MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA CURSO MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Professor Engº MS Paulo Sérgio AEA- Unip Junho/2009

Motor a combustão Video

Máquinas de Leonardo da Vinci (1452-1519) Máquina voadora

Máquinas de Leonardo da Vinci (1452-1519) Máquina para levantar peso (macaco)

Máquinas de Leonardo da Vinci (1452-1519) Planador

Máquinas de Leonardo da Vinci (1452-1519) Hélice

Máquinas de Leonardo da Vinci (1452-1519) Sistema para andar sob água

Máquinas de Thomas Newcomen (1712) Bomba de drenagem

Máquinas de James Watt (1736-1819) Máquina a vapor

Máquinas de James Watt (1736-1819) Barco a vapor

Máquinas de James Watt (1736-1819) Locomotiva a vapor

Máquinas de James Watt (1736-1819) Controlador centrífugo de rotação (“feedback” )

Máquinas de James Watt (1736-1819) Barco

Máquinas de James Watt (1736-1819) Máquina a vapor

Newcomen X Watt elevar a temperatura do vapor expansão com resfriamento rápido

Horse Power Como o novo aparelho substituía os cavalos, para dar ao comprador uma idéia de sua capacidade, a potência era expressa pelo número de cavalos que podia substituir. Nasceu desse modo a expressão “Horse Power", que em inglês significa potência de cavalos.

HISTÓRICO DO MOTOR DIESEL Francês Nicolas Leonard S Carnot (1824) Francês Beau de Rochas (1862) - 4 tempos Americano Brayton (1872) petróleo bruto Alemão Nicolas Otto (1876) Alemão Rodolphe Diesel (1892)

Primeiras conquistas Diesel (1897) 20 HP, 172 RPM, D = 25 mm, s= 400 mm, consumo específico de 247 g/Cvh e rendimento térmico de 26,2%) valor este, superior aos motores de 4 tempos a gasolina que apresentavam apenas 20% e muito superior ao das máquinas a vapor cujo rendimento térmico era de 10%. Utilizava injeção de benzina para as primeiras explosões, e petróleo bruto na seqüência.

Evolução história do motor a Diesel L'Orange (1907) - Injeção mecânica direta Fabricação pela Deutz (1912) Navios de grande calado (1914-Grande Guerra) Peugeot, 1921, (automóvel) 2 cilindros potência de 16 C.V a 1200 rpm e sistema de injeção mecânica. Não comercializado. Veículos pesados (1930) Mercedes e Peugeot (1945) - Robert Bosch

As 4 fases do ciclo Otto 2 tempos Video Video

As 4 fases do ciclo Otto 4 tempos Video

As 4 fases do ciclo Diesel Video

CICLO CARNOT (TERMODINÂMICA) Primeiro processo - Compressão isotérmica reversível Segundo processo - Compressão adiabática reversível Terceiro processo - Expansão isotérmica reversível Quarto processo - Expansão adiabática reversível

CICLO CARNOT (TERMODINÂMICA)

CICLO OTTO (TERMODINÂMICA) ADMISSÃO: Pistão parte do PMS e vai ao PMI admitindo, com válvula de admissão aberta e com a de escapamento fechada, a mistura ar combustível previamente dosada por um carburador ou por um sistema de injeção COMPRESSÃO ISOENTRÓPICA (1-2): O pistão parte do PMI e vai ao PMS com as válvula de escapamento e a de admissão fechadas comprimindo a mistura COMBUSTÃO (2-3): Estando o pistão no ponto morto superior (PMS) ocorre a injeção de uma faísca elétrica proveniente da vela de ignição que inicia a queima propriamente dita, aumentando a pressão da mistura fluídica admitida, forçando o pistão para o ponto morto inferior.

