Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm

Breve histria do motor de combusto interna

(Documento em elaborao)

1- Perodo dos motores sem compresso

H indicaes de que em 1509 Leonardo da Vinci, descreveu um motor sem compresso, posteriormente,

Christiaan Huygens, em 1673, fez uma descrio de um motor semelhante que era alimentado com plvora, mas no

conseguiu faz-lo funcionar. O uso da plvora para acionar bomba dgua foi utilizado pelo ingls Samuel Morland, no sculo 17 sendo, rudimentarmente, o primeiro motor de combusto interna

Os primeiros motores de combusto interna que foram construdos eram motores chamados: mbolos livres e

realizavam trabalho sem compresso (princpio de operao dominou parte do sculo 19). Neste tipo se enquadra o

motor de Robert Street, patenteado e construdo em 1794 (BUTLER apud LICHTY, 1967) podendo ser visto na figura

1.

O cilindro do motor tinha um mbolo com uma

massa muito grande, conectado por meio de uma

alavanca e duas hastes a uma bomba dgua. O ar era bombeado manualmente para dentro do

cilindro, causando uma elevao do pisto. A seguir,

combustvel lquido era introduzido no cilindro e entrava

em combusto devido a alta temperatura que se

encontrava a parte inferior do cilindro, que ficava dentro

de uma fornalha.

O aumento de presso da combusto empurra o

pisto para cima. O trabalho til realizado durante a

elevao do mbolo era utilizado para fazer o

bombeamento de gua.

A parte superior do cilindro era envolta por uma

camisa para esfriar os gases expandidos e produzir um

vcuo parcial, que combinado com a gravidade

promovia o retorno do mbolo para sua posio inferior

promovendo a aspirao da bomba.

Figura 1 Motor de Street

Fonte Adaptado de LICHTY (1967)

Na falta de mais informaes, supe-se que os gases da combusto anterior vazavam entre o pisto e o cilindro.

Posteriormente, em 1807 o suo Franois Isaac de Rivaz construiu um motor que era alimentado com uma

mistura de oxignio e hidrognio.

Samuel Brown patenteou em 1823 o primeiro motor de combusto interna aplicado industrialmente. Como os

demais da poca ele tambm era sem compresso, e operava num ciclo denominado Leonard. O americano Samuel Morey recebeu em abril 1826 a patente um motor sem compresso.

De 1860 a 1880, o princpio do vcuo para obter trabalho teve largo desenvolvimento e uso. Em 1862, o

inventor alemo Nikolaus Otto, com o suporte de Eugen Langen foi o primeiro a produzir e vender motores de

combusto de mbolo livre sem compresso e eram alimentados com gs de iluminao. A figura 2 apresenta um

motor de mbolo livre, construdo por Otto e Langen em 1876.

Em 1860, o francs Lenoir desenvolveu um motor sem compresso da mistura antes da combusto, fazendo uso

do cilindro uma mquina a vapor e da vlvula deslizante que era a tecnologia utilizada na poca (CLERK apud

LICHTY, 1967).

No motor de Lenoir, uma mistura de ar e gs era admitida durante parte do curso descendente do pisto, figura

3a. A vlvula deslizante mudava de posio, figura 3b, fechando a aspirao e colocando o queimador da ignio em

contato com a mistura ar combustvel no cilindro que inicia a queima. Com a combusto, a presso aumenta e durante

o restante do curso descendente a expanso dos gases desloca o mbolo, no restante do seu curso, produzindo trabalho

til. No curso de retorno, os gases eram descarregados do cilindro, atravs de outra vlvula deslizante, no

representada no desenho.

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm

Durante o processo de expanso o

mbolo era deslocado para a parte superior

do cilindro. Nenhum trabalho era realizado

alm de elevar o pisto. Os gases eram

resfriados, promovendo a reduo da presso

no cilindro, que juntamente com a massa do

pisto, eram usados para realizar

trabalho.(CLERK apud LICHTY, 1967).

A haste do pisto que era uma

cremalheira ficava engrenada a uma roda

dentada que possua um mecanismo de roda

livre que s acionava o volante durante o

curso de descida do pisto.

Os motores de mbolo livre normalmente

eram alimentados manualmente e realizavam

poucos ciclos por minuto, usualmente menos

de 10.

Figura 2 Motor de Otto e Langen

Fonte Adaptado de LICHTY (1967)

Figura 3 - Motor de Lenoir de combusto sem compresso

Fonte Adaptado de LICHTY (1967)

Na figura 4 apresentado o diagrama presso-

volume do ciclo ideal, do motor de Lenoir. Ele

importante porque a introduo de calor ocorre sem

compresso.

De 1 a 2 ocorre a admisso da mistura. No ponto 2,

com as vlvulas de admisso e escapamento fechadas

ocorre a ignio da mistura ar combustvel. Embora o

mbolo esteja se deslocando, a combusto aqui

assumida como ocorrendo com volume constante de 2

para 3, sendo seguida de uma expanso adiabtica e

reversvel de 3 at 4.

