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Poços de Caldas 2018
CARLOS EDUARDO DE JESUS AVELINO
FUNCIONAMENTO DE MOTORES
Poços de Caldas - MG 2018
FUNCIONAMENTO DE MOTORES
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à instituição Pitágoras Sistema de educação Superior Soc. Ltda. Poços de Caldas, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica.
Orientador: Eduardo F. Moreira
CARLOS EDUARDO DE JESUS AVELINO
CARLOS EDUARDO DE JESUS AVELINO
FUNCIONAMENTO DE MOTORES
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Pitágoras Poços de Caldas, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica.
BANCA EXAMINADORA
Prof. João Evangelista.
Prof. Roberto Toledo;
Poços de Caldas, 21 de Junho de 2018.
Dedico este trabalho à meus pais, e
minha avó que sempre me incentivaram e
apoiaram nos momentos de adversidades
não me deixando desistir dos meus
sonhos e ideais,e também aos meus
amigos que sempre estiveram ao meu
lado nesses cinco anos de estudo,
ajudando uns aos outros, e também os
professores que com suas experiências
teóricas e praticas fizeram com que meu
aprendizado fosse satisfatório.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, porque para ele são todas as coisas, que me
deu força e fé para a conclusão de um sonho, e também a todos meus familiares e
amigos que sempre acreditaram em minha capacidade. Um agradecimento especial
a minha mãe e a tutora deste trabalho que me deram orientações significativas e
simplificadas para a conclusão do mesmo. A todos os professores que transmitiram
seus ensinamentos e tiveram paciência para o aprendizado de todos os alunos da
instituição.
AVELINO, Carlos Eduardo de Jesus. Funcionamento de Motores. 2018. 33 folhas. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Faculdade Pitágoras, Poços de Caldas, 2018.
RESUMO
Este trabalho de Conclusão de Curso tem como objetivo relatar o
funcionamento de motores de combustão interna, a abordagem escolhida será focada na apresentação de dados, explicação do funcionamento centrado no enquadramento histórico, relatar funcionalmente e estruturalmente os motores, como: motores de movimento rotativo, alternativo, o tipo de combustível utilizado, como e feita a combustão do combustível- por meio de compressão e explosão e também o ciclo que é realizado o movimento do motor- Ciclo Diesel, Ciclo de Otto. Compreender a importância da evolução dos motores de combustão e uso de novas formas de energia, eficiência e desempenho.
Palavras-chave: Motores; Funcionamento; Movimento; Evolução; Eficiência.
AVELINO, Carlos Eduardo de Jesus. Engine Operation. 2018. 33 folhas. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação Engenharia Mecânica) – Faculdade Pitágoras, Poços de Caldas, 2018.
ABSTRACT
The objective of this course Conclusion is to report on the operation of internal combustion engines, the chosen approach will be focused on the presentation of data, explanation of the operation centered on the historical framework, functional and structural reporting of motors, such as rotary motion motors, alternatively, the type of fuel used, how and the combustion of the fuel - by means of compression and explosion and also the cycle that is carried out the movement of the engine - Diesel Cycle, Otto Cycle. Understand the importance of the evolution of combustion engines and use of new forms of energy, efficiency and performance.
Key-words: Engines; Operation; Movement; Evolution; Efficiency.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Classificação dos motores quanto à colocação dos cilindros ................. 16
Figura 2 – Ciclo dos motores 2T .............................................................................. 17
Figura 3 – Sequência do motor Wankel à sua rotação ........................................... 18
Figura 4 – Munhões e moentes ............................................................................... 21
Figura 5 – Etapa de admissão ................................................................................. 23
Figura 6 – Etapa de compressão ............................................................................. 24
Figura 7 – Etapa da combustão ou explosão .......................................................... 25
Figura 8 – Etapa de escapamento ........................................................................... 26
Figura 9 – Bomba injetora 8 cilindros ...................................................................... 30
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
MCE Motores de combustão externa
MCI Motores de combustão interna
MIF Motores de ignição por faísca ou Otto
MIE Motores de ignição espontânea ou Diesel
2T Dois tempos
4T Quatro tempos
PMS Ponto morto superior
PMI Ponto morto inferior
AC Ar-combustível
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 13 2. MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA ................................................................. 15 2.1 MOTORES ALTERNATIVOS ....................................................................................................................... 16
2.1.1 Motores dois tempos( 2T). ............................................................................................................. 16 2.1.2 Motores quatro tempos(4T). ......................................................................................................... 17
2.2 MOTORES ROTATIVOS ............................................................................................................................. 17
2.3 COMPONENTES E ESTRUTURA DO MOTOR ALTERNATIVO ...................................................................... 19
2.3.1 Principais partes móveis do motor ................................................................................................ 20
3. MOTORES CICLO OTTO QUATRO TEMPOS ................................................. 22 3.1 ETAPAS DE FUNCIONAMENTO DO CICLO OTTO ....................................................................................... 22
3.1.1 Admissão ....................................................................................................................................... 22 3.1.2 Compressão ................................................................................................................................... 23 3.1.3 Explosão ou combustão ................................................................................................................. 24 3.1.4 Escape ............................................................................................................................................ 25
4. EFEITOS DA MISTURA AR – COMBUSTÍVEL NO VEÍCULO ......................... 27 4.1 TIPOS DE MISTURAS E COMPORTAMENTO DO MOTOR .......................................................................... 27
4.1.1 Limite pobre ................................................................................................................................... 28 4.1.2 Mistura econômica ........................................................................................................................ 28 4.1.3 Mistura de máxima potência ......................................................................................................... 28 4.1.4 Limite rico ...................................................................................................................................... 28
4.2. MISTURA DOS MOTORES DIESEL ............................................................................................................. 29
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 32 6. REFERÊNCIAS ................................................................................................. 33
13
1. INTRODUÇÃO
Com o avanço da tecnologia, Projetistas e engenheiros buscam criar
automóveis cada vez mais velozes, automóveis capazes de alcançar velocidades
impressionantes. Para os considerados amantes da alta velocidade, isso é tomado
como um lazer, pois cada limite que seja ultrapassado, cada recorde que seja
quebrado é uma nova realização e uma nova meta.
