CONHECIMENTOS TÉCNICOS DE AERONAVES MÓDULO 1

www.aerocurso.com

MÓDULO 1

AULA 2

Aula 02 - Motores a Pistão

MOTORES A COMBUSTÃO

O motor de explosão, ou motor de combustão interna, é amplamente usado em

aeronaves. Nos motores, a produção do movimento começa pela queima de combustível

nas câmaras de combustão.

Essas câmaras contêm um cilindro, duas válvulas (uma de admissão e outra de

escape) e uma vela de ignição. O pistão que se move no interior do cilindro é acoplado à

biela que se articula com o virabrequim. O virabrequim, ao girar, faz com que o

movimento chegue à Hélice.

Os motores à pistão, são divididos em dois grupos:

- Motores a Quatro Tempos

- Motores a Dois tempos.

3

O motor a quatro tempos

Componentes Básicos - Para estudar o funcionamento do motor a quatro tempos,

é necessário conhecer antes a localização do seus componentes básicos, como a

vela de ignição e as duas válvulas:

Antes de iniciar o estudo de cada tempo do motor, é importante saber a

definição de Ponto Morto e Curso:

• Pontos Mortos: Durante o movimento no interior do cilindro, o pistão atinge

dois pontos extremos que são chamados de Ponto Morto Alto e Ponto Morto

Baixo.

• Curso: É a distância compreendida entre o ponto morto alto e o ponto

morto baixo.

O funcionamento do motor de quatro tempos - neste motor o pistão

recebe um impulso dos gases da combustão a cada quatro cursos, ou

“tempos” ou movimentos executados. Esses quatro tempos formam um

ciclo, que corresponde a duas voltas do eixo de manivelas.

Estudaremos a seguir o funcionamento teórico do ciclo mais utilizados nos

motores a gasoline, conhecido como Ciclo Otto ou Ciclo Otto-Beau de

Rochas.

A primeira etapa, também denominada de primeiro tempo, é

denominada ADMISSÃO. Nessa etapa a válvula de admissão permite a

entrada, na câmara de combustão, de uma mistura de ar e combustível

enquanto o pistão se move de forma a aumentar o espaço no interior da

câmara.

A segunda etapa é a COMPRESSÃO. Nesta o pistão se move de

forma a comprimir a mistura, fazendo seu volume diminuir. As duas

válvulas ficam fechadas. Num motor, a mistura é comprimida para

aumentar a energia mecância e diminuir o calor produzido pela

combustão.

A terceira etapa, TEMPO MOTOR, denomina-se EXPLOSÃO. No

término da compressão um dispositivo elétrico gera uma centelha que

ocasiona a explosão da mistura ocasionando sua expansão. Eventos

que ocorrem nesta fase:

- A ignição da misturam através de uma faísca da vela.

- A combustão da mistura, libertando a energia térmica e

aumentando a pressão.

- A expansão dos gases queimados, produzindo energia

mecânica.

7

Quarto tempo: ESCAPAMENTO - Após isto ocorre então o quarto tempo

quando a válvula de saída abre e permite a exaustão do gás queimado

na explosão. A expansão adiabática leva a máquina ao próximo estado,

onde ela perde calor e retorna ao seu estado inicial, onde o ciclo se

reinicia.

Baseado no que estudamos nas imagens acima, podemos dizer que “tempo” é o

conjunto de fases que ocorrem quando o pistão percorre um “curso”. Em homenagem ao seu

idealizador, este ciclo de quatro tempos é denominado de Ciclo de Otto.

AS SEIS FASES DO CICLO DE FUNCIONAMENTO O ciclo conforme estudado acima, é completado em quatro tempos (admissão, compressão, tempo motor e escapamento), ou duas voltas do eixo de manivelas (720º), onde o pistão

recebe apenas um impulso motor. No decorrer dos ciclos, a mistura passa por seis eventos

ou processos denominados FASES, que são: admissão, compressão, ignição, combustão,

expansão e escapamento.

