Trator Ese Motor Es

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ

CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA

44338866 –– TTRRAATTOORREESS EE MMOOTTOORREESS AAGGRRÍÍCCOOLLAASS

PPRROOFF.. DDrr.. RREENNYY AADDIILLMMAARR PPRREESSTTEESS LLOOPPEESS

CIDADE GAÚCHA

PARANÁ - BRASIL

SETEMBRO – 2009

Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas

1

1 - INTRODUÇÃO

A intensificação do uso de máquinas agrícolas vem exigindo novos investimentos

em máquinas com maior grau de confiabilidade no quesito de potência disponível,

tecnologia e consumo de combustível, visando atender a demanda nas atividades

agrícolas.

A otimização do desempenho de sistemas agrícolas mecanizados

necessariamente passa por questões de aspectos técnicos e econômicos visando um

entendimento adequado entre as relações de potência disponível e custos operacionais.

No caso de tratores agrícolas os custos operacionais estão intimamente relacionados

com a intensidade de utilização da máquina de tração, tendo como composição desses

custos o combustível, os lubrificantes, a manutenção e o salário do operador.

O elevado consumo de combustível dos tratores agrícolas asil se deve ao fato

desses ser operados, em sua maioria, com altas rotações e em marchas reduzidas

compreendendo na faixa de potência máxima do motor.

A redução no consumo de combustível pode ser obtida através de operações em

faixa econômica de rotação do motor, ou de um prévio ajuste no dimensionamento de

aquisição do trator utilizando-se da relação rotação, torque e consumo específico de

combustível do motor.

2 - Conceituação e Normalização das Máquinas Agrícolas

A classificação das máquinas agrícolas seguem algumas terminologias

segundo a ABNT - NB-66.

• Operação Agrícola: Toda atividade direta e permanentemente relacionada

com a execução do trabalho de produção agropecuária.

• Máquina Agrícola: Máquina projetada especificamente para realizar

integralmente ou coadjuvar a execução da operação agrícola.

• Implemento Agrícola: Implemento ou sistema mecânico, com movimento

próprio ou induzido, em sua forma mais simples, cujos órgãos

componentes não apresentam movimentos relativos.

• Ferramenta Agrícola: Implemento, em sua forma mais simples, o qual

entra em contato direto com o material trabalhado, acionado por uma fonte

de potência qualquer.


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• Máquina Combinada ou Conjugada: Máquina que possui, em sua

estrutura básica, órgãos ativos que permitem realizar, simultaneamente ou

não, várias operações agrícolas.

• Acessórios: Órgãos mecânicos ou ativos que, acoplados à máquina

agrícola ou implemento, permite tanto aprimoramento do desempenho

como execução de operações diferentes para o qual foi projetado.

1.a) Classificação das Máquinas Agrícolas

As máquinas agrícolas são divididas em grupos, especificados em grupos

distintos.

Grupo 1 - Máquinas para o preparo do solo

• a.1) Máquinas para o preparo inicial do solo: São responsáveis pela limpeza do

solo, ou seja, pela remoção de árvores, cipós e etc. Constituem-se de

destocadores, serras, lâminas empurradoras, lâminas niveladoras, escavadeiras e

perfuradoras.

• a.2) Máquinas para o preparo periódico do solo: São responsáveis pela

movimentação ou mobilização do solo (inversão de leiva). Constituem-se de

arados de aivecas, arados de discos, subsoladores, enxadas rotativas, sulcadores

e outros.

Grupo 2 - Máquinas para a semeadura, plantio e transplante

b.1) Semeadoras, plantadoras e transplantadoras.

b.2) Cultivo mínimo ou plantio direto (sistema de semeadura direta).

Grupo 3 - Máquinas para a aplicação, carregamento e transporte de adubos e

corretivos

c.1) Adubadoras e carretas

Grupo 4 - Máquinas para o cultivo, desbaste e poda

d.1) Cultivadores de enxadas rotativas, ceifadeiras e roçadoras

Grupo 5 - Máquinas aplicadoras de defensivos

e.1) Pulverizadores, polvilhadoras, microatomizadoras, atomizadoras e fumigadores

Grupo 6 - Máquinas para a colheita


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f.1) Colhedoras

Grupo 7 - Máquinas para transporte, elevação e manuseio

g.1) Carroças, carretas e caminhões

Grupo 8 - Máquinas para o processamento

h.1) Máquinas beneficiadoras de café, milho, arroz, algodão e cana

h.2) Máquinas para o tratamento e polimento: secadoras, classificadoras e polidoras

Grupo 9 - Máquinas para a conservação do solo, água e irrigação e drenagem

i.1) Irrigação: motobombas e aspersores

i.2) Drenagem: retroescavadeiras e valetadeiras

Grupo 10 - Máquinas especiais

j.1) Reflorestamento: tratores florestais e filler bush (processador de madeira)

Grupo 11 - Máquinas motoras e tratoras

k.1) Tratores agrícolas, tratores industriais e tratores florestais

2 Tratores Agrícolas

O trator agrícola é sem dúvida uma das ferramentas mais utilizadas na moderna

agricultura. Desde o preparo inicial do solo, até operações de gradagens, roçadas,

pulverizações, adubações, podas e, até mesmo, escoamento da produção. Essas

máquinas representam uma grande importância de investimento, superando muitas

vezes os bens que o mesmo utiliza para seu próprio lazer. Apesar da complexa mecânica

de um trator, medidas simples e preventivas realizadas periodicamente antes ou depois

das operações de campo, serão importantes na prevenção de defeitos e avarias, que

seguramente proporcionarão às máquinas uma vida útil mais longa e um valor residual

maior.

