ESCOLA NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE
T
EEC
CNNO
OLLO
OG
GIIAA
M
AARRÍÍTTIIM
MAA
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DOS NAVIOS
2ª Parte
João Emílio C. Silva
2007
TECNOLOGIA MARÍTIMA
3
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
ÍNDICE
1
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
4
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.8.1
4.8.2
4.9
4.9.1
4.9.2
4.9.3
4.10
4.11
4.12
4.13
4.13.1
4.13.2
5
6
7
8
MÁQUINAS ALTERNATIVAS DE COMBUSTÃO INTERNA – CONCEITOS GERAIS ................................................................ 4
COMPONENTES DAS MÁQUINAS ALTERNATIVAS DE COMBUSTÃO INTERNA .................................................................. 4
BASE (BEDPLATE) ...................................................................................................................................................................... 7
ESTRUTURA (ENGINE FRAME) ................................................................................................................................................. 7
CAMISAS (LINERS) ..................................................................................................................................................................... 7
VEIO DE MANIVELAS (CRANKSHAFT) ...................................................................................................................................... 7
ÊMBOLOS (PISTONS) ................................................................................................................................................................. 8
TIRANTE, HASTE E CRUZETA (CONNECTING ROD, PISTON ROD AND CROSSHEAD) ...................................................... 9
VÁLVULAS (VALVES) ................................................................................................................................................................ 10
VEIO DE RESSALTOS E DISTRIBUIÇÃO (CAMSHAFT AND DISTRIBUTION) ...................................................................... 10
CABEÇA DO MOTOR (ENGINE HEAD) .................................................................................................................................... 11
PARÂMETROS E DEFINIÇÕES MAIS RELEVANTES DAS MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA .................................. 12
CLASSIFICAÇÃO DAS MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA............................................................................................ 14
QUANTO AO MODO COMO SE EFECTUA A COMBUSTÃO ................................................................................................... 14
MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA A VOLUME CONSTANTE ....................................................................................... 14
MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA A PRESSÃO CONSTANTE ..................................................................................... 15
MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA A CICLOS MISTOS ................................................................................................. 17
QUANTO AO COMBUSTÍVEL UTILIZADO ................................................................................................................................ 17
QUANTO AO NÚMERO DE FACES ACTIVAS DO ÊMBOLO ................................................................................................... 18
QUANTO AO NÚMERO DE ÊMBOLOS POR CILINDRO ......................................................................................................... 18
QUANTO AO NÚMERO DE CILINDROS QUE POSSUEM ....................................................................................................... 18
QUANTO À DISPOSIÇÃO DOS CILINDROS ............................................................................................................................ 18
QUANTO À VELOCIDADE DE FUNCIONAMENTO .................................................................................................................. 19
QUANTO À FORMA COMO O AR É INTRODUZIDO NOS CILINDROS .................................................................................. 19
MOTORES ATMOSFÉRICOS OU DE ASPIRAÇÃO NORMAL ................................................................................................. 19
MOTORES SOBREALIMENTADOS .......................................................................................................................................... 20
QUANTO À FORMAÇÃO DA MISTURA AR-COMBUSTÍVEL ................................................................................................... 22
MÁQUINAS COM FORMAÇÃO EXTERIOR DA MISTURA AR-COMBUSTÍVEL LÍQUIDO ...................................................... 22
MÁQUINAS COM FORMAÇÃO EXTERIOR DA MISTURA AR-COMBUSTÍVEL GASOSO ..................................................... 22
MÁQUINAS COM FORMAÇÃO INTERIOR DA MISTURA AR-COMBUSTÍVEL LÍQUIDO ....................................................... 22
QUANTO AO PROCESSO DE INFLAMAÇÃO DO COMBUSTÍVEL ......................................................................................... 23
QUANTO AO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO UTILIZADO ...................................................................................................... 24
QUANTO À RELAÇÃO VOLUMÉTRICA OU RELAÇÃO DE COMPRESSÃO .......................................................................... 24
QUANTO AO CICLO DE FUNCIONAMENTO............................................................................................................................ 24
CICLO A QUATRO TEMPOS ..................................................................................................................................................... 24
CICLO A DOIS TEMPOS............................................................................................................................................................ 26
INJECÇÃO .................................................................................................................................................................................. 28
DISTRIBUIÇÃO .......................................................................................................................................................................... 30
INVERSÃO DE MARCHA ........................................................................................................................................................... 30
REGULAÇÃO DE VELOCIDADE ............................................................................................................................................... 31
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4
1
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
MÁQUINAS ALTERNATIVAS DE COMBUSTÃO INTERNA – CONCEITOS GERAIS
Tanto as turbinas de gás como os motores diesel são máquinas de combustão interna de utilização comum
nos navios. Embora, em princípio, fosse possível utilizar motores de explosão, tanto na propulsão como
para serviços auxiliares dos navios mercantes e de pesca, por razões económicas e de segurança, estes
motores não são utilizados nos navios mercantes1, enquanto que as turbinas a gás devido a razões de
natureza económica, apenas são utilizadas nos navios mercantes em alguns casos específicos,
designadamente, quando são requeridas potências elevadas ou quando existem limitações de espaço e
peso.
Dado que são os motores diesel, que hoje em dia desempenham um papel preponderante na propulsão,
será sobre eles que, fundamentalmente, irá incidir o nosso estudo.
Uma vez que os motores diesel, pertencem ao grupo das chamadas Máquinas Alternativas de Combustão
Interna, julgamos de todo o interesse, para evitar possíveis confusões, iniciar este breve estudo pela sua
correcta identificação, acentuando para o efeito, as semelhanças e as diferenças que os caracterizam quer
em relação aos motores semi-diesel, quer aos motores de explosão seus parceiros de grupo.
2
COMPONENTES DAS MÁQUINAS ALTERNATIVAS DE COMBUSTÃO INTERNA
Vamos seguidamente efectuar a identificação dos principais componentes das máquinas alternativas de
combustão interna, recorrendo para o efeito a figuras que representam de forma muito esquemática, os dois
tipos destas máquinas hoje em dia mais utilizados, respectivamente os motores de explosão e os motores
diesel.
As figuras 1 e 2 correspondem a vistas em corte de um motor de explosão a quatro tempos de tipo clássico,
tal como os utilizados pelos veículos automóveis. Note-se que, a grande maioria dos motores que equipam
os modernos automóveis, apesar de manterem, no essencial, a mesma configuração do motor representado
na figura diferem, contudo, no que respeita aos sistemas de alimentação e de inflamação do combustível.
Hoje em dia a grande maioria dos motores de explosão utiliza sistemas de injecção de combustível em
alternativa aos sistemas de carburador, enquanto nos sistemas de inflamação o processo clássico de
distribuidor e bobina foram substituídos por sistemas de ignição electrónica. Mais à frente estes dois
sistemas serão tratados com maior detalhe.
No motor representado nas figuras 1 e 2, o arrefecimento do motor é garantido por um sistema em que a
água circula internamente o motor através de passagens no bloco do motor (câmaras de circulação). Os
componentes essenciais do circuito são: Bomba de água; válvula termostática; arrefecedor de água ou
radiador (não representado na figura). Neste caso, o sistema de arrefecimento inclui um ventilador
accionado a partir do veio de manivelas, que força o ar através do radiador. Normalmente, nos modernos
motores, os ventiladores são accionados por motor eléctrico que é também comandado por um termostato,2
o que permite manter constante a temperatura da água de circulação, independentemente do regime de
funcionamento do motor.
A válvula termostática actua em função da temperatura da água de circulação fazendo com que a água
circule ou pelo radiador ou por um encanamento de ‘by-pass’.
1
A utilização dos motores de explosão a bordo dos navios é restringida por questões de segurança. A Convenção para a Salvaguarda
da Vida Humana no Mar – SOLAS (Safety of Life at Sea) impede a utilização de combustíveis com pontos de inflamação (flash point)
inferiores a 65ºC.
2
O termostato é um órgão para controlo automático da temperatura.
