Máquinas Térmicas I – Prof. Eduardo Loureiro
Ciclos de operação
Motores alternativos:
•O pistão move-se pra frente e pra trás no interior de um
cilindro transmitindo força para girar um eixo (o virabrequim)
por meio de um sistema de biela e manivela.
•A rotação permanente do eixo proporciona um movimento
cíclico do pistão.
•O pistão chega a parar no Ponto Morto Superior – PMS e no
Ponto Morto Inferior – PMI, quando o volume no interior do
cilindro é mínimo e máximo, respectivamente.
•O volume mínimo denominamos: volume da câmara – Vc
(clearance volume).
•O volume varrido pelo pistão, que corresponde à diferença
entre o volume total, Vt e o volume da câmara é chamado de
Volume deslocado, Vd.
•A razão entre o máximo volume e o mínimo volume é a taxa
de compressão, rc .
•Os valores de rc variam de 8 a 12 nos motores de ignição por
centelha e de 12 a 24 nos motores de ignição por compressão.
Fonte: Heywood (1988)
Vt Vd  Vc

 rc
Vc
Vc
Razão de compressão
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Ciclo de 4 tempos (ciclo Otto)
•1 – Curso de admissão: Começa com o pistão se movendo
do PMS para o PMI, permitindo que o cilindro seja preenchido
com mistura fresca. Para aumentar a massa induzida a válvula
de admissão abre-se um pouco antes de começar o curso e
fecha um pouco depois de terminar.
•2 – Curso de compressão: Quando as duas válvulas estão
fechadas a mistura é comprimida a uma pequena fração de
seu volume inicial. Próximo do final do curso de compressão a
combustão é iniciada e a pressão no cilindro cresce mais
rapidamente.
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Internal_combustion_engine
Cada cilindro requer 4 cursos do pistão, ou duas
revoluções do virabrequim, para completar a seqüência
de eventos que produz um tempo útil. Este ciclo tanto
pode ser usado por motores de ignição por centelha
como por motores de ignição por compressão.
Executar MotorOTTO.exe
•3 – Curso de expansão: Curso útil, começa com o pistão
no PMS terminando no PMI. Gases a altas temperatura e
pressão empurram o pistão para baixo e forçam o
virabrequim a girar. Cerca de cinco vezes mais trabalho é
realizado sobre o pistão no tempo de expansão do que o
inverso no tempo de compressão.
Quando o pistão
aproxima-se do PMI a válvula de descarga abre-se fazendo a
pressão cair para próxima da pressão de exaustão.
•4 – Curso de exaustão: Neste curso os gases queimados
deixam o cilindro: primeiro porque a pressão no interior do
cilindro é bem maior que no sistema de exaustão, e depois
eles são varridos para fora pelo movimento do pistão.
Quando o pistão está chegando próximo ao PMS, a válvula de
admissão abre-se e a válvula de exaustão fecha-se um pouco
depois do PMS.
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Ciclo de 2 tempos
Portas na lateral do cilindro, abertas e fechadas pelo
movimento do pistão, controlam o fluxo de admissão e
exaustão quando o pistão encontra-se próximo do PMI. Os
quatro tempos anteriores são reduzidos a:
•1 – Curso de compressão: (lado direito da figura) As portas
de admissão e exaustão são fechadas. Ao mesmo tempo em
que o pistão comprime o conteúdo do cilindro, movendo-se
para o PMS, induz a entrada de mistura fresca no cárter
(crankcase). Quando o pistão se aproxima do PMS a
combustão é iniciada.
•2 – Curso de expansão: Similar ao curso de expansão do
ciclo de 4 tempos até que o pistão se aproxima do PMI,
quando primeiro abrem-se as portas de exaustão e depois as
portas de admissão são descobertas. A maior parte dos gases
queimados deixam o interior do cilindro devido à diferença
de pressão (blowdown process). Quando as portas de admissão
são descobertas, a mistura fresca que estava comprimida no
cárter escoa para dentro do cilindro.
Fonte: Heywood (1988)
O ciclo de 4 tempos requer, para cada cilindro do
motor, duas revoluções do virabrequim para cada tempo
útil. Para obter maior potência para um dado tamanho
de motor, com um projeto mais simples do sistema de
válvulas, foi desenvolvido o ciclo de 2 tempos. O ciclo
de dois tempos também pode ser usado por motores de
ignição por centelha ou motores de ignição por
compressão.
O pistão e as portas têm suas formas projetadas para defletir
a mistura que entra não permitindo que ela escoe
diretamente para as portas de exaustão e para melhorar o
processo de varredura dos gases residuais.
Há a vantagem de se ter um tempo útil a cada revolução do
virabrequim. Porém, é muito difícil preencher completamente o
volume deslocado com mistura fresca (baixa densidade de carga)
e parte desta mistura fresca escoa diretamente para fora no
processo de varredura. Esta segunda característica é uma séria
desvantagem nos motores de ignição por centelha.
?
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Componentes do motor
A figura ao lado mostra um motor de ignição por centelha,
quatro cilindros em linha. A função da maior parte dos
componentes deste motor será revisada nos slides a seguir.
