Sumrio

1. Introduo............................................................................................................2 2. Histrico do Ciclo Otto.........................................................................................3 3. Classificao dos Motores de Combusto Interna..............................................4 4. Componentes de um Motor de Combusto Interna.............................................7 5. Motor Ciclo Otto.................................................................................................11 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. Modelo Ideal...........................................................................................11 Ciclo Mecnico.......................................................................................12 Ciclo Real...............................................................................................13 Ciclo Real X Terico...............................................................................14

6. Curiosidades......................................................................................................15 6.1. 6.2. Controle da Mistura Ar-Combustvel (Sonda Lambda)..........................15 Motor VTec.............................................................................................16

7. Concluso..........................................................................................................17 8. Referncias Bibliogrficas.................................................................................18

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1. INTRODUO

O ciclo Otto, teve incio de seus estudos por Beau de Rochas e posteriormente concebido com sucesso pelo engenheiro alemo Nikolaus Otto em 1876, o qual deu origem ao nome do ciclo. Trata-se de um ciclo termodinmico que por sua vez constitui qualquer srie de processos termodinmicos tais que, ao transcurso de todos eles, o sistema regresse a seu estado inicial. Este ciclo idealiza o funcionamento de motores de combusto interna de ignio por centelha. E como motor de combusto interna, o ciclo Otto utiliza como fluido de trabalho produtos de combusto. A mistura ar-combustvel, que podem ser lquidos (Gasolina,lcool, etc) ou Gasosos (gs natural, GLP, gases residuais, etc.) queima dentro de um cilindro,e devido a esta queima formam-se gases quentes que se expandem rapidamente, empurrando um pisto no interior do cilindro e transferindo este movimento para as demais partes mecnicas do motor. Os motores automotivos de quatro tempos so baseados no ciclo Otto e equipam a maioria dos automveis de passeio. Mesmo com maior nmero de partes mveis, maior complexidade, peso e volume, quando comparamos motores de dois tempos de mesma potncia so mais eficientes e menos poluentes. Neste trabalho abordaremos sobre o ciclo Otto, suas aplicaes e curiosidades na indstria automotiva.

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2. HISTORICO DO CICLO OTTO

Sculo XIX, a Europa era movida a vapor, mas as limitaes de tal mecanismo comeavam a implorar por inovaes na rea de motores. Alguns experimentos com motores de combusto interna vinham sendo feitos pela Europa, em especial o motor de combusto interna do belga Jean Joseph Etienne Lenoir (1822-1900), em Paris, por volta de 1860. Nikolaus August Otto (1832-1891) teve conhecimento de tal motor, e no tardou a produzi uma rplica da mquina de Lenoir. Com uma potncia de 2 hp a partir de um cilindro de 18 litros movido a gs (este feito a partir de carvo), era uma baixa eficincia. Otto estudou os efeitos da compresso do combustvel, e tentou produzir um motor que misturasse os gases combustveis antes da ignio, com sucessivas falhas. Por volta da dcada de 70, Otto j tinha fundado uma empresa de motores a gs, a Deutz Gasmotorenfabrik AG, e contava com o apoio de nomes como Eugen Langen, Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach trabalhando juntos. Em 1876 foi desenvolvido o primeiro motor de combusto interna que comprimia a mistura combustvel antes da combusto. Logo aps, Daimler e Maybach deixaram a empresa, e juntos fizeram o primeiro motor Otto de alta velocidade (1883) e em 1885 o primeiro automvel movido a um motor Otto.

1 - Motor de ciclo Otto (de 4 tempos) de 18763

3. CLASSIFICAO DOS MOTORES DE COMBUSTO INTERNA

Primeiramente, antes de ser apresentado o funcionamento do ciclo Otto em motores de combusto interna, ser mostrada a classificao e alguns componentes de um motor de combusto interna de quatro tempos. Como dito anteriormente, so considerados motores de combusto

interna aqueles que utilizam os prprios gases de combusto como fluido de trabalho, os quais realizam os processos de compresso, queima, expanso e

finalmente exausto. A mistura ar-combustvel queima dentro de um cilindro e por esta razo designado de motor de combusto interna. Sero classificados de quatro formas: Mtodo de Ignio; Ciclo de Trabalho; Disposio dos Cilindros; Movimento dos Pistes.