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balanceiro
mola da válvula
válvula
colector evacuação
carburador
impulsor
distribuidor
êmbolo
tirante
taco do impulsor
veio de ressaltos
veio de manivelas
filtro de óleo de lubrificação
aspiração do óleo de lubrificação
FIG. 1 – VISTA TRANSVERSAL EM CORTE DE UM MOTOR DE EXPLOSÃO DE QUATRO TEMPOS
válvula de
admissão
válvula termostática
válvula de
evacuação
bomba de água de circulação
ventilador
volante
correia de accionamento do
ventilador e da bomba de água
corrente de distribuição
veio de ressaltos
chumaceiras de apoio
do veio de manivelas
chumaceiras
das manivelas
FIG. 2 – VISTA LONGITUDINAL EM CORTE DE UM MOTOR DE EXPLOSÃO DE QUATRO TEMPOS
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MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
ACTUADOR HIDRÁULICO
SOBREALIMENTADOR
VÁLVULA DE EVACUAÇÃO
CAMISA
COLECTOR DE
EVACUAÇÃO
ÊMBOLO
ARREFECEDOR DE
AR DE LAVAGEM
JANELAS DE ADMISSÃO
HASTE DO ÊMBOLO
CRUZETA
BUCIM DA HASTE
SISTEMA ARTICULADO
DE LUBRIFICAÇÃO DA
CRUZETA
VEIO DE RESSALTOS
PÉ DO TIRANTE
TIRANTE
CABEÇA DO TIRANTE
TIRANTE
CÂMARA DE MANIVELAS
FIG. 3 – VISTA TRANSVERSAL EM CORTE DE UM MOTOR DIESEL A 2 TEMPOS DE GRANDE POTÊNCIA.
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MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
O motor representado na figura 3 é um motor diesel a dois tempos de potência elevada e de baixa rotação,
utilizado, quer na propulsão de navios, quer para fins estacionários, como sejam os grupos de produção de
energia eléctrica das centrais termoeléctricas. Tal como mostra a figura, os êmbolos, ao contrário do que
sucede no motor das figuras 1 e 2, não se encontram ligados directamente aos tirantes mas sim a hastes
que por sua vez se encontram ligadas aos respectivos tirantes através de órgãos designados por cruzetas.
Trata-se de um motor sobrealimentado onde o ar de admissão, que é comprimido pelo sobrealimentador,
após passar por um arrefecedor de ar (arrefecedor de ar de lavagem) entra num colector que o distribui
pelos cilindros, efectuando-se a admissão nos cilindros através de janelas.
Os gases de evacuação (escape) saem do motor através de válvulas montadas na cabeça de cada cilindro.
No caso do motor representado, a actuação das válvulas de evacuação é efectuada através de um sistema
hidráulico que, por sua vez, é comandado pelo veio de ressaltos instalado lateralmente ao motor. Este
sistema hidráulico substitui, com vantagem, os tradicionais sistemas mecânicos que utilizam balanceiros.
Apesar dos princípios de funcionamento se manterem inalteráveis, os construtores têm desenvolvido
sistemas, mais ou menos sofisticados, no sentido de melhorar a eficiência dos motores. Hoje em dia é
possível encontrar motores em que a cadeia de distribuição constituída por engrenagens, correntes e veio
de ressaltos foi substituída por dispositivos electro-hidráulicos controlados por microprocessadores.
Não cabendo, no âmbito destes apontamentos, uma análise exaustiva do funcionamento das máquinas de
combustão interna procurar-se-á, contudo, efectuar uma abordagem simplificada do funcionamento dos
motores diesel e dos sistemas e componentes que estes motores dispõem.
2.1
BASE (BEDPLATE)
A base do motor é o elemento da estrutura que suporta todos os restantes componentes e, como tal, deverá
possuir resistência suficiente para suportar as cargas elevadas a que se encontra sujeito, sejam elas de
natureza estática ou dinâmica (provenientes dos órgãos móveis). A base possui umas sapatas que
permitem a fixação do motor às carlingas (fixe) que são elementos estruturais do casco do navio.
2.2
ESTRUTURA (ENGINE FRAME)
A estrutura do motor é apertada à base através de esteios (parafusos longos) que também garantem o
aperto do bloco do motor à estrutura.
2.3
CAMISAS (LINERS)
As camisas destinam-se a guiar os êmbolos do motor. No caso dos pequenos motores, as camisas são
maquinadas directamente no bloco. Neste caso, quando o seu desgaste atinge um valor tal que os aros dos
êmbolos já não conseguem garantir a vedação dos gases, as camisas são rectificadas e instalam-se novos
êmbolos de maior diâmetro (oversized pistons). No caso dos motores de maiores dimensões, como não
seria praticável este procedimento, as camisas são independentes do bloco (postiças), permitindo a sua
substituição quando o seu desgaste atinge o valor máximo admissível. Nestes motores, existem espaços
livres entre a face exterior das camisas e o interior do bloco, por onde circula um fluído de arrefecimento.
Estes espaços designam-se por câmaras de circulação.
2.4
VEIO DE MANIVELAS (CRANKSHAFT)
O veio de manivelas, em conjunto com os tirantes, forma um mecanismo que converte o deslocamento
linear dos êmbolos em movimento de rotação do veio de manivelas. O veio de manivelas é constituído,
essencialmente, por moentes ou munhões de apoio (A), braços de manivela (B) e moentes ou munhões de
manivela (C). Os moentes de apoio assentam nas
A
D
A
C
chumaceiras de apoio do veio. Os braços de manivela
ligam os moentes de apoio aos moentes de manivela,
sendo nestes últimos onde vão trabalhar as cabeças
dos tirantes.
E
B
FIG. 4 – VEIO DE MANIVELAS
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No braço de manivela existem contrapesos (D) que têm
como objectivo assegurar o equilíbrio dinâmico do veio.
Uma das extremidades do veio de manivelas possui
uma flange (E) que estabelece a ligação ao volante do
motor.
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MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
2.5
ÊMBOLOS (PISTONS)
São constituídos por coroa e saia que correspondem, respectivamente, às partes superior e inferior. O
êmbolo possui rasgos na sua periferia onde se alojam os aros (caixas dos aros). O conjunto de aros é
designado por feixe elástico, tendo em conta que cada um dos aros deve possuir uma elevada elasticidade
de forma a manter-se permanentemente ajustado à camisa.
Os aros instalados na parte superior do êmbolo designam-se
por aros de compressão, cuja missão consiste em assegurar
a vedação entre o êmbolo e a camisa, impedindo a
passagem dos gases da combustão para a parte inferior do
motor (câmara de manivelas) permitindo, desta forma, o
aproveitamento quase total da sua força expansiva. O
primeiro aro de compressão, contado a partir do topo do
êmbolo toma o nome de aro de choque, pelo facto de ser
aquele que suporta pressões e temperaturas mais elevadas.
COROA
AROS ( FEIXE ELÁSTICO )
CAVIRÃO
SAIA
Para além dos aros de compressão, os êmbolos são dotados
de aros de lubrificação que têm por missão distribuir o óleo
de lubrificação por toda a face interna da camisa e ‘raspar’ o
excesso de lubrificante quando o êmbolo realiza o seu
passeio descendente.
Na figura 5, que mostra o conjunto êmbolo e tirante de um
motor de pequenas dimensões, verifica-se que o feixe
elástico do êmbolo é constituído por dois aros de
compressão e um aro de lubrificação.
FIG. 5 – ÊMBOLO E TIRANTE
Na figura 6, aparece representado em pormenor uma caixa com o respectivo aro e as dimensões e folgas
mais relevantes.
As dimensões dos aros são mostradas na figura 7. Quando o aro se encontra instalado na camisa, têm que
existir uma folga adequada entre ambos os topos para que, quando o motor aquece, a expansão térmica do
aro não dê origem ao encosto entre os dois topos o que daria lugar ao aumento significativo do atrito entre o
aro e a camisa e, eventualmente, à fractura do êmbolo. Esta folga, contudo, não pode ser exagerada, pois a
sua função de vedação dos gases, deixaria de se verificar.
CAIXAS DOS AROS
DE COMPRESSÃO
A
B
FACE DE CONTACTO
E
C
LARGURA DO ARO
F
D
DIÂMETRO
EXTERIOR
DO ARO
D
CAIXAS DOS AROS
DE LUBRIFICAÇÃO
A - PROFUNDIDADE DA CAIXA
B - FOLGA DO ÊMBOLO
C - LARGURA DO ARO
D - PAREDE DO CILINDRO
E - ARO
F - ÊMBOLO
FIG. 6 – FEIXE ELÁSTICO
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ESPESSURA DO ARO
FIG. 7 – ARO
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2.6
TIRANTE, HASTE E CRUZETA (CONNECTING ROD, PISTON ROD AND CROSSHEAD)
O tirante é o órgão que assegura a transmissão do movimento do êmbolo ao veio de manivelas. A figura 8
mostra um tirante de um motor de pequenas dimensões. Neste caso, o pé do tirante liga directamente ao
êmbolo através de um cavilhão enquanto a cabeça
do tirante abraça o moente da manivela (motores de
PÉ DO TIRANTE
tronco). De forma a reduzir o atrito e evitar o
desgaste tanto do tirante como do moente da
CAVILHÃO DO ÊMBOLO
manivela, o tirante dispõe de bronzes que podem ser
substituídos. Os bronzes são constituídos por duas
capas fabricadas em liga de metais não ferrosos
(metal anti-fricção) que, no caso de haver uma falha
de lubrificação, evita que se verifique uma gripagem
imediata.
