BCapitulo I

Capitulo 1
RECORDATORIO DAS DIFERENTES CLASES DE MOTORES TERMICOS
Alguns terminos dos motores
Português
Bloco
Cilindro
Pistão
Biela
Virabrequim
Volante
Cabeçote
Carter de oleo
Válvula
Mola de válvula
Guia de válvula
Junta de cabeçote
Anel
Pino do pistão
Eixo de comando de válvulas
Mancal de biela
Mancal do virabrequim
Vela
Coletor de admissão
Diâmetro do cilindro
Tampa de válvulas
Tucho
Vareta
Camisa úmida
Curso
Balancim
Coletor de escape
Casquillo
Inglês
Crank case
Cylinder
Piston
Connecting rod
Crankshaft
Flywheel
Cylinder head
Oil sump
Valve
Valve spring
Valve guide
Cylinder head gasket
Ring
Piston pin
Camshaft
Crankpin
Main bearing
Spark plug
Inlet manifold
Bore
Rocker-arm cover plate
Tappet
Push-rod
Stroke
Rocker-arm
Exhaust manifold
Francês
Carter cylindres
Cylindre
Piston
Bielle
Vilebrequin
Volant d’inertie
Culasse
Carter d’huile
Soupape
Ressort de soupape
Guide soupape
Joint de culasse
Segment
Axe piston
Arbre à cames
Maneton
Tourillons
Bougie
Tubulure d’admission
Alésage
Cache-culbuteur
Poussoir de culbuteur
Tige de culbuteur
Chemise humide
Course
Culbuteur
Collecteur d’échapement
Coussinets
I.1. Introdução
Distinguimos geralmente dois tipos de motores de combustão:
- Os motores a combustão interna: Nos quais os produtos de combustão são eles
mesmos o fluido de trabalho.
-Os motores a combustão externa: Nos quais o calor liberado por uma
combustão e transferido a um fluido intermediário (ar, hidrogênio, Helio, vapor de
água, fluido orgânico, ...) que constitui o fluido gerador do trabalho mecânico. Em
esta categoria entram: as maquinas a vapor ou a ciclo Rankine, o motor Stirling, ...
Na primeira categoria dos motores a combustão interna, podemos distinguir:
- Os motores alternativos:
-Motores a ignição comandada ou motores a gasolina, ainda chamados comumente
“motores de explosão”.
-Motores Diesel o a ignição por compressão
que são motores de pistões ou a “capsulimo” (mecanismo estanco que realiza volumes
variáveis de manera cíclica).
- As turbomaquinas:
-Turbinas de gás, que, ao contrario que os motores precedentes, são maquinas a
fluxo continuo.
Nestas ultimas maquinas, as diferentes evoluções do fluido motor em lugar em espaços
sucessivos e justapostos, ao contrario do que acontece nos motores alternativos onde
estas transformações são realizadas no mesmo espaço, o cilindro.
Estes motores constituem atualmente a maioria das unidades de produção de potência
mecânica em muitas áreas, sobre tudo, na área dos transportes onde estão
particularmente desenvolvidos a causa das suas vantagens: Bom rendimento, tamanho
compacto, confiabilidade, ...; Isto explica a extensão que tem nestes dias a industria dos
motores e o conjunto da sas ramas em todos os paises do mundo.
1.
I.2. Principais términos técnicos utilizados na área dos motores alternativos
2.
I.2.1 Arquitetura geral dum motor alternativo a combustão interna
As características particulares e o funcionamento respectivo dos dois tipos de motores
(gasolina e Diesel)
serão detalhados mais tarde.
Para recordar os elementos comuns dos dois motores alternativos clássicos, vemos as
figuras I.1a e I.1b
Para os motores de tração automóvel representados, os órgãos principais são:
-Bloco
Serve de suporte a todos os órgãos principais (virabrequim, cabeçote, ...) e aos órgãos
anexos (motor de partida, alternador, embreagem....)
-Cilindro:
Seja usinado diretamente no bloco Seja constituído d’uma camisa seca (montada
no bloco)o d’uma camisa úmida (em contato com o liquido de arrefecimento)
-Pistão
Com mobilidade na camisa, tem segmentos para assegurar a estanqueidade entre a
câmara de combustão e o bloco. Submetido a pressão dos gases que transmite a biela
pelo eixo do pistão.