O escapamento ocorre presso atmosfrica de 4

para 1.

A posio do ponto 2 depende da quantidade de

carga admitida no cilindro (LICHTY, 1967).

Figura 4 - Diagrama presso-volume ideal do ciclo

Lenoir

Pre

sso

Volume

Segundo LICHTY, 1967, a eficincia de converso de combustvel do ciclo de ar ideal dada por:

1

11

k

e

ei

r

rk 1

Onde,

i a eficincia de converso de combustvel no ciclo ideal; k a relao dos calores especficos k = cp/cv (cp o calor especfico a presso constante e cv o calor especfico

a volume constante);

re a relao de expanso dada por: re = V4/V3;

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm V3 o volume no incio da expanso;

V4 o volume no final da expanso.

A equao 1 indica que a eficincia de converso de combustvel do ciclo de um motor de combusto depende primariamente da relao de expanso, uma vez que no h compresso no ciclo de Lenoir (LICHTY,1967).

Como a relao de expanso era pequena a eficincia do motor de Lenoir era baixa.

2- Motores com compresso

O fsico Sadi Carnot estabeleceu em 1824 a teoria termodinmica da mquina trmica ideal: nenhuma mquina trmica tem eficincia trmica maior que a mquina de Carnot operando entre a temperatura mais alta e mais baixa. Cientificamente ele determinou a necessidade da compresso para aumentar a diferena entre as temperaturas

mximas e mnimas do ciclo de trabalho.

O ingles William Barnet recebeu em 1838: a patente referente a compresso no cilindro. Eugenio Barsanti &

Felice Matteucci inventaram entre 1854-57 um motor cujos rumores indicavam ser de 4 tempos.

O italiano Pietro Benini construiu em 1856 um motor capaz de desenvolver 5 CV, por meio de um ou dois

cilindros.

Em 1861 o francs Alphonse Eugne Beau de Rochas recebe a primeira patente do ciclo de 4 tempos (um ano

antes Christian Reithmann construiu um motor de 4 tempos, mas sem registrar patente). A srie de operaes

formuladas foi (LICHTY, 1967):

a) Admisso durante o curso do mbolo saindo de dentro do cilindro; b) Compresso durante o curso do mbolo entrando no cilindro; c) Ignio da carga no fim do movimento de entrada do pisto no cilindro seguido da expanso no curso

seguinte saindo de dentro do cilindro;

d) Escapamento durante o prximo curso de entrada do mbolo no cilindro.

Em 1862, Beau de Rochas enunciou os quatro princpios fundamentais para operao econmica dos motores

de combusto interna a pisto. Seu artigo listou as condies, sob as quais a mxima economia de energia poderia ser

obtida (LICHTY, 1967):

a) A menor relao possvel entre a rea e o volume do cilindro; b) O processo de expanso deve ser o mais rpido possvel; c) A mxima expanso possvel; d) A maior presso possvel no incio do processo de expanso.

As duas primeiras condies so para reduzir, ao mnimo, a perda de calor. Desta forma mantm-se a mxima

disponibilidade de energia inerente aos produtos da combusto. O terceiro princpio antecipa que o caminho para se

obter o mximo trabalho da expanso expandindo os gases completamente. A quarta condio reconhece o fato de

que a alta presso inicial acarreta numa presso alta durante todo o curso de expanso, resultando em mais trabalho.

Em 1838 Barnet apresentou as vantagens da compresso antes da combusto, incorporando isto na sua patente

(LICHTY, 1967).

Karl Benz garantiu em 1879 a patente para seu motor de combusto interna de 2 tempos, alimentado com gs

baseado no enunciado de Beau de Rochas

2.1- Motor de Brayton

Em 1873, o americano Brayton desenvolveu um motor que tinha a particularidade de efetuar a combusto

presso constante e de ter o ciclo de expanso completa.

Um cilindro (figura 5) era usado para comprimir a mistura ar-combustvel, enquanto o outro era usado como

cilindro de trabalho, sendo suficientemente grande para obter a expanso completa. O compressor, no curso de

compresso, descarrega a mistura na cmara de mistura e esta flua na direo do cilindro do motor. Entrando no

cilindro, ocorria a ignio, a combusto era realizada presso constante, na medida que a mistura ia entrando no

cilindro do motor, pela ao do compressor. Uma chama de ignio era mantida pelo canal de alimentao e uma

grade de supresso impedia que a chama retornasse para a cmara de mistura (LICHTY, 1967).

O ciclo ideal do motor de Brayton est representado na figura 6. Os processos de compresso e expanso so

adiabticos enquanto que a introduo e rejeio de calor so isobricos.