MODIFICAÇÕES NO CICLO OTTO

O ciclo teórico que acabamos de estudar é modificado na prática para otimizar a

eficiencia do motor. As modificações alteram os tempos de ignição e de abertura e

fechamento das válvulas. Essas alterações variam de motor para o motor.

Na maioria dos casos em que se tem um motor à 4 tempos, o fabricante do

motor estabelece alguns ajustes para a melhoria de sua eficiência durante o seu

funcionamento em regime de cruzeiro, estas modificações são:

MODIFICAÇÕES NO TEMPO DA ADMISSÃO

A figura abaixo compara o motor teórico com um motor real típico,

mostrando as modificações nos tempos de ação da válvula de admissão.

• Avanço na abertura da admissão (AvAA): é a antecipação na abertura da válvula

de admissão que é igual a 15° no exemplo acima.

Evidentemente, uma válvula real não se abre instantaneamente. Assim, o AvAA é

uma antecipação que compensa a pequena demora na abertura da válvula.

• Atraso no fechamento da admissão (AtFA): Este atraso serve para permitir

à mistura continuar entrando no cilindro, por inércia, após o tempo teórico da

admissão. No exemplo acima a AtFA é igual a 50°, este ângulo difere

conforme o motor.

Moente é a parte do eixo de manivela que se conecta com a biela

MODIFICAÇÕES NO TEMPO DO ESCAPAMENTO Analogamente ao tempo de admissão, também no tempo do escapamento há um

avanço na abertura da válvula e um atraso no seu fechamento.

• Avanço da abertura do escapamento (AvAE): Tem a finalidade de antecipar a

saída dos gases de escape, para evitar uma contrapressão muito forte sobre o

pistão no seu curso ascendente. No exemplo acima é de 50°.

• Atraso no fechamento do escapamento (AtFE): Tem a finalidade de permitir que os

gases continuem a sair por inércia após o final do tempo teórico do escapamento,

para que a exaustão seja mais complete. No exemplo acima é de 20°.

Observe que, no ciclio teórico, a válvula de escapamento é aberta ou fechada

exatamente nos pontos morots. Isso nos dá a impressão de que tempo e fase de

escapamento são a mesma coisa, pois coincide. Mas essa coincidência é desfeita

no ciclo real, pois a fase de escapamento é mais longa que o tempo de

escapamento. Esta mesma observação vale para o caso da admissão.

• Cruzamento de válculas – No ciclo Otto real, as duas válvulas ficam abertas

simultaneamente por um curto tempo devido ao AtFE e ao AvAA. A isso é

denominado cruzamento de válvulas. Observe as figuras:

Os avanços e atrasos nos tempos das

válvulas, assim como o cruzamento, aumentam a

eficiência do motor nas rotações usadas em voo de

cruzeiro. Em outras rotações, como na marcha lenta

e na potência máxima, o cruzamento de válvulas

pode não ser tão benéfico, mas, isso é tolerado

porque são situações transitórias.

• Modificação do ponto de ignição: No ciclo teórico, a ignição ocorre exatamente no

PMA e a combustão é considerada instantânea. No ciclo real, a combustão não é

instantânea, portanto faz-se necessária uma antecipação ou um avanço na ignição em

relação ao PMA. Sem esse avanço, o impulso dos gases sobre o pistão ficaria

atrasado, aproveitando mal o curso descendente do tempo motor. O avanço é

relativamente pequeno em marcha lenta e deve ser maior e rotações mais altas. Ele é

expresso em graus a uma dada rotação como, por exemplo: “25° antes do PMA, a 2450

RPM”.

CICLO REAL OU PRÁTICO O cruzamento de válvulas ocorre nas proximidades do PMA porque a válvula de admissão abre-se antecipadamente e a de escapmento fecha-se com atraso. Não é difícil perceber que o tempo de cruzamento é a soma do AtFE com o AvAA.