-Biela
Assegura a transmissão entre o pistão e o virabrequim e transmite a este ultimo o
esforço resultante da pressão dos gases no cilindro.
-Virabrequim
Sua função e a transformação do movimento linear alternativo do pistão em um
movimento circular do eixo de saída do motor. Sobre os motores multicilindricos,
dependendo do seu numero e disposição, podemos observar diferentes formatos de
virabrequim. A rotação do virabrequim no interior do bloco se realiza pelo intermédio
dos mancais do virabrequim. As bielas se articulam sobre os mancais da biela. Nestas
uniões rotativas são utilizadas geralmente casquilhos ou bronzinas recobertos dum
material antifricçao.
-Volante
Disco fixado na extremidade do virabrequim e cuja inercia permite, sobretudo nos
motores com pequeno numero de cilindros, regularizar a velocidade de rotaçao. Tem
geralmente uma coroa dentada para a movimentaçao a partir do motor de partida.
-Cabeçote
Fixado na parte superior do bloco, delimita juntamente com o pistão o volume da
câmara de combustão.
Uma junta assegura a estanqueidade entre o cabeçote e o bloco. O cabeçote tem os
condutos de admissão
e de escapamento cuja comunicação ou não com a câmara é determinada pelas válvulas.
A abertura e o fechamento das válvulas é comandada pelo sistema de distribuição
formado em geral por:
Eixo de comando, molas, eventualmente balancins, tuchos, etc...
-Carter de óleo
E o reservatório de óleo, situado na parte inferior do motor, que permite alimentar o
sistema de lubrificação dos elementos moveis do motor. Um sistema de arrefecimento,
por água o ar, e previsto para evacuar uma parte do calor liberada pela combustão para
assegurar a integridade das peças do motor.
Figura I.1a. Motor a ignição comandada Renault tipo 847
Corte transversal
Figura I.1a. Motor a ignição comandada Renault tipo 847
Corte longitudinal
Fig I.1b – Corte transversal do motor FIAT FIRE 1000
Si na área dos automóveis, a arquitetura geral é bastante semelhante entre os motores
gasolinas e os
Diesel (Fig I.1c e I.1d), os diferentes elementos de estes últimos são mais reforçados
tendo em conta as
maiores pressões internas e os maiores esforços que tem que transmitir.
As diferenças tecnológicas dos sistemas de alimentação em combustível para estes dois
tipos de motores,
assim como o dispositivo de ignição especifico do motor de gasolina, são o resultado de
processos de
Figura I.1c – Esquema de conjunto do motor Renault gasolina F2N Fig. I.1d – Esquema
de conjunto do motor Renault Diesel F8M Injeção indireta
1.2.2 As dimensões características dum motor
.
•
Diâmetro (D [mm]): Diâmetro do cilindro.
.
•
Curso (L [mm]): Distância recorrida pelo cilindro entre o Punto Morto
Superior (a partir de agora: PMH (Point Mort Haut )) ou em inglês Top Dead Center
(TDC) e o Punto morto inferior (a partir de agora: PMB (Point Mort Bas) ) ou em
inglês Bottom Dead Center (BDC).
.
• Si r = raio da manivela ¬ L = 2 * r -Cilindrada unitária (Vu [cm ]) : volume
3
varrido pelo cilindro al recorrer o curso L.
2
π .D
Vu = L.
4 Si “n” é o numero de cilindros do motor, a
cilindrada total Vcyl e igual a
Vcyl = n Vu
.
-
Relação volumétrica de compressão (ε [adimensional]): Si “ν” e o volume do espaço morto da
câmara de combustão, isto é, o volume que fica no TDC, a relação volumétrica de compressão e:
Vu + v
ε=
v
Em um motor de cilindrada unitária “Vu“y de relação volumétrica de compressão “ε” , o volume de
espaço morto e:
Vu
v=
ε−1
Observação: Não e correto usar “taxa de compressão” para falar da “relação volumétrica de
compressão”. Si suponemos uma relação volumétrica de compressão ε = 10 em uma compressão
isentrópica para ar com γ = 1,3 constante. Então a taxa de compressão e igual a:
γ
1,3
ε = 10 = 20
Que e diferente da relação 10 / 1 da relação volumétrica de compressão
I.3. As diferentes familias de motores alternativos
Os motores podem ser clasificados em varias familias, considerando alguns criterios basicos como:
• Ciclo termodinamico
- Quatro tempos.