Trator é uma máquina autopropelida provida de meios que, além de lhe conferirem

apoio estável sobre superfícies impenetráveis, tem capacidade para tracionar, transportar

e fornecer potência mecânica, para movimentar os órgãos ativos de máquinas e

implementos agrícolas.

• Importância: Aumentar a produtividade aliado à maior eficiência das atividades

agrícolas, tornando-o menos árduo e mais atraente. Condicionam e exigem

avanços tecnológicos constantes.


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2.1 Evolução das Máquinas

A evolução das máquinas agrícolas se deve a dois fatores essenciais: a) A

necessidade do aumento da capacidade de trabalho do homem do campo, face à

crescente escassez de mão-de-obra rural; e b) A migração das populações rurais para as

zonas urbanas, devido ao processo de desenvolvimento econômico pelo qual tem

passado o nosso país.

E evolução promoveu, como conseqüência, modificações profundas nos métodos

de trabalho agrícola nos seguintes aspectos:

a) Redução sensível da necessidade de tração animal e de trabalho manual e, por

conseqüência, diminuição do mercado de trabalho rural, para mão-de-obra não

qualificada;

b) Crescente exigência do emprego de tecnologia avançada, notadamente das

técnicas de descompactação e conservação dos solos, de aplicação de

fertilizantes e defensivos, da utilização de sementes selecionadas e de

conservação e armazenamento dos produtos colhidos;

c) Organização e racionalização do trabalho, através de planejamento agrícola e

controle econômico-financeiro, dando às atividades de produção rural um caráter

tipicamente empresarial.

A evolução do uso de máquinas na agricultura, como método ilustrativos pode ser

vista na figura 1:

FIGURA 1. Evolução da participação nos sistemas de produção das várias tecnologias de execução mecanizada das operações agrícolas.


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2.2 Histórico

- 1858: Trator à vapor para arar a terra;

- 1889: Trator com combustão interna (Henry Ford - Fergusson);

- 1911: Ocorreu a primeira mostra de tratores de Nebraska - E.U.A.;

- 1920: Surgiram dois tratores agrícolas: Massey Harris - Henri Ford e Fergusson;

- 1940: Surgiram tratores equipados com Tomada de Potência (TDP), Barra de Tração

(BT) e Sistema de 3 Pontos (1º ponto: inferior esquerdo, 2º ponto: inferior direito

e 3º ponto: superior);

- Atualmente: Tratores com potência elevadas (potências variando de 180 a 220 cv) e

tecnologia avançada (injeção eletrônica) como os das marcas Ford,

CASE-New Holland, Massey Fergusson, Caterpillar, Valtra, Muller, John

Deere e outros.

2.3 Funções Básicas

a) Tracionar máquinas e implementos de arrasto tais como arados, grades, adubadoras e

carretas, utilizando a barra de tração;

b) Acionar máquinas estacionárias, tais como batedoras de cereais e bombas de

recalque d’água, através de polia e correia ou da árvore de tomada de potência;

c) Tracionar máquinas, simultaneamente com o acionamento de seus mecanismos, tais

como colhedoras, pulverizadores, através da barra de tração ou do engate de três

pontos e da árvore de tomada de potência;

2.4 Constituição Básica dos Tratores Agrícolas:

a) Motor: Responsável pela transformação da energia potencial do combustível

em energia mecânica, na forma de potência disponível no eixo de manivelas.

Basicamente os motores são classificados quanto: tipo de combustível, número

de cilindros, sistema de injeção, potência, torque, rotação máxima do motor e

relação de compressão.

b) Embreagem: Órgão receptor da potência do motor e responsável pela sua

transmissão à caixa de mudança de marchas, sob o comando de um pedal ou

alavanca acionável pelo operador (pedal de embreagem).


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c) Caixa de mudança de marchas: Órgão mecânico responsável pela

transformação de movimento para o sistema de rodados do trator. É o

responsável pela transformação de torque e velocidade angular do motor, sendo

comandada pela alavanca de mudança de marchas.

d) Coroa, pinhão e diferencial: Órgãos transformadores e transmissores

demovimentos responsáveis pela transmissão do movimento da caixa de

mudança de marchas a cada uma das rodas motrizes; envolvendo uma redução

proporcional de velocidade e uma mudança na direção do movimento de um

ângulo de 90º.

e) Redução final: Órgão que transmite os movimentos do diferencial às rodas

motrizes com redução da velocidade angular e aumento do torque.

f) Rodados: São os órgãos operadores responsáveis pela sustentação e

direcionamento do trator, bem como sua propulsão, desenvolvida através da

transformação da potência do motor em potência na barra de tração.

