Motores Motores Otto Motores Otto ÍNDICE Introdução 05 1ª Parte A história dos motores 06 Origem dos motores 07 2ª Parte Conceitos de física aplicados a motores 13 3ª Parte Classificação dos motores 21 Como se classificam os motores 22 4ª Parte Funcionamento dos motores 32 Descrição do funcionamento 33 Ciclo Otto - 4 tempos 34 Cruzamento de válvulas 37 O ciclo teórico do motor (ignição por centelha) 38 O ciclo real do motor 43 O variador de fase 45 Motores de dois tempos 47 O ciclo Diesel 51 O motor a álcool 52 5ª Parte Componentes dos motores 57 Conhecendo os componentes de um motor 57 Órgãos móveis 57 Correias 77 Órgãos fixos do motor de combustão interna 80 - O bloco 80 - O cabeçote 83 - O cárter 90 Sistema de alimentação 90 Sistema de arrefecimento 92 Sistema de lubrificação 93 Motores FLEX 94 Motores Otto Introdução O motor é um dos maravilhosos inventos que proporciona conforto e segurança à nossa vida. Foi com a invenção dos motores que a sociedade pôde se desenvolver em todos os campos tecnológicos. O motor é fruto do trabalho de diversos pesquisadores com contribuições de várias ciências. Destacam-se as contribuições que levaram os motores a consumirem cada vez menos combustível e a poluirem cada vez menos o meio ambiente. Esta apostila tem o objetivo de levar até você os conceitos e o funcionamento de cada um dos componentes que constituem o motor. Queremos que ela seja uma fonte permanente de consulta para você. Aproveite! 05 Motores Otto 1ª PARTE A HISTÓRIA DOS MOTORES 06 Motores Otto Origem dos motores Há muitos anos atrás, o homem descobriu que a pressão do gás aumentava quando este era aquecido dentro de um recipiente fechado. Sabendo disso, um engenheiro chamado James Watt, tratou logo de usar a energia proporcionada por essa pressão, para fazer com que uma máquina produzisse trabalho mecânico. Assim surgiu a máquina a vapor que possuía uma caldeira onde a água era fervida para ser vaporizada. 07 Motores Otto Watt usou sua máquina para substituir os cavalos, até então utilizados para o trabalho pesado. Nessa substituição ele comparou o trabalho desempenhado pela máquina e o trabalho desempenhado pelos cavalos. Dessa comparação surgiu a unidade de potência conhecida até hoje como cavalo-vapor (cv). Essa máquina construída por Watt, contribuiu para o desenvolvimento do transporte através das locomotivas. 08 Motores Otto Mas como aplicar essa sua invenção em veículos de menores proporções com componentes mais leves? Foi dessa necessidade que surgiu, no século XVIII, construído pelo francês Cugnot, o primeiro carro a vapor que percorreu as ruas de Paris. Essa invenção revolucionou e mudou a sociedade, transformando-se em benefício para milhões de pessoas em todo o mundo. 09 Motores Otto As dificuldades de conciliar as proporções do carro a vapor e o tamanho adequado para as ruas foram resolvidas quando surgiu o primeiro motor de combustão interna no século XVIII, que utilizava componentes menos robustos podendo equipar os automóveis. Considerado o coração do automóvel, o motor foi constantemente aperfeiçoado. Modificaram o número de cilindros, sua disposição, seu sistema de arrefecimento, sua localização no automóvel e muitos outros componentes. O motor com ignição espontânea surgiu no final do século XVIII, pelas mãos de Rudolf Diesel e foi considerado um grande avanço para a história do automóvel. 10 Motores Otto Com todos esses avanços, a indústria automobilística teve que se aperfeiçoar em todo o mundo. Muitas indústrias de automóveis foram fundadas, dentre elas, a FIAT- Fábrica Italiana de Automóveis de Torino, em 1899, que entrava para a história mundial do automóvel. 11 Motores Otto Entretanto, foi nas grandes guerras que a tecnologia deu um grande salto. Novos componentes foram acrescentados proporcionando força, velocidade e conforto ao condutor. Muitos estudos foram feitos, e foi na Física que os cientistas encontraram seus mais valiosos instrumentos para o desenvolvimento dos motores. Vamos ver agora quais são eles. S = So + Vo.t + a.t2 2 F = m.a Ec = m.V2 2 12 Motores Otto 2ª PARTE CONCEITOS DE FÍSICA APLICADOS A MOTORES 13 Motores Otto Vários conceitos da Mecânica e da Termodinâmica são aplicados ao estudo dos motores de combustão interna. James Watt comparou o trabalho produzido pela máquina e pelo cavalo. Tomemos como exemplo um moinho de cana. Perceba que um cavalo gasta 10 minutos para girar o moinho. Contudo, se usarmos dois cavalos o tempo se reduzirá pela metade. 14 Motores Otto Observe que, quando dividimos o trabalho realizado pelo tempo gasto para fazê-lo, temos a unidade de potência, ou seja, uma máquina que realiza o trabalho no mesmo tempo que cinco cavalos, significa que possui cinco cavalos de potência (cavalo-vapor). Esta é a unidade mais usada para potência de motores, embora a unidade padrão de potência seja o watt (W). Pot = t = trabalho (J) t = intervalo de tempo (s) Pot = potência (W) Além dessas unidades existe ainda o Horsepower (hp). Veja a relação entre elas: 1 cv = 736 W = 0,736 kW 1 hp = 746 W = 0,746 kW 15 Motores Otto Na Física, somente há trabalho se houver uma força aplicada sobre um corpo que se desloca. O trabalho realizado será, então, o produto da força pelo deslocamento (t = F . d) O trabalho é medido em joules (J). Essa unidade é igual a um newton vezes um metro. Às vezes encontramos a unidade newton-metro (Nm). Voltando à experiência do moinho, os cavalos precisam fazer força a uma certa distância do eixo. Esta distância é conhecida como braço de alavanca. A essa combinação de força e distância chamamos de Torque e para saber seu valor é só multiplicar a força que o cavalo está fazendo pelo braço de alavanca (T = F x d). d d = distância f = força f 16 Motores Otto Assim, o torque no motor de combustão interna é igual à força com que a expansão empurra o êmbolo com a biela, multiplicada pelo comprimento da manivela da árvore que recebe a torção. f Comprimento da manivela d O torque do motor expressa o trabalho que ele é capaz de realizar, independente do tempo consumido. Pode ser medido em newton-metro (Nm), ou ainda quilograma-força-metro (kgfm). O torque máximo é o momento de maior eficiência do motor. 1 kgfm = 9,806 Nm A potência que um motor pode desenvolver depende do torque e da velocidade de rotação deste motor. Quanto maior for o torque e quanto mais rápido o motor puder girar, maior será a potência que ele poderá fornecer. 