Na anlise do ciclo de ar somente o ciclo 2-3-5-6-2 considerado, indicando o uso de apenas um cilindro. A

eficincia de converso de combustvel, segundo Lichty (1967), dada por:

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm 1

,

11

k

ifr

2

Onde,

k a relao dos calores especficos k = cp/cv

r a relao volumtrica de compresso ou de expanso.

Figura 5 - Motor de Brayton

Fonte Adaptado de LICHTY (1967)

Figura 6 - Diagrama do ciclo ideal presso-volume do ciclo

Brayton

Volume

Pre

sso

12

34 5

6

compressor 1-2-3-4-1

motor 4-5-6-1-4

2.2- Motor Otto

Em 1876, o alemo Otto construiu um motor alimentado com gs que operava nos quatro princpios de Beau de

Rochas. Na figura 7 pode ser visto um esquema do motor construdo por Otto, que tinha vlvulas deslizantes, que

foram de uso comum at 1890 (LICHTY, 1967).

Figura 7 Motor Otto operando no princpio de Beau de Rochas

Fonte Adaptado de LICHTY (1967)

Notas:

1- As duas posies limites do curso do pisto dentro do cilindro recebem os nomes: ponto morto superior -

PMS e ponto morto inferior PMI, que correspondem respectivamente a posio do pisto mais afastada e mais

prxima da rvore de manivelas.

2- O nome tcnico mais utilizado atualmente para o motor Otto motor de ignio por fasca.

A maioria dos motores de combusto interna, de ignio por fasca, que so construdos atualmente, opera da

mesma maneira que o motor a gs de Otto, e, conseqentemente, o termo ciclo Otto usado para a srie de eventos

que determinam o seu funcionamento, figura 8.

Os quatro tempos so: admisso, compresso, expanso e escapamento.

Admisso tem incio com o deslocamento do mbolo do PMS ao PMI produzindo um aumento de volume com a conseqente reduo de presso, que promove a aspirao da mistura ar combustvel pela vlvula de

admisso que teve sua abertura iniciada antes de PMS.

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm Compresso no curso do PMI ao PMS ocorre o fechamento da vlvula de admisso. O mbolo no seu

percurso comprime a mistura, pois as vlvulas de admisso e escapamento esto fechadas. Um pouco antes do

mbolo atingir o PMS ocorre a centelha na vela de ignio que deflagra o processo de combusto.

Expanso - depois que o pisto atingiu o PMS ocorre o pico de mxima presso que empurra energicamente o mbolo em direo ao PMI. Esta a nica etapa do ciclo que produz trabalho til. Os demais movimentos do

pisto so realizados pela energia armazenada no volante do motor.

Escapamento um pouco antes do pisto atingir o PMI tem incio a abertura da vlvula de escapamento que pela presso interna no cilindro inicia a expulso dos gases resultantes da combusto. Com o movimento em

direo ao PMS os gases queimados so expulsos para o escapamento do motor. A vlvula de escapamento s

fechada no curso de admisso para utilizar a energia da onda de presso no escapamento fazendo uma

retirada parcial dos gases da combusto anterior da cmara de combusto.

Figura 8 Esquema do motor de quatro tempos com ignio por fasca

Fonte Adaptado de Heywood (1988)

No ciclo de ar ideal, da figura 9 tem-se que a aspirao (0-1) e o escapamento (1-0) so eliminados, a anlise

feita apenas para o ciclo 1-2-3-4-1.

1-2 compresso adiabtica;

2-3 introduo de calor a volume constante (isovolumtrica);

3-4 expanso adiabtica;

4-1 rejeio de calor a volume constante (isovolumtrica).

Segundo TAYLOR (1971), a eficincia de converso de combustvel dada por: 1

,

11

k

c

ifr

3

Onde,

k a relao dos calores especficos k = cp/cv (cp o calor especfico a presso constante e cv o calor especfico

a volume constante);

rc a relao de compresso dada por: rc = V1/V2;

V1 o volume no incio da compresso;

V2 o volume no final da compresso.

Comparando as equaes 2 e 3 observa-se que teoricamente, o ciclo ideal de Otto e o processo de Brayton tm a

mesma eficincia trmica ideal. Entretanto, como o motor de Brayton no atende o primeiro princpio de Beau de

Rochas e requer dois cilindros para realizar o ciclo, no competiu com o motor Otto, que realiza o ciclo com apenas

um cilindro. Por isto o processo de Brayton foi abandonado nos motores a pisto, sendo usado no processo das

turbinas a gs, que funcionam em regime permanente e no intermitente.

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm Figura 9 - Diagrama presso-volume ideal do ciclo Otto

Pre

sso

Volume

01

2

3

4

2.3- Motor de Atkinson

Em 1885 (ou 1882), Atkinson, na Inglaterra, props e construiu um motor que usava um curso pequeno do

mbolo para a admisso e compresso e um curso mais longo, para a expanso e o escapamento. Este motor conseguia

uma expanso completa com apenas um cilindro, enquanto o motor de Brayton necessitava de dois cilindros.