Os motores a combustão interna são maquinas térmicas que promovem a
transformação de energia feita no interior do chamado órgão da maquina, a câmara
de explosão. O trabalho proveniente dessa explosão é transmitido em forma de
movimento rotativo do eixo até a roda por vários componentes fazendo com que a
mesma gire e o carro se movimente. Popularmente chamados de motores a
explosão, são utilizados em toda parte do mundo na parte da mobilidade, tanto para
passeio quanto para carga e ate mesmos nos brinquedos. Cada motor tem sua
funcionalidade, para isso é preciso saber o correto funcionamento da parte principal
de um carro, o seu motor, suas características mais relevantes, causa de alguma
falha ou problema. Uma mistura rica ou pobre em relação ao combustível pode
aumentar ou diminuir a potência do mesmo?
O objetivo geral deste trabalho é mostrar quais os danos ou benefícios a
mistura ar-combustível pode alterar no funcionamento do motor através de
pesquisas documentais e experimentais, também relatar e explicar um pouco sobre
os motores a combustão interna. Através disso, mostrar embasado nos objetivos
específicos:
• Analisar os tipos de motores à combustão interna e seus componentes internos.
• Demonstrar as etapas de funcionamento de um motor ciclo Otto quatro tempos.
• Avaliar os efeitos da mistura ar-combustível, ganhos e percas de potência.
A escolha deste tema ocorreu devido a importância que o motor tem para a
sociedade como um todo, não somente para o veículo mas também para a
locomoção do país ou até do mundo. Ele está presente no dia-a-dia e faz um papel
muito importante para o ser humano e também ao mercado. Com base nesses
dados é imprescindível saber o funcionamento, componentes, regulagens e tipos de
motores que existem no mercado.
14
A metodologia utilizada para realizar esse trabalho foi feito embasado em
métodos de pesquisa, através de livros, artigos e recursos oferecidos pela instituição
e pela internet, fazendo com que possa se esclarecer dúvidas e alcançar um melhor
aproveitamento e desenvolvimento acadêmico e profissional.
15
2. MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA
As maquinas são onipresentes no mundo. Usadas para facilitar a vida em
geral, para produção de bens e serviços. Os primeiros relatos sobre o aparecimento
dos motores a combustão teve correlação com a invenção das armas de fogo, pois
sua energia térmica de explosão era transformada em trabalho através da pólvora.
Sendo assim, as primeiras tentativas relatadas do desenvolvimento de um motor
foram feitas no século XVII, usando-se a pólvora para fazer o movimento do pistão
dentro do cilindro. (CHAVES, 2003).
Primeiramente, Christian Huygens que era o idealizador do motor a pólvora e
propôs o funcionamento de uma maquina a vapor. A maquina a vapor, com sua
evolução propiciou a Revolução Industrial na segunda metade do século XVIII.
Foram criados também motores a ar que operavam por combustão externa, onde
ocorria a queima do combustível fora do cilindro, que eram de melhor rendimento em
relação ao motor a vapor. (TILLMANN, 2013).
Etienne Lenoir, nascido no ano de 1822, fez a primeira patente no
desenvolvimento do motor com pistão em 1860, a combustão acontecia dos dois
lados do pistão e seu controle de entrada e saída dos gases acontecia através de
válvulas de escape e admissão, era chamado de motor de dois tempos. Após dois
anos foi criado o ciclo de quatro tempos pelo engenheiro francês Alphonse Beau.
