesar de serem utilizados em
pequenos veículos de transporte, embarcações esportivas, aplicações estacionárias e pequenos aviões, sempre para potências relativamente baixas.
Figura 1.42 – Aplicações típicas de motores a 4T ciclo Otto.
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
65
Figura 1.43 – Aplicações aeronáuticas de motores a 4T.
Os MIFs – 2T limitam-se a pequenas potências. O seu custo inicial para
uma mesma potência é menor que o dos MIFs – 4T, entretanto, por conta do
elevado consumo especíico e aos problemas de lubriicação que reduzem a
sua vida útil, não são usados para potências elevadas, nas quais seu uso
torna-se antieconômico. Além
disso, em geral, são ruidosos,
instáveis em certas faixas de
funcionamento e extremamente
poluentes. Por causa dessas características, o seu uso limita-se
a pequenas motocicletas, pequenos barcos, motosserras, cortadores de grama, geradores, pequenas aplicações estacionárias,
etc.
Os motores ciclo Diesel têm
eiciência térmica elevada (esta
deinição será explicada no Capítulo 3 – Propriedades e curvas
Figura 1.44 – Aplicações náuticas – MIF 2T. [I]
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Motores de Combustão Interna
características dos motores), baixo custo de operação, vida longa, mas custo
inicial elevado e pouca suavidade de funcionamento. Em certas aplicações sua
potência ultrapassa 20.000 kW (30.000 cv), sendo que, acima de 3.000 kW
(4.000 cv), em geral, são a 2T já que não apresentam as mesmas desvantagens
do MIF – 2T. O seu emprego realiza-se em caminhões, ônibus, propulsão marítima, locomotivas, máquinas agrícolas e de terraplanagem, instalações estacionárias, automóveis dentro de certas restrições e raramente em aviação.
Figura 1.45 – Aplicações típicas de motores a 4T, ciclo Diesel.
A Figura 1.46 mostra a aplicação marítima de um motor ciclo Diesel 2T.
Como descrito anteriormente, nesses casos, a bomba de lavagem é um compressor volumétrico (blower), que introduz pelas janelas de admissão uma grande quantidade de ar.
As turbinas a gás apresentam como principal característica uma baixa relação peso-potência, principalmente para elevadas potências. Por causa dessa
característica têm sua maior aplicação em aviação, mas seu uso estende-se a
instalações estacionárias e propulsão marítima e ferroviária.
O motor Wankel é uma alternativa ao motor Otto a 4T na aplicação em
veículos de passeio.
É importante ressaltar novamente que, em certos casos, pode haver uma
migração de certo tipo de motor de um campo mais indicado para outro, entretanto serão casos esporádicos e particulares provocados por alguma razão
peculiar.
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
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Figura 1.46 – MIE 2T – Aplicação marítima.
EXERCÍCIOS
1)
Um motor alternativo tem 4 cilindros de diâmetro 8,2 cm e curso 7,8 cm
e uma taxa de compressão 8,5. Pede-se:
a) A cilindrada ou deslocamento volumétrico do motor em cm3;
b) O volume total de um cilindro;
c) O volume morto.
Respostas:
a) 1.648 cm3; b) 467 cm3; c) 55 cm3.
2) Um motor de 6 cilindros tem uma cilindrada de 5,2 L. O diâmetro dos
cilindros é 10,2 cm e o volume morto é 54,2 cm3. Pede-se:
a) O curso;
b) A taxa de compressão;
c) O volume total de um cilindro.
Respostas:
a) 10,6 cm; b) 17:1; c) 920,8 cm3.
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Motores de Combustão Interna
3) Um motor de 4 cilindros tem taxa de compressão 8,0:1. O diâmetro dos
cilindros é 7,8 cm e o curso é 8,2 cm. Deseja-se aumentar a taxa de compressão para 12,0:1. De que espessura deve ser “rebaixado” o cabeçote, (sem
se preocupar com possíveis interferências)?
Resposta:
4,3 mm.
4) Um motor de 6 cilindros tem uma cilindrada de 4,8 L. O diâmetro dos
cilindros é 10,0 cm. Deseja-se alterar a cilindrada para 5.400 cm³, sem se
alterar o virabrequim. Qual deverá ser o novo diâmetro dos cilindros?
Resposta:
10,6 cm.
5) Num motor troca-se a junta do cabeçote original por outra alternativa.
A original tem 5,0 mm de espessura e, ao apertar os parafusos com o torque
correto, reduz-se para 4,0 mm. A junta alternativa após o aperto ica com
3,0 mm de espessura. Sendo o motor de cilindrada 1,6 L, de 4 cilindros,
com curso 9,0 cm, qual a nova taxa de compressão se a original era 8,5?
Resposta:
9,2:1.
6) Um motor a 4T, 4 cilindros, com cilindrada total de 2,0 L, funciona a
3.200 rpm. A relação de compressão é 9,4:1 e a relação curso-diâmetro é
0,9. Pede-se:
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a) o volume morto;
b) o diâmetro do cilindro;
c) a velocidade média do pistão em m/s (a velocidade média do pistão é
obtida por: vp = 2.s.n).