CICLO TEÓRICO Quando o eixo de manivelas passa pelo PMA, a válvula de escapamento fecha-se e a de admissão abre-se – tudo isso instantaneamente – o que é impossível na prática.

O MOTOR A DOIS TEMPOS O motor recebe o nome de tempo porque seu ciclo é constituído por apenas dois

tempos, é bastante simples e tem poucas peças móveis. O próprio pistão funciona como

uma válvula deslizante, abrindo e fechando janelas denominadas luzes, por onde passa

a mistura admitida e os gases queimados são expulsos.

PRIMEIRO TEMPO - Admitindo que o motor já esteja em funcionamento, o primeiro

tempo inicia-se com o pistão em curso ascendente, onde é comprimido a mistura no interior

do cilindro e diminuindo a pressão no interior do cárter do motor. Enquanto isso acontece à

nova admissão de mistura dentro do cárter devido a diferença de pressão que se formou.

Desta forma temos as seguintes fases do ciclo: admissão, compressão, ignição e

combustão.

INÍCIO DO PRIMEIRO TEMPO FIM DO PRIMEIRO TEMPO

SEGUNDO TEMPO – O Segundo tempo corresponde ao curso descendente do

pistão. Ocorrem as seguintes fases: expansão e escapamento.

No ciclo real a dois tempos, há uma superposição de eventos, de modo que a

combustão se inicia no primeor tempo e termina no Segundo tempo; a transferência e o

escapamento se iniciam no fim do Segundo tempo e terminam no início do primeiro

tempo.

VANTAGENS E DESVANTAGENS - O motor a dois tempos é mais simples, mais leve e

mais potente que um motor a quatro tempos, porque produz um tempo do motor a cada volta

do eixo de manivelas. Ele apresenta as seguintes vantagens:

- Custo é menor e amior simplicidade.

- Maior potência, devido ao dobro do número de tempos motores.

Desvantagens: - É pouco econômico, porque uma parte da mistura admitida no cilindro foge

juntamente com os gases queimados.

- Após o escapamento, uma parte dos gases queimados permanece no cilindro,

contaminando a mistura nova admitida.

- O motor aquece mais, porque as combustões ocorrem com maior frequência.

- A lubrificação é imperfeita, porque é preciso fazê-la através do óleo diluído no

combustível.

- O motor é menos flexível do que o de quatro tempos, isto é, a sua

eficiência diminui mais acentuadamente quando variam as condições de

rotação, altitude, temperatura etc.

INÍCIO DO SEGUNDO TEMPO FIM DO SEGUNDO TEMPO

MOTORES ALTERNATIVOS DE AERONAVES

Na aviação atual, existem vários tipos de motores e não só motores conforme estudado

no tópico anterior, a utilização destes motores variam de acordo com a finalidade de cada

aeronave. Veja abaixo alguns outros motores que em sua maioria será estudado no curso de

Piloto Comercial:

• Motor Turbojato: Neste motor, o ar admitido é impulsionado num fluxo de alta

velocidade, utilizando a energia expansiva dos gases aquecidos pela combustão. Em

baixas velocidades ou baixas altitudes, é um motor que não se torna viável sua utilização

devido ao alto consumo de combustível e pouco utilizado atualmente devido ao alto

nível de ruído.

• Motor Turbofan: É um motor constituído por um motor Turbojanto estudado acima,

acrescido de um “fan” (ventilador em inglês). Este “fan” funciona como uma hélice de

características especiais, que

tem como objetivo criar um

fluxo de ar-frio que se mistura

com o ar-quente da turbina

principal. Este motor é o mais

utilizado por aviões de grande

porte atualmente, devido ao

seu baixo consumo de

combustível, alta potência e

baixo nível de ruído.

• Motor Turbohélice: Motor turbojatomodificado, onde quasetoda a energia do jato é

aproveitada para girar uma turbina, na qual aciona uma hélice através de uma caixa de

engrenagens de redução. É um motor ideal para velocidades intermediárias entre as dos

motores a pistão e motores turbofan.