Para dar ao mbolo o movimento desejado, figura 10, era requerida uma manivela rotativa AB, com uma

ligao BCD (em forma de T), um brao oscilante CF e uma biela DE. Obviamente, tornava-se necessrio um

mecanismo grande e complicado para um curso de deslocamento relativamente pequeno (BUTLER apud LICHTY,

1967).

O ciclo de Atkinson, figura 11, tinha 4 cursos diferentes, podendo usar o processo de combusto tanto a volume

constante quanto a presso limitada ou ainda quanto a presso constante. Em todos os casos, o processo de expanso

era completo, por que a expanso ocorria at atingir a presso atmosfrica, tornando este ciclo o mais eficiente. O

motor de Brayton poderia usar o mecanismo de Atkinson e eliminar o cilindro compressor. Entretanto, o desempenho

do ciclo de ar no seria melhorado.

Figura 10- Motor de Atkinson de expanso completa

Fonte Adaptado de LICHTY (1967)

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm

Figura 11 - Diagrama presso-volume ideal do ciclo Atkinson

Volume

Pre

sso

01

2

3

4

Segundo Heywood (1988), a eficincia de converso de combustvel na expanso completa, a partir da anlise

do ciclo com ar ideal e calores especficos constantes, dada por:

kkk

cv

k

c

if rkkrrQ

Tc

rr111

11 1

1

*

1

1, 4

r = re/rc 5

m

PCImQ

f* 6

Onde,

cv - calor especfico a volume constante;

k a relao dos calores especficos k = cp/cv;

m - massa de mistura;

mf - massa de combustvel;

PCI - poder calorfico inferior;

rc - relao de compresso, que neste caso dado por: re = V1/V2;

re - relao de expanso, que neste caso dado por: re = V4/V3;

T1 - temperatura de aspirao;

V1 - volume no incio da compresso;

V2 - volume no final da compresso;

V3 - volume no incio da expanso;

V4 - volume no final da expanso.

A expresso 4 mostra que a eficincia de converso de combustvel depende da carga Q*, assim sendo a

eficincia comea com valores muito baixos com pequenas aberturas da borboleta do acelerador e cresce at que seu

maior valor seja atingido com mxima carga (abertura plena do acelerador).

Segundo LICHTY (1967), o processo de expanso ser completo quando o curso de compresso for cerca de

23% maior do que o curso de expanso. A relao entre a taxa de expanso e a taxa de compresso, para expanso

completa, para Heywood (1988) dada por:

1

1

*

1

k

cv

k

rTc

Qr 7

Pelo exposto, pode-se concluir que para se obter uma expanso completa, h necessidade de um curso de

compresso diferente do curso de expanso.

2.4- Motor de Ackroyd-Stuart

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm Herbert Akroyd Stuart construiu em 1891 um motor de combusto interna que operava com baixa taxa de

compresso. A ignio do combustvel, que era injetado pressurizado tinha incio num bulbo que era mantido

aquecido e se comunicava com o cilindro do motor por meio de uma passagem estreita. Ele usava um trocador de

calor para pr-aquecer o ar e assim auxiliar a vaporizao do combustvel e a ignio no cilindro, tendo sido o

primeiro motor a utilizar um sistema mecnico para injeo de combustvel lquido.

2.5- Motor de Rudolf Diesel

Em 1892, Rudolf Diesel props que o motor comprimisse apenas o ar at que a temperatura fosse suficiente

para promover a ignio do combustvel, que era injetado no final da compresso (figura 12). Alm disso, a taxa de

introduo de combustvel deveria ser tal que o calor liberado na combusto mantivesse a temperatura num valor

mximo de forma constante mesmo com o movimento do mbolo no sentido de aumentar o volume na cmara de

combusto. Com isto o seu projeto original pretendia aproximar o mximo possvel do ciclo de Carnot. Entretanto

fatores econmicos e outras consideraes resultaram num ciclo com presso aproximadamente constante (LICHTY,

1967). Em 1893, ele recebeu a patente de seu motor de ignio por compresso (nome tcnico mais usado atualmente),

operando num ciclo que recebeu seu nome: ciclo diesel.

Os primeiros trabalhos de Rudolf Diesel foram tentando alimentar seu motor com p de carvo. Entretanto as

dificuldades de introduzir o combustvel, o desgaste e os resduos fizeram-no mudar para combustvel lquido.

Figura 12 Motor de Rudolf Diesel

Fonte -

O motor de ignio por compresso tambm pode operar no ciclo de quatro tempos (figura 13) que so: Admisso tem incio com o deslocamento do mbolo do PMS ao PMI produzindo um aumento de volume

com a conseqente reduo de presso, que promove a aspirao do ar pela vlvula de admisso que teve sua abertura

iniciada antes de PMS.

