maquinas termicas
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INSTITUTO POLITÉCNICO – CENTRO UNIVERSITÁRIO UNARAFAEL ROBERTO DE ABREU MOURA
MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA
Belo Horizonte01/2015
2
Sumário
Resumo.................................................................................. .............................3
Introdução............................................................................................................3
Revisão Bibliográfica...........................................................................................4
Partes e Componentes.......................................................................................4
Tipos de Motores.................................................................................................8
Motores de movimento alternativo.......................................................................8
Motor a 4 tempos a gas-óleo.............................................................................11
Motor a 2 tempos a gasolina..............................................................................14
Motor a 2 tempos a gasóleo..............................................................................16
Conclusão..........................................................................................................18
Referências Bibliograficas.................................................................................19
3
Resumo
O artigo propõe as aplicações do motor de combustão interna; e nos tipos
de motores existentes, analisando, funcional e estruturalmente os motores
segundo o tipo de movimento - motores de movimento alternativo, rotativo;
segundo o tipo de combustível utilizado – gasóleo, gasolina e gás; segundo a
forma como é realizada a combustão – por explosão e por compressão; e, por
fim, segundo o ciclo termodinâmico que idealiza o movimento do motor – Ciclo
de Otto, Ciclo Diesel, Ciclo Brayton.
Palavras chave- motor de combustão interna, Ciclo de Otto, Ciclo Diesel,
Ciclo Brayton..
Introdução
Nos motores de combustão interna, o combustível é queimado no
interior do cilindro motor. Os motores a gasolina, a gasóleo, a metano e a gás
líquido pertencem a esta categoria. O motor de combustão interna, que tornou
possíveis meios de transporte como o automóvel, o avião e até veículos
militares, foi evoluindo ao longo do tempo. Em 1860, Ettiene Lenoir registrou a
primeira patente relativa a um “motor de explosão”, a dois tempos. O ciclo a
quatro tempos apenas seria descrito por Alphonse Beau de Rochas, dois anos
depois, em 1862. No entanto, este trabalho não atraiu a atenção de nenhum
fabricante. A produção industrial de motores de combustão interna com ciclos
de quatro tempos iniciou-se em 1976 segundo a patente de Nikolaus Otto e
Eugen Langen. Rudolf Diesel foi o primeiro pesquisador a basear-se no
aquecimento produzido pela compressão do ar para inflamar o combustível,
tendo começado as suas pesquisas em 1890 e obtido, sete anos depois, um
motor operacional. Outro inovador é Louis Renault, fundador do Grupo Renault,
que criou, em 1902, o supercompressor, um sistema que aumenta a eficiência,
na medida em que introduz uma quantidade adicional de oxigénio no motor. A
finalidade deste sistema é semelhante à do turbocompressor, que usa os gases
de escape para fazer girar uma turbina e foi inventado em 1905 por Alfred
Brüchi. Inicialmente, estes motores utilizavam gás como combustível. O
responsável pelo primeiro motor de quatro tempos a gasolina utilizável, que foi
4
concebido e projetado em 1885 foi Gottlieb Daimler, um sócio de Otto e de
Langen. Os motores atuais são semelhantes ao motor de Daimler e também ao
de Karl Benz, concretizado no mesmo ano que o anterior.
2 Revisão Bibliográfica
Os motores a combustão interna são aqueles em que o combustível é
queimado internamente. Um mecanismo constituído por pistão, biela e
virabrequim é que transforma a energia térmica (calorífica) em energia
mecânica. O movimento alternativo (vai e vem) do pistão dentro do cilindro é
transformado em movimento rotativo através da biela e do virabrequim. OS
motores de tratores possuem um ou mais cilindros e um correspondente
número de pistões e bielas.
2.1– Partes e componentes
a) Bloco: é a maior parte do motor e sustenta todas as outras partes.
Nele estão contidos os cilindros, geralmente em linha nos motores de tratores
de rodas. São normalmente construídos de ferro fundido, mas a este podem
ser adicionados outros elementos para melhorar suas propriedades.
Alguns blocos possuem tubos removíveis que formam as paredes dos
cilindros, chamadas de “camisas”. Estas camisas podem ser “úmidas” ou
“secas”, conforme entrem ou não em contato com a água de refrigeração do
motor.
Figura1– Bloco do motorFonte: http://wp.ufpel.edu.br/mlaura/files/2013/01/Apostila-de-Motores-a-Combust
%C3%A3o-Interna.pdfb) Cabeçote: este componente fecha o bloco na sua parte superior, sendo
que a união é feita por parafusos. Normalmente, é fabricado com o mesmo
material do bloco. Entre o bloco e o cabeçote existe uma junta de vedação.