Mas o inicio da produção desses motores se deu somente no ano de 1866 através
dos engenheiros Eugen Langen e Nikolaus Otto, que o intuito era fazer a
substituição do motor a vapor pelo motor de combustão interna. (MARTINS, 2006).
As maquinas térmicas, são geralmente separadas em dois tipos: Os motores
de combustão externa (MCE), um exemplo simples é a maquina a vapor que através
do combustível esquenta-se a caldeira, gera calor e produz vapor para o movimento
dos pistões. E os motores de combustão interna (MCI) que quando aquecidos, os
gases se expandem gerando uma pressão, a qual se utiliza para movimentar algum
órgão da máquina fazendo com que a transformação de energia calorífera do
combustível se torne em energia mecânica no órgão do motor da maquina.
(BRUNETTI, 2012a).
16
2.1 MOTORES ALTERNATIVOS
Os motores alternativos são os mais usados no mundo e podem ser de vários
cilindros (multicilíndricos) ou apenas um cilindro (monocilíndricos), podendo ser
composto de varias maneiras e de acordo com a estrutura de cada veiculo ou
situação. (OLIVEIRA, 2013).
A imagem a seguir mostra a geometria dos motores para melhor
entendimento.
Figura 1- classificação dos motores quanto à colocação dos cilindros
Fonte – Martins (2006).
Conforme Martins (2013, p. 98) ”Motores com cilindros em linha são os mais
fáceis de produzir, pelo que o seu preço é mais baixo e apresenta a maior
simplicidade de desenho e produção”. Porém, como muitos veículos precisam de
mais potência, esse numero de cilindros começa aumentar de forma que os cilindros
em linha o deixam muito longo fazendo com que fique inviável este tipo de motor.
Caso o motor necessite de mais cilindros, fica mais viável fazê-los em forma de V ou
outros tipos de motores.
Também pode ser definido os motores alternativos pelo ciclo de trabalho: Os
de dois tempos(2T) e os de quatro tempos(4T).
2.1.1 Motores dois tempos( 2T).
O motor 2T o seu ciclo é de uma volta na árvore de manivela, mas
combinados em dois cursos do pistão em relação ao 4T, ou seja, é feito um curso do
motor para cada volta da cambota. Com seu sistema mecânico mais simples,
normalmente esses motores não possuem válvulas, fazendo-se com que elimine o
17
uso de tuchos, comando e todos os dispositivos de funcionamento das válvulas.
(OLIVEIRA, 2013).
Figura 2 - Ciclo dos motores 2T
Fonte – Tillmann (2013).
É no cárter que se da a mistura ar – combustível (AC). No primeiro tempo do
pistão é conduzido o ar e o combustível que com a subida do pistão ocorre a
compressão desses dois elementos. No segundo tempo é feito então a combustão
através de uma faísca da vela, e após isso o pistão recua ocorrendo o escapamento
dos gases emitidos pela combustão. (TILLMANN, 2013).
2.1.2 Motores quatro tempos(4T).
Em relação aos motores 4T, o pistão percorre 4 cursos até ser completado o
final do ciclo, tempo esses que são a admissão, compressão, explosão e
escapamento, que será abordado mais detalhadamente no segundo capítulo deste
trabalho.
Entre eles existem os motores de ciclo Otto( gasolina, etanol, GNV) e os
motores ciclos Diesel. Apesar da mudança do combustível, a maior diferença entre
os dois tipos de motores é a robustez que o ciclo Diesel necessita por causa de sua
taxa de compressão. (BRUNETTI, 2012b).
2.2 MOTORES ROTATIVOS
18
Conforme Brunetti (2012, p.29) “Nesses motores, o trabalho é obtido
diretamente de um movimento de rotação, não existindo, portanto, o movimento
alternativo ou de “vaivém”. São exemplos desses motores as turbinas a gás e o
motor Wankel. Os motores Wankel que é usado somente por um construtor de
automóveis, a construtora Mazda. São usados também em aviões e hovercrafts pela
sua característica de ser mais leve que os outros motores. (MARTINS, 2013).
Figura 3 - Sequência do motor Wankel à sua rotação
Fonte – Brunetti (2012).
Constituído fundamentalmente por um rotor, o motor Wankel possui um
formato geométrico triangular interno, que apesar de ser chamado motor rotativo
gera um movimento de translação que é associado a sua rotação. Guiado por uma
engrenagem central, o rotor é feito por deslocamentos laterais. Isento de vibrações e
muito suave, esse motor não apresenta movimentos alternativos e por terem pouca
inércia, o seu aumento de rotação é bastante rápido. Sua potência em relação a
outros motores da mesma cilindrada pode chegar ao dobro e consequentemente seu
peso e baixo volume. Para produzir mais potência, utiliza-se dois ou mais rotores no
mesmo eixo montados em série, porem precisam ser montados em posições
defasadas para não haver desbalanceamento. (BRUNETTI, 2012a).