PARAFUSO DE APERTO
CABEÇA DO TIRANTE
BRONZE OU CAPAS
Noutro tipo de motores, geralmente de grandes
dimensões, como é o caso dos motores marítimos, o
pé do tirante encontra-se ligado a uma haste (haste
do êmbolo) através de um elemento designado por
cruzeta (Fig. 9). Neste tipo de motores, como a haste
trabalha sempre na vertical, o cilindro encontra-se
isolado da parte inferior do motor (câmara de
manivelas). A vedação é garantida por um bucim
(não representado na figura), onde a haste do
êmbolo trabalha.
FIG. 8 – TIRANTE
HASTE DO ÊMBOLO
POLAINA
CRUZETA
GUIA DA CRUZETA
TIRANTE
VEIO DE MANIVELAS
CÂMARA DE MANIVELAS
FIG. 9 – TIRANTE, CRUZETA E HASTE DO ÊMBOLO
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MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
2.7
VÁLVULAS (VALVES)
A figura 10 mostra os elementos fundamentais constituintes de um cilindro de um motor de explosão,
distinguindo-se as válvulas de admissão e
VELA
evacuação instaladas na cabeça do cilindro. A
válvula de admissão permite a entrada da mistura
ar-combustível e a válvula de evacuação (ou de
escape) destina-se a dar passagem para o exterior
VÁLVULA DE
VÁLVULA DE
dos gases resultantes da combustão após se ter
EVACUAÇÃO
ADMISSÃO
realizado a conversão da energia química do
combustível em energia mecânica.
ÊMBOLO
2.8
CAMISA
TIRANTE
BRAÇO DE
MANIVELA
VEIO DE
MANIVELAS
CONTRAPESO
VEIO DE RESSALTOS E DISTRIBUIÇÃO
(CAMSHAFT AND DISTRIBUTION)
A abertura e o fecho das válvulas são efectuados
pelos veios de ressaltos que por sua vez são
accionados a partir do veio de manivelas através de
um mecanismo de distribuição ilustrado na figura
11. A transmissão do movimento entre o veio de
manivelas e os veios de ressaltos é assegurada por
carretos, por correias dentadas ou por correntes,
sendo este o caso representado na figura. O
accionamento de ambas as válvulas (admissão e
evacuação) pode ser efectuado por um único veio
de ressaltos ou, tal como mostra a figura, por dois
veios distintos (um para as válvulas de admissão e
outro para as válvulas de evacuação).
FIG. 10 – ELEMENTOS DE UM MOTOR DE EXPLOSÃO
RESSALTO
Quando o accionamento é efectuado por correias ou por
correntes, estas são mantidas esticadas através de tensores
que compensam as folgas provenientes do desgaste a que os
órgãos ficam sujeitos.
VEIOS DE
RESSALTOS
Os veios de ressaltos (camshaft’s) podem ser instalados
junto à cabeça do motor tal como no exemplo ilustrado na
figura ou situarem-se lateralmente, tal como
TENSOR
exemplificado nas figuras 1 e 2. Quando os veios de
ressaltos trabalham na cabeça do motor, os ressaltos
actuam directamente sobre as válvulas, podendo
CORRENTE DE
dispensar o uso de impulsores e balanceiros.
DISTRIBUIÇÃO
O fecho das válvulas é garantido por molas de aço
cuja tensão terá que garantir a melhor vedação
possível.
Quando o ressalto não se encontra em posição de actuação
sobre a válvula, tem que existir uma folga adequada entre
esta e o ressalto, de forma a garantir que, mesmo que se
verifiquem dilatações nos materiais, as válvulas fechem
completamente (Fig. 12).
TENSOR
FIG. 11 – DISTRIBUIÇÃO
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11
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HASTE
FOLGA DA
VÁLVULA
GUIA
FIG. 12 – FUNCIONAMENTO DA VÁLVULA
A figura 13 representa uma válvula de evacuação de
um motor diesel. A válvula é constituída pelo
obturador e pela haste que trabalha numa guia
apertada ao bloco do motor por parafusos.
De forma a poder resistir às elevadas pressões e
temperaturas, a face de assentamento da válvula é
sujeita a um tratamento térmico ou termoquímico que
lhe garante uma elevada dureza e resistência.
OBTURADOR
Em alguns casos, as faces de assentamento são
revestidas por ligas micropulverizadas de elevada
qualidade, sendo depois sujeitas a tratamento térmico
ou termoquímico visando aumentar a sua resistência
mecânica.
FACE DE
ASSENTAMENTO
FIG. 13 – VÁLVULA DE EVACUAÇÃO DE UM
MOTOR DIESEL
2.9
CABEÇA DO MOTOR (ENGINE HEAD)
A cabeça do motor assenta no bloco, sendo a vedação entre estes dois elementos assegurada por uma
ESBARRO
DA MOLA
VEIO DE BALANCEIROS
PARAFUSO DE
AJUSTE DA FOLGA
DA VÁLVULA
CONTRAPORCA
APOIO DO VEIO
DE BALANCEIROS
IMPULSOR
SAÍDAS DE
EVACUAÇÃO
MOLA DA
VÁLVULA
BALANCEIRO
FIG. 14 – CABEÇA DO MOTOR
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12
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
junta (junta da cabeça). No caso mostrado na figura 14, as válvulas são actuadas por balanceiros que
oscilam em torno de um veio (veio de balanceiros). Os balanceiros são accionados pelos impulsores que,
por sua vez, são actuados pelo veio de ressaltos instalado lateralmente ao motor tal como acontece nas
figuras 1 e 2. A regulação das folgas das válvulas é efectuada através de parafusos montados num dos
braços dos balanceiros. Para evitar desajustamentos das folgas, os parafusos são travados por
contraporcas, tal como se mostra na imagem de pormenor.
3
PARÂMETROS E DEFINIÇÕES MAIS RELEVANTES DAS MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA
DIÂMETRO (D) - Refere-se ao diâmetro interior do cilindro.
PONTOS MORTOS (PM) - São as posições extremas que o êmbolo pode ocupar durante o seu movimento
no interior do cilindro. É nessas posições que inverte o sentido do seu movimento rectilíneo e consequentemente a sua velocidade se anula.
PONTO MORTO SUPERIOR (PMS) - É a posição que o êmbolo, durante o seu movimento, pode ocupar
mais próxima da cabeça do cilindro.
PONTO MORTO INFERIOR (PMI) - É a posição que o êmbolo, durante o seu movimento, pode ocupar
mais afastada da cabeça do cilindro.
PMS
Vc
D
curso (L)
PMS
r
FIG. 15 – DEFINIÇÕES CARACTERÍSTICAS
CURSO OU PASSEIO (L) - É a distância percorrida pelo êmbolo quando se desloca de um ponto para o
outro. Dado que cada deslocamento do êmbolo de um ponto morto para o outro implica meia rotação do
veio de manivelas, é evidente que o curso é igual ao dobro do raio da manivela, ou seja:
L = 2 r em que r representa o raio da manivela.
CÂMARA DE COMPRESSÃO OU CÂMARA DE COMBUSTÃO (Vc) - É o volume compreendido entre a
cabeça do cilindro e a cabeça do êmbolo, quando este se encontra no PMS. A distância entre o topo
superior do êmbolo e a superfície interna da cabeça é designada por ‘liberdade do êmbolo’.