Compresso no curso do PMI ao PMS ocorre o fechamento da vlvula de admisso. O mbolo no seu percurso comprime o ar, pois as vlvulas de admisso e escapamento esto fechadas. Um pouco antes do mbolo

atingir o PMS ocorre o incio da injeo, o combustvel absorve calor, muda de fase, atinge a temperatura de auto-

ignio (a temperatura do ar encontra-se num valor elevado devido a alta relao de compresso) que deflagra o

processo de combusto.

Expanso no movimento do pisto em direo ao PMI prossegue a injeo de combustvel, ocorre o pico de mxima presso (o motor de ignio por compresso real no trabalha com combusto a presso constante) que

empurra energicamente o mbolo em direo ao PMI. Esta a nica etapa do ciclo que produz trabalho til. Os

demais movimentos do pisto so realizados pela energia armazenada no volante do motor.

Escapamento um pouco antes do pisto atingir o PMI tem incio a abertura da vlvula de escapamento que pela presso interna no cilindro inicia a expulso dos gases resultantes da combusto. Com o movimento em direo

ao PMS os gases queimados so expulsos para o escapamento do motor. A vlvula de escapamento s fechada no

curso de admisso para utilizar a energia da onda de presso no escapamento fazendo uma retirada parcial dos gases

da combusto anterior da cmara de combusto.

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm Figura 13 Esquema do motor de quatro tempos com ignio por compresso

Fonte Adaptado de Heywood (1988)

No ciclo de ar ideal, figura 14, a aspirao (0-

1) e o escapamento (1-0) so eliminados, a anlise

feita apenas para o ciclo 1-2-3a-4-1.

1-2 compresso adiabtica;

2-3a introduo de calor a presso constante

(isobrica);

3a-4 expanso adiabtica;

4-1 rejeio de calor a volume constante

(isovolumtrica).

A eficincia do ciclo ideal dada por:

1

111

1

,

kr

kk

c

if 8

Onde,

rc - relao de compresso: rc = V1/V2;

- relao de volumes na combusto a presso constante: = V3a/V2;

Figura 14 - Diagrama presso-volume ideal do ciclo

Diesel

Pre

sso

Volume

0 1

2 3a

4

2.6- O ciclo de Sabath

O ciclo de Sabath, figura 15, tambm conhecido como ciclo misto ou de presso limitada o ciclo mais geral

dos motores a pisto. O ciclo Otto e o ciclo Diesel so considerados casos particulares do ciclo Sabath. O ciclo real

dos motores de ignio por fasca e ignio por compresso mais aproximado pelo ciclo Sabath que dos ciclos Otto

e Diesel.

A eficincia do ciclo dada por:

11

111

1

,

kr

kk

c

if 9

Onde,

rc - relao de compresso: rc = V1/V2;

- relao de presso na combusto a volume constante: = p3/p2; - relao de volumes na combusto a presso constante: = V3a/V3;

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm Figura 15 - Diagrama presso-volume ideal do ciclo Sabath

3. Motor do ciclo de 2 tempos

Quatro cursos do mbolo so requeridos para que os motores alternativos completem o ciclo descrito por Beau

de Rochas, da o nome de motor de quatro tempos. Trabalho obtido apenas em um dos quatro cursos. O desejo de

que trabalho seja obtido a cada rotao levou ao desenvolvimento do ciclo de dois tempos, que so: compresso e

expanso.

O ingls Barnett, em 1838 descreveu um

mecanismo para suprir a carga ao cilindro

por meio de um compressor separado. A

carga fresca desloca os produtos da carga

anterior que escapa em janelas na parede

do cilindro. D. Clark, que tambm era

ingls recebe os maiores crditos do

desenvolvimento deste motor, em 1879.

O esquema do seu motor pode ser visto

na figura 16.

Figura 16 - Motor de dois tempos de Clark

Fonte Adaptado de LICHTY (1967)

Posteriormente, no motor de ignio por fasca de 2 tempos, o compressor adicional foi substitudo pela

variao de volume que ocorre no prprio carter com o movimento do pisto no cilindro. Para que este motor funcione

corretamente necessrio:

O volume do carter deve ser o mnimo passvel;

O carter deve ser estanque em relao ao meio externo e entre cada cilindro, no caso da existncia de mais de um cilindro, requerendo vedao axial da rvore de manivelas;

No pode haver o depsito de leo no carter, pois o combustvel admitido junto com o ar precipita no leo, promovendo a diluio e elevando seu nvel, com o consequente consumo do leo;

Devido a inexistncia do depsito de leo o sistema de lubrificao alterado, passando a ser feita mistura do leo ao combustvel, dispensando os componentes como bomba, filtro, vlvulas, etc. presentes nos motores de

4 tempos; Por esta razo este motor emite uma fumaa branca pelo escapamento e gotas de leo, misturadas

com cinzas e resduos de carbono. Estes ltimos promovem a obstruo do sistema de escapamento, desde a

janela at o final do tubo de escape.