Tente nomear (antes e depois da leitura) os componentes
apontados palas setas da figura.
Fonte: Heywood (1988)
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Componentes do motor
Os cilindros estão inseridos dentro do bloco do motor. Os blocos
são normalmente feitos de ferro fundido devido à resistência ao
desgaste e baixo custo. Passagens para a água de resfriamento são
introduzidas na fundição do bloco.
Motores carga-pesada
freqüentemente usam camisas do cilindro, pressionadas dentro do
bloco que podem ser trocadas quando desgastadas. Podem ser
camisas molhadas ou camisas secas dependendo se estão ou não
em contato com a água de resfriamento. O uso de alumínio vem
crescendo na construção dos menores blocos dos motores de
ignição por centelha para reduzir o peso. No interior do bloco são
montados o virabrequim e pistões.
Fonte: Heywood (1988)
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Componentes do motor
O virabrequim é normalmente feito de aço forjado. Ele é suportado
por mancais fixos. O número máximo de mancais fixos é um a
mais que o número de cilindros. O virabrequim tem partes
excêntricas (manivelas) na extremidade das quais (mancais móveis)
são acopladas as bielas. Em ambos os acoplamentos são inseridas
bronzinas para melhor deslizamento.
O bloco do motor é selado na parte inferior por uma chapa fina de
metal, o cárter, conformada para servir de reservatório ao óleo de
lubrificação, servindo também para resfriá-lo.
Fonte: Heywood (1988)
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Componentes do motor
O virabrequim é normalmente feito de aço forjado. Ele é suportado
por mancais fixos. O número máximo de mancais fixos é um a
mais que o número de cilindros. O virabrequim tem partes
excêntricas (manivelas) na extremidade das quais (mancais móveis)
são acopladas as bielas. Em ambos os acoplamentos são inseridas
bronzinas para melhor deslizamento.
O bloco do motor é selado na parte inferior por uma chapa fina de
metal, o cárter, conformada para servir de reservatório ao óleo de
lubrificação, servindo também para resfriá-lo.
Fonte: Heywood (1988)
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Componentes do motor
Os pistões são feitos de alumínio nos motores menores ou ferro
fundido nos maiores e mais lentos. O pistão sela o cilindro e
transmite a pressão gerada pela combustão dos gases para o
virabrequim através do sistema biela-manivela.
Fonte: Heywood (1988)
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Componentes do motor
A biela, normalmente de aço liga forjado, é acoplada na sua parte
superior ao pistão, por meio de um pino de aço. O pino é vazado
para redução de peso.
O movimento oscilante da biela exerce forças também oscilantes
na parede do cilindro, através da saia do pistão (região abaixo dos
anéis de segmento).
Fonte: Heywood (1988)
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Componentes do motor
A folga entre a lateral do pistão e a parede do cilindro é “fechada”
pelos anéis de segmento inseridos em reentrâncias laterais na
cabeça do pistão. Estes anéis servem para evitar a fuga de gases e
controlar o óleo de lubrificação. Os anéis superiores são
chamados anéis de compressão e os inferiores raspam o excesso
de óleo das paredes do cilindro removendo-o para o cárter. Este
último deve ser ventilado (suspiro) para evitar aumento de pressão.
Fonte: Heywood (1988)
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Componentes do motor
O cabeçote, de alumínio ou ferro fundido, sela a parte superior dos
cilindros. Deve ser robusto e rígido o suficiente para distribuir as
forças dos gases uniformemente para o bloco do motor. O
cabeçote abriga as velas de ignição nos motores de ignição por
centelha ou os bicos injetores nos de ignição por compressão e o
mecanismo das válvulas.
Individuais
Fonte: Heywood (1988)
Peça única
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Componentes do motor
O cabeçote, de alumínio ou ferro fundido, sela a parte superior dos
cilindros. Deve ser robusto e rígido o suficiente para distribuir as
forças dos gases uniformemente para o bloco do motor. O
cabeçote abriga as velas de ignição nos motores de ignição por
centelha ou os bicos injetores nos de ignição por compressão e o
mecanismo das válvulas.
Fonte: Heywood (1988)
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Componentes do motor
As válvulas são feitas em aço liga forjado. O resfriamento das
válvulas de exaustão, que operam em torno de 700º C, pode ser
melhorado com o uso de hastes ocas parcialmente cheias de sódio
que, através de evaporação e condensação retira calor da cabeça
quente da válvula para sua haste mais fria. Os motores de ignição
por centelha mais modernos trazem as válvulas no cabeçote
(overhead valve location). Esta geometria proporciona uma câmara de
combustão mais compacta com mínima perda de calor, maior
velocidade da chama e ainda permite melhor fluxo de admissão e
escape.
Fonte: Heywood (1988)
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Componentes do motor
Os assentos das válvulas podem ser usinados no cabeçote ou bloco
(se for ferro fundido) ou podem ser prensados. Uma mola, presa a
cada haste de válvula a mantém fechada (em contato com o
assento). Um dispositivo gira a válvula por poucos graus, na sua
abertura, polindo o assento para evitar pontos quentes e prevenir
a deposição de material no assento.