VOLUME DESLOCADO PELO ÊMBOLO - É o volume deslocado, varrido ou gerado pelo êmbolo quando
se desloca do PMS para o PMI. Este parâmetro pode ainda ter as seguintes designações: volume varrido
pelo êmbolo; volume gerado pelo êmbolo; cilindrada unitária; embolada. O seu valor é obtido através da
seguinte expressão:
Vd =
π D2
4
×L
CILINDRADA TOTAL (Vt) - É o volume correspondente ao produto do número de cilindros do motor pela cilindrada unitária, ou seja: Vt = Vd 3 i em que i é o número de cilindros
VOLUME TOTAL DO CILINDRO (Va) - É o volume do cilindro correspondente à soma do volume da
câmara de combustão com o volume deslocado pelo êmbolo
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13
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
Va = Vc + Vd
RELAÇÃO DE COMPRESSÃO OU RELAÇÃO VOLUMÉTRICA – É a relação entre o volume total do
cilindro e o volume de câmara de combustão, ou seja:
ε=
Va Vc + Vd
Vd
=
= 1+
Vc
Vc
Vc
Quanto maior for a relação de compressão ou volumétrica de um motor, maior será o seu rendimento.
TEMPO DE FUNCIONAMENTO – É o conjunto de operações efectuadas durante um curso ou passeio do
êmbolo.
FLUIDO OPERANTE; FLUÍDO MOTOR OU FLUÍDO DE TRABALHO – É assim designada a mistura
ar/combustível que evoluciona no interior dos cilindros do motor.
CICLO DE FUNCIONAMENTO – Define-se como sendo a série de transformações químicas e físicas a que
o fluído motor é submetido quando da sua passagem através do motor, as quais se repetem segundo uma
lei periódica.
DIAGRAMAS – São representações gráficas apropriadas que nos permitem exprimir através de uma curva,
as variações de uma grandeza em função de uma outra.
Deste modo, é possível representar as variações de pressão de um fluído gasoso contido num cilindro, em
função do seu volume, tendo em consideração que quando comprimido através de um êmbolo ao mesmo
tempo que a pressão e a temperatura aumentam, diminui o volume.
Pelo contrário, quando descomprimido isto é, quando o mesmo fluído se expande, à medida que o seu
volume aumenta, diminui a pressão e a temperatura.
Medindo em cada instante a pressão e o volume ocupado, para uma dada temperatura constante,
verifica-se o seguinte:
1º
Para o mesmo volume o fluído tem sempre a mesma pressão,
2º
A uma variação de volume corresponde sempre uma variação de pressão
Traçando dois eixos perpendiculares Ox e Oy
(abcissas e ordenadas), a partir do ponto O, marcamse comprimentos que, no eixo das abcissas,
correspondem, em escala determinada, aos volumes
ocupados pelo fluído e, no das ordenadas,
comprimentos que representem as diferentes
pressões.
Fazendo passar linhas perpendiculares aos eixos
pelos pontos que em dado momento correspondem
aos volumes e pressões do fluído, vamos obter, pelo
seu cruzamento, um ponto que representa o estado do
fluído nesse momento.
Procedendo de igual modo para os restantes pontos,
correspondentes aos vários estados do fluído,
obteremos outros pontos de cruzamento que, ligados,
darão a curva que representa a variação de pressão e
de volume a que o fluído foi submetido.
Y=P
25
3
2
15
1
10
10
14
19
t = const
X=V
FIG. 16 - EVOLUÇÃO DE UM FLUÍDO NO INTERIOR DO CILINDRO
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14
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
4
CLASSIFICAÇÃO DAS MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA
4.1
QUANTO AO MODO COMO SE EFECTUA A COMBUSTÃO
Em 1892, Rudolf Diesel desenvolveu a ideia e obteve a patente alemã de um motor de eficiência superior aos
motores de gasolina (explosão) que foram inventados em 1876. As principais diferenças entre estes dois tipos de
motores podem ser sintetizadas no seguinte:
•
No motor de explosão a mistura ar combustível é admitida no motor que a comprime e inflama com a
ajuda de um arco eléctrico. No motor diesel apenas o ar é comprimido no cilindro e apenas quando o
êmbolo se encontra perto do PMS (ponto morto superior) o combustível é injectado no seio do ar
comprimido. A temperatura a que o ar se encontra é responsável pela ignição expontânea da mistura.
•
A relação de compressão de um motor de explosão é de 8:1 a 12:1, enquanto num motor diesel a relação
vai de 14:1 até valores superiores a 25:1. Em termos gerais podemos dizer que quanto maior é a relação
de compressão do motor diesel maior é a sua eficiência.
•
A entrada da mistura ar/combustível no motor de explosão é efectuada através de um dispositivo
designado por carburador, no qual é efectuada a mistura (antes de entrar no cilindro) ou, através de um
sistema que injecta o combustível na admissão do motor. O motor diesel recorre a um processo de
injecção directa (o combustível é injectado a alta pressão directamente no cilindro).
4.1.1
MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA A VOLUME CONSTANTE
Mais conhecidas por motores de explosão (Ciclo Otto). São assim designadas por o seu ciclo de
funcionamento se basear num ciclo teórico segundo o qual a combustão se realiza instantaneamente, isto é,
verifica-se um brusco aumento de pressão da massa gasosa contida no interior do cilindro sem variação de
volume. Este ciclo teórico foi inventado em 1862 por Beau de Rochas e experimentado pela primeira vez por
Nikolaus Otto em 1878.
Diagrama teórico
A figura 17 mostra o diagrama teórico de um motor de explosão. Este diagrama é uma linha curva fechada
que representa graficamente as transformações supostamente verificadas ao longo de um ciclo teórico de
funcionamento de um motor.
P
3
Q1
2
4
P atm
Q2
1
5
6
V
FIG. 17 - REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO CICLO TEÓRICO A VOLUME CONSTANTE EM COORDENADAS PV
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15
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
Diagrama real ou indicado
Nos cilindros dos motores reais temos um fluído operante que muda a cada instante de pressão, volume e
temperatura.
Representando graficamente essas transformações, obteremos uma curva fechada que é designada por
diagrama real do motor que representa o ciclo real de funcionamento do motor, ou seja, as diversas
alterações de pressão e de volume a que fluído operante é efectivamente submetido durante esse ciclo.
Ele dá-nos a conhecer o funcionamento interno do motor, revelando os seus defeitos, a fim de poderem ser
corrigidos, bem como, permite a determinação da potência que o motor desenvolvia na altura em que foi
obtido.
Os diagramas reais de funcionamento dos motores diesel lentos, são obtidos através de aparelhos
indicadores, sincronizados com o funcionamento do motor, os quais permitem registar as condições reais de
funcionamento dos motores sob a forma de diagramas.
4.1.2
MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA A PRESSÃO CONSTANTE
Mais conhecidos por Motores Diesel, o seu ciclo de funcionamento baseia-se num ciclo teórico, segundo o
qual, a combustão se efectua gradualmente, mantendo-se constante a pressão, pelo que, por vezes,
também são designadas por ‘Máquinas de Combustão Gradual ou de Combustão Lenta’.
O diagrama representa o ciclo termodinâmico e não um ciclo mecânico, que nos permite a sua análise e a
determinação do resultado de certos efeitos sem ter que entrar nos detalhes e na complexidade inerente a
um motor real. O desenvolvimento do ciclo termodinâmico pressupõe determinadas simplificações.
Q1
P
2
3
1–2
2–3
3–4
4–1
Compressão adiabática (q=0)
Adição de calor a pressão constante (isobárica)
Expansão adiabática
Rejeição de calor a volume constante (isocórica)
4
P atm
Q2
1
6
5
V
FIG. 18 - REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO CICLO TEÓRICO A
PRESSÃO CONSTANTE EM COORDENADAS PV
A primeira é que o fluído de trabalho é o ar e que possui massa constante. Isto significa que o ar nunca
abandona o cilindro, nele permanecendo durante todo o ciclo. Outra simplificação consiste em considerar
que, em lugar de existir a combustão de um combustível, verifica-se um processo de adição de calor e que
em vez de haver um processo de evacuação, o calor é rejeitado do cilindro.
A área a tracejado, limitada pelas linhas correspondentes às transformações corresponde ao trabalho útil
produzido. Para cada rotação do veio de manivelas, dá-se um ciclo completo. Dado que a área a tracejado
representa o trabalho útil a sua determinação é importante para o conhecimento do comportamento do ciclo.
A figura 20 mostra uma área rectangular equivalente à área do diagrama. Esta área rectangular possui um
comprimento igual ao curso do êmbolo (V1 – V2) e uma altura igual à pressão média efectiva. O trabalho é
igual em ambas as formas representadas. A pressão média efectiva é definida por:
mep =
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W
Curso do êmbolo
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16
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
Se conhecermos a pressão média efectiva e o curso do êmbolo podemos calcular o trabalho. Por outro lado,
se conhecermos o número de rotações por unidade de tempo, a potência pode ser determinada.