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Figura 2 – CabeçoteFonte: http://wp.ufpel.edu.br/mlaura/files/2013/01/Apostila-de-Motores-a-Combust
%C3%A3o-Interna.pdf
c) Cárter: o cárter fecha o bloco na sua parte inferior e serve de depósito
para o óleo lubrificante do motor. Normalmente, é fabricado de chapa dura, por
prensagem.
Figura3 – CárterFonte: http://wp.ufpel.edu.br/mlaura/files/2013/01/Apostila-de-Motores-a-Combust
%C3%A3o-Interna.pdf
d) Pistão (êmbolo): é a parte do motor que recebe o movimento de exp
ansão dos gases. Normalmente, é feito de ligas de alumínio e tem um
formato aproximadamente cilíndrico. No pistão encontram-se dois tipos de
anéis:
d.1) anéis de vedação – estão mais próximos da parte superior (cabeça)
do pistão;
d.2) anéis de lubrificação – estão localizados na parte inferior do pistão e
têm a finalidade de lubrificar as paredes do cilindro. O pistão liga-se à biela
através de um pino. O pino é normalmente fabricado de aço cementado. Figura
6
Figura 4 – Partes do pistãoFonte: http://wp.ufpel.edu.br/mlaura/files/2013/01/Apostila-de-Motores-a-Combust
%C3%A3o-Interna.pdf
e) Biela: é a parte do motor que liga o pistão ao virabrequim. É fabricado
de aço forjado e divide-se em três partes: cabeça, corpo e pé. A cabeça é
presa ao pistão pelo pino e o pé está ligado ao virabrequim através de um
material antifricção, chamado casquilho ou bronzina.
Figura 5 – BielaFonte: http://wp.ufpel.edu.br/mlaura/files/2013/01/Apostila-de-Motores-a-Combust
%C3%A3o-Interna.pdf
f) Virabrequim: é também chamado de girabrequim ou árvore de
manivelas. É fabricado em aço forjado ou fundido. Possui mancais de dois
tipos:
f.1) excêntricos – estão ligados aos pés das bielas;
f.2) de centro – sustentam o virabrequim ao bloco.
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Figura 6 – VirabrequimFonte: http://wp.ufpel.edu.br/mlaura/files/2013/01/Apostila-de-Motores-a-Combust
%C3%A3o-Interna.pdf
g) Volante: é constituído por uma massa de ferro fundido e é fixado no
virabrequim. Acumula a energia cinética, propiciando uma velocidade angular
uniforme no eixo de transmissão do motor. O volante absorve energia durante
o tempo útil de cada pistão (expansão devido à explosão do combustível),
liberando-a nos outros tempos do ciclo (quando cada pistão não está no tempo
de potência), concorrendo com isso para reduzir os efeitos de variação do
tempo do motor.
h) Válvulas: existem dois tipos de válvulas: de admissão e de escape. Elas
são acionadas por um sistema de comando de válvulas. O movimento do
virabrequim é transmitido para o eixo de comando de válvulas por meio de
engrenagens. O eixo de comando de válvulas liga-se por uma vareta ao eixo
dos balancins. Este, por sua vez, é que acionará as válvulas. 9 A abertura e o
fechamento das válvulas estão relacionadas com o movimento do pistão e com
o ponto de injeção, de modo a possibilitar o perfeito funcionamento do motor.
As engrenagens da distribuição podem ter uma relação de 1:2, o que significa
que cada rotação da árvore de manivelas corresponde a meia rotação da
árvore de comando de válvulas.
8
Figura 7 – VálvulasFonte: http://wp.ufpel.edu.br/mlaura/files/2013/01/Apostila-de-Motores-a-Combust
%C3%A3o-Interna.pdf
i) Partes complementares: são os sistemas auxiliares indispensáveis ao
funcionamento do motor: sistema de alimentação de combustível, sistema de
alimentação de ar, sistema de arrefecimento, sistema de lubrificação e sistema
elétrico.
2.2-Tipos de motores
a) Classificação Segundo o tipo de movimento:
a.a. Motores de movimento alternativo: Os motores de movimento
alternativo, vulgarmente utilizados nos veículos automóveis, têm como princípio
de funcionamento o movimento alternativo do êmbolo no interior do cilindro que
transmite, através da biela, um movimento circular à cambota. A sequência de
operações – admissão, compressão, expansão e escape – realiza-se num ciclo
de 4 movimentos do êmbolo, motor de 4 tempos, ou num ciclo de 2
movimentos do êmbolo, motor de 2 tempos.
Motor a 4 tempos a gasolina:
1º Tempo – Admissão
Válvula de admissão está aberta (válvula esquerda da fig.8);
Válvula de escape está fechada (válvula direita da fig.8).
Ao descer, o pistão aspira a mistura ar-gasolina doseada pelo
carburador (como indica a seta da fig.8).
9
O cilindro da câmara de explosão encontra-se a uma pressão um
pouco mais baixa do que a pressão atmosférica normal.