17 Motores Otto Os motores dos carros de Fórmula 1 são exemplos de motores muito potentes, pois podem girar com velocidade de até 15.000 rotações por minuto, e ainda manter um torque elevado. Outro conceito importante para o estudo dos motores é o de força. Força é um agente capaz de provocar deslocamento, aceleração, resistência ao deslocamento ou deformação em um corpo. A principal unidade de medida é o newton (N). Em algumas publicações ainda se encontra a unidade quilograma-força (kgf). Essa unidade, atualmente, está em desuso, e deve ser evitada. A relação entre elas é : 1kgf = 9,806 N. 18 Motores Otto Na Termodinâmica vamos ver os conceitos de temperatura, pressão, volume e as transformações nos gases. Temperatura é a medida da energia cinética média das moléculas de um corpo. A unidade de medida mais usada no Brasil é o grau Celsius (°C), também chamado grau centígrado. Em países de língua inglesa se usa o grau Fahrenheit (°F). Pressão é a relação entre uma força aplicada, sobre uma área determinada. O instrumento usado para medi-la é o manômetro. O “bar” e o “psi” são as unidades mais utilizadas para medir a pressão. Veja a relação entre estas e outras unidades que também são usadas: 1 bar = 14,23 psi = 760 mmHg Quanto às transformações nos gases, é importante saber que o volume de um gás é o volume do recipiente que o contém, já que o gás ocupa todo o recipiente. 19 Motores Otto As variáveis que controlam as transformações nos gases são a temperatura, a pressão e o volume. Quando alguma dessas variáveis muda de valor, dizemos que ocorreu uma transformação. Veja o exemplo de uma bomba de encher bola de futebol ligada em seu bico. O ar que está na bomba tem temperatura T1, volume V1 e pressão p1. Quando se aciona a bomba o ar vai para a bola, passando a ter temperatura T2, volume V2 e pressão p2. Dessa forma, ocorreu uma transformação. Agora que sabemos os principais conceitos da Física aplicados na Mecânica, vamos entender melhor como os motores se classificam. 20 Motores Otto 3ª Parte Classificação dos motores 21 Motores Otto Como se classificam os motores O nome “motor de combustão” significa que o motor utiliza a energia do fogo para realizar trabalho mecânico. Os motores de combustão podem ser classificados de diferentes maneiras. Se a chama ocorre dentro do cilindro, como é o caso dos motores a gasolina, álcool ou diesel, o motor é de combustão interna, também chamado endotérmico. 22 Motores Otto A antiga máquina a vapor, de James Watt, é um exemplo de motor de combustão externa, ou exotérmico. O objetivo deste motor era usar a pressão produzida pelo vapor, para produzir trabalho mecânico. Isso ocorria assim: O calor gerado em uma fornalha aquecia uma caldeira criando vapor. O vapor era injetado no cilindro através da válvula A, enquanto a válvula B permanecia fechada. A pressão do vapor movimentava o êmbolo para cima. Antes que o cilindro começasse a voltar, a válvula A se fechava e a válvula B se abria, deixando o vapor passar até o condensador... fonte quente A água fria B fonte quente fonte fria fornalha 23 fonte fria Motores Otto ...onde uma corrente fria causava sua condensação (o vapor se tornava líquido), diminuindo a pressão. Motores desse tipo foram muito usados nas locomotivas a vapor, apelidadas de “maria fumaça”, mas não puderam ser adaptados para caminhões e carros, por causa do peso e volume muito grandes e sua pouca eficiência. vapor água fogo carvão Então os engenheiros começaram a pesquisar outros tipos de motores, até que em 1876, um alemão chamado Nicolaus Otto utilizou pela primeira vez um motor que queimava, no interior do cilindro, uma mistura de ar e gás. Estava criado o motor de combustão interna. 24 Motores Otto Os motores de combustão interna se dividem em motores rotativos e motores a pistão. O motor tipo Wankel é um motor rotativo, que tem a vantagem de ser mais compacto e utilizar menor número de peças que o motor de pistões. engrenagem interna do rotor anéis de vedação lateral câmara engrenagem do eixo palhetas de vedação Porém, apresenta a desvantagem de não possuir um sistema eficiente de vedação dos gases nos vértices e nos lados do rotor, que geram perdas consideráveis. 25 Motores Otto Os motores a pistão podem ter ainda outras classificações: Quanto à forma de combustão, podem ser de ignição por centelha (motores a ciclo Otto), ou de combustão espontânea (motores diesel). Otto Diesel Quanto ao número de tempos, podem ser de dois ou de quatro tempos. 2 tempos 4 tempos Quanto à quantidade de cilindros, podem ser de um, dois, quatro, cinco, seis, oito ou doze cilindros. 26 Motores Otto Quanto à disposição dos cilindros, podem ser em linha… … em “v”… ... ou com cilindros na horizontal. 27 Motores Otto Agora que já sabemos como se classificam os motores com relação aos cilindros, vamos estudar um pouco sobre eles. Quando falamos em cilindro, é importante definir, primeiramente, o que é Ponto Morto Superior e Inferior. Ponto Morto Superior (PMS) é o ponto máximo que o pistão atinge em seu movimento de subida invertendo o sentido do movimento em seguida. PMS 28 Motores Otto Ponto Morto Inferior (PMI) é o ponto máximo que o pistão atinge em seu movimento de descida invertendo o sentido do movimento em seguida. PMI O espaço percorrido pelo pistão do PMS até o PMI é o que chamamos de Curso. CURSO PMS PMI A relação entre o curso do pistão e o diâmetro influencia nas características do motor. É essa relação que estabelece se o motor terá mais rotação ou mais torque. 29 Motores Otto Observe a tabela desta relação: Tipo de motor Relação diâmetro/curso Torque Rotação Superquadrado Curso < diâmetro Baixo Alta Subquadrado Curso > diâmetro Alto Baixa Quadrado Curso = diâmetro Médio Média Quanto ao torque, não podemos esquecer que existem outros fatores que influenciam nestas grandezas como geometria dos coletores, válvulas, câmara de combustão, alimentação de combustível etc. Se modificarmos o diâmetro ou o curso do cilindro, alteramos o volume, pois esse é definido pelo espaço criado dentro do cilindro quando se desloca do PMS ao PMI. Quando multiplicamos esse volume pelo número de cilindros do motor, obtemos um volume total em cm3 que chamamos de cilindrada. A fórmula para o cálculo é a seguinte: C = x d2 x curso x N 4 onde: N = Número de cilindros d = Diâmetro do cilindro = 3,14 4 = Constante Curso = Distância percorrida pelo pistão do PMI ao PMS 30 Motores Otto PMS v V PMI Taxa de Compressão é a relação do volume da câmara de combustão com o volume do cilindro, e a fórmula para calculá-la é muito simples. Basta somar os dois volumes e dividir pelo volume da câmara de combustão, ou seja: Tc = V + v v A taxa de compressão exprime exatamente quantas vezes comprimimos o volume admitido. 