Sua aplicação pode ser feita de duas formas variadas, utilizando o trabalho
direto do eixo, acionando geradores elétricos, navios, helicópteros, hélice de avião
(turbo- hélice), entre outras. Já a segunda forma, na verdade não é um motor
rotativo e sim um motor de impulso, aproveitando-se a energia dos gases de escape
do jato, que é gerado pela força de reação dos gases (exemplos de turbinas usadas
19
na aviação). O seu elemento principal é o compressor, que fica responsável pela
introdução dos fluxos de ar, diferentemente do motor acionado eletricamente e por
turbo hélice, que o principal sistema é a turbina. (BRUNETTI, 2012a)
Os processos da turbina a gás são processos contínuos, diferentemente dos
motores alternativos, que são intermitentes.
2.3 COMPONENTES E ESTRUTURA DO MOTOR ALTERNATIVO
Quanto a estrutura de um motor de combustão interna alternativo, um motor
exige que tenha que ser rígida para suportar altas velocidades, pressões e
movimentos repetitivos com folgas mínimas. É constituído por partes fixas e partes
móveis:
Os principais componentes de um motor de combustão interna se dividem em dois grupos, os componentes fixos compostos pelos seguintes elementos: bloco do motor, cabeçote e o cárter; e componentes moveis: pistão ou embolo, camisas, biela, arvore de manivelas ou virabrequim, válvulas de admissão, válvulas de escape e arvore de comando de válvulas, guias e sede das válvulas, porcas,molas, bucha do balancim, parafuso regulador, mancais, tuchos, casquilhos ou, compensadores de massa, volante, juntas, etc.( TILLMANN, 2013, p. 25).
Culassa ou cabeçote: antigamente confeccionados em ferro fundido, porém
mais comumente produzidos em ligas de alumínio, fixada na parte superior do motor
contendo válvulas e molas que são responsáveis pela entrada e saída do ar –
combustível. As sedes onde as válvulas são assentadas, na maioria das vezes são
feitas de material de aço de alta resistência para poder resistir ao impacto que as
válvulas fazem ao abrir e fechar. (MARTINS, 2013)
O bloco, a parte mais pesada do motor que é responsável pela compressão
da mistura através dos seus cilindros é composto por camisas, que são colocada
nas cavidades cilíndricas do bloco (cilindro) e cavidades em ao redor de todos os
cilindros onde passa um fluido de arrefecimento com a intenção de diminuir a alta
temperatura gerada pelo movimento dos pistões e a queima de combustível.
(MARTINS, 2013).
Segundo Brunetti (2012) O cárter, fica na parte inferior do motor e
responsável pelo armazenamento do óleo lubrificante. É fixado no motor através de
parafusos em todo o seu redor e para sua vedação é usado junta de borracha ou
cortiça, ou ate mesmo silicone resistente a altas temperaturas. Varia também de
20
forma e tamanho para cada tipo de motor e a necessidade do elemento estrutural e
a troca de calor.
2.3.1 Principais partes móveis do motor
As Válvulas são dispositivos que tem a responsabilidade de fazer o
fechamento e abertura do ar, e gases emitidos após a queima de combustível. Feitos
em aço, possuem a trava de válvula situado na extremidade para fixar-se na mola.
(TILLMANN, 2013)
Pistão: Com uma Função tripla dentro de um motor, que serve de parede
móvel na câmara de combustão, serve de guia para a biela e também recebe a
pressão dos gases e transmite para todo o sistema biela-manivela, o pistão é um
dos elementos que leva mais esforço e precisa resistir a altas temperaturas
decorrentes da combustão e transmitir o trabalho á biela. Exige uma tolerância
mínima de folga do pistão para o cilindro, pois havendo muita folga o sistema perde
a pressão e não é dado a compressão perfeitamente, e havendo pouca folga entre o
pistão e a camisa, pode acarretar em engripamento e travamento do motor.
Biela: Sua principal função é fazer a transformação do movimento alternativo
do pistão em movimento de rotação ao virabrequim. Constituída pelo corpo, capa de
biela(chapéu) e a bucha( pode ser trocada com o desgaste que o pino de pistão faz
conforme o movimento do motor). É ligada á combota e ao pistão transmitindo
movimento. (MARTINS, 2006).
Virabrequim: Também chamado de cambota ou eixo de manivelas, instalado
na parte inferior do bloco é responsável pelo movimento das bielas e a transmissão
do trabalho para o volante. Possui as partes simétricas que são os mancais, também
chamado de munhões (parte que vai ligada ao bloco) e as partes assimétricas que
vão ligadas as bielas, conhecidos como moentes.
21
Figura 4 - Munhões e moentes
Fonte - Mercedes Benz do Brasil (2006).