Como a lubrificao feita por uma nvoa de leo, os mancais necessariamente so com rolamentos. Devido suas caractersticas, conforme pode ser visto na figura 18, o motor de 2 tempos de ignio por fasca

utiliza vlvulas deslizantes que so os dutos de admisso, escapamento e transferncia, conhecidas popularmente

como janelas, que so obstrudas ou no pelo prprio movimento do pisto. Esta construo permite retirar a rvore de

comando das vlvulas, as vlvulas e demais componentes. Este fato torna este motor bastante simples, tendo como

peas mveis a rvore de manivelas dotada de rolamentos de esferas, a biela com rolamentos do tipo agulhas, o pisto

com seus 2 anis de vedao e o pino do pisto.

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm Conforme pode ser visto na figura 17 o funcionamento do motor pode ser descrito como:

Figura 17A, o pisto deslocando-se do PMS em direo ao PMI realiza a expanso na sua face superior (em

vermelho) enquanto que a saia do pisto est prestes a fechar a janela de admisso, interrompendo a admisso para o

carter (em azul);

Figura 17B, a face superior do pisto abre a janela de escapamento, ocorrendo a expulso da maior parte dos

gases queimados (em cinza) pela presso interna mais elevada que a externa. Enquanto que na parte inferior ocorre a

compresso da mistura no carter (em azul);

Figura 17C, a janela de transferncia do carter ao cilindro est aberta, pela diferena de presso entre o carter e

o cilindro, a mistura ar-combustvel flui para dentro do cilindro. Direcionada pela geometria do canal de transferncia

(pode haver mais de um), ou pelo desenho especial na cabea do pisto, ocorre a expulso da maior parte dos gases da

combusto anterior para o duto de sada, que deve apresentar a menor contra-presso possvel. Pode haver perda de

mistura ar-combustvel pela janela de escapamento conhecido como curto circuito;

Figura 17D, no curso de subida do pisto em direo ao PMS ocorre a compresso da mistura ar-combustvel

dentro do cilindro. Na parte inferior do pisto h um aumento de volume que produz queda de presso, de tal forma

que quando a janela de admisso para o carter descoberta pelo pisto tem incio a uma nova admisso para o carter.

Prximo do PMS ocorre a centelha na vela que inicia uma nova combusto.

Figura 17 - Motor de ignio por fasca de dois tempos com resfriamento por ar

Fonte -

O ciclo de 2 tempos tambm pode ser usado no motor de ignio por compresso, sendo que o carter destes

motores semelhante ao dos motores de 4 tempos, com o depsito de leo, bomba, etc., sendo necessrio um

compressor para promover a varredura do cilindro removendo os gases da combusto anterior e colocando ar fresco

dentro do cilindro.

Na figura 18A a varredura obtida pela orientao da janela de admisso. H tambm uma vlvula rotativa no

duto de escapamento que obstrui a sada de gases antes do pisto fazer o fechamento da janela de escape, permitindo a

sobre-alimentao. Observe que a janela de escape mais longa que a de admisso, portanto a admisso

interrompida antes do fechamento do escape.

Na figura 18B as janelas so instaladas em alturas diferentes para aumentar o tempo disponvel para o

escapamento e admisso melhorando a varredura.

Na figura 18C o motor equipado com vlvulas de escapamento e janelas de admisso. Esta construo permite

a sobre-alimentao do motor mediante o sincronismo adequado das vlvulas.

A utilizao de dois cilindros em paralelo, conforme figura 19D ou cilindros opostos da figura 19E, melhora a

varredura pois de um lado ficam as janelas de escapamento e o outro as de admisso.

O motor da figura 18F possui janelas de admisso na parte inferior e escapamento na parte superior do cilindro.

Como a camisa mvel (acionador em vermelho) torna-se possvel comandar o momento de incio e trmino do

escape como ocorre no motor da figura 19C.

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm Figura 18 - Motores de ignio por compresso de dois tempos

Fonte -

Na figura 19 esto representados dois tipos de compressores: em A o compressor de lbulos (Roots) enquanto

que o da figura B de pisto de duplo efeito, havendo variaes no sistema de acionamento.

Figura 19 - Compressores de lbulos e de pisto em motores de 2 tempos de ignio por compresso

Fonte -

4. Motor aeronutico

Os motores de ignio por fasca que foram construdos no final do sculo 19 e princpio do sculo 20 eram

muito pesados e de baixo desempenho. Os experimentos de voo mecnico de Langley indicavam a necessidade de um

motor leve para aplicao aeronutica. Charles M. Manly desenvolveu um motor leve que era radial (ou em estrela) e

tinha cinco cilindros. O motor era resfriado a gua, os cilindros tinham 127 mm de dimetro e o curso 139,7 mm,

pesando 84 kg e foi capaz de desenvolver 39 kW a 950 rpm por 10 horas consecutivas (LICHTY).