31 Motores Otto 4ª Parte Funcionamento dos motores 32 Motores Otto Descrição do funcionamento A maioria dos motores de combustão interna utiliza o princípio do pistão, dotado de um movimento de vaivém no interior do cilindro produzindo trabalho através de uma biela e de uma árvore comando de manivelas. Foi Beau de Rochas, em 1862 que propôs a seqüência até hoje aceita para a maioria dos motores de ignição por centelha. Esses motores trabalham em ciclo de quatro tempos segundo os princípios de um ciclo Otto. 33 Motores Otto Ciclo Otto - Quatro tempos 1º tempo: Admissão O pistão desce do PMS ao PMI admitindo a mistura ar-combustível para dentro do cilindro através da válvula de admissão. 2º tempo: Compressão O pistão desloca-se do PMI para o PMS com as válvulas de admissão e descarga fechadas comprimindo a mistura. 34 Motores Otto 3º tempo: Expansão Pouco antes do pistão chegar ao PMS na compressão, o sistema de ignição produz a centelha entre os eletrodos da vela que inflama a mistura e os gases resultantes da combustão forçam o pistão para baixo (PMI). 4º tempo: Descarga Depois da combustão, e com o pistão no PMI, a válvula de descarga se abre e os gases queimados são forçados para fora do cilindro. 35 Motores Otto É importante que se saiba como acontece a ignição e em que posições estão os cilindros em cada momento. Para uma ordem de ignição: 1- 3 - 4 - 2, temos: Observe que a cada 2 voltas da árvore de manivelas tem-se um ciclo completo. Durante esse ciclo, há um momento em que as duas válvulas estão abertas. Como é que isso acontece? 36 Motores Otto Cruzamento de válvulas Pouco antes do pistão chegar ao PMS, a válvula de admissão se abre. Nesse instante as duas válvulas estão abertas, ocorrendo o fenômeno do Cruzamento de Válvulas. O fluxo dos gases que abandona o cilindro ou que nele penetra facilita a entrada da mistura gasosa ou a expulsão dos gases da combustão. Quando a válvula de descarga atrasa o seu fechamento, permite a saída de todo o gás e, conseqüentemente, a câmara fica mais limpa. 37 Motores Otto É importante lembrar que o ciclo é a sucessão de processos em que o fluido operante passa no cilindro periodicamente. Sua duração se mede em curso do pistão. O fluido sofre uma série de transformações químicas e físicas. O ciclo teórico do motor (ignição por centelha) O ciclo “teórico” do motor de ignição por centelha pode ser assim representado: P IGNIÇÃO EX INTRODUÇÃO DO CALOR PA N CO M SÃ O PR ES S ABRE VÁLVULA DESCARGA REJEIÇÃO DO CALOR ÃO ADMISSÃO PRESSÃO ATMOSFÉRICA FECHA VÁLVULA ADMISSÃO DESCARGA VOLUME DA CÂMARA 38 PMS VOLUME DO CILINDRO PMI V Motores Otto Na compressão o volume diminui e a pressão aumenta. A compressão é muito rápida, por isso não há troca de calor. Nesse caso, dizemos que é uma transformação adiabática. Na ignição a temperatura sobe elevando a pressão. O volume permanece constante, então, dizemos que é uma transformação isométrica. Na expansão o volume aumenta e a pressão diminui, não havendo troca de calor. 39 Motores Otto E na descarga, o ar aquecido sai do cilindro e é substituído pela mistura. Observe, na tabela, como a temperatura e a pressão modificam a cada momento do ciclo, em relação à abertura das válvulas: Tempo Admissão Compressão do pistão Expansão Válvula admissão Aberta Válvula descarga Fechada Fechada Fechada Fechada Fechada Temperatura/pressão Igual à do coletor Subindo segundo a posição Descendo segundo a posição Para saber como alcançar a pressão máxima sobre o pistão é necessário entender bem sobre a velocidade da centelha e da combustão. A velocidade da centelha é a rapidez de propagação da ignição na mistura. A velocidade de combustão é a velocidade da reação química na mistura. 40 Motores Otto A combustão nos motores ciclo OTTO começa quando ocorre o centelhamento na vela. Nesse momento o aumento de pressão ainda é pequeno, pois a quantidade de carga queimada também é pequena. Sabemos que a velocidade da chama pode ser aumentada pelo aumento da turbulência da mistura. As velas estão localizadas próximas às câmaras de combustão, onde a turbulência é menor que na região central do cilindro. 41 Motores Otto Desta forma, a centelha deve ocorrer antes do fim da compressão, para obter altas pressões próximas ao início da expansão. O valor dessa antecipação de ignição depende da velocidade de propagação da chama, da rotação do motor, da forma da câmara, da turbulência e do tipo de combustível. Se ocorrer um avanço de ignição exagerado, a câmara de combustão superaquece devido às altas pressões geradas. Esse aquecimento pode ocorrer também por acúmulo de resíduos ou carvão na cabeça do pistão. Assim a mistura pode reagir, espontaneamente, sem necessidade da centelha para iniciar a combustão. Esse fenômeno é chamado de auto-ignição. 42 Motores Otto Nesse caso a pressão e a temperatura subiriam rapidamente, o que acarretaria vibrações no motor. Essas diferenças de pressão e temperatura resultariam num ruído ou batida, que chamamos de detonação. O ciclo real do motor O ciclo real corresponde às diversas posições do pistão durante seu curso e aos momentos corretos de abertura e fechamento das válvulas de admissão e descarga. P FECHAMENTO VÁLV. ADMISSÃO. ÃO NS EXPA a1 CENTELHA CO * M ES PR ABERTURA VÁLV. DESCARGA SÃ O a2 DESCARGA PRESSÃO ATMOSFÉRICA 0 ADMISSÃO V PMI PMS PMS De outra maneira poderíamos representar assim: ço Atraso do centelha da válvu fech la d a a nç o Av são descarga e m is d a r e t . Abálv. v m to en an Av SCARGA COMPRESSÃO rg tur a a DE PMI SÃO 43 MIS ÃO NS PA X r At da as er o ab vá no da sca lvu fecha mento la d ação de e admissão Antecip la de da válvu AD E Motores Otto Mas para que existem esses ângulos que adiantam a abertura ou atrasam o fechamento das válvulas? O