Motores de combustão interna

Introdução Motores de combustão interna são aqueles cuja combustão se verifica no próprio fluido de trabalho (mistura ar-combustível). O motor de combustão interna do ciclo otto foi idealizado em 1862 pelo alemão Nicolaus Otto e são todos os motores que tem como fluido de trabalho a mistura ar - gasolina ou ar – álcool, ou mistura gás natural veicular-ar Em 1892, o engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913) registrou a patente do motor de combustão interna de ciclo Diesel. A característica fundamental deste motor é que o combustível é injetado dentro da câmara de combustão, que já contém o ar aquecido e pressurizado.

MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA - Perspectiva Histórica 1860 - LENOIR, J.J. E. - primeira tentativa - sem compressão prévia da mistura ar + combustível, uns 5000 motores foram fabricados entre 1860 - 1865 , até 6 HP, máxima eficiência 5% Lenoir (1833-1895) desenvolveu o primeiro motor a pistão que foi comercializado. Uma característica singular deste motor é que a combustão acontecia dos dois lados do pistão. O controle de entrada e saída dos gases acontecia por meio de válvulas de admissão e exaustão. O princípio de funcionamento deste motor era o seguinte: gás e ar eram introduzidos no pistão durante a primeira metade do deslocamento do mesmo. A carga era então queimada mediante uma faísca, a pressão aumentava e então os gases queimados empurravam o pistão até o fim do curso do mesmo. Na segunda batida do pistão, os gases de exaustão eram expelidos, enquanto uma nova combustão acontecia do outro lado do pistão. O ciclo era completado com uma segunda batida do pistão, de exaustão. 5000 destes motores foram construídos entre 1860 e 1865, com uma potência de até 6 HP. O melhor valor obtido da eficiência foi em torno de 5%. Foi em 1860 que os motores de combustão interna vieram a ser uma realidade prática. Os primeiros motores comerciais utilizavam misturas de gás de carvão e ar na câmara de combustão, a pressão atmosférica, não havia compressão antes da combustão. Um engenheiro francês, Lenoir (1822-1900), desenvolveu o primeiro motor deste tipo. Em razão da própria combustão, a pressão era aumentada, e os gases quentes impulsionavam um pistão, na corrida de retorno do pistão produzia-se a exaustão, funcionava a menos de 10 revoluções por minuto. Foram construídos 500 motores deste tipo entre os anos de 1860 a 1865, com uma potência de até 6 HP. A melhor eficiência obtida era de 5%.

1867 - NICOLAUS OTTO e EUGEN LANGEN Alemanha com compressão da mistura, uns 10.000 foram fabricados , máxima eficiência11%. Um motor melhor sucedido foi desenvolvido por Nicolaus A Otto (1832-1891) e Eugen Langen (1833-1895), na Alemanha. Foi apresentado na Exposição Industrial de Paris, em 1867. O conceito deste motor era o de “pistão livre”, sendo este pistão impulsionado pela explosão dos gases no cilindro, o pistão estava ligado a um volante através de uma cremalheira e uma engrenagem. No retorno do pistão era produzido trabalho mecânico. O movimento do volante produzia por sua vez a apertura e fechamento de uma válvula de admissão e de ignição. Também neste caso não havia compressão dos gases antes da combustão. Uns 10000 motores deste tipo foram construídos, e dominaram o mercado até a introdução do motor Otto de quatro tempos. A eficiência era de 11%.

1862 - ALPHONSE BEAU DE ROCHAS, patente francesa de um motor de quatro tempos 1876 - NICOLAUS OTTO motor de quatro tempos, reduz 1/3 o peso do motor e 1/16 o curso do pistão, a eficiência aumenta para 14% . As características básicas deste motor são as mesmas dos motores de hoje. 1880 - DUGALD CLERK e JAMES ROBSON (ingleses) KARL BENZ (alemão), desenvolvem o motor de dois tempos Nestes primeiros tipos de motor não havia uma uma compressão prévia da carga de combustível +ar, embora diversos pesquisadores viessem colocando a vantagem de introduzir esta etapa no processo (Lebon, Francês, em 1799; Barnett, inglês, em 1838; Schmidt, alemão, em 1861). Na França, em 1862, Beau de Rochas (1815-1893), listou as condições sob as quais, um melhor desempenho do motor poderia ser obtido: - Menor relação superfície/volume para o cilindro do pistão (cilindro com um diâmetro da mesma ordem de grandeza que seu comprimento) - Processo de expansão o mais rápido possível - Máxima expansão possível - Máxima pressão possível no começo do processo de expansão dos gases dentro do cilindro. As duas primeiras condições visavam reduzir as perdas de calor a uma mínimo, conservando a exergia nos gases de combustão. A terceira e quarta visavam obter o máximo de potência possível. Beau de Rochas também indicou o método de operação desejável num motor de combustão interna: 1.- Admissão durante o deslocamento do pistão “para fora” . 2.- Compressão durante o movimento do pistão “para dentro”. 3.- Ignição da carga de combustível + ar no ponto morto superior do pistão, seguida por expansão durante o deslocamento seguinte do pistão, para fora. 4.- Exaustão durante a corrida seguinte do pistão, para dentro. Este processo é o que é utilizado até hoje. Beau de Rochas patenteou o principio do motor de 4 tempos, em 1862, mas não o desenvolveu comercialmente. Em 1876, o alemão Nicolas Otto, construiu um motor de quatro cilindros, que funcionava com os princípios estabelecidos por Beau de Rochas em 1962. Este motor era bem mais leve e compacto que o anterior, fabricado por Otto e Langen, tinha também uma eficiência maior, 14%. Em 1890 tinham sido construídos uns 50.000 motores deste tipo na Europa e os Estados Unidos. 1892 - RUDOLF DIESEL - data da patente, motor de ignição por compressão demora 5 anos para desenvolver um protótipo comercial 1957 - WANKEL, FELIX - primeiro teste bem sucedido do motor rotativo