3.1. Mtodo de ignio: a. Ignio por centelha: Em motores convencionais, onde a mistura ar + combustvel uniforme ou em motores de carga estratificada, onde a mistura ar + combustvel no uniforme. Ciclo Otto: A mistura de ar + combustvel admitida no cilindro e comprimida na cmara de combusto, iniciando a combusto por meio de um centelhamento proveniente da vela. b. Ignio por compresso: Em motor diesel convencional e tambm em motores a gs quando se utiliza a injeo piloto de outro combustvel. Ciclo Diesel: Somente ar admitido ao cilindro, comprimido e ento o combustvel injetado. O calor do ar comprimido que ir provocar a ignio da mistura espontaneamente

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3.2. Ciclo de Trabalho: a. Motor de Quatro Tempos: O ciclo se completa a cada quatro cursos do mbolo, de onde vem a sua denominao. Um ciclo de trabalho estende-se por duas rotaes da rvore de manivelas, ou seja, quatro cursos do pisto.

b. Motor de Dois Tempos: Nesse motor, um ciclo termodinmico se completa a cada volta do eixo, compreendendo as etapas de

admisso, compresso, transferncia de calor e exausto. Esta caracterstica permite que o prprio pisto atue tambm como vlvula, abrindo e fechando as janelas na parede da cmara de combusto. Esta opo simplifica a mquina, tambm dispensando comando de vlvula e muito utilizada em motores de pequeno porte.

1 TEMPO

2 TEMPO

3.3. Disposio dos Cilindros: a. Em linha: Os cilindros so dispostos em uma nica linha.

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b. Motor em V: Motor formado por dois conjuntos de cilindros em linha formando um ngulo entre os dois conjuntos. Esta configurao permite motores mais compactos que os motores em Linha. O ngulo formado depende do nmero de cilindros do motor, por exemplo, motores V6 tm ngulo de 60 e motores V8 tm ngulo de 90.

c. Motor radial (motor estrela): Nesta configurao os cilindros so dispostos radialmente. Foi muito utilizado para mover hlices de avies.

d. Opostos (Boxer): Nesta configurao a disposio dos cilindros oposta. Os cilindros se afastam e se aproximam simultaneamente. Este tipo de motor poderia ser considerado um motor em V com ngulo de 180.

3.4. Movimento dos Pistes: a. Alternativo (Otto, Diesel): Os motores alternativos possuem mbolos que se movem para cima e para baixo ou para frente e para trs. Uma parte chamada virabrequim transforma este movimento alternado em movimento circular, giratrio. b. Rotativo (Wankel, Quasiturbine): Um motor rotativo utiliza rotores no lugar de mbolos. Os rotores produzem diretamente o movimento giratrio. O motor de Wankel funciona de acordo com o ciclo Otto.

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4. COMPONENTES DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA

Um motor de combusto interna o mais simples possvel possui pelo menos: uma cmara (o cilindro), dentro dela um mbolo (o pisto), o brao que empurra e puxa o mbolo (a biela), e as vlvulas que admitem e expelem a mistura combustvel. No caso de um motor visto no cotidiano como o de um automvel, funciona a 4 tempos, possuindo variado nmero de vlvulas e cilindros, em determinada posio. Listados abaixo os principais componentes de um motor a combusto interna: 4.1. Elementos Fixos:

i.

Bloco do motor: o esqueleto do motor, um bloco (feito de ferro fundido) onde ficam os cilindros, alem de canais de escoamento do refrigerante do motor, alem de aberturas aonde vo o virabrequim e outras peas.

ii.

Cabeote: aparafusado acima do bloco, fechando os cilindros. Sendo o topo do cilindro, no cabeote so postas as vlvulas de admisso e escape, assim como a vela de ignio, e componentes da injeo do veiculo, como bicos injetores.

iii.

Crter: fica abaixo do bloco, onde fica armazenado o leo lubrificante do motor, quando o mesmo encontra-se inativo.

iv.