g) Tomada de potência (TDP): Órgão responsável pela transformação do

movimento do motor para uma árvore de engrenagens, cuja extremidade externa

está localizada na parte traseira do trator, local onde são acoplados sistemas

mecânicos rotativos. As tomadas de potência possuem rotações na faixa de 540 a

1000 rpm e são normalizadas pela ABNT-PB-83.

h) Sistema hidráulico: Órgãos receptores, transformadores e transmissores da

potência do motor através de um fluido sob pressão aos órgãos operadores,

representados, principalmente, por cilindros hidráulicos. São normalizados pela

ABNT-PB-131.

i) Reguladores: Conjunto de órgãos que têm por função regular a velocidade

angular do motor em função das variações das cargas às quais o trator é

submetido.

j) Sistema de engate de três pontos: Responsável pela tração e suspensão de

implementos e máquinas agrícolas. É normalizado pela ABNT-PB-84, categoria I,

II (tratores agrícolas) e III (tratores industriais e florestais).

k) Barra de tração (BT): Órgão responsável pela tração de máquinas e

implementos. É normalizado pela ABNT-PB-85.

Na Figura 2 pode-se visualizar a constituição básica de um trator agrícola.


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FIGURA 2 – Constituição geral de um trator agrícola.


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2.5 Classificação Geral dos Tratores Agrícolas

A classificação geral dos tratores leva em consideração dois critérios básicos: o

tipo de rodado e o tipo de chassi.

2.5.1. Tipo de Rodado

Confere à máquina importantes características com relação à tração, estabilidade

e rendimento operacional. Classificam-se em:

a) Tratores de rodas: Os tratores de rodas constituem o tipo predominante para uso

agrícola. Caracterizam-se por possuírem, como meio de propulsão, rodas pneumáticas,

cujo número e disposição determinam os seguintes subtipos:

a.1) Duas rodas;

- as rodas são motrizes;

- o operador caminha atrás do conjunto;

- tobatas ou microtratores.

Figura 3 . Esquema de um trator de duas rodas


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a.2) Triciclos;

- possuem duas rodas traseiras motrizes e uma roda na frente;

- utilizados como tratores de jardinagem e ceifadores.

Figura 4 – Esquema de um trator de três rodas.

a.3) Quatro rodas

- duas rodas movidas e duas rodas atrás com diâmetro maior às anteriores;

- modelos: 4 X 2 (4 rodas, sendo 2 para tração); 4 X 4 (4 rodas, sendo as 4 para tração) e

4X2 TDA – (4 rodas para tração - tração dianteira auxiliar).

Figura 5 – Esquema de um trator de quatro rodas.


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b) Tratores de semi – esteiras

São tratores de quatro rodas, porém modificadas, de forma a admitirem o

emprego de uma esteira sobre as rodas traseiras motrizes.

Figura 6. Esquema de um trator de semi – esteiras.

c) Tratores de esteiras

O rodado desses tratores é constituído, basicamente, por duas rodas motoras

dentadas, duas rodas guias movidas e duas correntes sem fim, formadas de elos

providos de pinos e buchas dispostos transversalmente, denominados esteiras.

As rodas dentadas transmitem movimento às esteiras que se deslocam sobre o

solo, apoiadas em chapas de aço denominadas sapatas. Uma estrutura de apoio e um

conjunto de roletes completam esse tipo de rodado.

Figura 7. Esquema de um trator de esteiras.


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2.5.2. Tipo de Chassi

O chassi confere características ao trator, com relação ao Peso e Potência,

distribuição dos esforços e localização do centro de gravidade.

Os tratores quanto ao chassi classificam-se em:

a) Tratores industriais

São utilizados para transporte e manuseio de ferramentas em parques industriais.

Podem ser de rodas, esteiras e de chassi articulado.

b) Tratores florestais

São tratores utilizados para derrubada e corte de árvores, carregamento,

transporte e processamento.

c) Tratores agrícolas

Segundo seu chassi podem ser de 2, 3 e 4 rodas. São transportadores de

implementos e formam conjuntos combinados.

FIGURA 8. Representação esquemática de chassi de trator agrícola.


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3 . Motores

Os motores basicamente são de combustão interna, externa e híbridos

(configuração mais utilizada é um motor a combustão e outro elétrico, assim o consumo

de combustível é menor), ambos com suas respectivas vantagens, desvantagens e

aplicações. No setor de máquinas agrícola há predominância de motores de combustão

interna.

3.1 Motores de Combustão externa

Os motores de Combustão externa funcionam com um ciclo termodinâmico

composto de 4 fases e executado em 2 tempos do pistão: compressão isotérmica

(=temperatura constante), aquecimento isométrico (=volume constante), expansão

isotérmica e resfriamento isométrico. Este é o ciclo idealizado (válido para gases

perfeitos), que diverge do ciclo real medido por instrumentos. Não obstante, encontra-se

muito próximo do chamado Ciclo de Carnot, que estabelece o limite teórico máximo de

rendimento das máquinas térmicas.

