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UNIVERSIDADE
CATÓLICA DE
BRASÍLIA
PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Curso de Física
POR DENTRO DO CICLO OTTO
Autor: Franklin Ayslan Carvalho Ribeiro
Orientador: Prof. Dr. Paulo Henrique Alves Guimarães
BRASÍLIA 2009
POR DENTRO DO CICLO OTTO
Autor: Franklin Ayslan Carvalho Ribeiro
Orientador: Prof. Dr. Paulo Henrique Alves Guimarães
Curso de Física
PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
FRANKLIN AYSLAN CARVALHO RIBEIRO
POR DENTRO DO CICLO OTTO
Trabalho de Conclusão de Curso
submetido à Universidade Católica de
Brasília para obtenção do Grau de
Licenciado em Física.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Henrique Alves
Guimarães
Brasília
Novembro de 2009
2
POR DENTRO DO CICLO OTTO
RESUMO
O texto a seguir apresenta uma revisão teórica sobre as leis da termodinâmica e conceitos da
engenharia mecânica relacionados ao funcionamento de motores de combustão interna (MCI), que
utiliza como fluido operante a mistura de ar e combustível (ciclo Otto). Será realizada também uma
etapa experimental, que compreende a montagem de um motor de combustão interna real de forma
didática e o desenvolvimento de um suporte, para que este motor seja mostrado em várias posições,
ou seja, o suporte é constituído de dois eixos centrais com rotação de 360°. Com o objetivo de
transformar o motor em material didático, foram realizados cortes em seu bloco principal esse bloco
foi pintado em cores diferentes para obter uma melhor visualização das peças que compõem o motor.
O modelo escolhido para realizar este experimento foi o motor CHT, fabricado pela Ford e
Volkswagen.
Palavras – chave: Motor de combustão interna, Termodinâmica, Ciclo Otto.
1. INTRODUÇÃO
Neste trabalho de conclusão de curso será estudado o rendimento, a potência, a
capacidade volumétrica, a taxa de compressão e o consumo especifico de combustível para
motores de combustão interna, através deste estudo poderá ser realizada uma analise das
vantagens e desvantagens na utilização dos motores tipo BOXER, CHT e V8.
Visando facilitar a didática para explicar o funcionamento das maquinas térmicas e
as leis da termodinâmica, foi desenvolvido material didático que auxilie o desenvolvimento
deste conteúdo. O material didático consiste na montagem de um motor real de combustão
interna onde poderão ser observados todos os estágios de funcionamento de uma maquina
térmica. O experimento desenvolvido neste trabalho tem como objetivo demonstrar o
funcionamento e identificar os quatro tempos do ciclo Otto em um motor real.
Será realizado como parte experimental à apresentação de motor real de combustão
interna de quatro tempos (ciclo Otto), modelo CHT fabricado em conjunto pela Volkswagen
do Brasil e pela Ford do Brasil parceria denominada Autolatina, com cortes em seu bloco,
pintado em cores diferentes para uma melhor visualização, também será instalado, o
distribuidor, a bomba de água e óleo, o sistema de injeção de combustível, para que possa
ser entendido o funcionamento do motor. Este motor possui disposição dos cilindros em
linha no total de quatro cilindros, o combustível utilizado neste modelo é o álcool possuindo
diferença para o modelo a gasolina apenas na forma e tamanho da câmara de combustão.
O motor será pintado na cor azul, os cortes em vermelho, as bombas de combustível, de
água e óleo pintados na cor laranja, carburador e polias na cor grafite e cabeçote na cor
3
cromado, as demais peças também serão pintadas em cores diferentes e chamativas para
facilitar a visualização.
Para sustentação e apresentação do experimento foi, desenvolvido um suporte em
metal, com o eixo de suporte do motor com rotação de 360°.
O trabalho realiza uma revisão teórica dos conceitos da termodinâmica e conceitos
ligados a engenharia mecânica, com o objetivo de facilitar o entendimento do funcionamento
do motor de combustão interna e de cada parte que constitui o motor.
A revisão teórica discutirá as três leis da termodinâmica, rendimento de Carnot, o
ciclo Otto e a determinação de rendimento através da visão da Física. Também apresenta
conceitos como rendimento mecânico, potência, rendimento volumétrico, cilindrada, taxa de
compressão e consumo especifico de combustível que são discutidos a partir da visão da
engenharia mecânica.
2. REVISÃO TEORICA
2.1 Leis da termodinâmica
As leis da termodinâmica são divididas em quatro princípios fundamentais. Estas leis
determinam o equilíbrio térmico entre corpos, a quantidade de calor recebido por um
sistema a partir da variação de energia interna e de trabalho e o funcionamento das
máquinas térmicas.
Analisando dois corpos, com temperaturas diferentes, que são colocados em contato
após certo tempo estes terão a mesma temperatura. Se os mesmos forem colocados em
contato com um terceiro corpo, os três irão possuir, após certo tempo, uma temperatura
comum ou a mesma temperatura.
Esta observação experimental resume a lei zero ou lei do equilíbrio térmico propondo
que se dois corpos estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro, estarão em equilíbrio
térmico um com o outro.
A elevação de temperatura de um sistema pode ocorrer adicionando calor ou
realizando trabalho sobre o sistema. A realização de trabalho sobre um sistema pode ser
feita de várias maneiras. Uma delas é o experimento de Joule, que converte energia
potencial de pesos, que caem, em trabalho sobre a água. Outra maneira seria deixar cair um
vaso com água de uma altura (h) e efetuar, colisão inelástica com o solo, ou aproveitar o
trabalho mecânico da queda de corpos para gerar energia elétrica e depois aquecer a água.
