Introduo Mecnica Automobilstica

Motores de Combusto InternaResumo

Motores de Combusto Interna

Ciclo de combusto de 4 tempos

Quase todos os carros atualmente usam o ciclo de combustode 4 tempos;

Ciclo Otto homenagem a Nikolaus Otto, que o inventou em 1867.

4 Tempos

Admisso

Compresso

Combusto

Escape

Admisso

A vlvula de admisso se abre enquanto a vlvula de escapamento se mantem fechada;

O pisto se move para baixo, levando o cilindro a aspirar e se encher com a mistura de ar e combustvel;

Do fim do curso a vlvula de admisso fecha-se.

Compresso

As vlvula de admisso e escape se mantem fechadas;

O pisto se move para cima e comprime a mistura ar-combustvel , causando vaporizao devido ao calor gerado pela compresso;

Exploso

As vlvula de admisso e escape se mantem fechadas;

Quando o pisto atinge o topo do seu curso, a vela de ignio solta uma fasca para inflamar o combustvel;

O combustvel no cilindro entra em combusto, aumentando rapidamente de volume e empurrando o pisto para baixo.

Escape

A vlvula de admisso se mantem fechada.

Assim que o pisto atinge a parte mais baixa do seu curso, a vlvula de escapamento se abre;

O pisto sobe e expulsa os gases queimados , que saem atravs do tubo existente para esse fim.

Ao final do escape, o motor est pronto para o prximo ciclo, aspirando novamente ar e combustvel.

Motor Ciclo Diesel

Idealizado por Rudolph Diesel em 1892

Ocorre a ignio expontnea do combustvel

Admisso

Compresso

Expanso

Escape

Motor de combusto interna - Clculos bsicos

PMI = ponto morto inferior

PMS = Ponto morto superior

s = curso do pisto

r = raio da manivela

=

Motores Clculos bsicos

Cilindrada unitria () : o volume deslocado pelo pisto entre o PMI e PMS

=

s

Cilindrada total () : a cilindrada unitria multiplicada pelo nmero de cilindros do motor ()

=

Volume morto () : o volume da cmara de combusto

Volume total do cilindro () : = +

Motores Clculos bsicos

Taxa de compresso () : a relao entre o volume total do cilindro e o volume morto

=

Velocidade mdia do pisto (vp)

=

n = rotao do motor

Exerccios

1. Para um motor de 4 cilindros em linha so dados:

Dimetro do pisto = 85 mm

Raio da manivela = 43,5 mm

Rotao = 5600 rpm

Volume da cmara de combusto = 54,8 cm3

Pede-se calcular:

a. Cilindrada unitria

b. Cilindrada do motor

c. Velocidade mdia do pisto

Exerccios

2. Um motor de 6 cilindros possui as seguintes caractersticas:

Dimetro do pisto = 131 mm

Raio da manivela = 79 mm

Rotao = 1800 rpm

Pede-se calcular:

a. Cilindrada unitria

b. Cilindrada do motor

c. Velocidade mdia do pisto

Velocidade mdia do pisto Ciclo Otto

Para motores de ignio por centelha, a velocidade mdia fica em torno de 12 a 18 m/s

Verses esportivas chegam em torno de 23 m/s

Motores de Frmula 1 chegam a ultrapassar 26 m/s

A velocidade mdia esta relacionada com a tecnologia de projeto do motor e impacta os custos de produo ...

Velocidade mdia do pisto Ciclo Diesel

A velocidade mdia permite classificar os motores diesel como:

Rpidos: vp = 10 a 14 m/s

Semi-rpidos: vp = 7 a 9 m/s

Lentos: vp = 6 a 8 m/s

Motor Diesel rpidoVolvo 12D

Motor marinho semi-rpidov ~ 8/ n = 350 a 500 rpm

Motor marinho lentov ~ 6/ n = 70 a 120 rpm

Motor marinho lento

Motor marinho lento

Combusto nos motores

Combusto normal (Motor de ignio por centelha)

Pouco antes do pisto atingir o PMS, no curso de compresso, salta uma fascaentre os eletrodos da vela de ignio, provocando o incio da combusto;

Forma-se junto aos eletrodos da vela uma esfera, chamada de ncleo dechama.

A superfcie do ncleo de chama chamada de frente de chama e se propagapor toda a cmara de combusto tendo a sua frente mistura no queimada edeixando para trs gases queimados.

Se a frente de chama no sofrer perturbao nenhuma, teremos umacombusto normal.