O motor Stirling (Figura 9) é um exemplo clássico de motor de combustão

externa, surpreende por sua simplicidade, pois consiste de duas câmaras em diferentes

temperaturas que aquecem e resfriam um gás de forma alternada, provocando expansão

e contração cíclicas, o que faz movimentar dois êmbolos ligados a um eixo comum.

O gás utilizado nos modelos mais simples é o ar (daí a expressão citada acima);

hélio ou hidrogênio pressurizado (até 150 kgf cm-2) são empregados nas versões de alta

potência e rendimento, por serem gases com condutividade térmica mais elevada e

menor viscosidade, isto é, transportam energia térmica (calor) mais rapidamente e têm

menor resistência ao escoamento, o que implica menos perdas por atrito. Ao contrário

dos motores de combustão interna, o fluido de trabalho nunca deixa o interior do motor;

trata-se portanto de uma máquina de ciclo fechado.

Teoricamente, o motor Stirling é a máquina térmica mais eficiente possível.

Alguns protótipos construídos pela empresa holandesa Phillips nos anos 50 e 60

chegaram a índices de 45%, superando facilmente os motores a gasolina, diesel e as

máquinas a vapor (eficiência entre 20% e 30%).

A fim de diminuir as perdas térmicas, geralmente é instalado um "regenerador"

entre as câmaras quente e fria, onde o calor (que seria rejeitado na câmara fria) fica

armazenado para o fase seguinte de aquecimento, incrementando sobremaneira a

eficiência termodinâmica .


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FIGURA 9. Visualização esquemática de um motor Stirling de combustão externa

3.2 Motores de Combustão interna

O motor é a fonte de potência de veículos. A potência do veículo lhe dá

movimentação, e lhe permite o transporte de cargas (pessoas ou materiais). Portanto, o

motor é a fonte de força e movimento de veículos. Quanto maior for a potência do motor,

maior será a sua capacidade de carga, e maiores velocidades poderá proporcionar ao

veículo. Assim, se é dito que um motor é mais potente que um outro, quer dizer que o

primeiro proporciona ao veículo uma capacidade de transportar uma quantidade maior de

carga, ou de atingir velocidades mais elevadas. Por exemplo, motores de caminhões e

ônibus são feitos mais potentes que os de automóveis de modelo popular, pois

necessitam de uma maior capacidade de carga. Por outro lado, motores de automóveis

esportivos também são mais potentes que os de modelos populares. Motores de

automóveis esportivos têm por objetivo atingir maiores velocidades.

O emprego da potência de motores para uma maior capacidade de carga ou para

a obtenção de velocidades mais elevadas é obtido através do projeto adequado de um

sistema de transmissão (grupo de peças e equipamentos que transfere a potência do

motor para as rodas.). Para seu funcionamento, o motor necessita de uma fonte de

energia, combustível, os quais podem ser líquidos ou gasosos.

Os combustíveis mais popularmente utilizados são: gasolina, o álcool e o óleo

diesel, todos líquidos. O gás natural vem sendo ultimamente empregado como uma fonte

de energia alternativa. Fatores econômicos, requerimentos de potência ou de

atendimento a legislações ambientais determinam o tipo de combustível a ser utilizado. O

combustível pode ser definido como sendo o alimento dos motores.


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Nos motores de combustão interna, o combustível é comprimido por um

pistão dentro de um cilindro, juntamente com ar aspirado do ambiente. A mistura

formada entre o combustível e o ar é queimada, produzindo pressões elevadas, e

então se expande. A expansão da mistura queimada gera o movimento do pistão,

que é transmitido para as rodas do veículo.

A transmissão do movimento do pistão às rodas do veículo pode ser

comparado à transmissão do movimento de um pedal à roda traseira de uma

bicicleta, conforme mostra a Figura 10. O movimento das pernas de um ciclista

exerce efeito similar ao movimento do pistão de um motor de combustão interna.

FIGURA 10. Visualização de eixo de manivelas e conversão de movimentos do pistão em

movimento rotatório com transmissão para as rodas. 3.3 Classificação dos Motores de Combustão Interna

Os motores de combustão interna são classificados de acordo com o modo de

queima do combustível em motores com ignição por centelha (otto) e motores com

ignição por compressão. Estes últimos também são também conhecidos por motores

diesel.

Motores movidos a gasolina ou a álcool são exemplos de motores com ignição por

centelha. Neste caso, a queima de combustível é iniciada com uma centelha fornecida

pela vela de ignição, que é um componente instalado na superfície superior do cilindro,

na parte chamada cabeçote do cilindro.


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Motores diesel normalmente utilizam o óleo diesel como combustível. Nestes

motores a ignição é iniciada pela injeção de combustível no cilindro através de bicos

injetores. A combustão em motores diesel se dá de maneira espontânea, estimulada por

elevadas pressão e temperatura da mistura ar/combustível no cilindro.

Os motores também podem ser classificados como de quatro tempos ou dois

tempos. Durante seu funcionamento, um motor continuamente admite uma quantidade

de ar e combustível, comprime e queima a mistura e a deixa expandir antes de expulsá-la

do cilindro. Quando este ciclo é feito ao tempo em que o pistão executa quatro

movimentos, dois para cima e dois para baixo, o motor é chamado de quatro tempos.