O importante nas experiências deste tipo é observar que as quantidades de trabalho que
causam variação de temperatura são idênticas (TIPLER, 2000). Logo pelo principio da
conservação de energia podemos concluir que o trabalho efetuado sobre o sistema contribui
para a elevação da energia interna do sistema.
4
Assim, a primeira lei da termodinâmica pode ser expressa por uma equação onde a
variação de energia interna do sistema é igual a soma entre a variação da quantidade de
calor e o trabalho efetuado pelo sistema. Na forma diferencial pode ser escrita desta
maneira, conforme equação (1).
dU = ᵭQ − ᵭW (1)
Sendo dU a energia interna, ᵭQ a variação de energia interna e đW o trabalho
efetuado pelo sistema. Por convenção o trabalho terá sinal positivo (+W) quando efetuado
pelo sistema e negativo (-W) quando realizado sobre o sistema.
A conversão total de trabalho mecânico em energia térmica é possível de ocorrer,
porém é impossível remover energia térmica do sistema e converter totalmente em trabalho
mecânico, sem que seja necessário alterar o sistema ou sua vizinhança.
A primeira lei da termodinâmica nos leva a concluir que a energia se conserva. Há
uma forma de ver a energia mais útil e menos útil. Esta forma de utilizar energia é o que
trata a segunda lei da termodinâmica.
A segunda lei da termodinâmica foi enunciada de forma diferente por Kelvin,
Clausius e Kelvin – Planck. Cada enunciado será apresentado abaixo (TIPLER, 2000).
“É impossível remover energia térmica de um sistema a uma certa temperatura e
converter a energia em trabalho mecânico sem modificar de alguma maneira, o
sistema ou as vizinhanças do sistema”.(enunciado Kelvin)
“Não há nenhum processo cujo único efeito seja o da transferência de energia de
um corpo frio para outro quente”. (enunciado Clausius)
“É impossível que uma máquina térmica operando em ciclo, tenha como único
efeito a extração de calor de um reservatório e a execução de quantidade
equivalente de trabalho”. (enunciado Kelvin – Planck)
2.2 Processos quase – estáticos
Processos termodinâmicos são determinados quando ocorrem alterações nas
variáveis de estado (pressão, temperatura e volume), que se relacionam pela equação (2).
PV = nRT (2)
Na equação (2) P é a pressão, V representa o volume, n o número de moles e R é a
constante universal dos gases e T a temperatura expressa em Kelvin (K).
Para que o processo seja considerado quase – estático, é necessário considerá-lo
ocorrendo de forma muito lenta de maneira a permitir que o sistema entre em equilíbrio a
cada instante.
Num processo isobárico a pressão é mantida constante.
W = PdV = P ∆V
5
No processo isotérmico a temperatura é mantida constante. Para determinar o
trabalho isotérmico temos que considerar a análise do processo em que a variação de
energia interna seja nula (∆U = 0), já que a temperaturas inicial e final são iguais. O trabalho
isobárico é igual à quantidade de calor (HALLIDAY; RESNICK, 2009).
P =nRT
V
Q = nRT dV
V
Q = nRT lnVf
Vi (3)
No processo adiabático não ocorre troca térmica, entre o sistema e o exterior, ou
seja, não ocorre variação de calor (∆Q = 0), logo utilizando a primeira lei da termodinâmica
temos que o trabalho adiabático e dado pela equação (4).
ᵭW = −dU
ᵭW = −CvdT
dW = − Cv dT
dW = − Cv(T2 − T1)
dW = Cv (T1 − T2)
dW = Cv(P1V1
nR−
P2V2
nR)
W =P1V1 − P2V2
γ − 1 (4)
Onde o fator gama (γ) é definido como a razão entre a capacidade calorífica a
pressão constante e a capacidade calorífica a volume constante.
γ =Cp
Cv (5)
2.3 Máquinas térmicas
São dispositivos que operam entre ciclos que tem como objetivo converter a maior
quantidade possível de calor em trabalho.
O ciclo da máquina térmica consiste na absorção de uma determinada quantidade de
calor da fonte quente (Qq), realização de trabalho (W) e ceder calor para uma fonte fria (Qf)
no momento que retorna ao estado inicial. Por convenção a quantidade de calor absorvida
(Qq) recebe o sinal positivo e a quantidade de calor cedido (Qf) recebe o sinal negativo
(TIPLER, 2000).
A representação simplificada da máquina térmica pode ser feita conforme a figura 1.
6
Figura 1: máquina térmica simplificada
Fonte: Física para cientistas e engenheiros, volume 1, Paul A. Tipler.
As máquinas térmicas operam com um fluido operante que determina o tipo de
máquina térmica, este fluido pode ser, por exemplo, o vapor de água (máquina a vapor), ar e
combustível (motor de combustão interna – ciclo Otto) e ar (motor de combustão interna –
ciclo diesel).
O reservatório quente ou fonte quente possui uma temperatura (Tq), que é maior que
a temperatura (Tf) do reservatório frio ou fonte fria. Como este sistema é ideal o reservatório
quente e frio possuem uma capacidade calorífica muito grande, com o objetivo de absorver
e ceder energia térmica sem sofrer modificação considerável de energia (NUSSENZVEIG,
2002). Tendo o estado inicial, final e do fluido operante coincidente, podemos considerar
que a energia interna inicial e final são iguais, obtendo (U = 0), com isso pela primeira lei
da termodinâmica a variação da quantidade de calor é igual ao trabalho realizado, conforme
a equação (6), equação (7).
dWdQ (6)
fq QQW (7)
O rendimento térmico () de uma máquina térmica pode ser determinado pela razão
entre o trabalho realizado e calor absorvido da fonte quente.