2
3
P
W
4
1
mep
W
VPD
V
PMS
PMI
FIG. 20 – PRESSÃO MÉDIA EFECTIVA
Tendo em conta as simplificações assumidas anteriormente, o diagrama P-V de um motor não corresponde
exactamente ao diagrama anteriormente analisado, devido fundamentalmente à ‘adição’ de calor (injecção)
antes e após o PMS. A adição de calor ocorre tanto a volume constante como a pressão constante, tal como
se pode verificar no diagrama da figura 21.
Q''1
P
3
4
Q'1
2
5
P atm
Q2
1
6
7
V
FIG. 21 - REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO CICLO TEÓRICO MISTO EM COORDENADAS PV
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17
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
4.1.3
MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA A CICLOS MISTOS
Pressão, P
São também conhecidas por motores Semi-Diesel ou de Cabeça Quente. Estas máquinas devem a sua
designação ao facto do seu ciclo de funcionamento se basear num ciclo teórico que é um misto dos dois
ciclos já referidos, ciclo este do qual sempre se aproxima o funcionamento dos Motores diesel de injecção
mecânica actuais. Este ciclo teórico foi inventado por ‘Sabathé’.
combustão a pressão constante
D
E
combustão a
volume constante
ciclo misto teórico
C
AI
ciclo misto real
área útil
ciclo misto real
F
P. atmosf.
0
B
A
V
PMS
V
Volume, V
PMI
FIG. 22 - COMPARAÇÃO ENTRE OS CICLOS MISTO TEÓRICO E REAL
4.2
QUANTO AO COMBUSTÍVEL UTILIZADO
As máquinas de combustão interna podem utilizar combustíveis muito diversos. De acordo com o tipo de
combustível as máquinas podem ser classificadas da seguinte forma:
•
Motores a gasolina e a petróleo;
•
Motores a gás;
•
Motores a óleos pesados;
•
Motores ‘dual-fuel’;
•
Motores ‘bi.fuel’
•
Motores ‘multi-fuel’.
Em qualquer dos casos, os combustíveis utilizados nos motores são, em regra, compostos derivados do
petróleo bruto, resultantes de processos de refinação e tratamentos diversos.
Alguns motores modernos possuem um sistema de combustível que permite a utilização combinada de
gasóleo e gás natural. Com esta tecnologia designada por “dual fuel” os fabricantes conseguem baixas
taxas de emissões de gases poluentes, maior flexibilidade e diminuição dos custos de operação.
O conceito Dual-Fuel é simples. Em lugar de utilizar velas como fontes de ignição, o motor utiliza uma
injecção piloto a diesel e ignição por compressão. O sistema de injecção sequencial multi-ponto de gás
natural, controlado electronicamente funciona de forma integrada com o sistema de injecção electrónica de
diesel.
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18
4.3
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
QUANTO AO NÚMERO DE FACES ACTIVAS DO ÊMBOLO
Classificam-se em:
•
Motores de simples efeito – quando apenas uma face do êmbolo, normalmente a superior, é utilizada
para produzir trabalho.
•
Motores de duplo efeito – quando são utilizadas as faces superior e inferior do êmbolo para produzir
trabalho.
Os motores de simples efeito utilizam-se tanto para pequenas como médias e grandes potências, variando a
sua velocidade de funcionamento de acordo com a potência a desenvolver e as limitações de utilização.
Os motores de duplo feito, muito embora se tenham utilizado nos casos em que era necessário desenvolver
grandes potências a baixa velocidade, hoje em dia já praticamente se não utilizam.
4.4
QUANTO AO NÚMERO DE ÊMBOLOS POR CILINDRO
Classificam-se em:
•
Motores de um só êmbolo;
•
Motores de dois êmbolos, vulgarmente designados por motores de êmbolos opostos.
4.5
QUANTO AO NÚMERO DE CILINDROS QUE POSSUEM
Classificam-se em:
•
Monocilíndricos,
•
Policilíndricos.
O número de cilindros que equipam os motores é função de determinados factores, tais como:
•
Dimensões dos locais onde são instalados;
•
Custo comparativo para a mesma potência;
•
Facilidade de acesso aos diferentes órgãos para efeitos de reparação, manutenção, etc;
•
Assistência em mão-de-obra especializada e sobressalentes.
4.6
QUANTO À DISPOSIÇÃO DOS CILINDROS
Existe uma grande diversidade de formas de disposição dos cilindros nos motores. As figuras seguintes
ilustram alguns dos principais tipos.
FIG. 20 – MOTOR DE 4 CILINDROS EM LINHA
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FIG. 21 – MOTOR DE CILINDROS EM ‘V’
FIG. 22 – MOTOR DE CILINDROS OPOSTOS
FIG. 23 – MOTOR DE CILINDROS EM ESTRELA
4.7
QUANTO À VELOCIDADE DE FUNCIONAMENTO
Podem classificar-se em:
Maquinas lentas ou de baixa rotação (até 200 rpm) - normalmente utilizadas na propulsão de navios
mercantes de grande porte e em centrais diesel-eléctricas.
Máquinas de média rotação (200 a 800 rpm) - normalmente utilizadas na propulsão de navios de pequeno e
médio porte e no accionamento de geradores de corrente eléctrica.
Máquinas de alta rotação (800 a 1500 rpm) - no que respeita aos navios mercantes são utilizadas quase
que exclusivamente para accionamento de geradores de corrente.
Máquinas de altíssima rotação (mais de 1500 rpm) – são utilizadas para accionamento de veículos
automóveis ligeiros e pesados.
4.8
4.8.1
QUANTO À FORMA COMO O AR É INTRODUZIDO NOS CILINDROS
MOTORES ATMOSFÉRICOS OU DE ASPIRAÇÃO NORMAL
Designam-se por motores de aspiração normal os motores em que o ar é introduzido nos cilindros apenas
devido à depressão provocada pelo deslocamento dos êmbolos no interior daqueles, caso dos motores a 4
tempos, ou à acção desenvolvida pelas bombas de ar de lavagem, caso dos motores a 2 tempos. A
designação de motores atmosféricos pode induzir em erro, uma vez que nos motores a 4 tempos, a pressão
do ar que entra nos cilindros é inferior à pressão atmosférica, pela simples razão que o os êmbolos ao
aspirarem o ar provocam uma depressão.
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MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
CONTROLO DE AR
FILTRO DE AR
VÁLVULA
BORBOLETA
INJECTOR
ADMISSÃO
VELA
EVACUAÇÃO
FIG. 24 – MOTOR DE ASPIRAÇÃO NORMAL
4.8.2
MOTORES SOBREALIMENTADOS
Nos motores sobrealimentados, o peso de ar introduzido nos cilindros por cada ciclo de funcionamento é
superior ao que seria introduzido se o motor fosse de aspiração normal.
Estes motores dispõem para o efeito, de compressores de ar (sobrealimentadores) que aspiram o ar do
exterior e em seguida comprimem-no para um colector ligado aos cilindros por forma a ser introduzido no
seu interior, na altura oportuna, a uma pressão superior à que se verificaria no caso da aspiração normal.
A figura 24 representa um motor de explosão a quatro tempos, de injecção (a injecção de combustível é
feita no colector de admissão), de aspiração normal, possuindo uma válvula de borboleta no colector de
admissão para o controlo da quantidade de ar.
A redução do caudal de ar, através da borboleta, permite o enriquecimento da mistura, facilitando o
arranque quando o motor se encontra frio.
AR DE
SOBREALIMENTAÇÃO
VÁLVULA DE ADMISSÃO
VÁLVULA DE EVACUAÇÃO
ARREFECEDOR DE AR
SOBREALIMENTADOR
ASPIRAÇÃO DE AR
SAÍDA DOS GASES
DE EVACUAÇÃO
RODA DO COMPRESSOR DE AR
RODA DA TURBINA DE GASES
GASES DE EVACUAÇÃO
FIG. 25 – MOTOR SOBREALIMENTADO
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21
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
No caso dos motores sobrealimentados, tal como o representado na figura 25, os gases de evacuação do
motor são canalizados para o sobrealimentador, actuando sobre a roda da turbina, onde a sua energia
cinética é convertida em movimento de rotação da turbina. A turbina encontra-se montada num veio a que
também se encontra ligada a roda do compressor de ar. O compressor aspira o ar do exterior e comprime-o
para a admissão do motor. De forma a aumentar a massa específica do ar de admissão, é normalmente
utilizado um arrefecedor de ar, intercalado entre a saída do compressor e o colector de admissão do motor.