CICLO OTTO (TERMODINÂMICA) EXPANSÃO (3-4): O produto pressão vezes área gera uma força atuante na cabeça do pistão que acaba disponibilizando torque e potência. Neste movimento, ambas as válvulas permanecem fechadas. ESCAPAMENTO (4-1): O pistão parte do PMI volta ao PMS com a válvula de escapamento aberta lançando os gases queimados para a atmosfera e

Diagramas do ciclo Otto Diagrama temperatura X volume específico Diagrama pressão X volume específico

CICLO OTTO DE 2 X 4 TEMPOS Características 2 tempos 4 tempos Menor peso X Maior consumo Maior emissão de poluentes Maior durabilidade Maior simplicidade

CICLO DIESEL Primeira fase - Compressão adiabática (1-2) - O ar puro aspirado do meio ambiente é comprimido até atingir a temperatura de auto ignição do combustível injetado. Nesta fase, a válvula de admissão e de escapamento estão fechadas Segunda fase - Expansão isobárica (2-3) - Devido a expansão, a pressão deveria diminuir, porém nesta fase, o combustível é injetado e a combustão ocorre elevando a pressão. Estes dois fatos são controlados de tal sorte que a expansão resultante se dá a pressão constante. Nesta fase, a válvula de admissão e a de escapamento está fechada Terceira fase - Expansão adiabática (3–4) - A expansão prossegue sem “nenhuma” troca de calor. As válvulas permanecem fechadas. Quarta fase- Expansão a volume constante (4–1) - A abertura repentina da válvula de escapamento produz uma queda muito rápida da pressão e no final desta fase o pistão encontra-se no ponto morto inferior.

Diagramas do ciclo diesel temperatura x entropia pressão X volume específico

DIFERENÇAS ENTRE O CICLO OTTO E O CICLO DIESEL Sob o ponto de vista mecânico: Não existem grandes diferenças entre esses dois tipos de motores. excetuado a resistência mecânica dos componentes que é bem maior nos motores a Diesel pois estão expostos a maiores esforços Sob o ponto de vista termodinâmico: Ciclo Otto: a mistura é introduzida na fase de admissão na correta proporção ar combustível x admissão somente de ar Ciclo Otto, o início da combustão se dá pela injeção de uma faísca de alta tensão lançada pela vela de ignição, x injeção do combustível finamente pulverizado Ciclo Otto: Taxa de compressão varia de 8 a 12 X 14 a 23 Ciclo Otto :Mais leve que o Diesel para uma mesma potência, Ciclo Otto: Maiores rotação que o Diesel .A introdução do combustível no final da compressão, não disponibiliza tempo suficiente para a ocorrência de uma combustão completa

MOTORES ROTATIVOS CICLO BRAYTON Video

Ciclo Brayton processos termodinâmicos pressão volume especifico temperatura x entropia Compressão Isoentrópica (1-2) Expansão isobárica (2-3) Expansão isentrópica (3-4) Compressão isobárica (4-1)

Rotativo X Alternativo Aspectos termodinâmicos Contínua produção de potência, X alternância entre tempos motor e tempo não motor Turbina a gás: elevado consumo de combustível Turbina a gás: elevada potência com baixo peso de equipamento

Rotativo X Alternativo Aspectos Mecânicos Vantagens Poucos mancais de apoio a serem lubrificados Poucas peças móveis Menores dimensões do que as de um motor a pistão de igual potência Pouca vibração permitindo trabalhar em rotações elevadas algo em torno de 10000 rpm. Desvantagens Partida demorada Variação lenta de rotação Não funciona bem em baixas rotações Custo e consumo de combustível elevado

Rotativo Curiosidades Turbina aciona o compressor, acessórios, hélice (motor turbo hélice) e fans (motores turbo fan). Cerca de 1/4 energia cinética contida nos gases de escapamento é utilizada para acionar o compressor As palhetas estão sujeitas a elevadas tensões térmicas e mecânicas sendo construídas com materiais muito nobres. Podem ser ocas possibilitando a refrigeração por parte do ar desviado do compressor. A área formada pelos bocais do estator é a parte mais critica em uma turbina. Se for grande a turbina não funcionará com boa eficiência, e se pequena os bocais ficam facilmente bloqueados e haverá perda de tração nas condições máximas de operação do motor. A saída dos gases de escapamento no motor a reação é de muita importância para a melhor performance do motor, especialmente no motor turbo jato, em que a velocidade dos mesmos é uma variável importante no valor do empuxo produzido.