Wε (8)
Como o trabalho (W) pode ser calculado utilizando a equação (7), substituindo a
equação (7) na equação (8), obtemos que o rendimento térmico pode ser determinado em
função da quantidade de calor da fonte quente e fria, pela equação (9).
q
f
q
fq
Q
Q1
Q
QQε
(9)
7
2.4 Ciclo de Carnot
Ciclo teórico que descreve o funcionamento de uma máquina reversível, que possui
a maior eficiência operando entre dois reservatórios. Esta máquina pode ser resumida como
uma máquina térmica ideal que opera com o maior rendimento possível.
De acordo com o teorema de Carnot nenhuma máquina térmica operando entre dois
reservatórios térmicos pode ser mais eficiente do que uma máquina reversível que opere
entre os mesmos dois reservatórios.
Conforme este teorema pode-se concluir que todas as máquinas de Carnot,
operando entre os mesmos dois reservatórios, possuem o mesmo rendimento. Este
rendimento é conhecido como rendimento de Carnot (c), que não depende do fluido
operante, mas depende da temperatura dos dois reservatórios (HALLIDAY; RESNICK,
2009).
Para entender o significado de máquina reversível, é necessário antes diferenciar
processo reversível do processo irreversível.
Processo reversível é aquele onde não ocorre trabalho de forças dissipativas, a
condução térmica só ocorre isotermicamente e o processo deve ser quase – estático.
Qualquer processo que viole estas três condições será considerado irreversível.
O ciclo de Carnot possui quatro etapas reversíveis, que podem ser expressas por um
diagrama P x V (TIPLIER, 2000), conforme figura 2.
Figura 2: Ciclo de Carnot
Fonte: Física para cientistas e engenheiros, volume 1, Paul A. Tipler.
Na etapa 1 – 2 absorção isotérmica quase – estática de calor de um reservatório
quente.
Do ponto 2 até 3 expansão adiabática quase – estática com diminuição da
temperatura até a temperatura da fonte fria.
No ponto 3 até 4 rejeição isotérmica quase – estática de calor para a fonte fria.
8
Na etapa 4 – 1, ocorre compressão adiabática quase – estática até atingir o estado
inicial.
Para determinar o rendimento de Carnot será analisado um ciclo com as quatro
etapas, onde o gás ideal é o fluido operante.
O rendimento térmico de uma máquina térmica é dado pela equação (9), como este
não depende do tipo de máquina, com o resultado desta equação obtem-se uma validade
geral.
Na máquina de Carnot será necessário determinar as quantidades de calor nas
etapas que ocorrem absorção e rejeição de calor. Na primeira e segunda etapa, ocorre
respectivamente absorção isotérmica e rejeição isotérmica. Nestes processos a variação de
energia interna é nula (U = 0), obtendo que a quantidade de calor absorvido (Qq) ou
rejeitado (Qf) é igual ao trabalho (W).
Qq = W = PdV = nRTq
VdV = nRTq ln
V2
V1
2
1
(10)
Qf = W = PdV = nRTf
VdV = nRTf ln
V3
V4
4
3
(11)
Calculando a razão entre Qf e Qq, obtemos o resultado.
Qq=
Tf lnV4V3
Tq lnV2V1
(12)
A equação para o processo adiabático é dada pelas equações (13) e (14), que é
utilizada para relacionar a expansão na segunda e terceira etapas e a compressão na
primeira e quarta etapas. Obtemos.
TqV2𝛾−1
= TfV3γ−1
(13)
TqV1𝛾−1
= TfV4γ−1
(14)
Dividindo membro a membro das equações (13) e (14), encontramos.
V2
V1 γ−1
= V3
V4 γ−1
(15)
Portanto, como as razões entre os volumes são iguais, podemos concluir que a
razão entre os logaritmos dos volumes também são iguais, assim obtemos.
Qf
Qq=
Tf
Tq (16)
O rendimento de Carnot, então deve ser expresso da seguinte maneira.
εc = 1 − Tf
Tq (17)
Este rendimento representa o maior possível entre as duas temperaturas.
9
2.5 Ciclo Otto
Este ciclo é um modelo teórico, que melhor representa o funcionamento de um motor
de combustão interna.
O ciclo é composto por seis etapas representadas no diagrama P x V (STONE,
1999), conforme figura (3).
Figura 3: Ciclo Otto teórico
Fonte: Introduction to internal combustion engines, Richard Stone.
Na etapa 0 – 1 ocorre admissão da mistura ar e combustível, ocorrendo compressão
adiabática até o ponto 2.
Do ponto 2 até o ponto 3, ocorre o rápido aquecimento da mistura a volume
constante (processo isocórico).
No ponto 3 até o ponto 4, ocorre uma expansão da mistura muito rápido, daí por isso
não há tempo para troca de calor, ou seja, é um processo adiabático.
Na penúltima etapa, que compreende os pontos 4 e 1, ocorre uma fuga da mistura
por processo isocórico. Na ultima etapa, que é representada no gráfico como, 1 – 0 ocorre
expansão e expulsão dos resíduos.
O rendimento térmico de qualquer máquina térmica é expresso pela equação (6),
mas por ser um procedimento complicado, em um motor real determinar a quantidade de
calor de fonte quente (Qq) e da fonte fria (Qf). O rendimento térmico do ciclo Otto será
expresso em função dos volumes máximos e mínimos cuja razão é conhecida como taxa de
compressão (K).