Quando o pistão realiza somente dois movimentos durante o ciclo, um para cima e um

para baixo, o motor é chamado de dois tempos.

O esquema de motores de quatro tempos de um motor a gasolina são mostrados

em detalhes na Figura 11.

Admissão Compressão Expansão Exaustão

FIGURA 11 . Ciclo de quatro tempos de um motor com ignição por centelha

3.3.1 Princípio de Funcionamento de Motor de 4 tempos

Na admissão, o motor atrai uma quantidade de ar e combustível para o interior do

cilindro. Neste processo, a válvula de admissão permanece aberta, e a válvula de

exaustão fechada. A válvula de admissão é um componente que abre ou fecha a

passagem de mistura ar-combustível para o interior do cilindro.

A válvula de exaustão, também conhecida como válvula de descarga ou

válvula de escape, abre ou fecha a passagem de mistura queimada do cilindro para o

exterior. O pistão realiza um movimento para baixo, e o volume do cilindro é preenchido

por ar e combustível.


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O início da compressão é marcado pelo fechamento da válvula de admissão.

Ambas as válvulas, de admissão e de exaustão, permanecem fechadas. A mistura ar-

combustível é comprimida pelo movimento do pistão para cima, diminuindo o volume do

cilindro. A pressão da mistura aumenta, preparando-a para ser queimada. Ao final da

compressão, com o pistão próximo à sua posição superior máxima, denominada Ponto

Morto Superior (PMS), dá-se início ao processo de queima da mistura, a combustão.

A combustão em motores a gasolina é iniciada por uma centelha fornecida pela

vela de ignição, e, em motores diesel, é iniciada de maneira espontânea, estimulada

pelas altas pressão e temperatura da mistura no cilindro. Quando o pistão se encontra no

ponto morto superior, o volume definido pela geometria do topo do pistão, cilindro e pelo

cabeçote do cilindro é chamado câmara de combustão. A câmara de combustão é

projetada de maneira a facilitar o processo de combustão, objetivando que a mistura seja

rápida e completamente queimada a cada ciclo do motor.

A combustão prossegue e é finalizada durante a expansão. Neste processo, em

que as válvulas de admissão e exaustão permanecem fechadas, o pistão move-se para

sua posição inferior. O volume do cilindro aumenta, e a mistura em seu interior se

expande. É durante a expansão que a potência do motor é gerada, de acordo com a

força exercida sobre o pistão pela energia liberada da combustão. Pouco antes de o

pistão atingir sua posição mínima, denominada Ponto Morto Inferior (PMI), a válvula de

exaustão é aberta, dando início à exaustão. Este processo é caracterizado pela liberação

da mistura queimada no cilindro. A mistura é expelida do cilindro à medida em que o

pistão move-se para cima. Com o pistão próximo ao ponto morto superior, a válvula de

admissão é aberta. A seguir, a válvula de exaustão é fechada e dá-se início a um novo

ciclo.

3.3.2 Princípio de Funcionamento de Motor de 2 tempos

O ciclo de um motor de dois tempos (Figura 12) se dá com a combustão

da mistura ar/combustível, que acima do pistão produz um rápido aumento na

pressão e temperatura, empurrando o pistão para baixo, produzindo potência (1).

Abaixo do pistão, a janela de admissão induz ar da atmosfera para o cárter,

devido ao aumento de volume do cárter reduzir a pressão a um valor inferior à

atmosférica. O cárter é isolado ao redor do eixo de manivelas para assegura a

máxima depressão em seu interior.

A janela de exaustão, então, se abre (2), permitindo a saída do gás de

exaustão. A área da janela aumenta com o giro do eixo de manivelas, e a pressão

no cilindro se reduz. O processo de exaustão está quase se completando e, com


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ambas as janelas desobstruídas pelo pistão, o cilindro se conecta diretamente ao

cárter através do duto de admissão (3). Se a pressão no cárter for superior à

pressão no cilindro, então uma mistura fresca entra no cilindro e se inicia os

processos de admissão e lavagem. O pistão então se aproxima do ponto de

fechamento da janela de exaustão e o processo de lavagem se completa (4).

Após a janela de exaustão estar totalmente fechada, o processo de compressão

se inicia até que o processo de combustão novamente ocorra.

A distância entre o ponto morto superior e o ponto morto inferior e o

diâmetro do cilindro determinam o volume da mistura ar-combustível admitida

pelo motor a cada ciclo. Este volume é comumente chamado cilindrada do motor.

A cilindrada é medida em litros (L) ou centímetros cúbicos (cc ou cm³).

Assim: um motor 1.0 e um motor de 1000cc têm a mesma cilindrada.

A cilindrada está intimamente relacionada ao desempenho do motor. De

uma maneira geral, quanto maior for a cilindrada, maior será a potência e o

consumo de combustível. A razão entre o volume da mistura no cilindro com o

pistão no ponto morto inferior e seu volume com o pistão no ponto morto superior

é denominada razão de compressão.