Cilindro: a Cmara onde ocorre todo o ciclo Otto, no cilindro que o pisto se desloca para comprimir a mistura combustvel. A manufatura do cilindro e do pisto so importantssimas, pois os elementos em que ter dimenses muito prximas, para que comprimam sem perda ou vazamento da mistura, e sem danificar ambas as peas com o atrito entre as duas superfcies (parede do cilindro, lateral do pisto).

v.

Cmara de Combusto: o espao livre entre o cabeote e o topo do pisto em seu ponto mais alto, onde se procede a queima da mistura ar-combustvel. Sua forma e o valor da taxa de compresso influenciam muito no rendimento e na potncia do motor. A melhor forma de cmara a esfrica, mas formas triangulares, planas ou trapezoidais tambm so aplicadas, a depender do tipo de motor. 7

4.2.

Elementos Mveis:

i.

Vlvulas: Mecanismos responsveis pela admisso de ar na cmara, assim como o escape (expulso) do material queimado no final do ciclo. O sistema de injeo trabalha juntamente ao de vlvulas para adicionar o combustvel na mistura, antes ou depois de entrar no cilindro. Um numero maior de vlvulas por cilindro pode ser usado para obter melhores nmeros de potncia e torque.

ii.

Pisto: funciona como um mbolo, comprimindo a mistura antes da combusto, a partir da deslizando para empurrar a biela, transferindo rotao para o sistema. Na lateral dos pistes, so instalados os anis de segmento, que realizam contato com a parede do cilindro, vedando a mistura gasosa na cmara.

iii.

Biela: pea em forma de brao, que transfere o movimento linear do pisto para movimento circular no virabrequim.

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iv.

Virabrequim (eixo de manivelas): transforma o torque linear em torque centrfugo. Recebe o torque linear atravs das bielas que so conectadas aos pistes, e transformando-o em energia centrfugo, transmitido as demais componentes acoplados nas extremidades de seu eixo (polia da correia dentada, polia da correia dos acessrios e volante do motor).

v.

Volante do motor: parte do motor que transfere o torque obtido no virabrequim (eixo de manivelas) para caixa de velocidades (transmisso, caixa de marchas). Trata-se de uma pea de material pesado, que ajuda a manter o equilbrio e contribui para a reduo das vibraes e os estices provocados pela exploso do carburante.

vi.

Comando de Vlvulas (rvore de Cames): Consiste num veio cilndrico no qual esto fixados um conjunto de peas ovaladas, chamadas cames, excntricos ou ressaltos, uma por vlvula a controlar. Este veio tem um conjunto de apoios que asseguram a sua estabilidade durante o movimento rotativo a que sujeito. Quando a ponta dos Cames passa pelas vlvulas, empurra as mesmas, provocando o movimento para admisso e Escape de gases. A sincronia do comando de vlvulas com a rotao do motor importante para o andamento do ciclo. Comandos de vlvulas variveis

tambm so usados, de forma a aumentar a potencia e diminuir o consumo dos motores.

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4.3.

Elementos Auxiliares:

i.

Carburador: comumente visto em carros at a dcada de 90, o carburador era resopnsvel pela alimentao dos motores de combusto interna. A pea comprime o ar que passa nela, injetando pequenas quantidades de combustvel, injetando essa mistura na cmara. Perdeu seu uso depois da Injeo Eletrnica, que permite um melhor controle da mistura injetada, melhorando o consumo e emisso do veiculo. O carburador ainda utilizado em carros de competio e em algumas motos (que tambm passaram a utilizar a injeo eletrnica)

ii.

Injeo eletrnica: Sistema de alimentao de combustvel e gerenciamento eletrnico de um motor a combusto. Sua utilizao em larga escala se deve necessidade das indstrias de automvel reduzir o ndice de emisso de gases poluentes. Esse sistema permite um controle mais eficaz da mistura admitida pelo motor, mantendo-a mais prxima da mistura estequiomtrica (mistura ar / combustvel), isso se traduz em maior economia de combustvel j que o motor trabalha sempre com a mistura adequada e tambm melhora a desempenho do motor.

iii.