Os motores estudados anteriormente, embora tenham diferentes conceitos e tipos

de operação, todos eles devem aderir a características praticamente iguais, são elas:

• Qualidade do motor aeronáutico: As qualidades exigidas para um motor

aeronáutico, dentre as mais importantes podemos encontrar: segurança de

funcionamento; durabilidade; ausência de vibração; economia; facilidade de

manutenção; compacidade; eficiência térmica; leveza.

• Eficiência térmica: É a relação entre a potência mecânica produzida e a potência térmica

liberada pelo combustível. Na prática, a eficiência dos motores aeronáuticos é da ordem

de 25% a 30%, o que é muito pouco, considerando que os motores elétricos de alta

potência tem eficiência superior a 90%, porém, seu peso se torna inviável para o uso

aeronáutico.

• Leveza: É a relação entre a massa e a potência do motor, evidentemente que, para uso

aeronáutico, essa relação deverá ser a menor possível.

• Facilidade de manutenção e durabilidade: A segurança de funcionamento dos motores

depende de uma cuidadosa manutenção, que geralmente compreende duas partes:

1. Inspeções periódicas: Os motores requerem inspeções a cada determinado

tempo (25h de voo; 50h de voo; e etc.), onde, assim como nos

carros, são feitos serviços como troca de óleo, limpeza ou substituição

de filtros, regulagens e etc. Para realizar estes trabalhos, é muito

importante que a manutenção seja feita de maneira fácil.

2. Revisão Geral: Após determinado numero de horas de voo (durabilidade), deve-

se realizar uma revisão geral do motor, onde ele é totalmente desmontado para

verificação e troca de componentes vencidos ou que apresentem alguma

danificação. Na aviação geral, chamamos esta durabilidade de TBO

(Time Between Overhauls). Tanto as inspeções periódicas quanto a revisão

geral, são pré-determinadas pelo fabricante do motor.

• Economia: Para utilização aeronáutica, os motores devem ter baixo consumo de

combustível. Na aviação é comum encontrar motores que tem sua indicação de consumo

em horas (50l/h; 30l/h) e motores com consumo específico (0,2l/hp/hora).

• Equilibrio e ausência de vibração: Indica a sua vida de funcionamento.

Quando falamos em equilíbrio, indica que o funcionamento das peças internas do

motor, devem trabalhar de maneira equilibrada, evitando vibrações no motor, o

que causa grandes estragos e fadigas em toda a fuselagem da aeronave.

• Excesso de potência na decolagem: Os motores aeronáuticos devem ser capazes de

manter por um determinado tempo (cerca de 1min) uma potência superior à do projeto,

para ser utilizado durante a decolagem.

• Pequena área frontal: Os motores aeronáuticos devem possuir pequena área

frontal, para que possam ser instalados em aviões de fuselage estreita e

aerodinâmica.

Para aeronaves cuja velocidade de cruzeiro não excederão 250 m.p.h, o motor

alternativo é a escolha usual.

Quando é requerida economia em alcance de baixa velocidade, o motor alternativo

convencional é escolhido devido à sua excelente eficiência.

Quando é requerido um desempenho em grandes altitudes, o motor alternativo

com turbo - compressor pode ser escolhido devido à capacidade de manter a potência

homologada para grandes altitudes (acima de 30.000 pés).

Contudo, em operação os motores alternativos são mais complexos que outros

motores.

Operação correta dos motores alternativos requer quase que o dobro da

instrumentação requerida pelos turbojatos ou turboélice, além de requerer diversos

controles adicionais.

Uma troca no ajuste de potência na instalação de alguns motores alternativos pode

requerer o ajuste de cinco controles, enquanto a mudança na potência em um turbojato

requer apenas a alteração no conjunto de manetes.

Além disso, existe um grande número de temperaturas e pressões críticas a ser

observado na instalação dos motores alternativos que na instalação dos turbojatos ou

turboélices.