adiantamento da abertura da válvula de admissão tem a função de garantir a máxima admissão de ar no cilindro e ajudar na expulsão dos gases de combustão pela válvula de descarga. O atraso no fechamento da válvula de admissão utiliza a inércia do fluido que está em movimento no conduto para a máxima admissão possível. Quando adiantamos a abertura da válvula de descarga, estamos diminuindo a pressão dos gases antes do início do curso do pistão, aproximando seu valor ao do ambiente externo. Desta forma, a expulsão dos gases do cilindro será mais completa, pois a quantidade de gás continua a sair ainda com o pistão descendo para o PMI. 44 Motores Otto Se atrasarmos o fechamento, estamos aproveitando a inércia para também melhorar a expulsão dos gases do cilindro. Os valores dos ângulos de antecipação ou atraso na abertura das válvulas variam, e dependem do tipo de motor e de sua finalidade. O variador de fase O veículo quando está em uma subida, evidentemente, exigirá um torque maior para que não perca potência. Para isso, podemos atuar na válvula de admissão, antecipando o momento de sua abertura. O variador de fase tem esse objetivo, ou seja, em função da carga e da rotação solicitada pelo motor, gira a árvore de comando de válvulas modificando o diagrama e, conseqüentemente, o comportamento do motor. 45 Motores Otto O variador de fase é controlado pela central eletrônica, que o acionará a partir do sinal recebido dos sensores de rotação, e pelo medidor de vazão de ar. Está localizado na extremidade da árvore comando de válvulas de admissão, ligado à sua polia. Funciona a partir da pressão de óleo do próprio motor. Existem outros tipos de variadores, no entanto, não são ainda utilizados em veículos FIAT e ALFA do Brasil. É um componente muito importante e será melhor detalhado na unidade de “Alimentação”. Vejamos agora como funcionam os motores de dois tempos. 46 Motores Otto Motores de dois tempos Em 1878, Dugald Clerk idealizou o ciclo de dois tempos que pode ser utilizado em motores de ignição por centelha ou por compressão. Esses motores combinam em dois cursos do pistão as funções dos motores de quatro tempos. A cada volta da árvore de manivelas ocorre um curso motor do pistão, ou seja, um deslocamento do PMS ao PMI e retorno ao PMS. O pistão em direção ao PMS está comprimindo a mistura ao mesmo tempo em que descobre a janela para admissão da mistura. 47 Motores Otto Quando ocorre a expansão, o pistão é impulsionado para baixo e comprime no cárter a mistura que vai ser utilizada no tempo seguinte. Ar-combustível Combustão Em direção ao PMI, o pistão abre a janela de descarga e os gases queimados na combustão são expulsos do cilindro. O pistão libera a janela para a transferência da mistura que estava sob pressão no cárter para ser queimada, iniciando o ciclo novamente. Gases queimados Tranferência/escape A desvantagem dos motores de dois tempos de ignição por centelha é que não se pode evitar a perda de mistura não queimada pela descarga juntamente com os produtos da combustão e óleo lubrificante. Isso dificulta o controle das emissões de poluentes. 48 Motores Otto Os motores de dois tempos são mais utilizados onde a miniaturização e poucas peças móveis são exigidas, como por exemplo, nos motores de lanchas e pequenas bombas portáteis. Os motores de dois tempos podem ser de lavagem cruzada, ou seja, as duas janelas, a de admissão e descarga, estão abertas durante o mesmo tempo. Nesse tipo de motor, existem defletores colocados na cabeça do pistão que impedem que a mistura seja expulsa junto com os gases resultantes da combustão. 49 Motores Otto O ciclo Diesel A principal diferença dos motores de quatro tempos de ignição por compressão e o de ignição por centelha é que, no primeiro, o combustível não é introduzido junto com o ar no cilindro. Dessa forma, somente parte do ar pode ser perdida na descarga sem perder, no entanto, o combustível. Esse ar que vai para o cilindro é, normalmente, forçado por um compressor de baixa pressão. Possui um sistema de lubrificação forçada como no motor de quatro tempos. Entrada de óleo Saída de gases de escape Eixo da turbina Admissão de ar Compressor Turbina Saída de óleo lubrificante Entrada de gases Entrada de ar para cilindro 50 Motores Otto Nos motores de quatro tempos ciclo diesel não há presença de centelha para iniciar a combustão. O ar quando comprimido pelo pistão é aquecido o suficiente para inflamar o diesel que é pulverizado no interior da câmara de combustão no momento certo. Ciclo Diesel Admissão Combustão (pulverização) Compressão Combustão (expansão) Descarga Seu funcionamento é semelhante ao motor ciclo Otto tendo no primeiro tempo a admissão de ar puro; no segundo a compressão do ar; no terceiro a combustão, ou seja, a pulverização de óleo diesel e a expansão dos gases e, por último, a descarga dos gases resultantes da combustão. 51 Motores Otto O motor a álcool O motor de combustão interna a álcool tem funcionamento parecido ao do motor a gasolina, porém, algumas modificações construtivas e de regulagens são necessárias, devido às características do álcool. Os álcoois, como o etanol (ou álcool etílico) e o metanol podem ser usados como combustíveis para motores como uma boa alternativa. Vários estudos foram realizados e chegou-se à conclusão de que o combustível alternativo à gasolina que melhor se adapta aos motores é o álcool etílico hidratado. O álcool etílico apresenta vantagens e desvantagens em relação à gasolina. Vejamos algumas de suas características para podermos comparar os dois combustíveis. 52 Motores Otto A relação estequiométrica, ou seja, a relação ideal ar-combustível que a mistura deve ter é mais baixa para o álcool que para a gasolina. No caso do álcool é de 9:1, ou seja, nove gramas de ar por uma grama de combustível e para a gasolina é de 13,28:1. Isso ocorre porque a massa das moléculas do álcool já contêm 35% de oxigênio. Assim, a quantidade de ar na mistura pode ser menor. Também por causa da presença de oxigênio quase não ficam resíduos sólidos nas câmaras de combustão. Esses resíduos, mais freqüentes em motores a gasolina, podem provocar inconvenientes como detonação e desgastes nos órgãos móveis. O álcool tem maior octanagem (NOálcool = 105) que a gasolina (NOgasolina = 84). A octanagem é a resistência à ignição por compressão. Desta forma, a taxa de compressão do álcool pode ser elevada até 12:1 sem que a mistura entre em combustão espontânea. Observe que com a taxa de compressão maior o motor passa a ter mais potência e eficiência térmica. 