O calor cedido e recebido ocorre em processos isocóricos, logo as quantidades de
calor cedidas e recebidas podem ser determinadas pelas equações (18) e (19).
Qq = Cv T1 − T4 (18)
10
Qf = Cv T3 − T2 (19)
Nas transformações adiabáticas as relações são definidas pelas equações (20) e
(21).
T3V3γ−1
= T4V4γ−1
T3 = T4
V4γ−1
V3γ−1
T3 = T4Kγ−1 (20)
De maneira análoga, obtemos a relação para as temperaturas T1 e T2.
T2 = T1Kγ−1 (21)
Substituindo as equações (20) e (21) na equação 7, obtemos o rendimento em
função da razão entre os volumes.
ε = 1 −1
Kγ−1 (22)
2.6 Conceitos da engenharia mecânica
Com o objetivo de obter um melhor entendimento sobre o funcionamento do motor
de combustão interna e métodos utilizados pela engenharia para determinar o rendimento
mecânico, rendimento volumétrico, potência, taxa de compressão, consumo especifico de
combustível e cilindrada. Nesta parte iremos realizar uma breve definição dos temas acima
citados. As variáveis abordadas nesta parte correspondem à Física pura.
2.6a Potência e rendimento mecânico
A potência desenvolvida por um motor é denominada de forma geral como, a
potência gerada no eixo do motor (bhp) (STONE, 1999). A equação (23) determina
matematicamente esta relação.
W = 2πrF (23)
Onde F é a força de atrito e r o raio do eixo.
A potência total gerada pelo movimento dos pistões é designada como potência
indicada (ihp). Uma parte da potência indicada, oriunda da combustão do fluido operante,
não é aproveitada como potência no eixo. Esta perda de potência é devida ao atrito
existente entre o contato das peças móveis do motor, denominada pela engenharia como
potência de atrito (fhp) (STONE, 1999).
ihp = bhp + fhp (24)
A razão entre a potência do eixo e a potência indicada é conhecida pela engenharia
como o rendimento mecânico de um motor.
εM =bhp
ihp (25)
11
Para determinar a potência do eixo e a potência indicada é necessário definir o
conceito de pressão média efetiva e pressão média indicada.
Pressão média efetiva (pm) é definida como a pressão constante que seria
necessária no interior do cilindro, durante o curso, de expansão, para desenvolver uma
potência igual à potência do eixo (STONE, 1999).
Pressão média indicada (pi) é entendida como a pressão constante que seria
necessária no interior do cilindro, durante o curso de expansão, para desenvolver uma
potência igual à potência indicada (STONE, 1999).
A expressão matemática que representa a pressão média efetiva e pressão media
indicada estão escritas, respectivamente, nas equações (26) e (27).
bhp = pm LANn
33000 12x (26)
ihp = pi LANn
33000 12x (27)
Onde A é a área da cabeça do pistão, L significa o curso do pistão, N representa o
número de rotações por minuto (rpm), n é o número de rotações por cilindro, entre dois
cursos de expansão (para motores de quatro tempos x = 2) (STONE, 1999). O fator 33000
expresso nas equações 26 e 27 representam a conversão da potência necessária para
elevar a altura de um pé, em um segundo, uma carga de 550 libras, onde 550 x 60 = 33000
para transformar em minuto, desta forma os valores de bhp e ihp será dado em libras por
polegada ao quadrado.
2.6b Rendimento volumétrico
Definida de forma geral como a medida efetiva do processo de admissão e exaustão
dos gases aspirados e expulsos pelo motor no decorrer do ciclo. Este rendimento é
arbitrariamente definido, para motores que possuem como fluido operante a mistura de ar e
combustível, como a razão entre a massa de ar aspirada por cilindro por ciclo (Mar) e a
massa de ar que ocuparia o cilindro a pressão e temperatura ambiente (Mnormal) (STONE,
1999).
εv =Mar
Mnormal (28)
Considerando que o ar obedece à lei dos gases a equação (28) pode ser reescrita
em função do volume de ar aspirado com densidade ambiental pelo cilindro por ciclo (Var) e
do volume do cilindro (Vc).
εv =Var
Vc (29)
2.6c Cilindrada e taxa de compressão
12
Cilindrada é definida como o volume total deslocado pelo pistão entre o ponto médio
inferior (PMI) e o ponto médio superior (PMS), multiplicado pelo número de cilindros do
motor (SANTOS, 2009).
Estes pontos representam as duas posições do eixo de manivelas (virabrequim),
para as quais o êmbolo (pistão) está em completo repouso e inverte o sentido do
movimento. A figura 6 representa estas posições.
Figura 6: curso do pistão entre os pontos PMI e PMS.
Fonte: Apostila aula 1 – Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos.
A equação que determina o cálculo da cilindrada é expressa pela equação (30).
C = πD2
4 Ncilindro (30)
Onde D é o diâmetro do cilindro e Ncilindro representa o número de cilindros do motor.
Taxa de compressão de um motor pode ser definida como o número de vezes em
um intervalo de tempo que é comprimida pela câmara de compressão, antes do processo de
combustão, a quantidade de ar ou mistura de ar e combustível aspirado para dentro do
cilindro pelo pistão (STONE, 1999). Representada matematicamente pela equação (31).
TC =C + c
c (31)
Onde C é a cilindrada do motor definida pela equação (30) e c representa o volume
da câmara de combustão.
Na análise termodinâmica do motor de combustão interna, a taxa de compressão é
diretamente responsável pelo rendimento térmico do motor. Desta maneira, quanto maior a
taxa de compressão obtém um melhor aproveitamento energético do processo de queima
do fluido operante (TAYLOR, 1961).