Admissão

Exaustão

Exaustão

Admissão

1) Compressão/Admissão

2) Expansão/Exaustão

3) Toca de Gases 4) Fechamento da Exaustão


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FIGURA 12. Ciclo dos motores de 2 tempos com ignição por centelha

3.4 Cilindros de Motores

Os motores de combustão interna têm, normalmente, quatro, seis ou oito

cilindros. Motores de um, três, cinco, dez e doze cilindros também encontram

aplicação, em menor escala.

Motores de dez e doze cilindros são, em geral, empregados em veículos

de competição.

Motores de um único cilindro são comumente utilizados para testes de

laboratório, veículos de duas rodas, ou para outros equipamentos, como

cortadores de grama.

Os cilindros de um motor podem ser arranjados em linha, opostos ou

em configuração V (Figuras 13, 14, 15 e 16)

Figura 13. Vista do arranjo de cilindros (A- em linha, B- em V, C- opostos).


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20

Figura 14. Vista em corte de um motor V8 (configuração V - 8 cilindros).

Figura 15. Vista em corte de um motor de quatro cilindros em linha.

Figura 16. Vista em corte de um motor simples de dois tempos.

Pistão

Janela Admissão

Biela

Câmara Combustão

Janela Exaustão

Janela

Transferência Gases

Cárter


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3.5 Constituição dos Motores

Os Motores de combustão interna são constituídos por vários componentes

essenciais. Estes componentes são projetados para tornar o motor eficiente e confiável.

Os componentes básicos de um motor de combustão interna de quatro tempos são os

seguintes: bloco do motor, eixo de manivelas, bielas, pistões, anéis dos pistões,

cabeçote do cilindro e trem de válvulas.

O bloco do motor é o maior e principal componente do motor. Praticamente

todas as partes do motor são direta ou indiretamente ligadas ao bloco (Figura 17). O

bloco é feito de metal fundido, normalmente uma liga de ferro ou alumínio.

Os cilindros são largos furos arredondados feitos através do bloco. Os pistões se

ajustam nos cilindros. Os cilindros são ligeiramente mais largos que os pistões,

permitindo a estes deslizarem livremente para cima e para baixo. Em muitos blocos de

liga de alumínio, luvas de aço são colocadas nos cilindros, e os pistões deslizam em sua

superfície.

O topo do bloco é usinado plano, sendo unido por parafusos ao cabeçote do

cilindro. O topo do bloco permite a passagem de óleo, para a lubrificação do motor, e de

água (ou ar), para seu resfriamento. Passagens de fluido de resfriamento são também

encontradas através de todo o bloco, chamadas camisas de água. Por um furo feito na

parte inferior do bloco passa o eixo de manivelas. Um outro furo feito no bloco abriga o

eixo de comando das válvulas de admissão e exaustão.

O cárter é a parte inferior do bloco. O cárter abriga o eixo de manivelas e

também, em alguns casos, o eixo de comando das válvulas. O cárter também serve

como um reservatório de óleo lubrificante.

O eixo de manivelas, também conhecido como virabrequim, é responsável por

converter o movimento vertical do pistão em movimento de rotação. O eixo de manivelas

gira no interior do cárter. O eixo de manivelas é projetada de acordo com o número de

cilindros do motor.

O eixo de manivelas (Figura 18 e 19) apresenta partes descentralizadas, onde as

bielas são fixadas, que determinam a distância entre o ponto morto superior e o ponto

morto inferior.

O eixo de manivelas também apresenta contrapesos para evitar o surgimento de

vibrações. O eixo de manivelas comanda o movimento do eixo de comando das válvulas.


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Figura 17. Vista parcial de um bloco do motor.

Figura 18-.Vista parcial de bloco de um motor e árvore de manivela.

Contra-Peso

Conexão

Volante


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Figura 19. Vista da localização da árvore de manivelas no motor.

A biela é a peça que transmite o movimento do pistão e a potência gerada pela

combustão ao eixo de manivelas durante a expansão. A biela também permite

movimento ao pistão durante os processos de exaustão, admissão e compressão. A biela

consiste de uma haste com dois furos nos extremos. É conectada ao pistão através de

um pino que passa através do furo menor.

O furo maior é constituído por um mancal fixado por parafusos, que envolve um

dos pinos excêntricos do eixo de manivelas (Figura 20).

Figura 20. Vista parcial de um pistão e biela de motor.

Pistão

Pino

Biela

Movimento da Biela


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Os pistões transferem a potência gerada pela combustão para a biela e à ao eixo

de manivelas. Geralmente, são feitos de ferro fundido ou de ligas de alumínio.

Os pistões são unidos às bielas através de pinos, e o contato com a parede

lateral do cilindro é feito através de anéis.

O topo do pistão é a parte mais exposta ao calor e à pressão da combustão.

O formato do topo do pistão combina com a geometria do cabeçote do cilindro

para formar a câmara de combustão.

O topo do pistão pode ser reto, côncavo, convexo ou apresentar outra geometria

dentro de uma variedade, sempre visando facilitar o processo de combustão.

Os pistões apresentam ranhuras laterais para abrigar os anéis.