Sua parte interna possui dutos especiais para a lubrificação dos munhões e
moentes, que trabalham apoiados em bronzinas contendo folgas e especificações
de acordo com cada fabricante. (TILLMANN, 2013).
Volante: Componente ligado ao eixo arvore manivela (virabrequim) possui em
sua extremidade uma cremalheira á qual é engrenado o pinhão do motor de partida
que o impulsiona para dar suas primeiras rotações. É preciso estar balanceado e
retificado para não gerar vibrações e um perfeito encaixe à embreagem. Através do
giro, o motor recebe uma energia chamada energia cinética, que é utilizada nos
momentos improdutivos da combustão para que não haja oscilações e o motor
permaneça em rotação constante. (OLIVEIRA, 2003).
22
3. MOTORES CICLO OTTO QUATRO TEMPOS
O motor ciclo Otto é o exemplo mais comum, usados nos automóveis
gasolina, gás natural e etanol. Os motores ciclo 4 tempos em relação aos outros
possui uma menor emissão de gases poluentes, uma satisfatória taxa de
compressão e economia de combustível.
Desde o momento da virada da chave, começa-se o funcionamento da
ignição e a mistura para dentro do cilindro do motor, que ocorre através da reação
de combustão da mistura ar e combustível que é aspirada para dentro do cilindro
fazendo a realização da queima e a transformação em trabalho. Também podendo
ser chamado de motor 4T, porque o funcionamento se dá em quatro estágios ou
tempos diferentes. Nesse tipo de motor, o virabrequim faz a execução de duas voltas
para que cada cilindro realize os quatro tempos necessários. (CHAVES, 2003).
3.1 ETAPAS DE FUNCIONAMENTO DO CICLO OTTO
A combustão e explosão são propriamente são princípios de funcionamento
baseado no aproveitamento da energia que é liberada quando ocorre a reação de
combustão dentro de cada cilindro do veículo. O motor ciclo Otto funciona pela
repetição ordenada de quatro movimentos. (CHAVES, 2003).
3.1.1 Admissão
Esta é a primeira etapa, no inicio o pistão esta em cima, no chamado PMS
(ponto mais alto que o pistão pode atingir dentro do cilindro). Nesse estágio a válvula
de admissão é aberta, a válvula de admissão está fechada através das molas e o
pistão desce sendo puxado pelo virabrequim. Então essa válvula permite que entre
na câmara de combustão a mistura de ar e combustível que ainda esta a baixa
pressão até que o pistão chegue no PMI (ponto mais baixo que o pistão pode atingir
dentro do cilindro), e a válvula de admissão fecha, sendo completo o primeiro tempo
do motor. (OLIVEIRA, 2003).
23
Figura 5 - Etapa de admissão
Fonte – Mercedes Benz do Brasil (2006).
Antes do ar entrar dentro do cilindro, ele é passado pelo filtro de ar para que
qualquer resíduo ou impureza não entre na cabeça do pistão causando danos ou
engripamento. O pistão ao efetuar o curso descendente para o ponto PMI
desencadeia uma depressão dentro cilindro que induz a mistura vinda do sistema de
alimentação para o interior do mesmo. Assim ocorre o enchimento do cilindro,
através do pistão movimentando-se do ponto PMS para o PMI. (MARTINS, 2006).
3.1.2 Compressão
Esta é a segunda etapa, o pistão sobe com a válvula de admissão e a válvula
de escape totalmente fechada, a fim de comprimir a mistura, fazendo com que seu
volume diminua ocorrendo a compressão adiabática até que o pistão chegue ao
PMS, ou seja, o êmbolo inverte seu curso executando outra meia volta, completando
a primeira volta completa (360º). Esta compressão eleva a turbulência e a
temperatura da mistura, e também nessas condições são mais completas, libertando
mais calor e uma menor quantidade dos produtos não queimados. (TILLMANN,
2013).
24
Figura 6 - Etapa de compressão
Fonte – Mercedes Benz do Brasil (2006).
Nesta etapa o cilindro esta em alta pressão, mas ainda não foi gerada a
centelha.
Associado também a compressão do motor, cilindrada ou potencia de cada
veículo é determinado pela taxa de compressão que é feita através do tamanho e do
curso do cilindro, representa a quantidade de mistura que o motor consegue conter
em seus cilindros. Expressadas em centímetros cúbicos ou em litros é a relação
entre o volume de mistura sugada pelo pistão que soma-se ao volume da câmara de
combustão que será comprimido, em geral, quanto maior o cilindro, maior é sua taxa
de compressão. (CHAVES, 2003).