Fonte: Heywood (1988)
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Componentes do motor
Um eixo de cames, feito em ferro fundido ou aço forjado, com um
came por válvula, é usado para a abertura das mesmas. Em
motores de 4 tempos o eixo de cames gira com a metade da
velocidade do virabrequim. Tuchos, mecânicos ou hidráulicos,
acionados pelos cames, comandam as válvulas. Dependendo da
posição do eixo de cames e das válvulas, peças adicionais são
requeridas para transmitir o movimento dos tuchos para as hastes
das válvulas. O eixo de cames é acionado pelo virabrequim por
meio de engrenagens, correia ou corrente.
Fonte: Heywood (1988)
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Componentes do motor
Um coletor de admissão e um coletor de escape completam a
montagem do motor de combustão por centelha.
Outros componentes como: carburador ou sistema de injeção,
sistema de ignição, elétrico e de arrefecimento serão estudados
mais adiante.
Fonte: Heywood (1988)
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Motores de ignição por centelha - Operação
Nestes motores, o combustível e o ar são misturados no sistema
de admissão antes de entrar no cilindro do motor. Para tal, usa-se
um carburador ou um sistema de injeção de combustível.
A razão entre a massa de ar e a massa de combustível deve ser
mantida constante em cerca de 15:1 para garantir uma boa
combustão.
Fonte: Heywood (1988)
Fonte: Heywood (1988)
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Motores de ignição por centelha - Operação
Fonte: Heywood (1988)
A seqüência de eventos que acontecem no interior de
um cilindro de um motor de 4 tempos é ilustrada na
figura ao lado. Várias variáveis são plotadas em função
do ângulo de rotação.
O ângulo de rotação é uma variável independente
bastante útil porque os processos no motor ocupam
intervalos quase constantes para uma larga faixa de
velocidade dos motores.
A figura mostra o tempo das válvulas e a relação
volumétrica para um motor típico.
Para manter um alto fluxo de mistura a altas
velocidades (garantindo alta potência), a válvula de
admissão, que abre antes do PMS (TC), fecha
substancialmente depois do PMI (BC).
Durante a admissão, a massa induzida de ar e
combustível mistura-se, no interior do cilindro, com os
gases queimados residuais, remanescentes do ciclo
anterior. Depois que a válvula de admissão fecha, o
conteúdo do cilindro é comprimido acima da pressão
atmosférica e a temperatura também aumenta
enquanto o volume é reduzido. Alguma transferência
de calor acontece para o pistão, as paredes da câmara
e para as paredes do cilindro, porém, seu efeito nas
propriedades da mistura não queimada é modesto.
Entre 10 e 40 graus antes do PMS uma descarga
elétrica entre os eletrodos da vela de ignição é lançada
iniciando o processo de combustão. Uma chama
turbulenta desenvolve-se a partir da centelha e
propaga-se através da mistura de ar, combustível e gás
residual dentro do cilindro e extingue-se nas paredes
da câmara de combustão.
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Motores de ignição por centelha - Operação
A duração deste processo de queima varia com o
projeto e operação dos motores, mas tipicamente é de
40 a 60 graus de rotação, como mostrado na figura.
À medida que a mistura queima a pressão no cilindro
aumenta acima do nível devido apenas à compressão
(linha tracejada).
Há um tempo de ignição ótimo, de modo que, para
uma dada massa de ar e combustível dentro do
cilindro, resulte um torque máximo. Um tempo mais
adiantado, ou atrasado, que este ótimo produzirá prior
resultado. Este tempo ótimo (maximum brake torque,
MBT, timing, em inglês) é um compromisso empírico
entre começar a combustão nem tão muito cedo no
tempo de compressão (quando trabalho é transferido
para os gases) e completar a combustão nem tão muito
tarde no processo de expansão (o que dá em menores
picos de pressão na expansão).
Fonte: Heywood (1988)
Quando o pistão percorre cerca de dois terços do
curso de expansão, abre-se a válvula de exaustão. A
pressão no cilindro é maior que a no coletor de
escape, então os gases escoam para fora num processo
de blowdown, até que as pressões se equilibrem. O
pistão então empurra pra fora os gases queimados.
A válvula de exaustão abre antes do final do curso de
exaustão para garantir que o processo de blowdown não
seja muito demorado no curso de exaustão. O timing
real é um compromisso que equalize a redução de
trabalho transferido para o pistão antes do PMI, contra
a redução do trabalho transferido para os gases depois
do PMI.
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Motores de ignição por centelha - Operação
A válvula de descarga permanece aberta até um pouco
depois do PMS. A válvula de admissão abre justamente
um pouco antes do PMS.
As válvulas não são abertas e fechadas subitamente
para evitar ruído e excessivo desgaste dos cames. Para
garantir que as válvulas estejam completamente abertas
quando a velocidade do pistão seja máxima, as duas
válvulas freqüentemente ficam ambas abertas certo
tempo. Se a mistura for admitida a uma pressão menor
que a do coletor de descarga, então fluxo reverso de
gases queimados para o coletor de admissão ocorre
quando a válvula de admissão abre primeiro.
Fonte: Heywood (1988)