Câmara de compressão é o espaço livre do cilindro quando o pistão encontra no
ponto médio superior (PMS).
13
Figura 7: Taxa de compressão do fluido operante. (Modificada) Fonte: Apostila aula 1 – Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos.
2.6d Consumo específico de combustível
Determinada como a razão entre a taxa de fluxo massivo de combustível Ṁ e a
produção de força Ẇ , compreendida como o consumo de combustível em relação ao
trabalho realizado. Conforme expresso pela equação (32) (TAYLOR, 1961).
SFC =M
W =
dMdt
dWdt
=dM dt
dW dt=
dM
dW (32)
2.7 Motores de combustão interna
O primeiro motor de combustão interna foi desenvolvido em 1876, por Augusts
Nikolaus Otto, a partir de estudos realizados pelo engenheiro francês Alphonse Beau de
Rochas em 1862.
Ao longo do tempo os motores de combustão interna sofreram melhorias em
diversas partes como no tamanho, peso, materiais, economia no consumo de combustível,
combustíveis utilizados na mistura, eficiência, potência, quantidade de cilindros e posição
dos cilindros.
Basicamente um motor de combustão interna (MCI) é composto por peças fixas
(bloco do motor, cabeçote e carter) e peças móveis (pistão, biela, árvore de manivelas ou
virabrequim, árvore de comando de válvulas e válvulas de admissão e escape) (SANTOS,
2009).
O bloco do motor é o motor propriamente dito, onde são usinados os cilindros, para
motores com câmaras de combustão fixas ou os furos para a colocação das câmaras de
combustão. Câmaras de combustão ou camisas são cilindros onde ocorre a combustão do
fluido operante (combustível e ar no ciclo Otto ou apenas ar no ciclo Diesel), e também é
onde o pistão realiza o seu movimento (SANTOS, 2009).
14
Figura 7: Bloco do motor. Fonte: Apostila aula 1 – Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos.
Cabeçote pode ser definido como tampa superior do bloco do motor, contra a qual o
pistão comprime o fluido operante. Nesta peça estão os furos para a instalação das velas de
ignição e furos para os bicos injetores de combustível no caso de motores injetados ou furos
para entrada do fluido operante no caso de motores carburados, posicionado em sua parte
inferior estão as válvulas de admissão e escape.
Figura 8: Cabeçote. Fonte: Apostila aula 1 – Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos.
O carter é a tampa inferior do bloco do motor, cobrindo o virabrequim, bomba de óleo
lubrificante e bielas, com função de reservatório de óleo lubrificante.
Os componentes móveis de um motor de combustão interna podem ser definidos da
seguinte maneira (SANTOS, 2009):
Pistão é a parte móvel da câmara de combustão que recebe a força da expansão do
fluido operante, transferindo para a biela, através do pino do pistão, o movimento.
A biela é o braço de ligação entre o pistão e o virabrequim, sendo importante
salientar que o conjunto biela e virabrequim transformam o movimento retilíneo do pistão em
movimento rotativo do virabrequim.
15
Figura 9: Conjunto pistão, biela e agregados.
Fonte: Apostila aula 1 – Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos.
A árvore de manivelas, eixo de manivelas ou virabrequim é definido como eixo motor,
que na maioria das vezes, está posicionada na parte inferior do bloco do motor, recebendo
as bielas.
Árvore de comando de válvulas ou eixo comando de válvulas possui a função de
abrir as válvulas de admissão e escape, respectivamente, nos tempos de admissão e
escapamento. O acionamento deste eixo é realizado pelo virabrequim, através de
engrenagem, corrente ou correia dentada. Possuindo também ressaltos que elevam o
conjunto tucho, haste e balancim (SANTOS, 2009).
Existem dois tipos de válvulas que podem ser diferenciadas pelo tamanho, forma e
função. A válvula de admissão tem a função de permitir a entrada do fluido operante na
câmara de combustão. A válvula de escape possui a função de escape dos gases oriundos
da queima do fluido operante após a expansão do pistão.
O conjunto de acionamento das válvulas é compreendido por tucho e uma haste, que
o interliga ao balancim, apoiando – se diretamente sobre a válvula. No momento em que o
eixo comando de válvulas gira, o ressalto deste aciona o tucho, que é um pequeno cilindro
aberto na parte superior, que por sua vez move a haste, fazendo com que o balancim
transmita o movimento à válvula. Para cada ressalto do eixo comando de válvulas, que
relaciona com cada válvula, existe um conjunto de acionamento.
16
Figura 10: Conjunto tucho, haste, balancins, eixo comando de válvulas, virabrequim e pistão. Fonte: Apostila aula 1 – Introdução aos motores de combustão interna, Antonio Moreira dos Santos.
O ciclo Otto ideal foi definido anteriormente conforme figura (3), o ciclo Otto real pode
ser observado na figura (11).
Figura 11: Ciclo Otto real. Fonte: Introduction to internal combustion engines, Richard Stone.
3. EXPERIMENTO
Consiste na apresentação de um motor real, com cortes em sua estrutura principal.
O motor escolhido para este experimento foi o CHT, desenvolvido e fabricado em conjunto
pela FORD do Brasil e VW do Brasil.
O modelo CHT escolhido possui cilindrada definida pelo fabricante como 1.6 que
utiliza como combustível o álcool. O motor apresentado será composto pelo sistema de
injeção de combustível e do sistema de escape dos gases, como também de peças
acessórias necessárias para o entendimento de seu funcionamento.