Para a formao do ncleo de chama necessrio um certo tempo, chamado deretardamento qumico, que causa a necessidade do avano da fasca em relaoao PMS, para que a combusto ocorra no ponto de mxima compresso.

Anomalias da combusto

Pr-ignio a combusto se inicia antes da fasca da vela; a combusto comea devido a pontos quentes existentes na cmara de

combusto, fazendo o combustvel atingir a temperatura de autoignio; A pr-ignio no provoca aumento de presso e sim aumento de

temperatura, podendo causar fuso da cabea do pisto.

Detonao (batida de pino) a medida que a frente de chama avana, a presso e a temperatura na

cmara vo aumentando, podendo atingir a temperatura de auto-ignio; provoca a queima espontnea de uma grande parcela da mistura e causa

um aumento brusco na presso e temperatura; ocorre formao de ondas de choque, que fazem vibrar as paredes da

cmara, provocando um rudo audvel chamado de batida de pino.

Consequncias da detonao

Ocorrncia eventual da detonao no causa problemas ao motor;

Porm, se persistir por muito tempo pode provocar eroso na cabea do pisto e elevar sua temperatura mdia, podendo causar: Fuso do material

Quebra de anis

Agarramento do pisto ao cilindro

A detonao gera pontos quentes na cmara de combusto, que podem provocar combusto da mistura antes da fasca (pr-ignio), que fatal para o motor.

Fatores que influem na detonao

1. Qualidade do combustvel

definida pelo ndice de octanas, que indica o poder antidetonante do combustvel, quanto maior mais difcil ocorrer detonao;

2. Presso e temperatura de admisso

quanto maiores, maior a probabilidade de ocorrer detonao;

3. Temperatura do fluido de arrefecimento

quanto maior, mais probabilidade de ocorrer detonao;

4. Percurso de chama

quanto maior for o percurso, maior a probabilidade de ocorrer detonao;

5. Mistura combustvel-ar

as misturas pobres ou ricas, afastadas da mistura estequiomtrica dificultam a ocorrncia de detonao;

Fatores que influem na detonao

6. Taxa de compresso quanto maior, mais probabilidade de ocorrer detonao;

7. Turbulncia quanto maior, menor a probabilidade de ocorrer detonao, facilita a

troca de calor;

8. Avano da fasca quanto maior, mais probabilidade de ocorrer detonao;

9. Temperatura do eletrodo da vela vela quente, mais probabilidade de ocorrer detonao, vela fria, menor probabilidade de ocorrer detonao;

10. Geometria da cmara de combusto a conformao da cmara tem grande influncia na detonao.

Pistes de motores automotivos

PistesFunes em motores automotivos

Transmitir a fora gerada pelo gs de combusto s bielas;

Usado como prolongamento para definir os percursos das bielas dentro do cilindro;

Apoiam a fora normal aplicada contra as paredes do cilindro;

Junto com seus elementos de vedao, vedam a cmara de combusto;

Absorvem calor para transferncia subsequente ao sistema de arrefecimento.

PistesDesign e geometria

O design do pisto e a configurao do pino so determinadospelo formato da cmara de combusto, incluindo a geometriada coroa do pisto;

A definio precisa das dimenses do pisto, do pino e dasbuchas do pino essencial para atingir este objetivo;

A prioridade operar o pisto o mais suavemente possvel,em uma unidade capaz de suportar foras intensas durante aoperao, com temperaturas que podem atingir os limitesfsicos dos materiais usados em sua fabricao;

Pistes Temperaturas operacionais

PistesFabricao e materiais

Os pistes so projetados para atingir a menor massa oscilante eminimizar o consumo de leo, reduzindo rudo e vibrao, proporcionandomxima resistncia ao desgaste;

Material mais utilizado: ligas de alumnio;

O aumento na composio de cobre e nquel em pistes de altodesempenho, apresenta melhor performance em altas temperaturas.

Os tratamentos superficiais fornecem aos pistes uma proteo adicional,para diminuir desgaste, rudos, vibrao e atrito;

Tipos de tratamento superficiais: anodizao, estanhagem, fosfatizaoetc.

Exemplo: A anodizao dura no topo e no primeiro canalete previnetrincas e diminui desgastes;

PistesFabricao e materiais

Para motores diesel com altas cargas mecnicas e trmicas, os pistespodem ser forjados em ligas de ao;

A cabea e a saia podem ser construdas individualmente, separando asfunes de vedao e guia (exemplo: Ferrotherm Mahle);

A tecnologia de grandes fabricantes permite a fabricao de pistesforjados em ao em pea nica, com maior capacidade de carga e menormassa oscilante (exemplo: Monotherm Mahle);

As variaes na folga do pisto dentro do cilindro devem ser minimizadaspara reduzir rudo e melhorar a vedao;

Para isto, tiras de ao ou elementos similares so fundidos em alguns tiposde cilindros, para limitar sua expanso.