Velas de ignio: dispositivos que produzem uma fasca, no ponto de mxima compresso, queimando a mistura.

4.4.

Elementos opcionais (aumento de desempenho):

i.

Turbo-Compressor: mecanismo que tem duas turbinas, uma que recebe os gases de escape do motor, convertendo em giro para o compressor, que comprime e aumenta a presso do ar de admisso, (que geralmente esfriado antes de entrar na cmara, para aumentar a densidade do ar, adequando-o para a combusto).

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5. MOTOR CICLO OTTO

5.1.

Modelo ideal

O ciclo Otto, como o nome j diz, corresponde a intervalos de tempo durante o qual se completa uma seqncia de eventos, eventos esses denominados de tempos. O ciclo Otto pode ser de dois ou quatro tempos, para um ciclo ideal de quatro tempos o processo, etapa por etapa, : Admisso: a etapa em que o motor admite a entrada de combustvel num determinado cilindro, nesse tempo o sistema permanece com presso constante. Compresso: a fase a qual o pisto comprime o combustvel no cilindro sem troca de calor, aumentando a presso interna. Combusto: tambm chamada de exploso, quando a vela aciona uma centelha que faz com que o combustvel comprimido exploda, fazendo com que o pisto volte para o ponto morto inferior devido o aumento de volume. Exausto: o tempo em que as vlvulas de escape so abertas e o pisto empurra os resduos da exploso para fora do sistema para, logo aps, o cicindro est apto para receber mais combustvel e continuar o ciclo.

Nesse processo, para cada ciclo completo, necessrio duas voltas no eixo, visto que o pisto chega duas vezes no monto morto inferior e duas no monto morto superior. Num motor quatro cilindros, cada cilindro realiza um dos tempos

simultaneamente. 11

Para um ciclo de dois tempos a grande diferena que num motor a dois tempos, um ciclo termodinmico se completa a cada volta do eixo, compreendendo as etapas de admisso, compresso, transferncia de calor e exausto. Esta caracterstica permite que o prprio pisto atue tambm como vlvula, abrindo e fechando as janelas (aberturas) na parede da cmara de combusto.

5.2.

Ciclo mecnico

Para explicar melhor o processo mecnico do ciclo Otto, bom levar em considerao algumas hipteses como o uso de apenas uma vlvula de admisso e uma de escape. Com o pisto no ponto morto superior aberta a vlvula de admisso, enquanto se mantm fechada a vlvula de escape. A dosagem da mistura gasosa (composta por ar e combustvel) regulada pelo sistema de alimentao, que pode ser um carburador ou pela injeo eletrnica. O mbolo impulsionado para baixo pelo virabrequim, move-se ento at o ponto morto inferior. A este passeio do mbolo chamado o primeiro tempo do ciclo, ou tempo de admisso. Depois, a vlvula de admisso fechada, ficando o cilindro cheio com a mistura gasosa, que agora comprimida pelo pisto, impulsionado por meio de manivelas at atingir de novo o ponto morto superior. Durante este movimento as duas vlvulas se encontram fechadas. Este segundo passeio do pisto chamado o segundo tempo do ciclo, ou tempo de compresso. Quando o mbolo atingiu o PMS, a mistura gasosa que se encontra comprimida no espao existente entre a face superior do mbolo e a cabea do motor, denominado cmara de combusto, inflamada devido a uma fasca produzida pela vela e explode. O aumento de presso devido ao movimento de expanso destes gases empurra o mbolo at ao PMI, impulsionando desta maneira por meio de manivelas e produzindo a fora rotativa necessria ao movimento do eixo do motor que ser posteriormente transmitido s rodas motrizes. A este terceiro passeio do mbolo chamado o terceiro tempo do ciclo, tempo de exploso, tempo motor ou tempo til, uma vez que o nico que efetivamente produz trabalho, pois durante os outros tempos, apenas se usa a inrcia do movimento, o que faz com que ele ao rodar permita a continuidade do movimento por meio de manivelas durante os outros trs

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tempos. O cilindro encontra-se agora cheio de gases queimados. nesta altura, em que o pisto impulsionado por meio de manivelas retoma o seu movimento ascendente, que a vlvula de escape se abre, permitindo a expulso para a atmosfera dos gases impelidos pelo mbolo no seu movimento at ao PMS, altura em que se fecha a vlvula de escape. A este quarto passeio do mbolo chamado o quarto tempo do ciclo, ou tempo de exausto (escape). Aps a expulso dos gases o motor fica nas condies iniciais permitindo que o ciclo se repita.