Rotativo Curiosidades A temperatura dos gases que chegam ao sistema de escapamento varia entre 550º C a 850º C conforme o tipo de motor. Os motores turbo hélice e turbofan são os que têm temperaturas mais baixas nos gases de escapamento. Nos motores com queimador posterior (afterburner), a temperatura dos gases chega a atingir valores superiores a 1.200º C. Um motor equipado com duto do tipo convergente-divergente produz mais empuxo do que o mesmo motor com duto somente convergente, pois o primeiro consegue lançar os gases de escapamento na atmosfera a maiores velocidades. As fontes principais de ruído dos motores a jato são: admissão de ar; turbilhonamento do ar no compressor e a saída dos gases de escapamento, sendo este o de maior efeito. Os níveis de ruído acima de 120 dB são responsáveis por danos físicos nos homens.

Rotativo Curiosidades Sistema de reversão dos gases de escapamento, o que significa inversão do seu sentido de escoamento. Nos motores turbo hélice a reversão é conseguida pela mudança do passo da hélice, mudando o sentido da tração ou então pelo sistema de colocar a hélice em passo chato ou passo de tração nula que aumenta o arrasto do avião. As conchas defletoras são comandadas por meio de atuadores pneumáticos. Quando as conchas defletoras são abertas, os gases saem por aberturas que os dirigem num ângulo de 45 graus em relação a direção normal de saída. O melhor sentido seria para frente, porem o gás de escapamento seria sugado pelo motor, o que causaria transtornos na operação do mesmo. O empuxo do sistema reversor vale aproximadamente a metade do empuxo normal.

Rotativo Curiosidades O sistema de supressão de ruído nos motores a reação utiliza diferentes sistemas de amortecimento, todos com finalidade de reduzir o volume sonoro dos gases. Uma das técnicas é misturar parte do ar desviado do compressor com os gases queimados. O supressor de ruído tem a função de acelerar a mistura do ar com os gases queimados para reduzir o nível de ruído. No início do desenvolvimento dos aviões a jato, utilizou-se pára-quedas que se abriam tão logo o avião tocasse no solo, fazendo assim com que a resistência ao avanço aumentasse e a distância de aterrissagem ficasse reduzida. Os métodos de mudança de direção do fluxo de gases, para produzirem a reversão são vários, sendo o mais usado o que utiliza ejetor retrátil, com conchas defletoras e o tipo conchas defletoras articuláveis.

MOTOR WANKEL Video

Wankel Características Metade do tamanho e ¾ do peso de um motor convencional equivalente. 60% menos peças. Para se ter uma idéia, um motor tradicional de seis cilindros tem mais de 250 componentes, já um Wankel bi-rotor tem cerca de 80 Baixíssimos níveis de vibração, a baixa relação peso-potência, altas rotações, a curva de torque constante , baixas emissões de óxidos de nitrogênio (NOx) Difícil hermeticidade do pistão Consumo de combustível mais elevado 10 a 20% a mais Maiores taxas de emissão de poluentes, principalmente monóxido de carbono (CO) Outra dificuldade é relativa a dificuldade de arrefecimento, tanto da carcaça epitrocóide quanto do próprio rotor As carburação e a ignição, especialmente no sentido de se obter uma marcha lenta uniforme e uma emissão mínima de gases não queimados

Wankel Características Elevado consumo de óleo. Mistura do óleo no combustível, 0,5 litro a 1 litro cada 1000 km acaba gerando uma lubrificação desperdiçada, tal como ocorre nos motores convencionais de dois tempos, além do grande volume da sua câmara de combustão também tende a causar ineficiência termodinâmica, uma vez que a vela de ignição geralmente está em um dos extremos dessa câmara. A Mazda contorna esse problema com o uso de duas ou até três velas de ignição Dificuldade de partida em clima frio Pouco torque em baixas rotações

Motor Wankel

Caso de sucesso motor de 654 x 2 cm³ com um sistema avançado de injeção direta de hidrogênio (a admissão é apenas de ar). 1993, Mazda HR-X2 Potência máxima de 130 C.V. a 6.000 rpm e torque máximo de 170 Nm a 4.000 rpm. Autonomia de 230 km por abastecimento, (velocidade média de 60 km/h)