53 Motores Otto Devido à alta taxa de compressão, a temperatura e a pressão na câmara de compressão sobem, então o motor a álcool deve ter velas de ignição mais frias para dissipar melhor o calor. Vela de ignição Quente Fria Além disso, a bateria usada para acionar a partida deve ter maior capacidade, pois a alta taxa de compressão provoca aumento da energia consumida pelo motor de partida. O rendimento global do motor a álcool é de aproximadamente 34%, enquanto que no motor a gasolina fica em torno de 27%. Motores a álcool consomem cerca de 19% a mais de combustível que motores a gasolina, devido ao baixo poder calorífico do álcool. Isso quer dizer que o álcool libera menos calor que a gasolina. 54 Motores Otto A temperatura na qual o álcool se evapora é maior que a da gasolina. Essa é uma das desvantagens do álcool, já que dificulta a partida do motor em temperaturas baixas. Para evitar que na evaporação o álcool resfrie o coletor e condense a mistura, o diâmetro do tubo de circulação de água no coletor de admissão deve ser aumentado. A combustão do álcool etílico libera aldeído acético, um gás poluente. Porém, esse gás é menos tóxico que o monóxido de carbono, liberado pela queima da gasolina. A água faz parte da composição química do álcool etílico hidratado. Este fato faz com que o álcool tenha ação corrosiva sobre o ferro e outros metais, o que não ocorre com a gasolina. Devido a isso alguns componentes do veículo, como o tanque, eletroinjetores, tubulações e a bomba de combustível devem possuir características específicas para atender à utilização contínua com álcool. 55 Motores Otto As válvulas de descarga de motores a álcool recebem uma camada protetora especial na parte responsável pela vedação, para que não sofram desgastes excessivos ou queima. O álcool também é solvente de certos óleos. Se a película de óleo lubrificante for removida o motor pode sofrer sérios danos. Por isso, os óleos lubrificantes devem ser específicos para o motor a álcool. Determinados tipos de borracha também podem reagir com álcool se deteriorando. Para resolver este problema, foram desenvolvidas tubulações de PVC e borrachas especiais. 56 Motores Otto 5ª Parte Componentes dos motores Conhecendo os componentes de um motor O motor é composto de um grande número de órgãos móveis e fixos, que se interagem perfeitamente. Vamos estudar cada um destes componentes, quanto à sua constituição, forma, função e localização. Vamos começar pelos órgãos móveis. Órgãos móveis O pistão, também chamado de êmbolo, é uma peça cilíndrica, geralmente fabricada em liga de alumínio. Trabalha no interior do cilindro do motor, fazendo um movimento retilíneo e alternado. Seu diâmetro se adapta ao diâmetro do cilindro. Aletas de refrigeração Cilindro Ar Pistão 57 Motores Otto Observe na ilustração as partes básicas do pistão. Cabeça Zona dos anéis Alojamento do pino Saída O pistão é a parte móvel da câmara de combustão. Sua função é transmitir a força criada pela expansão dos gases ao virabrequim. Para isso, é ligado à biela por meio de um pino de aço. O outro lado da biela é ligado ao virabrequim. Os pistões podem ser de dois tipos principais: com anel autotérmico, que é uma cinta de aço presente em seu interior, para se opor à dilatação térmica e permitir uma folga menor entre o pistão e o cilindro… 58 Motores Otto … e com porta-anéis, para proteger as canaletas superiores contra desgastes. O pino de aço, chamado pino do pistão, está alojado em um furo que fica abaixo da zona de anéis, atravessando diametralmente o pistão. Esse furo pode ser descentralizado, para evitar batida da saia nas paredes do cilindro, quando o pistão inverte o sentido de movimento no início da expansão. Observe que A > B A 59 B Motores Otto O pino é fabricado em aço especial para resistir aos desgastes, pois está sujeito a grandes tensões. Quanto ao modo de fixação, o pistão pode ser de pino flutuante, que desliza livremente no pistão e na biela, possuindo anéis de trava nas extremidades para que o pino não entre em contato com o cilindro. Pode ser de pino semiflutuante, que é fixo na biela e desliza livremente no pistão. Pode ser também de pino fixo, sem movimento giratório e preso ao pistão por meio de parafuso ou trava, livre na bucha da biela. Na parte superior da zona dos anéis dos pistões, acoplados às canaletas, trabalham os anéis de segmento, que possuem formato circular. Em motores de 4 tempos do ciclo OTTO geralmente encontramos de 2 a 4 anéis por pistão. Os anéis são fabricados com ligas de aços especiais e desempenham uma importante função no motor, sendo responsáveis pela vedação entre as superfícies externas dos pistões e internas dos cilindros. 60 Motores Otto A vedação deve ser perfeita, para que o pistão possa comprimir a mistura sem que haja vazamentos na câmara de compressão, evitando que os gases da combustão cheguem ao cárter, e que o óleo lubrificante do cárter chegue até à câmara. Os anéis de segmento podem ser de vedação ou de compressão. Eles são encaixados nas duas primeiras canaletas da zona de anéis, mais próximos ao topo do pistão (às vezes nos três primeiros). São eles que fazem efetivamente a vedação entre o pistão e o cilindro. Possuem grande resistência ao atrito e à abrasão. Existem, também, anéis raspadores e recolhedores de óleo, que são colocados nas canaletas da parte inferior da zona dos anéis, abaixo dos anéis de compressão (em certos casos, também na saia do pistão). 61 Motores Otto Estes anéis drenam o óleo para o cárter, além de ajudar na condução do calor dos pistões para as paredes dos cilindros. Vamos ver como os anéis realizam suas funções, de acordo com cada um dos 4 tempos do motor. Na admissão, enquanto o pistão vai descendo, os anéis (principalmente os raspadores) vão raspando o óleo das paredes do cilindro, deixando apenas uma finíssima camada. Na fase de compressão, a pressão aumenta à medida que o pistão sobe, forçando os anéis para baixo e contra a parede do cilindro. Isso provoca a vedação da face inferior dos anéis em relação às canaletas, e as faces de trabalho em relação à parede do cilindro. 