5.3.

Ciclo Real

Assim como nenhum processo perfeito, no ciclo Otto no diferente. Devese calcular o aproveitamento do ciclo real j que se perde trabalho devido a diversos fatores posteriormente citados. O rendimento do ciclo Otto real gira em torno de 35%.

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5.4.

Ciclo Real X Ciclo Terico

Para explicar detalhadamente um rendimento abaixo de 50% do ciclo ideal, devem-se analisar detalhadamente cada fator que pode gerar uma perda de energia. No tem de admisso a presso no permanece constante como indica no ciclo terico. No ciclo real a combusto efetivada um pouco antes do pisto atingir o ponto morto superior j que o calor no introduzido instantaneamente. O combustvel, de fato, se dissocia com outros elementos como CO2, H20 e CO, diminuindo assim a quantidade real de combustvel inserido no pisto. As vlvulas de escape no abrem instantaneamente, e sim um pouco antes do pisto atingir o ponto morto inferior, havendo assim uma perda. Devido a necessidade de refrigerao nos cilindros obtm-se uma perda de calor. O aumento dos calores especficos do fluido devido a mudana de temperatura faz com que a temperatura e presso mxima obtida no ciclo seja menor do que se os calores especficos fossem constantes. Comparao entre o ciclo terico e o ciclo real:

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6. CURIOSIDADESSero agora abordadas algumas curiosidades sobre motores de combusto interna.

6.1. CONTROLE DA MISTURA AR-COMBUSTVEL (SONDA LAMBDA)

A sonda lambda um sensor que envia um sinal eltrico injeo eletrnica do automvel indicando a presena de oxignio nos gases de escape, podendo controlar a quantidade de combustvel que ser enviada para o motor. Este nome refere-se letra grega que os tcnicos utilizam para descrever o volume de ar na mistura arcombustvel. Quando apresenta valor 1 quer dizer que foi atingida a relao ideal. Este sensor composto por um material cermico com um revestimento poroso de platina e possui proteo metlica. A sua atuao baseia-se na alterao das propriedades da cermica a altas temperaturas permitindo a difuso do oxignio do ar. A sonda por sua vez compara a concentrao de oxignio do ar e do gs que sai do motor, e a partir desta diferena de concentraes gera uma tenso ou uma alterao na sua resistncia. Porm, a sonda lambda s funciona aps seu aquecimento em torno de 300C, e por isso hoje em dia acoplada a ela uma resistncia de aquecimento, a qual fornece calor e deixa a sonda pronta para funcionamento. Normalmente uma sonda lambda tem quatro fios de ligao: dois para recolher as informaes e os dois restantes para ligao resistncia de aquecimento. Existem basicamente dois tipos de sonda lambda, so eles: Sonda lambda Narrow (ou Narrowband): a sonda comum encontradas em carros com injeo eletrnica, narrow vem de restrita ou planar, pois ela s consegue medir a mistura de 0 1v (mistura pobre 0v e mistura rica 1v). Sonda lambda Wide (ou Wideband): uma variao do sensor comum, geralmente chamada de wideband ou simplesmente WbO2. Avantagem da WbO2 que com ela podemos estimar com uma maior preciso, enquanto as planares s so precisas prximas de lambda 1 a wide permite uma banda mais larga de 0,7 a 2,2.