3.1.3 Explosão ou combustão
Dando inicio à combustão da mistura que esta comprimida sobre os cilindros,
gera-se uma centelha através de um dispositivo elétrico chamado vela que após a
faísca empurra o pistão para baixo ate que ele atinja o PMI. A mistura já aquecida e
comprimida tem sua explosão rapidamente (queima). Com as válvulas ainda
fechadas, expansão dos gases gera o aumento abrupto da pressão no interior do
cilindro. Este terceiro passo é o que gera o impulso para a rotação do motor, sendo a
única etapa em que o motor fornece trabalho e movimenta o veículo. (BRUNETTI,
2012b).
25
Figura 7 - Etapa da combustão ou explosão
Fonte – Mercedes Benz do Brasil (2006).
É importante salientar que o veículo precisa estar com as válvulas totalmente
fechadas neste ciclo, pois se houver qualquer vazão ou abertura entre elas, a
explosão não ocorre perfeitamente e o veículo não tem seu aproveitamento
ocorrendo assim falhas no motor, perda de potência, barulhos gerados pela fuga da
mistura entre outros. (TILLMANN, 2013).
3.1.4 Escape
Após a combustão e a queima da mistura, existem alguns resíduos que
necessitam ser retirados de dentro do cilindro e do motor, fazendo com que o pistão
suba novamente até atingir o PMS e a válvula de escape do cabeçote é aberta para
a saída dos resíduos e direcionada ao escapamento do veiculo a grande velocidade.
O pistão, na sua subida, limpa o interior do cilindro dos gases queimados pela
explosão, e com a chegada do pistão ao PMS novamente a válvula de escape é
fechada. Após este ciclo ocorre a perca considerável de calor do cilindro e então o
novo ciclo se reinicia.
26
Figura 8 - Etapa de escapamento
Fonte - Mercedes Benz do Brasil (2006).
Este é então chamado o ultimo tempo do cilindro para se iniciar um novo
ciclo. Os gases que são expelidos da câmara de combustão passa pelo catalisador
que funciona como um filtro e transforma os gases tóxicos provenientes de queima
de combustível, para gases não tóxicos, inofensivos, tendo assim a redução de
emissão de poluentes para a atmosfera. Após isso passa pelo abafador que diminui
o ruído feito pelo motor e enfim pelo silenciador. Depois de passar por todo o
sistema de escape, onde foi feito a queda das ondas sonoras e poluentes, os gases
queimados são deixados na atmosfera. (MARTINS, 2012).
Com isso tira-se a conclusão que o funcionamento do motor é a junção
destas quatro fases de funcionamento: admissão, compressão, combustão e
escape. Estas 4 fases se realizam em 4 tempos, assim sendo em 4 cursos do pistão,
ou 2 rotações do virabrequim. De todas essas etapas, somente uma é produtiva, o
tempo de combustão, que é o responsável por gerar o trabalho. O volante instalado
na parte traseira do virabrequim é essencial para a regularização do funcionamento
do motor, pois pelo seu movimento de inércia, transforma os impulsos que foram
recebidos em movimento contínuo. (OLIVEIRA, 2003).
27
4. EFEITOS DA MISTURA AR – COMBUSTÍVEL NO VEÍCULO
No passado recente, várias literaturas traziam notícias que os motores a
combustão interna estavam com os dias contados, porque o petróleo nas reservas e
a quantidade de reservas não seriam suficiente e expirariam em pouco tempo. Na
verdade o fato que ocorreu ao longo dos anos, é que a tecnologia para extração do
petróleo aumentou e também novos poços foram descobertos, isso fez com que os
MCI continuassem soberanos, principalmente no segmento automotivo. (CHAVES,
2003).
O desempenho dos motores pode ser relacionado através do processo de
transformação de energia da mistura ar combustível em energia mecânica, porém
infelizmente, motores de combustão interna não conseguem ter a queima completa
de combustível. Vários fatores acarretam nessa queima incompleta, assim como a
mistura ar combustível não é feita perfeitamente, pois além de possuírem outros
elementos alem do oxigênio, também deixam alguns locais com excesso de oxigênio
e outros com a falta deles, ou seja, a queima no interior da câmara não é
homogênea. As variações de rotação, carga, temperatura do ar entre outros fazem
com que o motor tenha uma alimentação com misturas fora da razão
estequiométrica. (CHAVES, 2003).
4.1 TIPOS DE MISTURAS E COMPORTAMENTO DO MOTOR
A relação da mistura ar - combustível do ponto de vista da admissão do
motor, é apenas o resultado entre a massa de combustível e a massa de ar na
câmara de combustão, porém do ponto de vista da combustão, o comportamento da
mistura depende principalmente da homogeneização dos vapores combustível ar.
Assim como um motor a frio, para ter seu funcionamento perfeito é necessário a
injeção de uma maior quantidade de combustível até que a temperatura do mesmo
estabilize nos padrões ideais, fazendo com que haja a chamada de mudança de
mistura. (TILLMANN, 2013).