PRINCIPAIS VEÍCULOS EQUIPADOS COM WANKEL 1964 - NSU Spider 1967 - Mazda Cosmo Sport l l OS 1968 - NSU Ro8O 1969 - Mercedes-Benz Cl l l - protótipo 1970 - Mazda RX 1970 - Citroen M35 - protótipo 1970 - BSA - motocicleta protótipo 1970 - DKW - motocicleta 1972 - Chevrolet Corvefte - protótipo

PRINCIPAIS VEÍCULOS EQUIPADOS COM WANKEL 1972 - Yamaha - motocicleta protótipo 1972 - DKW - motocicleta 1973 - Datsun 1200 - protótipo 1973 - Audi 3 - protótipo 1973 - Citroen GS 1973 - Suzuki RE5 - Motocicleta 1978 - Mazda RX-7 1983 - Norton RC588 - motocicleta 1989 - Mazda RX-7 Bi turbo 1991 - Lada - veículo policial 1991 - Mazda 787B Le Mans - carro de competição

Posições do Pistão

Cilindrada unitária

Cilindrada do motor

Relação de compressão ou taxa de compressão

Exemplo 1 Calcular a taxa de compressão de um motor 4 cilindros cuja cilindrada somada ao volume da câmara de combustão é 1330 cm³. O diâmetro do cilindro é 80 mm e o curso é 60 mm.

Exemplo 2 Calcular o aumento de taxa de compressão de um motor de 300 cm³ de cilindrada unitária quando o cabeçote sofre um rebaixamento diminuindo o volume da câmara de combustão de 20 cm³ para 15 cm³. Resposta 5:1

Torque momento ou conjugado medido na saída da árvore de manivelas (virabrequim) valor teórico pode ser estimado por cálculos, mas o real deve ser medido usando-se um equipamento chamado dinamômetro para motores de combustão interna

Potência efetiva

Potência de atrito Potência consumida na forma de atritos pelos diversos componentes internos tais como bielas, pistões virabrequim, eixo comando de válvulas e etc Medida em dinamômetros de motores de combustão interna Dinamômetros reversíveis são capazes de acionar o motor de combustão interna quando este está desligado, oferece o valor da potência de atrito de forma mais prática Teste de Morse : Determinação da potência de atrito de forma mais trabalhosa. No ensaio as medições são feitas desligando-se cilindro a cilindro e com a correção da carga do dinamômetro

Potência Indicada

Rendimento Térmico Indicado

Ciclo Otto rendimento térmico teórico

Ciclo Diesel rendimento térmico teórico

Exemplo 3 Calcular o rendimento de um motor do ciclo Otto cuja taxa de compressão é 7 considerando K=1,37. Resposta 51%

Exemplo 4 Calcular o rendimento térmico de um ciclo Diesel que tem a temperatura inicial de 30ºC e a final de 800ºC. Considere a taxa de compressão de 22 e k=1,39 Resposta 40%

Rendimento Mecânico

Rendimento Global

Rendimento volumétrico

Relação combustível-ar

Fração relativa combustível ar

Consumo específico de combustível

Pressão Média

Exemplo Calcular a pressão média de um motor de 1800 cm³, 4 tempos, com potência máxima indicada de 80 CV, quando operando a 5000 rpm. Resposta: 8 kgf/cm²

Motor ideal

Modelo de gás ideal

Energia interna por unidade de massa

Entalpia por unidade de massa

Entropia Específica

Calor específico à volume constante para gás perfeito

Calor específico à pressão constante para gás perfeito

Relação entre os calores específicos

1ª Lei da Termodinâmica para Volume de Controle

Exercício Um motor de combustão interna, 4 tempos com diâmetro de pistão de 3,5 polegadas, curso de 3,75 polegadas, e 6 cilindros está sendo ensaiado num dinamômetro que a 3300 rpm indicou uma forca de 273 N aplicada a uma distância de 0,717 m. Foi feito o ensaio de potência de atrito e a força para a mesma rotação foi de 110 N. Determinar: a) Qual é o torque efetivo do motor na rotação de ensaio? b) qual é a potência efetiva? c) qual é a potência de atrito? d) Qual é o rendimento mecânico? e) qual é a cilindrada do motor ? f) qual a pressão média indicada? g) Qual é a pressão média efetiva?