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Relao Ar/Combustvel ideal Gasolina: 14,7:1 ( 14,7 partes de ar para 01 parte de gasolina) lcool: 9,0:1 ( 9,0 partes de ar para 01 parte de lcool) Diesel: 15,2:1 ( 15,2 partes de ar para 01 parte de Disel)

6.2. MOTOR VTEC

A primeira verso do motor VTEC foi projetada com o intuito de melhorar o torque em baixas e altas rotaes e a relao de cavalos de fora por litro, mantendo os nveis de consumo de combustvel, e claro, sem prejudicar o meio ambiente. O conceito do VTEC (Sistema de Controle de Sincronizao e Abertura Varivel das Vlvulas) consiste em alterar os parmetros de sincronizao e abertura das vlvulas de acordo com a combinao de alguns fatores, como RPM, VSS (Sensor de Velocidade do Veculo), ECT (Temperatura do Fludo de Arrefecimento do Motor), MAP (Presso Absoluta do Coletor de Admisso) e TPS (Sensor de Posio da Borboleta do Acelerador). Os motores com o sistema VTEC contam com mais de uma came no eixo de comando para acionar as vlvulas e, por meio de controle eletrnico, so ativados de acordo com as condies do motor. O nmero de cames e suas alturas variam de acordo com o projeto, sendo que o sistema acionado pelo acoplamento de um pisto que nivela a altura das cames, modificando o regime de trabalho das vlvulas e fazendo com que admita mais ou menos combustvel. O sistema vem sendo cada vez mais aperfeioado, e hoje est presente em muitos veculos, sempre com o mesmo princpio de funcionamento, mas privilegiando consumo ou desempenho, dependendo do perfil do carro.

Diferena nas alturas das cames. 16

7. CONCLUSO

Se analisarmos o mundo moderno, veremos que h mais de um sculo, motores de combusto interna (e especialmente os combustveis fosseis utilizados) se tornaram parte essencial do crescimento da civilizao humana. Em especial os motores de quatro tempos, os quais se baseiam no ciclo Otto. O problema que parte desse processo que tais motores so movidos a combustveis feitos a partir de petrleo, que no renovvel, e pouco se sabe quanto tempo mais vai durar, na velocidade em que extrado imensamente do subsolo. Frente a essa dificuldade, h mais de duas dcadas a indstria (em especial a automotiva) busca solues em novas fontes de combustveis (bio-combustveis como lcool ou biodiesel), mas os mesmos ainda necessitam (atualmente) de gasolina em sua mistura. Ainda assim, essa rea est em constante desenvolvimento. Outra rea de desenvolvimento que cresce bastante em tamanho e necessidade a de novos modelos de motores. Em especial na indstria automotiva, principal fonte de uso atual dos motores Otto, e de onde vrias indstrias podem tomar como referncia de novas tecnologias. Vrios modelos vm sendo desenvolvidos para substituir os motores de quatro tempos atuais, especialmente motores eltricos, cuja utilizao cresce bastante no mundo moderno (e a utilizao na indstria j em larga em escala h vrias dcadas). Vrios modelos j foram lanados ou esto em planilha para os prximos trs anos que utilizam motores puramente eltricos ou hbridos (misturando um motor de combusto Otto ou diesel, e um eltrico). Motores movidos a hidrognio tambm esto disponveis, mas a utilizao do combustvel ainda dificulta sua maior aplicao. Independentes de quantos anos levem para que os motores de quatro tempos venham a ser descartados, renovados em sua tecnologia, ou utilizem novos combustveis, o legado que o ciclo Otto deixou para o mundo moderno lembrado e visto todos os dias, em qualquer lugar do mundo. Atualmente, milhes de carros so utilizados a todo o momento no mundo, milhes de mquinas pesadas ou estacionrias, embarcaes, todos utilizando o mesmo sistema criado por Nikolaus August Otto no final do sculo XIX.

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8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. Fundamentos da termodinmica, Van Wylen Sonntag Borgnakke, Ed. Edgar Blucher, 6 ed., 2003; 2. http://www.dicasmecanicas.com/2010/05/sonda-lambda-sensor-oxigenio/; 3. http://pt.wikipedia.org/; 4. Motores de combusto interna, Jorge R. Henrquez Guerrero. 5. http://www.omecanico.com.br/modules/revista.php?recid=167&edid=16&topicid=2;

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