Respostas:
a) 59,5 cm3; b) 89 mm; c) 8,53 m/s.
7) O motor da Ferrari F1 – 2.000 possui 10 cilindros montados em V, 40 válvulas, cilindrada total de 2.997 cm³ e potência de 574 kW (770 HP) [1]. Os
cilindros têm diâmetro de 96 mm, motor a 4T, diâmetro dos pistões de
10 cm, raio do virabrequim de 4,5 cm; volume da câmara de combustão de
78,5 cm3 e rotação de 14.500 rpm. Pede-se, determinar:
a) O curso (mm);
b) A cilindrada unitária (m3);
c) A taxa de compressão;
d) A velocidade média do pistão (m/s);
e) A velocidade angular da árvore comando de válvulas (rad/s);
f ) Se na rotação dada, a combustão se realiza para Da = 25o, qual o tempo
de duração da combustão (s)?;
g) O número de vezes que a válvula de escape abre em 1 minuto.
[A]
Respostas:
a) 90 mm; b) 299,7 cm3; c) 4,8:1; d) 68,3 m/s; e) 758,8 s-1; f ) 4,8.10-6s;
g) 7.250 vezes.
8) Um motor a 4T tem 4 cilindros, diâmetro de 8,6 cm, curso de 8,6 cm e taxa
de compressão 9:1. A rotação é de 5.400 rpm. Pede-se:
a) A cilindrada unitária (cm3);
b) A cilindrada do motor (cm3);
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Motores de Combustão Interna
c) O volume morto (cm3);
d) O volume total (cm3);
e) O raio da manivela (cm);
f ) A nova taxa de compressão ao trocar a junta por outra com 1 mm a
menos de espessura;
g) O número de cursos de um pistão, por segundo;
h) O número de vezes que a válvula de admissão abre em 1 minuto.
Respostas:
a) 499,3 cm3; b) 1.997,2 cm3; c) 62,4 cm3; d) 561,7 cm3; e) 4,3 cm; f ) 8,31:1;
g) 565,5 cursos/s; h) 2700 aberturas/min.
9) Porque os motores Otto 2T têm seu campo de aplicação limitado a baixas
potências?
10) Para um motor rotativo Wankel, são conhecidas as seguintes dimensões:
Excentricidade do rotor = 11 mm;
Raio da circunferência circunscrita pelo rotor = 84 mm;
Largura do rotor = 52 mm;
Número de câmaras = 3;
Determinar:
a) O número de cilindros do motor alternativo correspondente;
b) A cilindrada total do motor alternativo correspondente (m3).
Respostas:
a) 2 e b) 2,4.10-4 m3.
11) Um motor a 4T, 4 cilindros, com cilindrada total de 2,4 L, funciona a 3.200
rpm. A relação de compressão é 9,4 e a relação curso-diâmetro é 1,06. Pede-se:
a) O volume morto;
b) O diâmetro do cilindro;
c) A velocidade média do pistão em m/s.
Respostas:
a) 71,43 cm3; b) 8,97 cm; c) 10,1 m/s.
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
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12) Cite duas vantagens e duas desvantagens do motor a 2T de ignição por faísca em relação a um motor a 4T de ignição por faísca.
13) Um motor à gasolina de 4 cilindros, de cilindrada 2 L, tem um raio de
v = 1.70 do virabrequim de 4,5 cm e uma taxa de compressão 10. Deseja-se transformar o motor para álcool e se alterar a taxa de compressão
para 12. Não havendo nenhum problema geométrico, resolve-se fazer isso
trocando os pistões por outros "mais altos". Quanto deverá ser o aumento
da altura dos pistões, em mm, supondo a sua cabeça plana nos dois casos?
Resposta:
0,18 mm.
14) Um motor de 8 cilindros de 5 L de cilindrada tem taxa de compressão 9:1.
Qual o volume total de um cilindro em cm3?
Resposta:
703,13 cm3.
15) Cite três diferenças fundamentais entre o funcionamento do motor Otto e
o do motor Diesel.
16) Um motor a álcool de taxa de compressão 12 deve ser transformado para o
uso de gasolina com taxa de compressão 9. A transformação será realizada
colocando-se uma nova junta entre o bloco e o cabeçote. O motor tem 4
cilindros, uma cilindrada de 1.800 cm3 e o diâmetro dos cilindros 80 mm.
Qual a variação da espessura da junta necessária, sabendo-se que depois do
aperto reduz-se 10%?
Resposta:
0,31 cm.
17) Num motor Diesel de injeção direta (câmara aberta), de 6 cilindros, cilindrada 11 L e curso 17 cm, supõe-se que, quando o pistão estiver no PMS, a
folga entre o mesmo e o cabeçote seja nula. Qual o volume da cavidade na
cabeça do pistão para se obter uma taxa de compressão 17:1?
Resposta:
0,115 cm3.
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Motores de Combustão Interna
18) Num motor coloca-se o pistão no PMS e pelo orifício da vela introduz-se
glicerina líquida no cilindro até preencher o espaço entre a cabeça do pistão e o cabeçote. O volume de glicerina introduzido foi 50 cm3. Em seguida
repete-se a operação com o pistão no PMI e veriica-se que o volume de
glicerina é 450 cm3. Sendo o motor de 4 cilindros:
a) Qual a cilindrada do motor?
b) Qual a taxa de compressão?