Anis de pisto

Os anis de pisto so o elemento de vedao entre a cmarade combusto e o eixo de manivelas;

Os dois anis superiores, chamados anis de compresso,asseguram a vedao do gs,

Pelo menos um anel adicional, chamado de anel raspador deleo ou de anel de controle de leo, assegura a lubrificaocorreta do pisto e das vedaes;

Os anis constituem uma fonte importante de atrito dentrodo motor com pisto alternativo.

Anis do pisto Formatos e configurao

1. Anel de fecho com coroa2. Anel de compresso de face cnica3. Anel de compresso escalonado4. Anel de controle de leo (ventilado

com chanfro duplo)

5. Anel de compresso simples6. Anel de compresso com face cnica7. Anel escalonado8. Anel com chanfro duplo9. Anel para leo de ao multipea

Motor Diesel Motor de ignio por centelha

Sistema de Arrefecimento do Motor

Sistema de Arrefecimento

Principal funo: Manter a temperatura do motor na faixaoperacional adequada;

Tipos de arrefecimento

Arrefecimento a ar;

Arrefecimento a gua.

Arrefecimento a ar

Usado em alguns carros antigos (Fusca etc.);

O bloco e o cabeote possuem aletas que aumentam a rea deabsoro de calor e em contato com o ar, dissipam o calor geradono motor;

Uma ventoinha fora o ar contra as aletas para acelerar a dissipaode calor;

Quando o motor exposto ao fluxo de ar, como nas motocicletas, aventoinha pode ser dispensada.

Desvantagens: Ineficincia para manter a temperatura

na faixa operacional adequada; Emisso de rudo.

Arrefecimento a gua

O sistema de arrefecimento a gua se tornou padro paracarros de passseio e veculos pesados;

O fluido de arrefecimento composto por:

gua

Anticongelante (geralmente etileno glicol)

Produtos inibidores de corroso

A proporo de anticongelante (30 a 50%) eleva o ponto de ebulio da mistura para at 120 graus Celsius (presso de 1,4 bar) em carros de passeio.

Sistema de Arrefecimento

Design e materiais do radiador

Os ncleos dos radiadores de carros de passeio so fabricadoscom alumnio;

Existem duas variantes de montagem: Radiadores soldados Radiadores montados mecanicamente

Motores de alto desempenho geralmente usam radiador comtubo chato soldado e aleta corrugada;

Motores de menor potncia (ou com maior espao paramontagem) geralmente usam sistema de tubo com aletamontado mecanicamente (sistema de menor custo);

Projeto do radiador

Dados importantes considerados no projeto do radiador:

rea de troca trmica

Massa de ar que flui atravs do radiador Velocidade de conduo

Resistncia ao fluxo de ar no compartimento do motor

Resistncia ao fluxo do ar no radiador

Eficincia do ventilador

Etc.

Anlise de viabilidade tcnica e econmica:

Processo de otimizao atravs de softwares de simulao

Resultados na simulao so confirmados por testes no veculo, em tneis de vento.

Regulagem da temperatura do lquido de arrefecimento

Veculo automotor opera em: Grande variedade de condies climticas Flutuaes significativas na carga do motor

A temperatura do fluido de arrefecimento ( e do motor) deve ser mantida constante dentro de uma faixa estreita

Vlvula termosttica Com termostato regulado por elemento de expanso Com termostato controlado por mapa eletrnico

Vantagens do sistema com mapa eletrnico (temperatura do motor pode ser adequada s condies operacionais) Menor consumo de combustvel Menor emisso de poluentes Desgaste reduzido Maior eficincia do aquecimento no interior do veculo

Tanque de expanso do lquido de arrefecimento

Tanque de expanso fornece um canal de escapamento paragases pressurizados Evita que ocorra cavitao na bomba de gua;

Absorve a expanso trmica do lquido devido aumento detemperatura e presso;

Evita a ebulio do lquido quando o motor desligado;

Tanque de expanso montado no ponto mais alto dosistema de arrefecimento;

Tanque de expanso fabricado em plstico moldado porinjeo (geralmente polipropileno).

Sistema de Arrefecimento