Pela figura 21 pode-se verificar que as vlvulas de admisso eram auto-comandadas pela prpria diferena de

presso durante o curso de admisso.

Os motores radiais de 4 tempos devem ter nmero mpar de cilindros por plano. Desta forma 14 cilindros so

dois planos de 7 cilindros.

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm Figura 20 - Motor aeronutico radial de cinco cilindros (apenas um cilindro apresentado)

Fonte Adaptado de LICHTY (1967)

5. Motor rotativo Wankel

Em 1954 Felix Wankel apresenta o prottipo do

motor rotativo DKM 54, que funcionou pela primeira vez

em 1957.

Conforme pode ser observado na figura 21 o

princpio de funcionamento de um rotor (6) que um tringulo com os lados arredondados, sendo equivalente ao pisto nos motores com o mecanismo biela manivela.

O rotor opera dentro de uma superfcie em forma de

oito (3) chamada epitrochide. Uma engrenagem com dentes internos (7), fixada no

rotor e fica engrenada na roda dentada (5) solidria com a

tampa (4). A rvore de sada de potncia (8) tem um

excntrico (na cor roxa) que impe ao rotor um movimento

oscilatrio a cada volta da rvore de sada (um tero de

volta do rotor).

A admisso e escapamento so feitas,

respectivamente, pelos dutos (1) e (2). Devido ao grande

comprimento da cmara de combusto podem ser utilizadas

duas velas de ignio (9).

Tal como ocorre nas turbinas gs, o motor Wankel

realiza as 4 etapas do ciclo dos motores a pisto em regies

distintas, conforme pode ser visto na figura 22.

Figura 21- Motor Wankel

Fonte

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm Figura 22- Fases do funcionamento do motor Wankel

Fonte -

6. Outros motores

6.1 Mecanismo Scotch Yoke

Em 1986 a Mercedes Benz abandona sua patente de proteo para um motor usando o mecanismo scotch yoke.

Os irmos Michael e Peter Raffaele registram em 1999 uma patente de aplicao de uma nova forma do

mecanismo scotch yoke, conhecido como Slider Engine. O prottipo foi apresentado no ENGINE EXPO 2005 de

Stuttgart.

O motor com o mecanismo Scotch Yoke transforma o movimento rotativo da rvore de manivelas em alternativo

do pisto por meio de uma pea que desliza transversalmente em relao ao eixo do cilindro, conforme pode ser visto

nas figuras 23 e 24.

Figura 23 - Motor SLIDER

Fonte: BIRCH (2005)

Em 2004, a Toyota registra patente de aplicao de uma nova forma do mecanismo scotch yoke (patente:

JP2004293387).

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm Figura 24 - Mecanismo Scotch Yoke

Fonte:

6.2 Motor de ignio por fasca Ciclo Split

O grupo SCUDERI apresentou um prottipo (figura 25) de um motor de ignio por fasca operando no ciclo

Split (o conceito deste ciclo de 1914) com 1000cm de cilindrada, dois cilindros, sendo um para admisso e

compresso e o outro para expanso e escapamento. Utiliza um par de vlvulas pneumticas para transferir a mistura

ar combustvel comprimida do cilindro de compresso para o de expanso. A ignio ocorre entre 11 e 14 aps o

PMS.

Figura 25 - Motor de ignio por fasca Ciclo Split

Fonte: BROOKE (2009)

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm Nota: a operao semelhante ao motor de Brayton. Digite split cycle no google e veja a animao.

7. Turbinas gs

As turbinas a gs so mquinas de fluxo constante enquanto que os motores a pisto so de fluxo intermitente.

Na figura 26 apresentado um esquema da primeira turbina a gs construda, Ela utilizava a velocidade dos

gases quentes numa chamin para produzir um pequeno trabalho obtido dos gases que exerciam uma fora nas ps

mveis de uma turbina (LICHTY).

Elas eram muito ineficientes por dependerem apenas da corrente de conveco dos gases quentes e vez da

energia cintica dos gases num bocal.

Contudo, em 1791, o ingls John Barber obteve a patente inglesa n 1833 que inclua os principais elementos

que constituem uma moderna turbina a gs. Construiu um prottipo, mas foi sem funo prtica (figura 27).

Figura 26 Turbina a gs em chamins

Fonte: LICHTY (1967)

Figura 27 Turbina gs de John Barber

Fonte: Wikipedia

Stanford Moss, usou os elementos

indicados na patente de Barber e na pesquisa da

sua tese de doutorado realizada na Cornell

University, em 1903. Conforme pode ser visto

na figura 28, j havia o compressor, que ainda

era de pisto (de duplo efeito), a cmara de

combusto, note que tinha isolao trmica, o

bocal e a roda da turbina.