Respostas:
a) 1,6 L e b) 9:1.
19) Num motor troca-se a junta do cabeçote original por outra alternativa.
A original tem 5 mm de espessura e, ao apertar os parafusos com o torque
correto, reduz-se para 3 mm. A junta alternativa, após o aperto ica com 4
mm de espessura. Sendo o motor de cilindrada 1.600 cm3, de 4 cilindros,
com curso 8 cm, qual a nova taxa de compressão se a original era 8,5?
Resposta:
6,86:1.
20) Um motor de 6 cilindros tem uma cilindrada de 4.200 cm3. O diâmetro
dos cilindros é 10 cm. Deseja-se alterar a cilindrada para 4.800 cm3 sem
alterar o virabrequim. Qual deverá ser o novo diâmetro dos cilindros?
Resposta:
0,69 cm.
21) Um motor de 1 cilindro tem uma cilindrada de 500 cm3 e diâmetro do
cilindro de 8 cm. O comprimento da biela é 15 cm. Quando o ângulo de
manivela é 30o e a rotação do motor está a 3.600 rpm, a força de pressão
é 11.780N (1.200kgf ). As massas com movimento alternativo valem 0,8 kg.
Qual o torque instantâneo no eixo do motor (despreze a inércia das partes
rotativas)?
22) Um motor de 8 cilindros de 5 L de cilindrada tem taxa de compressão 9.
Qual o volume total de um cilindro em cm3?
Resposta:
703,1 cm3.
Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
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23) Por que no motor Diesel não se pode atingir as mesmas rotações que podem ser atingidas no motor Otto?
24) Pesquise em livros, ou na Internet, novas informações, do seu interesse
sobre algum dos aspectos mencionados neste Capítulo.
25) Pesquise no site http://auto.howstufworks.com/engine.htm, dados relativos aos sistemas de resriamento de motores, não abordados neste Capítulo.
26) Pesquise no site http://www.mtz-worldwide.com dados relativos a downsinzing de motores, não abordados neste Capítulo.
27) A imagem abaixo representa que tipo de motor?
28) De forma sucinta, deina o que difere nos MIFs:
a) GDI;
b) PFI.
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Motores de Combustão Interna
29) Deina a igura abaixo:
[H]
30) Pesquise em livros, ou na Internet, informações sobre ciclo Atkinson sua
história e suas aplicações.
31) Pesquise em livros, ou na Internet, informações sobre os motores Napier
sua história e suas aplicações.
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Introdução ao estudo dos motores de combustão interna
33) Downsinzing de motores e veículos híbridos são tecnologias parceiras na atualidade. Utilize os recursos disponíveis para interpretar a igura abaixo [4].
34) Deina a igura abaixo [2].
[I]
35) Pesquise em livros, revistas especializadas ou na Internet, informações sobre a igura abaixo. Identiique cada um dos itens presentes na igura [2].
5
7
8
10
9
5
3
4
6
1
2
[B]
76
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Referências bibliográficas
1.
BRUNETTI, F. Motores de combustão interna. Apostila, 1992.
2.
DOMSCHKE, A. G. Landi: Motores de combustão interna de embolo. São Paulo:
Dpto. de Livros e Publicações do Grêmio Politécnico da USP, 1963.
3.
GIACOSA, D. Motori endotermici. Ulrico Hoelpi Editores SPA, 1968.
4.
JÓVAJ, M.S. et al. Motores de automóvel. Editorial Mir, 1982.
5.
OBERT, E.F. Motores de combustão interna. Globo, 1971.
6.
TAYLOR, C. F. Análise dos motores de combustão interna. São Paulo: Edgard Blücher, 1988.
7.
HEYWOOD, J. B. Internal combustion engine fundamentals. M.G.H. International Editions, 1988.
8.
VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E. Fundamentos da Termodinâmica Clássica –
São Paulo: Edgard Blücher, 1976.
9.
ROLLS ROYCE. The jet engine. 1969.
10. WATSON, N.; JANOTA, N. S. Turbocharging The internal combustion engine. The Macmillan Press Ltd., 1982.
11. AUTOMOTIVE gasoline direct-injection engines. ISBN 0-7680-0882-4.
Figuras
Agradecimentos às empresas e publicações:
A. Mahle – Metal Leve – Manual Técnico, 1996.
B.
Bosch – Velas de Ignição, Instruções de Funcionamento e Manutenção.
C. Magneti Marelli – Doutor em Motores, 1990.
D. Automotive Engineering International – Várias edições.
E. Engenharia Automotiva – Revista SAE – ano 2, número 9, 2001.
F.
Honeywell – Garrett.
G. Rolls-Royce, The jet engine. 1969.
H. ABB – Asea Brown Boveri.
I.
ATZonline Newsletter International. Extreme downsizing by the two-cylinder
gasoline engine rom Fiat – MTZ worldwide. Fev. 2011.