Um furo radial é feito para o pino que une o pistão à biela. A parte inferior do

pistão é chamada saia do pistão.

Em motores de dois tempos, o pistão é de destacável importância no processo de

lavagem.cujo o objetivo é produzir o processo de lavagem no cilindro com duas ou mais

janelas de admissão direcionadas para o lado do cilindro distante da janela de exaustão,

mas através de um pistão com o topo plano (lavagem em “loop”) ou outros arranjos de

lavagem em “loop” (Figura 21).

FIGURA 21. Vista parcial do arranjo de lavagem “loop” de pistões.


25

A vantagem deste tipo de lavagem é a disponibilidade de uma câmara de

combustão compacta acima do pistão de topo plano, que permite um processo de

combustão rápido e eficiente (Figura 22).

FIGURA 22. Vista parcial de pistões de lavagem transversal (esquerda e centro) e de

lavagem “loop” (direita).

O processo original de lavagem é o transversal. Um projeto de um defletor

moderno (Figura 23) apresenta boas características de lavagem em cargas

parciais e tende a fornecer boas características a baixas velocidades e baixas

potências.

Sob cargas plenas a eficiência de lavagem não é boa e, combinada com

uma câmara de combustão não compacta preenchida com protuberâncias

defletoras expostas, o motor apresenta uma potência específica baixa e elevado

consumo de combustível.

Um projeto de motores com lavagem transversal (Figura 23) que não

apresenta desvantagens de lavagem em plena carga (Figura 24).

Contudo, o cilindro não apresenta a mesma simplicidade de manufatura

daquele do pistão convencional (centro da Figura 22).


26

Figura 23. Vista parcial de pistão defletor de motor com lavagem transversal.

Figura 24. Vista parcial de um pistão defletor não convencional de motor com lavagem

transversal.

Exaustão

Admissão

Arranjo Plano da Janela


27

O processo de lavagem com escoamento unidirecional é o mais eficiente

para motores de dois tempos. O esquema básico é mostrado na Figura 25 e,

fundamentalmente a metodologia é iniciar preenchendo o cilindro com mistura

fresca em uma extremidade e remover o gás de exaustão da outra extremidade.

O movimento rotacional do ar é efetivo em promover boa combustão em

uma configuração diesel. Sua aplicação para motores com ignição por centelha

envolve complexidades mecânicas, não sendo vantajosa devido aos elevados

custos.

’

FIGURA 25 Vista parcial de dois métodos de lavagem unidirecional em motores de dois

tempos.

Cames Cames

Válvulas

Admissão

Exaustão


28

Existem projetos de motores de dois tempos em que a lavagem não emprega o

cárter como uma bomba de ar, mas um equipamento externo como um soprador do tipo

Roots ou um soprador centrífugo acionado pelo eixo de manivelas. Neste caso, a

utilização conjunta de um turbocompressor é mais eficiente termodinamicamente, onde a

energia de exaustão dos gases de saída das turbinas são disponíveis para acionar o

compressor de ar.

A Figura 26 mostra um arranjo em que o motor apresenta um soprador e uma

turbina. O soprador é utilizado como auxiliar na partida e para suplementar ar sob baixas

cargas e velocidades, e a turbina empregada como a principal unidade de suplemento de

ar sob elevados níveis de torque e potência em qualquer velocidade. Este motor

demonstra economia de combustível e baixos níveis de emissões de hidrocarbonetos não

queimados, monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio, em comparação com um motor

equivalente de quatro tempos.

FIGURA 26. Motor de dois tempos com supercompressor e turbocompressor.

Os anéis do pistão, também denominados anéis de segmento, são fixados em

ranhuras feitas nas laterais dos pistões, na parte superior. Os pistões geralmente

apresentam três segmentos de anéis. Os dois anéis superiores têm a incumbência de

evitar perdas da potência gerada na combustão e impedir a passagem da mistura ar-

combustível para o cárter através do espaçamento entre o pistão e o cilindro. O terceiro

anel tem a tarefa de selar a passagem de óleo do cárter para a câmara de combustão.

Os anéis apresentam uma separação, que permite sua montagem no pistão e lhes dá


29

uma tendência a se abrirem, pressionando-os contra a parede do cilindro e melhorando a

vedação (Figura 27).

O cabeçote do cilindro é parte do motor que cobre o bloco. Na superfície inferior

do cabeçote do cilindro são encontradas cavidades na direção dos cilindros que formam

com o topo dos pistões as câmaras de combustão. No cabeçote também se localizam

as velas de ignição, para o caso de motores a gasolina, e os bicos injetores de

combustível, para o caso de motores diesel. O cabeçote também contém aberturas

chamadas janelas de admissão e janelas de exaustão. Através das janelas de

admissão a mistura ar-combustível, para motores a gasolina, ou ar simplesmente, para

motores diesel, é admitido para o cilindro. A mistura queimada deixa o cilindro através da

janela de exaustão. No cabeçote do cilindro também se encontram furos destinados a

guiar o movimento das válvulas de admissão e exaustão. As superfícies das janelas de

admissão e exaustão são usinadas de maneira a assentar as válvulas, garantindo que a

passagem de mistura seja lacrada quando as válvulas estão fechadas.