1923 – GM disponibilizou comercialmente o chumbo tetraetila, o que permitiu aumentar a taxa de compressao dos motores e a suas potências 1930 – EUGENE HOUDRY desenvolveu o processo de conversão catalítica Do petróleo o que permitiu a obtenção de gasolinas de alta qualidade e alto Grau anti-detonante (KNOCK) 1940 – Torna-se aparente o problema da poluição do ar atmosférico e os Motores de veículos são identificados como os principais emissores de Óxidos de nitrogênio e compostos de hidrocarbonos (FORMAÇÃO DE SMOG) Em 1880, vários engenheiros, (Dugald Clerk, 1854-1913 e James Robson, 1833-1913, na Inglaterra e Karl Benz, 1844-1929, na Alemanha) desenvolveram com sucesso o motor de dois tempos, que tinha a vantagem de produzir potência em cada corrida do pistão. Os motores de dois tempos, menores e mais simples, são indicados para pequenas potências. Embora, este tipo de motor também é utilizado em máquinas de grande porte. Em 1885, James Atkinson, na Inglaterra, construiu um motor com uma corrida do pistão menor para os processos de admissão e compressão e maior para os de expansão e exaustão. Isto levava a uma eficiência maior, mas o motor era mecanicamente mais frágil. Na década 1880-90 foram feitos avanços nos sistemas de ignição e de carburação. A razão de compressão dos motores não podia ser muito elevada à época, em razão da qualidade dos combustíveis, para uma relação de pressões maior que 4, aconteciam detonações no processo de combustão. No final da década estavam disponíveis os primeiros motores a gasolina para automóveis. Na década de 1890-1900 forma construídos grandes motores de 6 cilindros, de 1,3 m de diâmetro, que utilizavam gás de alto forno como combustível, tinham 600 hp e 90 rev/min. Na Inglaterra foram feitas restrições à utilização de gás de baixo poder calorífico, pelo que começou a ser utilizado querosene. Em 1892, o engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913) registrou a patente do motor que leva seu nome até hoje. A característica fundamental deste motor é que o combustível é injetado dentro da câmara de combustão, que já contem o ar aquecido e pressurizado, a combustão da mistura se produz por compressão (combustão espontânea, devido às condições combinadas de pressão e temperatura) e não por uma centelha como no caso do motor de ciclo Otto. Para que a combustão aconteça são necessárias pressões mais altas que no motor Otto. Levaram 5 anos para conseguir o desenvolvimento de um protótipo comercial. Felix Wankel desenvolveu o motor de pistão rotativo, que funcionou com sucesso pela primeira vez em 1957. Mais adiante é descrito o princípio de funcionamento deste motor. 1960 – na Califórnia a primeira legislação que limita as emissões de Poluentes por veículos automotores, seguido de Japão e Europa. Brasil: PROCONVE