4
6
2
2
4
1
3
3
1
5
5
6
FIG. 26 – SOBREALIMENTADOR
1 – Aspiração do ar, 2 – Compressão do ar para o colector de ar de lavagem, 3 – Entrada dos gases de
evacuação, 4 – Saída dos gases de evacuação, 5 – Roda do compressor de ar, 6 – Roda da turbina de gases
BHP
1200
O diagrama da figura 27, mostra as curvas de
potência (BHP)3, binário e consumo de combustível
de um motor de 12 cilindros típico, com e sem
sobrealimentação.
Binário
1100
1000
Verifica-se que a sobrealimentação aumenta a
potência, o binário e o consumo de combustível. No
caso dos motores de dois tempos, o aumento de
potência pode ser da ordem dos 35 a 50%, enquanto
nos motores a quatro tempos essa potência pode
aumentar até valores superiores a 100%
relativamente aos motores de aspiração natural.
Binário
900
Potência
800
Verifica-se ainda que os motores sobrealimentados
atingem o seu binário máximo a uma velocidade
inferior à dos motores de aspiração natural.
Consumo
de fuel
700
600
Consumo
de fuel
Potência
1200
1400
1600
sobrealimentado
não sobrealimentado
1800
2000
rpm
FIG. 27 – POTÊNCIA, BINÁRIO E CONSUMO
COM E SEM SOBREALIMENTAÇÃO
3
BHP (Break Horse Power) corresponde à potência medida no veio do motor ou potência ao freio.
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22
4.9
4.9.1
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
QUANTO À FORMAÇÃO DA MISTURA AR-COMBUSTÍVEL
MÁQUINAS COM FORMAÇÃO EXTERIOR DA MISTURA AR-COMBUSTÍVEL LÍQUIDO
As máquinas com formação exterior da mistura ar-combustível líquido, são os vulgares motores de explosão
que, em relação à forma como se efectua a mistura, podem ainda ser classificados em:
Motores de explosão de carburação – quando a mistura ar-combustível líquido é efectuada num órgão
exterior à máquina, designado por carburador.
Motores de explosão de injecção – quando a mistura ar-combustível é efectuada através da injecção
mecânica de combustível no seio do ar de admissão.
Se a mistura ar-combustível for efectuada nas condutas de admissão, o combustível é injectado
imediatamente antes das válvulas de admissão, geralmente durante a fase de aspiração, a pressões de
injecção usualmente compreendidas entre 30 e 50 bar, misturando-se assim com o ar que está a ser
admitido nos cilindros.
A duração da injecção varia com a carga do motor estando normalmente compreendida entre 40 e 80º de
rotação do veio de manivelas.
Os motores de explosão de injecção de uso normal, possuem consumos específicos inferiores em cerca de
10% aos dos motores de explosão de carburador de igual cilindrada.
Face aos desenvolvimentos verificados ao nível da electrónica, do controlo e também ao nível dos materiais
utilizados, a grande maioria dos motores de explosão modernos são motores de injecção, utilizando
pressões de injecção de combustível muito elevadas com a finalidade de, através de uma maior atomização
do combustível líquido, se conseguir uma melhor combustão e, consequentemente, um maior
aproveitamento energético do combustível.
4.9.2
MÁQUINAS COM FORMAÇÃO EXTERIOR DA MISTURA AR-COMBUSTÍVEL GASOSO
Os motores de explosão adaptados para queimar combustível gasoso, são maquinas onde a mistura arcombustível gasoso se efectua no exterior.
A mistura ar-gás é efectuada exteriormente aos cilindros em órgãos especiais designados por misturadores
cuja função é idêntica à desempenhada pelos carburadores normais.
4.9.3
MÁQUINAS COM FORMAÇÃO INTERIOR DA MISTURA AR-COMBUSTÍVEL LÍQUIDO
Tanto no caso dos motores diesel, como no dos motores de explosão de injecção directa de combustível
nos cilindros, a mistura ar-combustível é efectuada no interior dos próprios cilindros do motor.
FILTRO DE AR
TUBO DE RETORNO
INJECTOR
ADMISSÃO
ALTA PRESSÃO
DE COMBUSTÍVEL
EVACUAÇÃO
FILTRO DE
COMBUSTÍVEL
BOMBA DE INJECÇÃO
BOMBA DE
ALIMENTAÇÃO
TANQUE DE
COMBUSTÍVEL
FIG. 28 – SISTEMA DE INJECÇÃO DE UM MOTOR DE 4 TEMPOS
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23
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
Os sistemas de injecção podem ser de diversos tipos. O sistema mais vulgarizado, representado na figura
28, possui uma bomba de injecção por cada cilindro. As bombas que podem ser constituídas por corpos
individuais separados ou encontrarem-se instaladas num único bloco. Cada uma das bombas recebe
movimento a partir do veio de ressaltos do motor, comprimindo o combustível a alta pressão para os
injectores instalados em cada cilindro.
Um outro tipo de sistema de injecção hoje em dia
muito utilizado nos motores diesel é designado por
‘Common Rail’ que, de uma forma muito liberal
podemos traduzir por ‘Rampa Comum’. Este
sistema possui uma bomba de alta pressão que
mantém uma pressão sensivelmente constante
num colector (rampa) onde se encontram ligados
os encanamentos de combustível para cada
injector (válvula de injecção). Nos motores antigos,
equipados com este tipo de sistema de injecção, a
abertura das válvulas de injecção era efectuado
através de accionamentos mecânicos tal como
mostra a figura 29.
Nos motores recentes a injecção é controlada
através de válvulas electromagnéticas comandas
electronicamente, usualmente por microprocessadores.
COMANDO DO
INJECTOR
PARA INJECTORES
INJECTOR
RAMPA COMUM
(COMMON RAIL)
BOMBA DE
ALTA PRESSÃO
ACUMULADOR
VEIO DE RESSALTOS
FIG. 29 – SISTEMA ‘COMMON RAIL’
A injecção de combustível directamente nos cilindros dos motores de explosão, pode ser feita durante a
fase de admissão sendo todavia recomendável, que se faça durante a fase de compressão dada a maior
facilidade em obter a evaporação do combustível e a necessidade que há em evitar o desperdício de
combustível durante as fases de lavagem e de cruzamento de válvulas.
4.10 QUANTO AO PROCESSO DE INFLAMAÇÃO DO COMBUSTÍVEL
Quanto à forma como se processa a inflamação do combustível, as máquinas de combustão interna podem
classificar-se em:
De inflamação por compressão de ar – quando a temperatura no seio do ar, no final da sua
compressão no interior dos cilindros, for superior à temperatura de ignição do combustível, caso dos
motores diesel normais.
De inflamação através de bolbo aquecido - quando a inflamação do combustível é conseguida por
pulverização de um jacto de combustível atomizado na superfície de um bolbo aquecido (motores de
cabeça quente ou semi-diesel).
De inflamação por arco eléctrico – quando a inflamação é obtida por meio de uma faísca eléctrica
produzida entre os eléctrodos de uma vela de inflamação, (motores de explosão).
Os motores de inflamação por arco eléctrico, isto é, os motores de explosão, podem dispor de dois sistemas
distintos de inflamação a saber:
Sistema de inflamação por magneto – normalmente utilizado em motores monocilíndricos (motociclos,
moto serras, etc.).
Sistema de inflamação por bobina e distribuidor – normalmente utilizado nos motores de explosão
policilíndricos (veículos automóveis, etc.).
Modernamente os sistemas de ignição electrónica substituíram, na generalidade dos casos, os sistemas
electromecânicos baseados no distribuidor e bobina tradicionais. Tal como acontece com os sistemas de
injecção, os sistemas de ignição electrónica, para além de permitirem obter maior rendimento dos motores,
são mais fiáveis e de manutenção reduzida. A implementação da microelectrónica no controlo e comando
dos motores diesel e de explosão, veio permitir uma mais completa monitorização dos motores, permitindo,
a cada instante, adequar os diversos parâmetros às condições de carga, optimizando o funcionamento
desses motores. A eficácia deste controlo implica que, tanto os sistemas electrónicos de controlo como os
inúmeros sensores que os motores dispõem sejam fiáveis, rápidos e de elevada precisão.