Fig. 8 – Admissão (alterado de http://www.pion.sbfisica.org)
2º Tempo - Compressão
Válvula de admissão (válvula esquerda da fig.9) e de escape estão
fechadas (válvula direita da fig.9).
O pistão, por efeito da energia cinética acumulada pelo volante na
fase anterior, sobe (sai do PMI – Ponto Morto Inferior) e comprime a
mistura ar-gasolina, como indica a seta da fig.9.
O volume da mistura inicial é reduzido ao volume da câmara de
explosão; conseqüentemente aumenta a pressão.
Fig. 9 – Compressão (alterado de http://www.pion.sbfisica.org)
3º Tempo – Explosão-expansão
10
Válvula de admissão (válvula esquerda da fig.10) e de escape
permanecem fechadas (válvula direita da fig.10).
Um pouco antes de o pistão ter atingido o topo (PMS – Ponto Morto
Superior), salta a faísca da vela de ignição que provoca a inflamação
e combustão da mistura.
A temperatura e a pressão elevam-se bruscamente, atingindo o
máximo valor.
O pistão é empurrado para baixo, como indica a seta da fig.10
Fig. 10 – Explosão-expansão (alterado de http://www.pion.sbfisica.org)
4º Tempo – Escape (ou Descarga)
Válvula de admissão está fechada (válvula esquerda da fig.11);
Válvula de escape é aberta (válvula direita da fig.11).
Antes do pistão ter atingido o fundo do cilindro, PMI, abre-se a válvula
de escape: a pressão, descendo bruscamente ao valor da pressão
atmosférica, imprime aos gases combustíveis a velocidade de saída do
cilindro (escape espontâneo).
O pistão, por efeito da energia armazenada pelo volante, sai do PMI,
como indica a seta da fig.11, e completa o escape dos gases
combustíveis (escape forçado).
11
Fig. 11 – Compressão (alterado de http://www.pion.sbfisica.org)
Motor a 4 tempos a gas-óleo:
1º Tempo – Admissão
Válvula de admissão aberta (válvula esquerda da fig.12);
Válvula de escape fechada (válvula esquerda da fig.12).
O pistão, ao descer do PMS, como indica a seta da fig.12, aspira
o ar do exterior que é depurado através da passagem pelo filtro e
enche o cilindro a uma pressão um pouco mais baixa do que a
atmosférica.
Fig. 12 – Admissão (retirado de O Automóvel – Curso Técnico, Vol.1,
Domenico Lucchesi)
2º Tempo – Compressão
12
Válvula de admissão (válvula esquerda da fig.13) e de escape
(válvula esquerda da fig.13) estão fechadas.
O pistão, por efeito da energia cinética acumulada pelo volante
durante a fase anterior, sobe do PMI e comprime o ar na câmara
de compressão.
Devido à compressão, a temperatura do ar atinge
aprovimadamente 600ºC.
Fig. 13 – Compressão (retirado de O Automóvel – Curso Técnico, Vol.1,
Domenico Lucchesi)
3º Tempo – Combustão-expansão
As válvulas de admissão (válvula esquerda da fig.14) e de escape
(válvula direita da fig.14) permanecem fechadas.
Um pouco antes de o pistão atingir o PMS, o gasóleo é injectado
numa finíssima pulverização por meio da bomba de injecção.
Dada a elevada temperatura do ar comprimido, o gasóleo inflama-
se espontaneamente (sem necessidade de velas de ignição) e os
produtos da combustão expandem-se impelindo o pistão para
baixo.
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Fig. 14 – Admissão (retirado de O Automóvel – Curso Técnico,
Vol.1, Domenico Lucchesi)
4º Tempo – Escape
Válvula de admissão fechada (válvula esquerda da fig.15);
Válvula de escape (válvula direita da fig.15) aberta.
Antes de o pistão ter alcançado o PMI, abrese a válvula de
escape: os gases queimados são descarregados para a
atmosfera (escape espontâneo).
Devido à energia cinética do volante, o pistão sobe do PMI,
completando o escape dos gases queimados (escape forçado).
Fig. 15 – Escape ( retirado de O Automóvel – Curso Técnico, Vol.1, Domenico
Lucchesi)
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Motor a 2 tempos a gasolina: Estes motores não possuem válvulas
mas sim orifícios ou fendas nas paredes do cilindro Motor:
1 – Cabeça do Cilindro
2 – Orifício de escape dos gases queimados
3 – Orifício de introdução da mistura fresca no cárter
4 – Cárter estanque de pressão
5 – Atletas para o arrefecimento da cabeça do cilindro
6 – Deflector na cabeça do pistão
7 – Orifício de passagem da mistura do cárter.