Apesar dos primeiros experimentos com a

turbina no apresentasse potncia suficiente para

acionar o compressor, mas os resultados obtidos

foram suficientes para encorajar o

desenvolvimento deste equipamento, que

atualmente largamente utilizado na propulso

das aeronaves, obviamente, utilizando um

compressor do tipo axial ou radial centrfugo.

Este tipo de motor apresenta uma relao

peso/potncia muito baixa que favorece o uso

aeronutico.

Figura 28 Diagrama esquemtico da turbina a gs de Moss

Fonte: LICHTY (1967)

Gustaf de Laval introduz, em 1887, o bocal de Laval utilizado nas turbinas a gs. gidus Elling construiu, em

1903, uma turbina a gs usando um compressor centrfugo acionado pela prpria turbina.

Na Frana a equipe de Armengaud e Lemale construram uma turbina a gs baseada na turbina Pelton, em 1906.

A eficincia trmica era to baixa que o projeto foi abandonado

Hans Holzwarth inicia, 1908, um trabalho de pesquisa de uma turbina a gs com combusto volume constante.

Em 1927 quando o trabalho foi concludo a eficincia trmica chegou a 13%.

Motores de combusto Interna CEFET-MG Eduardo Schirm O projeto do motor ramjet patenteado por Ren Lorin 1908. O Frans Ren Leduc, trabalhando

independentemente re-descobriu, em 1936, o ramjet de Ren Lorin. Ele considerou apenas o projeto subsnico

desconsiderando aplicaes supersnicas.

Henri Coanda construiu e voou na primeira aeronave a jato, o Coanda-1910. Ele usou um compressor montado

num duto curto, acionado por um motor A eficincia era muito baixa e o projeto foi abandonado, mas descobriu o

efeito Coanda.

William Joseph Stern reporta Royal Air Force, em 1920, que no h futuro para a turbina a gs nas aeronaves.

Seu argumento se baseia na baixssima eficincia dos compressores projetados at ento. Edgar Buckingham no

Estados Unidas da Amrica publicou, em 1923, um artigo no qual chegou mesma concluso W. J. Stern, que as

turbinas a gs no so suficientemente eficientes para uso em avies a jato.

Maxime Guillaume recebe em 1921 a patente da turbina gs de fluxo axial. Ele usou multiplos estgios tanto no

compressor quanto na turbina, combinado com uma cmara de combusto grande. A patente da turbina gs a volume

constante foi concedida Wilhelm Pape em 1925.

Um ano depois Alan Arnold Griffith publica um artigo: Aerodynamic Theory of Turbine Design, no qual

prope projetar as palhetas como um aeroflio e no da forma plana. Matematicamente ele demonstrou que possvel

o turboprop nas aeronaves.

O pulsojato foi patenteado por Schmidt, na Alemanha em 1930.

Sir Frank Whittle, na Inglaterra, patenteou um projeto de sucesso, de uma turbina a gs para propulso a jato,

em 1937.

O avio Messerschmitt Me 262 foi o primeiro vo a jato de sucesso, na Alemanha nazista em 1942.

8. Outras informaes

Alessandro Volta, em 1780 construiu uma pistola eltrica na qual uma centelha eltrica inicia a combusto de

uma mistura de ar-hidrognio no interior da mesma, podendo ser o primeiro rudimento do sistema de ignio eltrica.

(wickipdia.com)

Karl Benz construiu, em 1896, um motor com cilindros opostos e horizontais (boxer).

Gottlieb Daimler recebeu, em 1885, a patente do supercharger baseado na patente dos irmos Philander e

Francis Marion Roots.

Em 1916, Auguste Rateau sugere o uso do turbo-compressor para compensar a perda de potncia nos motores

com o aumento da altitude.

O primeiro uso da injeo direta de gasolina no motor de ignio por fasca foi apresentado sueco Jonas

Hesselman em 1925.

BIBLIOGRAFIA

BIRCH, Stuart. Slider engine and the Scotch Yoke. In Automotive Engineering International. Warrendale: SAE.

agosto 2005, 96p. pg 22.

BROOKE, Lindsay. Automotive engineering international, Warrendale: SAE junho 2009, 48p. pg 24

HEYWOOD, John B. Internal combustion engines fundamentals. New York: McGraw-Hill, 1988. 930p.

LICHTY, Lester C. Combustion Engine Processes. New York: McGraw-Hill, 1967, 654p

TAYLOR, Charles F.. Anlise dos motores de combusto interna. So Paulo: EDUSP Universidade de So Paulo,

1971. v.1, 558p.

TAYLOR, Charles F.. Anlise dos motores de combusto interna. So Paulo: EDUSP Universidade de So Paulo,

1976. v.2, 531p.

WIKIPEDIA