1970 – Com a crise do petróleo dos anos 70, surgem novas alternativas De combustíveis como o metanol e o etanol. Brasil: PRÓ-ÁLCOOL. Proibição do chumbo tetraetila, substituição por etanol (AEAC) e MTBE Tecnologia da injeção de combustível: injeção direta e mistura pré-preparada. 1990 – Motores bicombustíveis: diesel + gás, gasolina + gás, gasolina + álcool (AEHC) Em 1880, vários engenheiros, (Dugald Clerk, 1854-1913 e James Robson, 1833-1913, na Inglaterra e Karl Benz, 1844-1929, na Alemanha) desenvolveram com sucesso o motor de dois tempos, que tinha a vantagem de produzir potência em cada corrida do pistão. Os motores de dois tempos, menores e mais simples, são indicados para pequenas potências. Embora, este tipo de motor também é utilizado em máquinas de grande porte. Em 1885, James Atkinson, na Inglaterra, construiu um motor com uma corrida do pistão menor para os processos de admissão e compressão e maior para os de expansão e exaustão. Isto levava a uma eficiência maior, mas o motor era mecanicamente mais frágil. Na década 1880-90 foram feitos avanços nos sistemas de ignição e de carburação. A razão de compressão dos motores não podia ser muito elevada à época, em razão da qualidade dos combustíveis, para uma relação de pressões maior que 4, aconteciam detonações no processo de combustão. No final da década estavam disponíveis os primeiros motores a gasolina para automóveis. Na década de 1890-1900 forma construídos grandes motores de 6 cilindros, de 1,3 m de diâmetro, que utilizavam gás de alto forno como combustível, tinham 600 hp e 90 rev/min. Na Inglaterra foram feitas restrições à utilização de gás de baixo poder calorífico, pelo que começou a ser utilizado querosene. Em 1892, o engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913) registrou a patente do motor que leva seu nome até hoje. A característica fundamental deste motor é que o combustível é injetado dentro da câmara de combustão, que já contem o ar aquecido e pressurizado, a combustão da mistura se produz por compressão (combustão espontânea, devido às condições combinadas de pressão e temperatura) e não por uma centelha como no caso do motor de ciclo Otto. Para que a combustão aconteça são necessárias pressões mais altas que no motor Otto. Levaram 5 anos para conseguir o desenvolvimento de um protótipo comercial. Felix Wankel desenvolveu o motor de pistão rotativo, que funcionou com sucesso pela primeira vez em 1957. Mais adiante é descrito o princípio de funcionamento deste motor.

Desenho básico de um motor de combustão interna alternativo

Classificação dos motores Pela aplicação; Pelo desenho (projeto do motor); Pelo ciclo de trabalho; Pela localização das válvulas e portas de admissão e escape; Pelo tipo de combustível; Pelo método de preparação da mistura; Pelo método de ignição; Pelo desenho da câmera de combustão; Pelo fluido de resfriamento

Pela aplicação Para automóveis de passeio e comerciais leves; Para caminhões pesados; Para locomotivas; Marítimos; Para aeronaves; Para geradores.

Pelo desenho (projeto do motor) Motores alternativos de cilindros em linha; Motores alternativos de cilindros em V; Motores alternativos de cilindros opostos; Motores rotativos.

Pelo ciclo de trabalho Motores de quatro tempos e ciclo Otto aspirado e turbinado; Motores de quatro tempos e ciclo Diesel aspirado e turbinado; Motores de dois tempos;

Pela localização das válvulas e portas de admissão e escape Válvulas no cabeçote; Válvulas no bloco; Comando no bloco; Comando no cabeçote; Sistema de fluxo cruzado; Sistema de fluxo em loop;

Pelo tipo de combustível Gasolina; Álcool; Óleo diesel; Querosene; Fuel Oil Gás natural veicular Bicombustível Tetracombustível

Pelo método de preparação da mistura Motor carburado; Motor com injeção no coletor (mistura pré-preparada) Motor com injeção direta (carga estratificada)

Pelo método ignição Ignição por centelha; Ignição por compressão; Ignição por chama piloto.

Pelo desenho da câmera de combustão Câmera aberta: cilíndrica, esférica, outros formatos. Câmera dividida: pré-câmara, swirl chambers.

Pelo fluido de resfriamento Resfriamento a água; Resfriamento a ar (fusca).

Fim aula 1

Número de cilindros 4 Número de Válvulas 16 Diâmetro x curso (mm) 80,5 x 78,4 Relação Diâmetro/Curso “Rbs” 1,0268 Volume deslocado/Cilindrada (cm³) 399/1596 Taxa de compressão 9,5:1 Potência máxima (NBR 1585) (kW/min-1) 78/5500 (Gas. Autom. Tipo C) Torque máximo (NBR 1585) (N.m/min-1) 151,1/4500 (Gas. Autom. Tipo C) Distribuição (comando) 2 eixos de comando no cabeçote acionados por correia dentada Alimentação: sistema de formação da mistura Injeção eletrônica MPFI Ignição Eletrônica digital Ordem de ignição 1 – 3 – 4 – 2

Conceitos básicos: Ponto morto superior (PMS) É a posição do pistão mais próxima do cabeçote. Ponto morto inferior (PMI) É a posição do pistão mais próxima do virabrequim. Curso: É a distância percorrida pelo pistão entre o PMS e o PMI, em milímetros (mm).

Conceitos básicos: Cilindrada unitária É a capacidade volumétrica de aspiração de um cilindro. Unidade: centímetro cúbico (cm3) ou litros. Cilindrada total É a capacidade volumétrica de aspiração de todos os cilindros. Unidade: centímetro cúbico (cm3) ou litros. Câmara de combustão É o espaço compreendido entre o cabeçote e o pistão, quando este se encontra no PMS. Unidade: centímetro cúbico (cm3) ou litros

Conceitos básicos: Volume total do cilindro É o espaço compreendido entre o cabeçote e o pistão, quando este se encontra no PMI. Taxa de compressão É a relação entre o volume total aspirado e o volume da câmara de compressão. Unidade: adimensional.