17
Figura 11: Motor CHT, com todas as peças para o seu funcionamento. Fonte: <http://user.cjb.net/autolatinaclube/artigo-ae.html>
O experimento é constituído de um suporte construído em metal, para a sustentação
e movimentação deste motor. O suporte foi desenvolvido de forma que o motor gire 360°
sobre o seu eixo, conforme figura 12 que representa a primeira idéia para a elaboração do
suporte.
Figura 12: Esquema básico do suporte do motor.
3.1 Material
Os materiais utilizados para a montagem do experimento, assim como as
ferramentas utilizadas para a desmontagem, montagem, corte do motor e construção do
suporte são listadas abaixo.
18
Motor CHT 1.6
Coletor de escape
Coletor de admissão com carburador
Tubos de ferro
Rodas do tipo giratório na “dimensão 3x1”
Tinta do tipo spray nas cores preto fosco, vermelho, grafite, laranja e cromado.
Eixo traseiro do veiculo Palio
Furadeira
Esmerilhadeira angular
Ferramentas para montagem e desmontagem do motor.
Resina epóxi
Escovas de aço circular
Lixa, com numeração 250 e 350 e 450
Disco de corte
Água, Óleo diesel, solvente para tinta, gasolina.
Pincel de 380 mm
Balde, Bacia
Trena
Paquímetro
Morsa de 100 mm
Fita crepe
3.2 Método e procedimentos O experimento foi dividido em três etapas, com o objetivo de facilitar e organizar o
desenvolvimento da atividade.
A primeira etapa consiste na desmontagem, limpeza, definição dos locais que serão
realizados os cortes no bloco, realização dos cortes e pintura.
O primeiro corte foi realizado no lado direito do bloco, na posição dos pistões 1 e 2
próximo ao volante, com 14,7 x 9,3 cm. O segundo corte realizado no ponto de fixação do
distribuidor de corrente elétrica no tamanho de 5,7 x 1,8 cm, o terceiro corte foi feito no lado
esquerdo do bloco, próximo a bomba de combustível, sobre o eixo de comando de válvulas
com o tamanho de 6,9 x 1,5 cm.
19
Figura 13: Cortes no bloco, para acesso as camisas 1 e 2.
Figura 14: Cortes no distribuidor de eletricidade e no eixo comando.
A ferramenta utilizada para realizar os corte foi a esmerilhadeira angular, com disco
de corte. Como a precisão da ferramenta não é a ideal ocorreram estrapolações dos cortes,
que foram corrigidos com resina epóxi e utilizando lixa para dar uniformidade aos cortes.
Após realizar os cortes e correções, o procedimento de pintura das peças foi iniciado,
utilizando (spray) em diversas cores. O bloco foi pintado na cor azul angra, as secções de
cortes foram pintadas na cor vermelha para ressaltar a visualização.
As camisas deste motor são móveis, por este motivo, foi necessário realizar cortes
nas camisas para ser possível a visualização do movimento dos pistões 1 e 2.Na camisa 1 o
corte possui 7 cm de comprimento por 4,2 cm de largura, para a camisa 2 o corte realizado
tem 4,6 cm de comprimento por 4,1 cm de largura. Os pistões e camisas 3 e 4, não foram
instalados para diminuir o peso do sistema, mas foram mantidos nos suporte para que
possa ser realizada uma melhor visualização destes componentes. As camisas que foram
instaladas no motor foram pintadas na cor grafite.
20
Figura 15: Camisas e pistões
Na segunda etapa foi realizada a montagem do motor, para o início da etapa todos
os parafusos de fixação das peças do motor foram pintados na cor preto fosco, as primeiras
peças a serem montadas foram as camisas e os pistões, foi instalado o eixo de virabrequim
no bloco. Os anéis dos pistões foram colocados de forma que sua abertura fique a mostra. A
instalação correta destes anéis seria cada corte oposto ao outro, com uma diferença de 180°
entre cada abertura.
Figura 16: Eixo virabrequim
O cabeçote pintado na cor cromado, foi instalado em sua posição correta acima do
bloco, fixando as camisas 1 e 2. No lado esquerdo do cabeçote foram instaladas as velas de
ignição. Neste momento da montagem foi realizada a colocação do motor “no ponto”, este
procedimento consiste em sincronizar a abertura e fechamento das válvulas de admissão e
escape.
21
Figura 17: Cabeçote antes da pintura.
Para a realização deste procedimento as polias do eixo virabrequim e do eixo
comando de válvulas foram instaladas e ligadas pela corrente que faz o seu acionamento
simultâneo, estas polias foram pintadas na cor grafite, mostradas nas figuras 18.
Figura 18: polia do eixo comando e polia do eixo virabrequim.
Após a regulagem do motor, realizou a instalação da tampa do comando de válvula
pintada na cor preto fosco e detalhes do nome Ford presente na tampa pintado na cor
cromado, os coletores de escape e admissão foram pintados na cor grafite por ser uma
única peça de difícil isolamento para ser pintado em cores diferentes cada um, o sistema de
injeção de combustível, composta pela bomba de combustível pintada na cor laranja e
carburador pintado na cor grafite, o distribuidor de corrente elétrica e cabos foram pintados
na cor preto fosco. O filtro de óleo, bomba d‟água também foram pintados na cor laranja.
A configuração final do motor pode ser vista na figura 19 e no anexo 1.
O manual para a desmontagem e montagem do modelo CHT, que foi utilizado neste
trabalho, também pode ser acessado através do link indicado na referência bibliográfica 7.
Animações referentes ao funcionamento de cada modelo citado na introdução deste
trabalho podem ser visualizadas através dos links apresentados nas referências
bibliográficas.
22
Figura 19: Configuração final do motor.
Terceira etapa reservada para o desenvolvimento do sistema de acionamento de
motor e construção e pintura do suporte.