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MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
4.11 QUANTO AO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO UTILIZADO
Podem classificar-se em:
Motores refrigerados por ar – São, normalmente, motores que desenvolvem pequenas potências
excepto nos casos da aviação em que podem atingir potências elevadas. Têm uma grande aplicação
na aeronáutica sendo igualmente utilizados para equipar veículos automóveis mas, a uma escala
reduzida, dado que a grande preponderância vai para os motores arrefecidos por água e por líquidos
especiais.
Motores refrigerados por água – Salvo casos especiais, a partir de determinadas potências, todos os
motores são refrigerados por água.
De um modo geral, os motores diesel marítimos, utilizam água doce tratada como fluído de refrigeração.
De forma a evitar o eventual congelamento do fluído de arrefecimento e impedir ou minimizar os efeitos
corrosivos sobre os circuitos e sobre o próprio motor, em alternativa à utilização de água doce normal,
utilizam-se fluídos especiais ou água destilada a que são adicionados aditivos especialmente desenvolvidos
com essas finalidades.
4.12 QUANTO À RELAÇÃO VOLUMÉTRICA OU RELAÇÃO DE COMPRESSÃO
Podem classificar-se em:
Motores de baixa compressão – são os vulgares motores de explosão em que a relação de compressão
varia normalmente entre 6 e 10 podendo no entanto em casos especiais como é o caso dos motores
destinados à competição atingir o valor de 12.
Motores de alta compressão – são os motores diesel normalmente utilizados em que, a relação de
compressão varia entre 14 e 22.
O limite superior da relação de compressão é, nos motores de explosão, determinado essencialmente pela
qualidade anti-detonante dos combustíveis, enquanto que, nos motores diesel, é determinado, sobretudo,
pelo peso da estrutura do motor, que aumenta ao aumentar a relação de compressão, de um modo especial
para as grandes cilindradas.
4.13 QUANTO AO CICLO DE FUNCIONAMENTO
4.13.1
CICLO A QUATRO TEMPOS
O ciclo a quatro tempos é um ciclo mecânico em que se verificam duas rotações completas do veio de
manivelas por cada ciclo de trabalho. Numa rotação verifica-se a admissão e a compressão, enquanto na
outra se verificam as fases de trabalho e de evacuação.
Sequencialmente o ciclo completo de um motor diesel a quatro tempos, compreende:
•
Admissão do ar
•
Compressão do ar
•
Injecção do combustível, imediatamente seguida da sua combustão e consequente expansão dos
gases queimados
•
Evacuação, escape ou expulsão dos produtos de combustão.
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MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
FIG. 30 - CICLO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR DIESEL A 4 TEMPOS.
Admissão do ar – Antes de se iniciar já a válvula da admissão se encontra aberta, o que significa que abre
um pouco antes do êmbolo atingir o ponto morto superior, portanto durante a fase final do ciclo anterior.
Por seu lado a válvula de escape ou evacuação, fecha-se um instante depois do êmbolo atingir o ponto
morto superior, portanto já com o êmbolo no curso de admissão a deslocar-se para o ponto morto inferior.
Uma vez fechada a válvula de evacuação o deslocamento do êmbolo para o ponto morto inferior, provoca
uma rarefacção que permite a entrada de ar fresco no cilindro através da válvula de admissão.
Se o motor for sobrealimentado, o ar é introduzido no cilindro sob pressão, em vez de ser aspirado pela
depressão provocada pelo deslocamento descendente do êmbolo.
Compressão – Inicia-se uma vez atingido o ponto morto inferior pelo êmbolo, isto é, na altura em que este
inverte o seu movimento.
Com o êmbolo já a caminho do ponto morto superior, a válvula de admissão fecha-se, iniciando-se a
compressão do ar, o qual chega a alcançar temperaturas da ordem dos 550 a 550 ºC e pressões de
compressão superiores a 40 bar.
Injecção – Um pouco antes do êmbolo atingir o PMS, o combustível é injectado a alta pressão no interior do
cilindro. Devido à elevada pressão de injecção, o combustível é finamente pulverizado no seio do ar,
inflamando-se espontaneamente. A pressão de combustão atinge então valores entre 70 e 130 bar e a
temperatura no interior do cilindro, pelo menos momentaneamente, atinge valores da ordem dos 1500 ºC.
Expansão – A expansão dos gases provenientes da combustão, ‘empurra’ o êmbolo para baixo no sentido
do ponto morto inferior produzindo trabalho.
Evacuação – Um pouco antes do êmbolo atingir o ponto morto inferior, já os gases se expandiram
suficientemente abrindo-se a válvula de evacuação. O êmbolo, ao realizar o seu passeio ascendente, força
os gases queimados a sair do cilindro, através da válvula de evacuação.
Um pouco antes do êmbolo alcançar o ponto morto superior, a válvula de admissão abre-se novamente,
dando-se início a um novo ciclo.
Conclui-se portanto que o ciclo de funcionamento do motor começa com a abertura da válvula de admissão,
e termina com o fecho da válvula de evacuação.
Estes motores são dotados de válvulas de admissão e evacuação geralmente comandadas através de um
veio de ressaltos que roda a metade da velocidade do veio de manivelas, com o qual está sincronizado.
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MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
A figura 31 representa o diagrama P-V correspondente às diversas fases do ciclo de funcionamento do
motor de quatro tempos.
3
2
EXPANSÃO
4
COMPRESSÃO
EVACUAÇÃO
5
5Æ1
Admissão
1Æ2
Compressão
2
Injecção
2Æ3
Combustão
3Æ4
Expansão (tempo de trabalho)
4Æ5
Evacuação
1
ADMISSÃO
FIG. 31 – CICLO REAL DO MOTOR DE 4 TEMPOS
FIG. 32 – TEMPOS DE FUNCIONAMENTO / ÂNGULO DA MANIVELA (DIAGRAMA DE CARACOL)
4.13.2
CICLO A DOIS TEMPOS
Este ciclo de funcionamento completa-se em apenas uma volta completa do veio de manivelas, ou seja, em
dois cursos do êmbolo.
Os motores que funcionam segundo este ciclo realizam, portanto, as mesmas fases dos motores que
funcionam segundo o ciclo a quatro tempos, em apenas uma volta completa do veio de manivelas.
Dado que não existe uma individualização nítida entre os cursos de admissão e evacuação, torna-se
necessário utilizar novos métodos para remover os gases queimados, e encher os cilindros com ar fresco.
O ar empregado para a limpeza dos gases e enchimento dos cilindros é designado por ar de lavagem e é,
geralmente, fornecido por uma bomba ou compressor accionados mecanicamente através do próprio motor
ou através da energia cinética dos seus gases de evacuação.
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27
MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
FIG. 33 - CICLO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR DIESEL A 2 TEMPOS.
O ar de lavagem penetra no cilindro através de janelas ou aberturas de lavagem existentes na camisa, que
são abertas e fechadas pelo próprio êmbolo durante o seu movimento, enquanto que os gases queimados
abandonam o cilindro por idênticas aberturas ou, em alternativa, através de válvulas de evacuação.
A figura 33 mostra as diversas fases de funcionamento de um motor a dois tempos com lavagem por bomba
de lóbulos e evacuação através de válvula instalada na cabeça do cilindro.
Analisemos agora as diversas fases:
A compressão inicia-se quando o êmbolo se encontra no ponto morto inferior. Com o êmbolo nesta posição,
as janelas de ar de lavagem estão abertas, permitindo assim a entrada de ar fresco sob pressão, o qual
expele os gases queimados através das janelas ou válvulas de evacuação - que também se encontram
abertas - e enche o cilindro.
No caso de evacuação por janelas, o êmbolo ao subir fecha primeiro as janelas de lavagem e depois as de
evacuação iniciando-se a compressão do ar no interior do cilindro.
No caso de evacuação por válvulas na cabeça do cilindro, estas são comandadas pelo veio de ressaltos
mantendo-se abertas durante a fase de lavagem e fechando após se ter completado a evacuação dos
gases da combustão, iniciando-se em seguida a compressão do ar no interior do cilindro.
As pressões e temperaturas alcançadas pelo ar comprimido são similares às do motor a quatro tempos. A
injecção de combustível começa um pouco antes do êmbolo atingir o ponto morto superior, dando-se início
de imediatamente à sua inflamação e combustão no seio do ar altamente aquecido.