Figura 27. Vista parcial de anéis de segmentos de compressão e vedação de óleo.

Uma placa fina de metal, chamada gaxeta, é colocada na junção entre o cabeçote

do cilindro e o bloco do motor para fins de vedação. Gaxetas são também utilizadas nas

junções entre o cabeçote do cilindro e as tubulações de admissão e escapamento.

Através da tubulação de admissão o ar, para o caso de motores diesel, ou a mistura ar-

combustível, para o caso de motores a gasolina, tem acesso ao cilindro. A mistura

queimada deixa o cilindro através da tubulação de escape.

O trem de válvulas consiste das partes que compõem o mecanismo de operação

das válvulas de admissão e exaustão.

Anéis de

Compressão

Anéis de

Compressão

Anéis de Vedação

de óleo

Pistão


30

O trem de válvulas (Figura 28) inclui eixo de comando das válvulas, alças,

hastes, braços (balancim), molas e válvulas. As partes presentes em um trem de

válvulas dependem do seu projeto.

FIGURA 28. Vista parcial de um trem de válvulas.

O eixo de comando das válvulas tem a função de comandar a abertura e o

fechamento das válvulas nos momentos adequados. Consiste de um eixo com partes

ovais, chamados excêntricos ou cames, com as quais as alças fazem contato. O

número de cames no eixo é igual ao número de válvulas. À medida que o eixo gira, os

cames deslocam as alças, em um movimento vertical. O movimento das alças é

transmitido através das hastes e braços para as válvulas. Quando a parte mais

protuberante do came, chamada lóbulo, faz contato com a alça, esta se encontra em sua

posição superior, e a válvula atinge sua abertura máxima.

As molas fazem com que as válvulas retornem à sua posição de fechamento. A

posição fechada da válvula corresponde à alça em seu nível inferior, em contato com o

prolongamento circular do cames (Figura 29).

Figura 29. Vista parcial do movimento do came motor.


31

O eixo de comando das válvulas (Figura 30) pode estar localizado no bloco do

motor ou no cabeçote do cilindro. Quando o eixo de comando das válvulas se localiza no

cabeçote do cilindro, o trem de válvulas não apresenta hastes e braços. mostra um eixo

de comando das válvulas.

Figura 30. Vista de um eixo de comando das válvulas.

A válvula de admissão abre ou fecha a janela de admissão para a entrada de ar

(motores diesel) ou mistura ar-combustível motores a gasolina) no cilindro. A válvula de

exaustão abre ou fecha a janela de escape para a saída de mistura queimada do cilindro.

Os motores de combustão interna têm, em geral, duas válvulas por cilindro, uma

de admissão e uma de exaustão. Também é comum motores modernos de potência

elevada apresentarem quatro válvulas por cilindro, duas de admissão e duas de

exaustão.

A válvula de admissão é feita em tamanho maior que a válvula de exaustão. Na

Figura 31 mostra válvulas de admissão e exaustão do tipo “poppet”, utilizadas

principalmente em motores de combustão interna de quatro tempos.

FIGURA 31. Vista de válvulas de admissão e exaustão.


32

Em motores de dois tempos, o método mais simples de admitir mistura fresca e

expulsar os gases queimados é pelo movimento do pistão expondo janelas na parede do

cilindro. Neste caso, todos os eventos de abertura das portas são simétricos em relação

ao ponto morto superior e ponto morto inferior. É possível produzir eventos de admissão

e exaustão assimétricos pelo uso de válvulas disco, válvulas “reed” (Figura 32) e válvulas

“poppet”, permitindo que o fasamento das janelas corresponda mais precisamente aos

eventos de pressão no cilindro e no cárter, proporcionando ao projetista maior controle

sobre a otimização dos sistemas de admissão e exaustão.

As válvulas poppet são de difícil projeto para proporcionar escoamento adequado

a motores de dois tempos e são mais utilizadas em motores de quatro tempos, onde o

tempo disponível aos processos de admissão e exaustão é o dobro em relação a motores

de dois tempos.

FIGURA 32. Vista de válvulas disco e “reed” para controle da admissão.


33

Questões de Avaliação

• Definições:

Tempo de admissão, tempo de compressão, tempo de expansão, tempo de

exaustão, combustão, potência, ponto morto superior, ponto morto inferior,

bloco do motor, cilindro, virabrequim, cárter, pistão, anéis de segmentos, biela,

cabeçote do cilindro, câmara de combustão, janela de admissão, janela de

escape, válvula de admissão, válvula de escape, trem de válvulas, eixo de

comando das válvulas, came, tubulação de admissão, tubulação de

escapamento, gaxeta.

• Como se dá o início da combustão em motores a gasolina?

• Como se dá o início da combustão em motores diesel?

• O que significa ponto morto superior e ponto morto inferior?

• Qual a função dos contrapesos na eixo de manivelas?

• Explique a função dos anéis de segmentos.

• Quais são os principais componentes de um trem de válvulas?

• Identifique as partes do motor na figura abaixo indicadas pelas letras:


34

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