62 Motores Otto Durante a fase de combustão o pistão volta a descer. A pressão no interior da câmara aumenta, chegando a 50 bar, empurrando os anéis contra as paredes do cilindro para conseguir uma vedação completa. Na descarga, o pistão sobe e os anéis apenas deslizam sobre a fina camada de óleo lubrificante que ficou nas paredes do cilindro, sem raspá-la para cima. Complementando o conjunto de órgãos móveis que transformam o movimento de vaivém dos pistões em movimento giratório da árvore de manivelas, temos além dos pistões, as bielas. É sobre elas que estudaremos a seguir. As bielas são os braços de ligação entre os pistões e o virabrequim. São fabricadas em aços especiais ou ferro fundido, e se prendem por um lado aos moentes do virabrequim e, por outro, aos pinos dos pistões. 63 Motores Otto A biela tem três partes: - O pé que é a parte ligada ao pistão - O corpo que é parte central da biela e que tem a forma de um “I” para aumentar a rigidez - A cabeça que faz a ligação com o virabrequim Pé Corpo Cabeça O olhal da cabeça é dividido em duas partes. Uma delas faz parte do corpo e a outra, chamada capa, vem separada. Na parte interna do olhal maior ficam as bronzinas ou casquilhos móveis, que veremos a seguir. Os casquilhos são feitos em aço revestido com outros materiais, formando camadas. A última camada é de material antifricção. 64 Motores Otto A - Camada superficial de metal branco (0,025 mm) B - Barreira de níquel C - Camada cobre-chumbo D - Capa de aço A forma do casquilho é de um semicírculo, e é montado aos pares, formando um círculo. A função do casquilho é proteger as peças, evitando o contato direto da biela com o virabrequim, diminuindo o desgaste e aumentando a eficiência do motor. Portanto, deve ter grande resistência mecânica, capacidade de dissipar calor e facilidade de deslizamento. Os mancais fixos do virabrequim, também chamados de munhões, são assentados sobre os casquilhos. 65 Motores Otto Os casquilhos são presos aos mancais por meio de ressaltos, para não se deslocarem durante o funcionamento do motor. A lubrificação é feita através de um canal de óleo, com um furo existente na superfície da bronzina. A árvore que recebe a força que a combustão da mistura ar-combustível exerce sobre os pistões, é o virabrequim, também chamado de árvore de manivelas. A árvore de manivelas, ao receber esta força, que é transmitida pelas bielas, passa a girar, transmitindo potência ao volante para impulsionar o veículo. 66 Motores Otto Na maioria dos motores, o virabrequim é instalado na parte inferior do bloco, acoplado aos mancais fixos. As partes das manivelas ligadas ao bloco recebem o nome de munhões, e as que recebem as bielas o nome de moentes. O número de moentes é igual ao número de cilindros. Munhões Moente Moente Orifícios de lubrificação Em uma das extremidades da árvore de manivelas está o flange, no qual está fixado o volante. Na outra extremidade estão as polias dentada e a polia da distribuição. Mas e o peso destes componentes não causaria vibrações no motor? 67 Motores Otto Para proporcionar o balanceamento do virabrequim existem contrapesos, a fim de evitar também a transmissão de vibrações aos outros órgãos do motor. Quanto aos tipos de árvore de manivelas, existem variações de acordo com o número e a disposição dos cilindros no motor. O órgão que transmite a energia mecânica do motor até os componentes da transmissão é o volante, que é fixado por parafusos ao flange, acoplado a uma das extremidades da árvore de manivelas. 68 Motores Otto O volante deve regularizar o movimento do motor. Quanto mais pesado for o volante, menores serão as variações. Em contrapartida, a aceleração do motor será mais lenta. Se o volante for leve o motor apresentará irregularidades de funcionamento, mas terá aceleração rápida. A lubrificação é feita através de furos distribuídos em toda a extensão da árvore, por onde flui o óleo lubrificante. Uma outra função do volante é permitir o acoplamento do motor de partida ao motor do veículo. No momento da partida o pinhão do motor de arranque engata na cremalheira do volante, transmitindo o movimento ao virabrequim. 69 Motores Otto Os componentes do sistema de distribuição como as válvulas, tuchos e a árvore comando de válvulas também são muito importantes. Os órgãos encarregados de permitir a entrada da mistura ar-combustível na câmara de combustão e a saída dos gases após a queima são as válvulas. Guia Válvula Sede Além disso, as válvulas não permitem que a mistura passe para fora da câmara durante a compressão e a combustão. Elas são feitas de aço e devem suportar altas temperaturas. 70 Motores Otto A forma da válvula é de uma haste cilíndrica, com uma das pontas em forma de disco, chamada cabeça. Na outra ponta há uma canaleta. cabeça margem face de assentamento haste canaleta pé da válvula A cabeça da válvula pode ser plana, côncava ou convexa, de acordo com o formato da câmara de combustão. Plana Côncova Convexa Quanto à função, as válvulas podem ser de admissão ou de descarga. As de descarga são menores que as de admissão, pois a pressão dos gases durante a descarga facilita sua saída da câmara de combustão. 71 Motores Otto O motor pode ter várias válvulas por cilindro. Quanto maior a quantidade de válvulas por cilindro mais durabilidade elas terão, pois poderão ser de tamanho reduzido, tendo maior facilidade para se refrigerar. Desta forma, pode haver motores com 8, 16, 20 ou mais válvulas. No interior de algumas válvulas de descarga se encontra sódio em estado sólido. Quando a válvula se aquece, atingindo 100°C, o sódio se torna líquido resfriando a válvula. As válvulas ficam alojadas nas guias de válvulas do cabeçote, e se movimentam em vaivém. 72 Motores Otto Para que as válvulas fiquem presas e possam se movimentar, elas são montadas sobre alguns dispositivos como as molas. São duas, uma dentro da outra, que envolvem a haste da válvula, fazendo-a retornar para a sede. Pratos: um superior e outro inferior, fazem com que a haste da válvula fique centralizada dentro das molas. Chaveta: encaixada no prato superior, que prende o prato à canaleta da extremidade da válvula, para que fique sujeita à ação das molas. Pastilha Tucho Chaveta Pratos O movimento das válvulas é proporcionado pelos cames da árvore comando de válvulas. À medida que o eixo gira, os cames pressionam os tuchos que, por sua vez, transmitem o movimento às hastes das válvulas. 