Expansão – Inicia-se com o êmbolo no ponto morto superior, terminando um pouco depois a injecção do
combustível e consequentemente a sua combustão.
A expansão dos gases queimados empurra o êmbolo para o porto morto inferior, impulsionando assim o
veio de manivelas e produzindo trabalho. Na parte final do curso o êmbolo começa por abrir as janelas de
evacuação (ou são abertas as válvulas de evacuação), a fim de permitirem a saída dos gases queimados.
Descendo um pouco mais o êmbolo abre as janelas de lavagem e o ar ao penetrar no cilindro sob pressão
expele o resto dos gases queimados para fora do cilindro, ficando este cheio com uma nova carga de ar
fresco iniciando-se um novo ciclo.
Nas instalações de grande dimensão, os motores de dois tempos possuem uma potência cerca de 1,8
vezes superior aos motores de quatro tempos de peso idêntico. Nos motores mais pequenos, (i.e. motores
de camiões) esta diferença diminui e a potência efectiva para motores de dimensões semelhantes é
sensivelmente idêntica nos motores de dois e quatro tempos.
Os motores de dois tempos são muito comuns em aplicações onde se requerem grandes potências tais
como na propulsão de navios e nas centrais de produção de energia eléctrica. Na propulsão naval, os
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MÁQUINAS E INSTALAÇÕES DO NAVIO (2ª PARTE)
motores são normalmente muito altos para que o curso dos êmbolos seja suficientemente grande para
aumento da eficiência do curso de trabalho.
As baixas velocidades de rotação – em torno das 100 rpm - dos grandes motores diesel utilizados na
propulsão naval, têm as duas seguintes principais vantagens:
Permitem a utilização eficiente de combustíveis pesados (Heavy Fuel Oil) com a consequente redução de
custos.
Podem ser acoplados directamente4 ao veio do hélice, eliminando a necessidade de caixas redutoras.
Possuem uma arquitectura mais simples, dado que não utilizam válvulas de admissão o que reduz a
possibilidade de falhas.
Estas são as principais vantagens que justificam a razão pela qual o motor diesel a dois tempos é a
máquina mais utilizada na propulsão de navios.
5
INJECÇÃO
Existem diversos sistemas de injecção de combustível.
Em todos eles, a bomba injectora comprime o combustível
a uma pressão suficientemente elevada para que se
verifique uma fina pulverização do mesmo, permitindo
desta forma uma combustão completa e em consequência
o total aproveitamento da sua energia.
Combustível da
bomba elevatória
Uma das bombas de injecção mais utilizadas nos motores
diesel, é a bomba do tipo Bosch. A figura 34 representa
esquematicamente o elemento básico deste tipo de
bomba, constituído por um junço que trabalha no interior
de uma camisa. O combustível, após ter sido admitido na
bomba através de orifícios laterais existentes na camisa, é
comprimido pelo junço, saindo pela abertura superior da
camisa.
A figura 34 (a) ilustra três fases da operação da bomba. A
variação do débito da bomba é conseguida através da
rotação do junço, mantendo-se constante o seu curso.
FIG. 34 – CAMISA E JUNÇO DA BOMBA
DE INJECÇÃO TIPO BOSCH
A rotação é efectuada por uma cremalheira que actua
sobre o extremo inferior do junço.
orifícios abertos,
início do fecho
(A)
início da injecção
(B)
fim da injecção
(C)
FIG. 34 (a) – FASES DE FUNCIONAMENTO DA BOMBA
4
Elevadas rotações do hélice originam baixa eficiência devido ao fenómeno da cavitação.
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FIG. 35 (a) - BOMBAS DE INJECÇÃO
FIG. 36 (a) - BOMBAS DE INJECÇÃO
FIG. 35 (b) - BOMBAS DE INJECÇÃO
FIG. 36 (b) - BOMBAS DE INJECÇÃO
A figura 37 mostra uma válvula de injecção de um motor
diesel. O combustível a alta pressão proveniente da bomba é
enviado para a válvula de injecção que o pulveriza no interior
do cilindro.
Devido às elevadas temperaturas que se verificam na zona da
cabeça do cilindro, as válvulas de injecção são providas de
canais onde circula um fluido de arrefecimento (água ou
combustível). Uma falha no circuito de arrefecimento pode dar
origem à prisão da agulha (oturador) da válvula de injecção,
com a consequente entrada descontrolada de combustível no
cilindro.
FIG. 37 – VÁLVULA DE INJECÇÃO
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DISTRIBUIÇÃO
A figura 38 mostra a posição angular (calagem) das manivelas e a ordem de inflamação de dois motores de
4 e 2 tempos com 6 cilindros.
1-6
1
4
6
(a)
(b)
Nº de cilindros
6
6
Tempos
4
2
Ângulo de calagem das manivelas
4-3
2-5
3
Ordem de inflamação
5
120º
60º
1-5-3-6-2-4
1-4-5-2-3-6
2
(b)
(a)
FIG. 38 - CALAGEM DAS MANIVELAS E ORDEM DE INFLAMAÇÃO
7
INVERSÃO DE MARCHA
Ao contrário do que acontece com os motores que equipam os nossos automóveis, muitos motores diesel
utilizados na propulsão de navios podem inverter o sentido de rotação. Esta inversão é efectuada alterando
a distribuição do motor. Esta modificação da distribuição pode ser efectuada por diversos processos, sendo
a mais comum a ilustrada na figura seguinte, onde o motor roda num sentido ou no outro dependendo da
posição do veio de ressaltos que se pode deslocar longitudinalmente.
A figura 39 mostra o processo de inversão por deslocamento longitudinal do veio de ressaltos. Neste caso o
veio possui ressaltos específicos para cada sentido de rotação. Um sistema hidráulico ou pneumático, actua
no extremo do veio fazendo com que este se desloque longitudinalmente. Tal como a figura ilustra, os
ressaltos são ligados entre si por uma espécie de rampa para permitir que os roletes dos impulsores
possam escorregar quando o veio se desloca.
AV
AV
AR
RESSALTOS
VÁLVULA
ADMISSÃO
AR
AV
AV
AR
RESSALTOS
VÁLVULA
AR ARRANQUE
AR
AV
AV
AR
RESSALTOS
BOMBA
INJECTORA
AV
RESSALTOS MARCHA AVANTE
AR
RESSALTOS MARCHA A RE
AR
AV
AV
AR
AR
RESSALTOS
VÁLVULA
EVACUAÇÃO
FIG. 39 - INVERSÃO DE MARCHA POR DESLOCAMENTO LONGITUDINAL DO VEIO DE RESSALTOS
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8
REGULAÇÃO DE VELOCIDADE
De forma a manter constante a velocidade dos motores quando, por qualquer motivo, a carga varia, os
motores são equipados com sistemas automáticos de regulação de velocidade.
Estes reguladores podem ser de diversos tipos (mecânicos, hidráulicos, e electrónicos) e de maior ou menor
complexidade.
O princípio de funcionamento de
um
regulador
mecânico
é
ilustrado na figura 40.
MOLA
Se o motor tiver tendência para
MASSAS CENTRÍFUGAS
aumentar a velocidade, devido à
redução da carga aplicada, o veio
BRAÇO DA MASSA
de transmissão tende também a
aumentar o número de rotações
PIVOT DO BRAÇO DA MASSA
CARRETO
o que faz aumentar a força
centrífuga exercida sobre as
RODA DENTADA
massas
em
rotação.
Este
aumento da força centrífuga faz
CHUMACEIRA DE APOIO
com que as massas tendam a
afastar-se,
sendo
esse
HASTE DO REGULADOR
deslocamento transmitido a uma
EIXO DE ROTAÇÃO
haste que vai posteriormente
VEIO DE TRANSMISSÃO
actuar sobre o comando das
bombas injectoras, reduzindo a
FIG. 40 - REGULADOR MECÂNICO DE VELOCIDADE
quantidade
de
combustível
injectado e, em consequência,
repondo a velocidade do motor no valor pretendido. No caso de aumento de carga sobre o motor verifica-se
uma acção inversa. Os reguladores de velocidade mecânicos são autênticas peças de relojoaria dada a
precisão que têm que possuir.
Nos modernos sistemas de injecção de combustível, é frequente que a regulação de velocidade seja
efectuada através de dispositivos electrónicos, designadamente através de microprocessadores.
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