Nesta etapa o suporte foi pintado na cor verde. Os suportes foram construídos em
metal com um tubo de ferro com diâmetro externo de 4 cm, altura sem rodas de 1m.
Na extremidade superior traseira do suporte foi soldado o eixo giratório com a base
fixadora do motor conforme a figura 20.
Figura 20: Foto do cubo eixo traseiro soldado no suporte.
Na extremidade inferior foi instalada a base em forma de cruz, nas extremidades de
cada base foi instalada uma roda, que possui a dimensão de 3x1”, para o deslocamento do
sistema suporte e motor, como mostra a figura 21, as barras de sustentação e locomoção
possui diâmetro externo de 4 cm e comprimento de cada perna de 25,5 cm.
23
Figura 21: Estrutura de locomoção dos suportes
Para a movimentação da base fixadora frontal foi soldado na parte superior do tubo
metálico, um eixo fixo com diâmetro externo de 3,5 cm e comprimento de 7,6 cm, onde é
encaixada a base fixadora como mostra a figura 22. Esta base possui uma altura de 16,5 cm
e um eixo com diâmetro de 3,5 cm e comprimento de 9 cm. A haste superior possui forma
de L deslocado um do outro para a fixação da bomba de água. A haste inferior em forma de
„U‟ possui respectivamente as dimensões comprimento da base do U de 26,5 cm e 26 cm e
as laterais do U de 12 cm e 10,5 cm.
Figura 22: Inicio do suporte frontal e base fixadora.
Estas medidas são importantes para uma correta distribuição da massa do sistema,
evitando a falta de equilíbrio do conjunto.
O eixo giratório, utilizado neste suporte, é uma peça do sistema de roda do veiculo
Palio, denominada cubo traseiro, que pode ser visualizada na figura 20 e 23. Para que o
motor seja parado em seu movimento de rotação sobre o seu eixo, foi soldado um disco de
ferro com diâmetro de 13 cm, com seis furos, no eixo da base fixadora traseira a uma
distância de 7 cm dos furos já existentes no eixo giratório traseiro utilizada. Uma válvula que
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teve a sua ponta feita como a de um lápis foi utilizada para o travamento deste conjunto
como mostra a figura 24.
Figura 23: Foto cubo traseiro
Figura 24: Chapa de fixação do suporte traseiro.
A configuração final do suporte pode ser visualizada na figura 25, esta montagem foi
necessária para evitar que o sistema perca o equilíbrio, já que o motor após a montagem
permaneceu ainda com um peso muito elevado. A visualização de outras figuras do suporte
pode ser feita no anexo 2.
Figura 25: Suporte giratório para o motor.
25
Para o “funcionamento do motor”, fazer girar o virabrequim e os pistões não foi
necessário desenvolver um sistema de acionamento, já que, os cortes no bloco e nas
camisas não proporcionam uma pressão grande, gerada pela compressão do fluído
operante (ar e combustível). Desta maneira o motor pode ser girado de forma simples e fácil
apenas ao movimentar o volante ou a polia frontal do virabrequim.
4. CONCLUSÃO
Com a elaboração deste trabalho de conclusão de curso, mostramos uma visão
diferente dos rendimentos, potência, cilindrada, taxa de compressão e consumo especifico
de combustível de um motor de combustão interna (MCI).
O desenvolvimento da parte experimental melhora a interação do estudante e do
leitor, com as leis da termodinâmica e dos conceitos discutidos da engenharia mecânica
relacionados ao funcionamento do motor de combustão interna.
A interação é favorecida através da visualização dos ciclos de um motor real. Com a
construção deste motor conseguimos mostrar todas as etapas e peças, necessárias para o
funcionamento do motor, proporcionando ao estudante realizar comparação entre o que
ocorre realmente no motor com o que lhe é apresentado pela teoria, na forma de gráficos ou
textuais.
A revisão teórica e o experimento auxiliam o leitor a realizar as comparações entre
os fatores, que são determinantes para a elaboração e desenvolvimento de um motor, a
partir dos conhecimentos da Física e da Engenharia Mecânica.
26
5. AGRADECIMENTOS
A minha mãe Telma Carvalho e meu pai Geraldo Ribeiro pela paciência, patrocínio e
confiança em minha capacidade, minha irmã Rosa Talita pelas criticas, incentivos e leitura
do trabalho, minha tia Nadja Indaiá por ceder sua casa para a confecção do trabalho, minha
esposa Fabíola Rufino e minha filha Isabela por compreender os momentos de ausência e
pela motivação. A todos citados e não citados pelo apoio para a realização deste trabalho e
batalha para continuar e concluir o curso de Física.
Aos amigos Alexandre, Marina, Sidney, Narla, Fabrício, Thiago, Othon, Daniel, Carlos
e Patrícia por ajudarem na confecção do trabalho, na leitura e critica do trabalho, na
tradução de livros, no tratamento das figuras, no corte do motor, na pintura e montagem do
motor, no desenvolvimento do suporte. A todos os amigos que me esqueci de citar, eu
agradeço e o meu muito obrigado.
Ao professor Paulo Henrique pelo total apoio, correções, ensinamentos antes e
durante o desenvolvimento do trabalho e por ter incentivado e acreditado na minha
capacidade de realização este projeto.