73 Motores Otto O tucho é uma peça cilíndrica, com uma das extremidades aberta e a outra fechada por uma pastilha de regulagem. No interior do lado aberto fica alojado o conjunto prato-mola-haste da válvula. O lado da pastilha é o que recebe o contato dos cames da árvore comando de válvulas. Em alguns motores são utilizados tuchos hidráulicos. No interior do tucho hidráulico há um êmbolo que trabalha com óleo, fornecido pelo próprio sistema de lubrificação do veículo. O tucho hidráulico é bem mais eficiente e silencioso, pois mantém as peças da distribuição sempre em contato, dispensando as regulagens periódicas das válvulas diante de desgastes e variações de temperatura. A árvore comando de válvulas é o principal componente do mecanismo de distribuição mecânica, responsável pela regulagem das fases de admissão e descarga do motor. 74 Motores Otto É acoplado ao virabrequim pela correia dentada da distribuição. Assim, as duas árvores giram com as mesmas velocidades. Alguns motores que equipam os veículos FIAT possuem um dispositivo para amortecer vibrações, composto de duas árvores contra-rotantes localizadas no bloco do motor. As vibrações são provocadas por forças de inércia centrífugas e alternadas, por causa das partes girantes do motor. O balanceamento do motor procura anular esses desequilíbrios. Os próprios contrapesos da árvore de manivelas e os apoios do motor absorvem, em parte, as vibrações. 75 Motores Otto As árvores contra-rotantes possuem massas excêntricas e giram em sentido contrário uma em relação à outra, e em sincronismo com a árvore de manivelas. O movimento das árvores contra-rotantes é realizado com a utilização da correia dentada, conjunto de engrenagens e tensor automático. Nos motores, as transmissões de movimentos entre alguns componentes são realizadas por meio de polias e correias. As polias são rodas de aço com um furo no centro, que se ligam a um eixo. 76 Motores Otto Para utilizar a correia lisa, existe um sulco no lado externo da circunferência da polia. No caso de correia dentada, a polia terá dentes ao invés de sulco. As polias ficam instaladas no lado da frente do motor, oposto ao lado do volante. Alguns exemplos de polias lisas são as que ficam instaladas na árvore comando de manivelas (virabrequim), para acionamento da bomba d’água e do alternador. Essa mesma árvore também recebe uma polia dentada para acionamento da árvore comando de válvulas. Correias O movimento retilíneo gerado pela expansão no cilindro se transforma em movimento circular através da árvore de manivelas. 77 Motores Otto Num dos lados da árvore de manivelas estão a polia e a engrenagem que transmitem a velocidade para os outros órgãos do motor. Para que isso ocorra é necessária a utilização de elementos flexíveis de ligação, que são as correias. A vantagem das transmissões por correias é que elas permitem uma variação de distância entre as árvores quando necessitam ser reguladas. Podem ser planas, lisas, dentadas ou trapezoidais. Esta última é a mais usada em função da potência transmitida. 78 Motores Otto As transmissões por correia, para compensar a distensão com o uso, exigem a utilização de tensores que podem ser internos ou externos com relação às correias. polia esticadora correia dentada A correia dentada é a utilizada para a transmissão dos movimentos da árvore de manivelas para a árvore comando de válvulas e comando auxiliar. O sincronismo entre as árvores de manivelas e o comando de válvulas depende do funcionamento da correia dentada. Nos motores estão marcadas as referências para o alinhamento e o sincronismo das polias. 79 Motores Otto Observe sempre o estado da correia dentada e substitua, se necessário. Uma correia danificada acarretará sérios inconvenientes para o motor. Todos esses componentes móveis só conseguem desempenhar suas funções porque estão acoplados a outros componentes mais robustos que permitem os movimentos. Mas quais são estes componentes e suas funções nos motores ? Órgãos fixos do motor de combustão interna O bloco O bloco é a estrutura do motor, e nele está montada a maioria dos componentes que propiciam seu funcionamento, como a árvore de manivelas, as bielas e os pistões. 80 Motores Otto Geralmente, o bloco é fabricado em ferro fundido. Em alguns tipos de motores utilizam-se ligas de alumínio. Na parte superior do bloco está fixado o cabeçote do motor, e na parte de baixo o cárter. No interior das paredes do bloco existem galerias por onde circula o líquido de arrefecimento do motor. As partes principais do bloco do motor são os cilindros e os mancais. Os mancais do bloco têm a função de alojar e sustentar o virabrequim e são providos de casquilhos ou de buchas. Nas cavidades dos cilindros irão se encaixar os pistões. 81 Motores Otto Na maioria dos motores os cilindros fazem parte do bloco, sendo usinados no mesmo. Podem haver diferenças entre os diâmetros dos furos, dentro de uma tolerância que determinam as classes de cilindros. Em outros motores, os cilindros são encaixados no bloco. Neste caso recebem o nome de camisas, e a colocação do cilindro no bloco é chamada de encamisamento. Estes cilindros são feitos de aço e podem ser chamados de: ...camisa seca, quando o líquido de arrefecimento não tem contato direto com o cilindro; camisa molhada, quando a superfície externa do cilindro fica em contato direto com o líquido de arrefecimento. Bloco Camisa seca Camisa úmida Água Água 82 Água Motores Otto A superfície interna do cilindro recebe um brunimento, que consiste de pequenos riscos em forma de ângulos, para reter o óleo lubrificante e facilitar o trabalho dos anéis de segmento. O cabeçote Os cabeçotes utilizados nos motores de combustão foram bem estudados pelos projetistas. Atualmente eles são construídos por uma liga especial de alumínio e apenas em alguns casos, como nos motores diesel, são construídos em ferro fundido. Basicamente, o cabeçote é constituído de corpo, guias e sedes das válvulas. Dutos para líquido de arrefecimento Câmara de combustão Corpo Dutos para óleo lubrificante Sede de válvulas 83 Lado de assentamento Motores Otto O cabeçote deve se apoiar perfeitamente sobre o bloco do motor devido às altas temperaturas e pressões a que está submetida a câmara de combustão. Os veículos FIAT são equipados com vários tipos de cabeçotes. Dois cabeçotes superiores com um cabeçote inferior em Y, como o Tempra 8 válvulas... ...um cabeçote superior duplo com dois comandos de válvulas, como o Tempra 16 válvulas... 