Quando a relação entre o combustível e o ar é tal que todo o combustível é
queimado usando todo o ar disponível, pode-se dizer que a mistura é
estequiométrica, que é aquela que mantém a proporção ideal para que ocorra a
queima completa. (CHAVES, 2003).
28
Quanto ao comportamento do motor, relacionado as misturas, são
classificadas em quatro tipos fundamentais:
4.1.1 Limite pobre
Essa mistura é a qual se deposita o mínimo possível de combustível para que
o motor mantenha-se em funcionamento. A chama, excessivamente lenta, se
mantém durante o curso de expansão e também possivelmente até o fim do escape
e inicio da admissão. Essa mistura provoca o superaquecimento e pode ocasionar
também o retorno da chama (back fire). O motor trabalhando em mistura pobre
torna-se instável, não consegue manter sua rotação constante. (MARTINS, 2013).
Quando a mistura está pobre, resulta em uma diminuição na potencia do
motor, pois a mistura tem menos combustível do que ar, consequentemente a
pressão de combustão é reduzida desencadeando possíveis falhas na combustão.
Obviamente, este limite de proporção é uma situação indesejável. (BRUNETTI,
2012a)
4.1.2 Mistura econômica
Essa mistura é o tipo de mistura levemente pobre, faz com que o ar excessivo
provoque uma combustão completa e adequada do combustível que foi admitido. Na
condição desejada para o motor, é a mistura que produz o mínimo consumo
especifico e contribui também para reduzir a emissão do poluente monóxido de
carbono (CO). Por ser a mais econômica, ou seja, um menor consumo de
combustível, essa mistura é a mais desejada pelos motoristas, pois o veículo terá
seu desempenho considerável com menor custo benefício. (MARTINS, 2006).
4.1.3 Mistura de máxima potência
Usada principalmente nos veículos de alto desempenho, é uma mistura
levemente rica, faz com que o excesso de combustível provoque a combustão
adequada e completa do ar que o motor consegue admitir. Em uma rotação mais
elevada do motor e posição do acelerador, produz a máxima potência, por isso são
largamente usado esse tipo de mistura em veículos de corrida entre outros de
competição. A probabilidade de emissão do poluente monóxido de carbono (CO)
nessa condição aumenta em relação à mistura econômica. (BRUNETTI, 2012b).
4.1.4 Limite rico
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Essa condição é popularmente chamada de motor afogado, na qual a
propagação da chama é dificultada pelo excesso de combustível ocorrendo
instabilidade (oscilações) na RPM e no funcionamento do motor, mesmo sem fazer
alterações na posição da borboleta aceleradora e o virabrequim. (MARTINS, 2006).
Ao contrário do limite pobre, o limite rico tem falta de ar e excesso de
combustível na câmara de combustão, sendo assim, a vaporização em excesso, não
tendo a respectiva combustão por falta de ar, provoca uma queda na temperatura e
possivelmente a extinção da chama ocorrendo o “afogamento” do motor. A potência
resultante é ruim, pois apesar do veículo exigir pouco esforço para dar partida a frio,
quando aquecidos o desempenho piora, fazendo com que o motor em alguns casos
pare seu funcionamento. Assim pode aparecer vários poluentes decorrentes do
excesso de combustível no cilindro, como: CO, H, NO, e HC (hidrocarbonetos não
queimados). (MARTINS, 2013).
A maior parte dos motores a gasolina pode queimar relações ar/combustível desde 9/1 (limite de mistura rica) até 19/1 (limite de mistura pobre), mas perto destes limites a combustão dá-se com grande perda de rendimento e potência. Como se sabe, rendimento (térmico) é a razão entre a potência útil do motor e a potência térmica fornecida. (MARTINS, 2006, p. 130).
Se a mistura for quimicamente correta é denominada mistura estequiométrica,
ou seja, teoricamente todo o ar da câmara de combustão é utilizado para a queima
do combustível e o veículo tem seu funcionamento na porção ideal. Se tiver menos
combustível em relação ao ar dentro da câmara, essa mistura é pobre e o motor
perde potência. Com mais gasolina que o ideal, a mistura denomina-se rica, pois o
excedente não é queimado e acarreta em maior consumo e produção de gases
poluentes no escapamento. (MARTINS, 2013).
4.2. MISTURA DOS MOTORES DIESEL
Em relação aos motores a Diesel, eles possuem alguns inconvenientes em
relação ao ciclo Otto que necessitam de um combustível de qualidade especial
(vaporizável) e também pela limitação a um valor de taxa de compressão e
necessitar que a mistura esteja nos parâmetros impondo uma restrição á entrada de
ar para baixas cargas. Os Motores Diesel admitem ar atmosférico, em vez da
mistura ar – combustível. O ar que entra na câmara de combustão na fase de
admissão, se submete a uma compressão elevada, fazendo com que ocorra o
aquecimento desse ar a uma temperatura capaz de produzir a ignição e vaporização
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espontânea do combustível produzido ao se chocar com o ar quente. Este tipo de
ignição é chamado ignição por compressão. (MILHOR, 2002).