Fig. 16 – Motor a 2 tempos a gasolina (alterado de O Automóvel –
Curso Técnico, Vol.1, Domenico Lucchesi)
1º Tempo – curso de descida do pistão
Quando ocorre a ignição, a mistura gasolina-ar explode e expande-se,
empurrando o êmbolo para baixo, como indica a seta da fig.17. Depois
do pistão tapar o oríficio a, da figura, exerce uma compressão no cárter
da mistura que foi aspirada no cilindro.
Quando se dirige para o fim do curso de descida, o pistão destapa o
orifício s, como representado na fig.17, pelo qual os produtos da
combustão são expelidos violentamente para o exterior devido à
apreciável diferença de pressão no interior do cilindro e na atmosfera.
Simultaneamente, ou com um pequeno atraso em relação à abertura do
orifício s de escape, o pistão destapa o orifício t de passagem, como
representado na fig.17: a nova mistura comprimida no cárter passa para
o cilindro, permite o escape dos gases residuais (lavagem) e enche o
cilindro.
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Fig. 17 – Motor a 2 tempos a gasolina – 1º tempo - (alterado de O Automóvel –
Curso Técnico, Vol.1, Domenico Lucchesi)
2º tempo – curso de subida do pistão
O pistão, ao subir no sentido da seta na fig.18, tapa primeiramente o
orifício t de passagem e a seguir o s de escape, como indicado na
figura.
A mistura que ainda se conseva no cárter expande-se e a pressão
diminui.
Quando o pistão destapa o orifício a de alimentação, como
representado na fig. 18, a mistura fresca doseada pelo carborador
passa para o cárter devido à depressão criada pelo movimento de
subida do pistão. A pressão no cárter aumenta.
O êmbolo sobe, fechando a janela de escape, s, como é visível na
fig.18 e comprimindo a mistura. Na vela salta a faísca e repete-se o
ciclo.
Figura 18– Motor a 2 tempos a gasolina – 2º tempo (alterado de O Automóvel –
Curso Técnico, Vol.1, Domenico Lucchesi)
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Motor a 2 tempos a gasóleo: Nos motores deste tipo o ciclo é realizado
numa rotação completa da árvore de manivelas ou cambota, isto é,
apenas com dois cursos do pistão, exactamente como acontece nos
motores a gasolina a 2 tempos.
1º tempo – curso de descida do pistão
Um pouco antes de o pistão ter atingido o PMS (Ponto Morto
Superior) na fase de compressão, inicia-se a distribuição do
gasóleo pulverizado. Este, ao entrar em contacto com o ar a alta
temperatura, anteriormente comprimido no cilindro, inflama-se
espontaneamente e expande-se, impelindo o pistão para baixo.
Pouco depois da metade do curso da descida, destapa-se o
orifício de escape (S) e os gases queimados são expulsos para a
atmosfera. Com um leve atraso em relação a S, destapam-se os
orifícios de varredura, pelo que o ar, impelido pelo compressor,
entra no cilindro, completando o escape dos gases queimados e
enchendo o cilindro de ar.
Fig. 19 – Motor a 2 tempos a gasóleo – 1º tempo (alterado de O Automóvel –
Curso Técnico, Vol.1, Domenico Lucchesi)
2º tempo – curso de subido do pistão
Por efeito da energia acumulada no volante durante o curso
anterior, o pistão sai do PMI (Ponto Morto Inferior). Para que o
pistão não feche os orifícios de varredura e de escape, o ar
insuflado pelo compressor completa a varredura e a alimentação
do cilindro. Assim que os referidos orifícios se fecham, inicia-se a
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compressão do ar. Com um pequeno avanço em relação ao PMS,
o gasóleo é injectado e repete-se o ciclo
Fig. 20 – Motor a 2 tempos a gasóleo – 2º tempo (alterado de O Automóvel –
Curso Técnico, Vol.1, Domenico Lucchesi)
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Conclusão
Conclui-se que os motores são de grande importância para a vida das pessoas,
pois elas são dependentes dos veículos seus carros, caminhões, motos e
outros veículos automotores, os quais são movidos por motores de combustão
interna. Para que esses motores funcionem perfeitamente, suas peças
precisam estar alinhadas milimetricamente e com as suas manutenções em
dia, pois o motor é formado por um conjunto de peças, as quais são igualmente
importantes para o seu funcionamento.
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Referências Bibliográficas
Apostila de Motores a Combustão-Interna, Disponível em: < http://wp.ufpel.edu.br/mlaura/files/2013/01/Apostila-de-Motores-a-Combust%C3%A3o-Interna.pdf r/>
Motores a combustão interna, Disponível em:
<http://paginas.fe.up.pt/~projfeup/cd_2009_10/relatorios/R507.pdf>
Motores a combustão interna, Disponível em:
<http://www.coladaweb.com/fisica/mecanica/motores-de-combustao-interna
LUCCHES,. O Automóvel – Curso Técnico, (2006), Volume 1.