84 Motores Otto ...um cabeçote superior apoiado em um cabeçote inferior e... ...um cabeçote único. Muita atenção ao apertar os parafusos que fixam o cabeçote no bloco. Entre os dois componentes há uma junta que deve ser submetida ao torque correto e a uma seqüência de aperto. A junta do cabeçote atualmente é composta por várias folhas de aço. 85 Motores Otto Ela garante a vedação de forma a não vazar pressão na compressão da mistura, óleo lubrificante e líquido do sistema de arrefecimento. Quando o aperto do parafuso não obedece o torque e a ordem correta, a junta pode ser danificada e não cumprir sua função de vedação. Por isso, jamais utilize ferramentas inadequadas, use sempre o torquímetro. No cabeçote estão localizados o rebaixo da câmara, condutos para arrefecimento e introdução do combustível na câmara e saída dos gases resultantes da combustão. 86 Motores Otto É também no cabeçote que estão os orifícios para a drenagem do óleo que lubrifica o comando; orifícios roscados para a instalação das velas e alojamento das guias e sedes das válvulas. Para que as válvulas se movimentem com mais facilidade, a superfície interna das guias é polida, diminuindo o atrito com a válvula. O cabeçote deve suportar elevadas pressões e temperaturas, porque é nele que está localizada a câmara de combustão. Câmara de combustão é o espaço entre o cabeçote e a parte superior do pistão. câmara de combustão 87 Motores Otto É na câmara de combustão que se processa a queima da mistura ar-combustível. Ela tem o objetivo de aumentar a velocidade de propagação da chama de combustão. O rendimento do motor depende muito da forma da câmara. Suas paredes devem ser compactas com superfícies mínimas a fim de dissipar o calor para o sistema de resfriamento. Teoricamente, deveria haver uma forma esférica, com o ponto de ignição situado no centro para uma combustão uniforme em todas as direções. 88 Motores Otto Mas isso não é possível e, desta forma, muitos tipos de câmara foram desenvolvidos, como a hemisférica, considerada a forma clássica… … a câmara em banheira, que possui um certo percurso de chama e limita a turbulência reduzindo a detonação... … a câmara em cunha, com características semelhantes à câmara em banheira... 89 Motores Otto ...e a câmara aberta na cabeça do pistão, indicada para motores com taxas de compressão elevadas por conseguir uma excelente admissão da mistura. O cárter O cárter, fixado na parte inferior do bloco, é um reservatório onde se deposita o óleo lubrificante. Além disso, protege os componentes inferiores do motor. Na parte de baixo do cárter há um bujão para o esgotamento do óleo do motor. Sistema de alimentação A injeção eletrônica é uma das inovações tecnológicas mais importantes dos últimos anos. 90 Motores Otto Atualmente, os motores são alimentados através do sistema de injeção eletrônica de combustível. Esse sistema trouxe inúmeras vantagens para o desenvolvimento do automóvel nas mais diversas áreas. O estudo da emissão dos poluentes no meio ambiente, é hoje, uma exigência dos governos de vários países, que estabeleceram diversas normas para sua regulamentação. O sistema de alimentação é controlado por uma central, que faz o monitoramento de seu funcionamento através de sensores, atuadores etc. É na central que chegam todas as informações referentes ao funcionamento do motor através dos impulsos eletrônicos. 91 Motores Otto Sistema de arrefecimento O sistema de arrefecimento é muito importante devido à função de absorver o excesso de calor, gerado durante o funcionamento do motor, e de manter a temperatura dentro dos limites especificados. O arrefecimento pode ser por meio de ar ou de líquido. Durante seu funcionamento, o motor pode atingir temperaturas muito altas, principalmente nas câmaras de combustão. Se não houvesse um meio para arrefecimento dos componentes, as peças móveis travariam por excesso de dilatação. 92 Motores Otto Sistema de lubrificação Lubrificar é inserir o lubrificante entre as partes metálicas móveis para evitar o atrito entre elas e dilatações excessivas. Protege contra corrosões e melhora a vedação entre os pistões e os cilindros, além de refrigerar as superfícies em contato. A lubrificação dos motores pode ser feita por vários processos, como salpique, mistura junto ao combustível, circulação forçada a cárter seco e pelo sistema convencional. Gotejamento do óleo Rebaixo captador do óleo Pescador de óleo Bomba de óleo Salpique O lubrificante é como o alimento para o motor, ou seja, o motor não funciona sem ele. 93 Motores Otto Veremos nos próximos módulos, como funciona esse sistema, sua importância para a vida do motor, suas características e muito mais. Estes módulos mostrarão, também, cada detalhe do sistema de arrefecimento, seus diferentes tipos, importância para o motor etc. Quanto ao sistema de alimentação, uma atenção muito especial. É um sistema com muitas novidades na injeção e na ignição eletrônica. Aguarde! Motores FLEX Nos capítulos anteriores, foi possível conhecer as características de funcionamento dos motores à álcool e à gasolina. Estes motores tem funcionamento e características específicas para determinado tipo de combustível, não sendo possível a utilização de um combustível diferente daquele para o qual o motor foi projetado. Com o desenvolvimento dos motores FLEX, foi possível alimentar um mesmo motor com mais de um combustível específico, ou seja, somente álcool, somente gasolina ou qualquer proporção entre eles. Veremos nós próximos módulos, as características e o funcionamento dos motores FLEX. 94 Motores Otto 95 Motores Otto 96 COPYRIGHT BY FIAT AUTOMÓVEIS S.A. - PRINTED IN BRAZIL - Os dados contidos nesta publicação são fornecidos a título indicativo e poderão ficar desatualizados em conseqüência das modificações feitas pelo fabricante, a qualquer momento, por razões de natureza técnica, ou comercial, porém sem prejudicar as características básicas do produto. Impresso n° 53001126 - 04/2008