Nesses motores de ignição por compressão, o combustível se mistura com o
ar no exterior do cilindro e toda a massa inflama-se na câmara de combustão, e esse
sistema de ignição não possui sistema de preparação da mistura, ao contrario do
ciclo Otto. É necessário que o combustível seja introduzido a uma pressão ainda
maior em relação ao ar, e necessita de um sistema de injeção a alta pressão e uma
pulverização para que o mesmo se espalhe dentro do cilindro e obtenha a reação
necessária. Quanto menores forem as gotas injetadas na cabeça do pistão, melhor e
com mais facilidade ocorre a combustão. O grau de pulverização fica dependente da
pressão de injeção e da dimensão do orifício de onde é expelido o combustível, que
se diferencia de motor para motor pela sua potência e tamanho do cilindro. (FAGGI,
2012).
O componente que fica responsável a fazer a distribuição do combustível e a
pressão do mesmo dentro do cilindro é chamado bomba injetora.
Figura 9 - Bomba injetora 8 cilindros
Fonte - Martins (2006).
A bomba injetora distribui através de canos e bicos injetores o combustível
para a cabeça do pistão e também tem a função de injetar com uma pressão
elevada o óleo Diesel para que ocorra a mistura perfeita e a compressão aconteça.
(MARTINS, 2006).
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Conclui-se que o ciclo Otto e o ciclo Diesel possuem algumas diferenças em
relação aos componentes e ignição, nos motores Diesel a combustão é feita através
do aquecimento e alta pressão dos cilindros enquanto o ciclo Otto é feito uma
mistura ar combustível e é gerado uma faísca elétrica para que a combustão ocorra.
(MILHOR, 2002).
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5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao pensar na locomoção de um país e do mundo já se pode engrenar e dar
importância aos motores de combustão interna, pois os mesmos estão presentes e
ajudando o ser humano nas mais variadas tarefas. A partir das pesquisas realizadas
e demonstradas neste trabalho de conclusão de curso foi possível conhecer os
motores existentes, as características e os componentes que possuem esses
motores.
Os Motores mais usuais no mercado são os motores de ciclo Otto por ser o
de melhor custo beneficio, porém precisam ter seu funcionamento perfeito, onde são
exigidos etapas de funcionamento, parâmetros exatos e tempo para cada ciclo
exigido. Foi concluído que o motor possui 4 etapas para completar um ciclo porém
somente em uma delas o motor realmente obtém o trabalho que é transformado em
movimento.
Teve-se a conclusão que os tipos e os limites de misturas dos motores afetam
diretamente no funcionamento, potência e consumo de combustível do mesmo,
também afetando na emissão dos poluentes e gases tóxicos. O objetivo do trabalho
foi realizado com êxito e alcançado as expectativas, pois através das pesquisas foi
relatado que o veiculo precisa estar com a injeção e os componentes internos
regulados para que tenha um funcionamento perfeito e satisfatório para cada tipo de
situação exigida pelo motor.
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REFERÊNCIAS
BRUNETTI, Franco. Motores de Combustão Interna. 1. ed. São Paulo: Blucher, 2012a. 553 p.
BRUNETTI, Franco. Motores de Combustão Interna. 2. ed. São Paulo: Blucher, 2012b. 485 p.
CHAVES, Júlio Cesar. Motores de Combustão Interna. SENAI CIMATEC- Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia, 2003. 147 p.
FAGGI, Rodrigo. Formação de mistura ar combustível em motores de ignição por faísca quatro a tempos. 2012. 60 p. Tese (Pós- Graduação em Engenharia Automotiva) – Escola de Engenharia de Mauá, São Caetano do Sul, 2012.
MARTINS, Jorge. Motores de Combustão Interna. 2. Ed. Publindústria, 2006. 437 p.
MARTINS, Jorge. Motores de Combustão Interna. 4. Ed. Publindústria, 2013. 480 p.
MILHOR, Carlos Eduardo. Sistema de desenvolvimento para controle eletrônico dos motores de combustão interna ciclo Otto. 2002. 101 p.Tese (mestrado em Engenharia Mecânica) – Escola de Engenharia de São Carlos universidade de São Paulo, São Carlos, 2002.
OLIVEIRA, Carlos Alexandre de; ROSA, Andrea da. Motores de Combustão Interna – álcool e gasolina. Santa Maria, CEP SENAI Roberto Barbosa Ribas, 2003. 116 p. il. (Mecânica de Automóveis).
TILLMANN, Carlos Antonio da Costa. Motores a Combustão Interna e Seus Sistemas. Pelotas-RS, 2013. 165 p.