Exercício Um ciclo Otto padrão a ar, opera com a taxa de compressão igual a 8. O ar admitido está a pressão atmosférica normal de 101,3 kPa abs. e 27 º C. Fornece-se 2970 kJ/kg de ar sob forma de calor .Determinar : a) O rendimento térmico teórico do ciclo b) O trabalho específico teórico que o ciclo pode fornecer c) As pressões e temperatura em cada ponto do ciclo d) A pressão media Respostas a) 56% b) 1677 kW c) ponto 1- 101,3; 300; 0,85 (kPa abs.; K; m³/kg ) ponto 2- 1862;689,2;0,11 (kPa abs.; K;m³/kg ) ponto 3- 13067;4837;0,11 (kPa abs. ; K;m³/kg) ponto 4- 711;2100;0,88; (kPa abs.; K;m³/kg ) d) 2255 kPa abs.

Exercício Um motor trabalha com 0,97 kg de ar novo e 0,03 de gases residuais, taxa de compressão de 8, recebendo 2970 kJ/kg de ar novo. No inicio da compressão a temperatura é 60 º C e a pressão 101,3 kPa abs. Determinar : a) A pressão e temperatura em cada ponto do ciclo considerando como valor de, a média aritmética no intervalo de temperatura considerado. b) O trabalho efetivo c) O rendimento térmico d) A pressão média efetiva. Dados: no intervalo de 300 a 750 ºK no intervalo de 3700 a 2000 ºK a temperatura dos gases residuais considerando

Principais componentes

Motor em Linha BMW Video

Cilindros em “V” Video

Cilindros opostos Video

Bloco

PISTÕES

Pistão - Características A folga entre o êmbolo e o cilindro - milésimos de milímetro Canaletas - alojam anéis de segmento – são pressionados contra a parede do cilindro para uma perfeita vedação Permite dilatações Alumínio - motor menor cilindrada e rotação mais elevada Aço ou ferro fundido - motor de grande porte e baixa rotação de operação ligas de alumínio - Cobre Níquel, Ferro e Silício Forjados - mais leves e 30% maior de resistência mecânica Fundido - geometrias mais complexas

Pistão - Características A forma ligeiramente cônico e oval Na largura maior da "elipse" é que se mede o seu diâmetro Duas partes: cabeça e saia Consumo de combustível mais elevado 10 a 20% a mais Topo do pistão plano: facilidade de usinagem Topo do pistão côncava: Diesel com injeção direta Topo do pistão irregular - motores 2 tempos - entrada da mistura nova e dos gases queimados Motores pequenos de 4 tempos côncava, convexa ou irregular

Pistão - Características Elevada resistência mecânica: Motor Diesel aspirado com diâmetro de pistão 100 mm a força na ordem de 8 ton Boa resistência térmica: No pico da combustão a temperatura chega em torno de 2 000 °C Elevada resistência ao desgaste: Para motores de automóveis velocidade do pistão é na ordem de 18 m/s. Boa condutibilidade térmica: O calor gerado dispersa rapidamente Deve ser bem leve para diminuir a inércia do sistema Montagem do pino munhão ao pistão: Fixa , Oscilante e Flutuante

DEFORMAÇÕES TÉRMICAS

DEFORMAÇÕES MECÂNICAS

PRINCIPAIS FALHAS PREMATURAS EM PISTÕES

CILINDROS OU CAMISAS

Cilindros removíveis Número de retifica praticamente infinito Seco: Parede de pequenas espessuras sem o contato direto com o fluido de arrefecimento - Menor tolerância de usinagem Úmido: Parede externa tem contato direto como o fluido de arrefecimento. Anéis de borracha fazem uma perfeita vedação entre as paredes do bloco e o cilindro - Melhor refrigeração Tratamentos especiais para evitar a corrosão e a cavitação Diferente material do bloco – usa-se ligas especiais Facilidade na execução dos tratamentos térmicos e químicos