27
6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS
1. TIPLER, Paul A.. Física para cientistas e engenheiros. Vol. 1, 4° ed. Rio de Janeiro. LTC editora. 2000. 2. HALLIDAY, David;RESNICK, Jearl Walker. Fundamentos da Física. Vol 2, 8° ed. Rio de Janeiro. LTC editor. 2009. 3. NUSSENZVEIG, Moysés H. Curso de Física Básica 2. Vol. 2, 4° Ed. São Paulo. Edgard Blücher ltda.2002. 4. STONE, Richard. Introduction to internal combustion engines.3 ed. Warrendale,Pa. Editora Society of automotive engineers, Inc.1999. 5. SANTOS, Antonio Moreira. Introdução aos motores de combustão interna. Disponível em: <http://www.scribd.com/doc/6697588/Apostila-de-Treinamento-Motores> Acessado em: 12 jan. 2009. 6. TAYLOR, Charles F.; TAYLOR, Edward S. The internal combustion engine. 2 ed. Pennsylvania. Editora international textbook company.1961. 7. FORD. Manual de manutenção do CHT. Disponível em: <http://www.scribd.com/doc/17049048/Manual-CHT>. Acessado em: 22 jun. 2009. 8. Animação motor V8. Disponível em: <http://www.youtube.com/watch?v=bw9ffyssPV8>. Acessado em: 14 nov. 2009. 9. Animação motor V8. Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=4XMlLgl79ek>. Acessado em: 14 nov. 2009. 9. Animação do motor quatro cilindros em linha. Disponível em: <://www.metacafe.com/watch/169155/deutz_engine/>. Acessado em: 14 nov. 2009. 11. Animação Boxer. Disponível em: < http://www.youtube.com/watch?v=-G5TcWg0TMc >. Acessado em: 14 nov. 2009 12. SERWAY, Raymond A.; JEWETT, John W. Jr. Princípios da Física. Vol. 2. São Paulo. Cengage Learning editor. 2004. 13. CHAVES, Alaor Silvério. Física - Curso básico para estudantes de ciências físicas e Engenharias. Vol. 4, 1° ed. Rio de Janeiro. Reichmann e Afonso editor. 2001. 14. PENIDO FILHO, Paulo. Os motores a combustão interna. Editora LEMI, Belo Horizonte. 1983. 15. MWM Internnatinal. Apostila de Treinamento. Disponível em:<http://www.mwm-international.com.br/files/manual/6.pdf> Acessado em: 12 jan. 2009. 16. NEBRA, Silvia Azucena. Máquinas térmicas. Disponível em: <http://www.scribd.com/doc/7042733/Para-Metros-Motores-AP-Alunos-07> Acessado em: 12 jan. 2009. 17. PEREIRA, José Cláudio. Motor Gerador. Disponível em: <http://www.scribd.com/doc/6583490/Motor-Gerador> Acessado em: 14 jan. 2009.
28
18. Historia das leis da Termodinâmica. Disponível em: <http://nautilus.fis.uc.pt/molecularium/pt/histerm/index.html> Acessado em: 14 jan. 2009. 19. Mecânica fácil. Disponível em: Disponível em: < http://www.scribd.com/doc/6472896/Curso-de-Mecanica-de-Auto-Move-Is?autodown=pdf >. Acessado em: 22 jan. 2009. 20. BOSH. Linha de injeção eletrônica e ignição eletrônica. Disponível em: <http:www.scribd.com/doc/8345400/Apostila-Injecao-Eletronica-2001-Bosh-wwwescortmk4forumeiroscom>. Acessado em: 22 jan. 2009. 21. DEUTZ. Disponível em: <www.deutz.de>. Acessado em: 22 jan. 2009. 22. VOLKSWAGEN. Manual de manutenção do Fusca. Disponível em: <http://www.vwfusca.net/2008/12/21/abrimos-os-arquivos-da-falcao-fusca/>. Acessado em: 22 jun. 2009. 23. Motores de combustão interna. Disponível em: <http://www.scribd.com/doc/4074437/Fisica-PPT-Motores-de-Combustao-Interna>. Acessado em: 23 jun.2009. 24. Motor de combustão interna II. Disponível em: < http://www.scribd.com/doc/6913821/2-MOTORES-DE-COMBUSTc3O-INTERNA>. Acessado em: 23 jun. 2009. 25. Fundamentos de motores de combustão interna. Disponível em: <http://www.scribd.com/doc/19449331/Fundamentos-de-funcionamento-de-motores-de-combustao-interna >. Acessado em: 24 jun. 2009. 26. SENAI. Senai motores. Disponível em:<http://www.scribd.com/doc/19526160/senaimotores >. Acessado em 24 jun. 2009. 27. DANA. Dicas técnicas Dana. Disponível em: < http://www.scribd.com/doc/8689184/Dicas-Motor >. Acessado em: 24 jun. 2009.
29
ANEXO(S)
30
ANEXO 1: Figuras adicionais da configuração final do motor.
Figura 1: Cabeçote pintado na cor cromado.
Figura 2: Bomba de Óleo pintada na cor laranja.
31
Figura 3: Visão frontal do motor (bomba de água e polias).
Figura 4: Visão lateral (cortes no distribuidor e eixo comando e bomba de combustível).
32
Figura 5: Visão lateral do corte no bloco e cortes nas camisas.
Figura 6: Bomba de água, carburador e distribuidor.
33
Figura 7: Visão do virabrequim e volante.
Figura 8: Visão superior do motor completo.
34
Figura 9: Visão superior motor com o filtro de ar.
Figura 10: Visão superior do motor, com suporte girado.
35
ANEXO 2: Figuras adicionais da configuração final do suporte.
Figura 11: Barra de travamento dos dois suportes.
Figura 12: Barra de travamento em detalhe.
36
Figura 13: Suporte frontal (detalhe do eixo de sustentação do motor).
Figura 14: Ganchos para a sustentação dos pistões e camisas 3 e 4.