Camisas aletadas Motores arrefecidos a ar (Fusca, Brasília e motos)

Desgaste dos cilindros Material abrasivo contido no combustível Material abrasivo contido no óleo lubrificante Qualidade da lubrificação Superaquecimento do motor Sobrecargas e regime de rotações elevadas Baixa pressão de óleo

INFLUÊNCIA DO TAMANHO DO CILINDRO Cilindros de pequenos diâmetros – redução dos tamanhos e peso - ganho de eficiência da combustão A cilindrada menor - menor tempo de enchimento - maior eficiência volumétrica Multivávula - melhora o enchimento dos cilindros Multivávulas em baixa - perda de inércia dos gases Maior diâmetro, velocidade e potência específica - aumenta blow by Baixa pressão de óleo

ANÉIS DE SEGMENTO Diâmetro Nominal = diâmetro interno do cilindro Folga entre pontas

ANÉIS DE SEGMENTO Vedação da câmara de combustão Transmitir o calor para as paredes do cilindro e destes para o sistema de arrefecimento Controlar a lubrificação dos cilindros Materiais utilizados - alta resistência mecânica (aço e do Ferro Fundido Nodular), tratamento superficial (fosfatização, oxidação negra ou eletrodeposição de uma camada de cromo) TOP (superior) Anéis raspadores de óleo: excesso óleo lubrificante - Ferro fundido cinzento

DEFEITOS DOS ANÉIS Montagem invertida Anéis quebrados Folga excessiva de canaletas Riscos na camisa Mau funcionamento - fumaça azulada e independente da aceleração ou desaceleração

BIELAS Fundida em ferro Competição - bielas forjadas ligas de titânio Sinterizadas

BRONZINAS OU CASQUILHOS reter um filme de óleo lubrificante elemento de sacrifício Sobre medida - 0,025 mm; 0,050 mm; 0,075 mm e raramente 1 mm Camadas - Base de aço Camada de liga níquel

Falhas em Bronzinas Partículas estranhas no óleo Sobrecarga mecânica e/ou térmica

FALHAS PREMATURAS EM BRONZINAS Fadiga generalizada Corrosão

FALHAS PREMATURAS EM BRONZINAS Folga axial Corpo estranho

FALHAS PREMATURAS EM BRONZINAS Biela Torcida Capas Invertidas ou trocadas

FALHAS PREMATURAS EM BRONZINAS Furo de óleo não alinhado

Cabeçote face inferior é retificada garantir uma perfeita vedação entre ele e o bloco

Válvula

Válvula - Excesso de Temperatura

Válvula – Perda de carga 1- Atrito nas paredes 4% 2- Contração do fluxo 2% 3- Curvas da guia de válvula 11% 4,5,6- Cantos 35% 7- Curva na saída da válvula 17%8 8- Expansão na câmara 31%

Geometria e número de válvulas O diâmetro de cada uma das válvulas está atrelada a área disponível e principalmente ao número de Mach já que este é parâmetro importante na definição do rendimento volumétrico Mach entre 0,5 e 0,6 influencia pouco sobre a queda do rendimento volumétrico Porém, acima de 0,6 a influência é bem maior. A válvula de admissão tem uma importância bem maior no rendimento volumétrico que a de escape, isto explica o porquê ela é maior.

Válvula – Geometria

Comando de Válvulas por correia dentada

Comando de válvulas por corrente

Ângulos importantes

Ângulos importantes Características Comando 1 Angulo de permanência = 234º (14+180+40) Comando 2 Angulo de permanência = 258 (22+180+56) Overlap comando 1 28 Overlap comando 2 44 Melro consumo Maior rotação do motor Menor índice de ruído e vibração Maior rendimento volumétrico Comando n 2 Melhor marcha lenta e maior torque em baixas rotações Comando n.º 1 Maiores temperaturas internas Comando n.º 2

Comando de Válvulas variável VTEC Honda

Tucho de válvulas

Tucho de válvulas

Coletor de admissão variável

Coletor de admissão variável

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