- Dois tempos
Cujos principios de funcionamento sao lembrados nas figuras I.3 e I.4
• Modo de combustao (Capitulo VI)
.- Igniçao comandada (S.I: spark ignition engine)
.- Diesel ou igniçao por compressao. (C.I: Compression ignition engine)
.- De carga estratificada (Stratified charge engine)
- Diesel-gas ou « Dual fuel »
Os mais classicos e entre os obsoletos:
- Semi-Diesel ou a bola quente
• Natureza do combustivel
- Gasolina
- Diesel ( em frances “gazole”)
Que sao os carburantes mais classicos nos motores de traçao. Tambem temos:
- Carburantes gasosos:
-Gas de petroleo liquifiado (GPL ou LPG: Liquified Petroleum Gas)
- Gas natural comprimido (GNC) ou liquifiado (GNL). Ou seguindo a denominaçao corrente de
hoje: Gas natural vehiculo (GNV)
-Carburantes pesados: Fuel pesado usados nos grandes motores Diesel
.- Carburantes especiais: Alcool, Aceites vegetais ou compostos derivados.
Existem tambem motores “polycarburantes”.
• Modo de alimentaçao em combustivel
Para os motores a combustao por igniçao:
-Carburaçao
- Injeçao de gasolina: Pode ser:
.- Indireta: Monopunto, mutlipunto, multipunto sequencial. A baixa pressao (<5 bar), no conduto de
admissao antes das valvulas
.- Direta: A alta pressao (50-150 bar) diretamente nos cilindros.
Motores Diesel:
- Indireta: Associada a uma precamara de combustao (IDI)
- Direta: Com uma camara de combustao unica (DI)
A injeçao pode ser realizada mediante diferentes dispositivos:
.- Bomba de injeçao em linha.
.- Bomba de injeçao rotativa ou distribuidora.
.- Sistema de injeçao unitario: Injetores bomba, bombas unitarias a alta pressao, etc...
.- Sistema common rail
• Modo de alimentaçao em ar:
.- Aspiraçao natural ou atmosferica
.- Sobrealimentaçao (mecanica ou por turbocompressor)
.
.
• Modo de arrefecimento
• ...
Agua ou liquido
Ar
Válvula de admissão
Gases chegando do carburador
Admissão dos gases (o pistão baixa)
Escapamento dos gases queimados (o pistão sobe)
Válvula de escape
Compressão (o pistão sobe)
Explosão e expansão (o pistão baixa)
Fig I.3 – Motor a quatro tempos. Principio de funcionamento
• Disposiçao dos cilindros ou arquitectura
As mais normais:
.- Motor em linha
.- Motor em V
.- Motor “plano”, com cilindros opuestos horizontais.
Observamos que a numeraçao dos cilindros é feita a partir do volante de inercia, como se mostra na figura
Observamos tambem algumas contruçoes particulares realizadas no pasado para usos
especiais: Em aeronautica:
.- Motor invertido (com uma o varias filas de cilindros)
.- Motor em estrela ou radial (com um numero impar de cilindros, normalmente 7 ou 9, para uma
repatiçao uniforme das igniçoes sobre duas voltas para motores a 4 tempos)
assim como:
.- Motores em W
.- Motores em X
.- Mtores em H, disposiçoes que permitem reducir o espaço ocupado pelo motor.
Uma disposiçao particular dos cilindros que permite combinar as vantagens dum motor em V (menor
comprimento) e dum motor em linha (cabeçote unico, pouca largura) foi adotada sobre os motores tipo
VR (Volkswagen) usando um angulo reducido (15 º) e um “embrevement” da parte inferior dos cilindros.
Fig. I.8 – Disposiçoes particulares de cilindros
• Cinematica do pistao
.- Motor alternativo, com cinematica classica com biela e manivela.
.- Motor de pistao “rotativo” (o mais ocnhecido e o unico desenvolvido industrialmente: motor Wankel,
cuja arquitetura e principio de funcinoamento sao lembrados nas figuras I.16 e I.17). Temos que
distinguir o motor Wankel dos motores puramente rotativos, construidos nas primeiras aplicaçoes
aeronauticas e cuja concepçao, analoga a aquela dos motores alterativos, se diferencia destos pelo fato de
que o virabrequim fica fixo e o resto gira em torno a ele movimentando a helice.
• Relaçao emtre curso (L) e diametro (D)
.- Motor cuadrado: L ≈ D
.- Motor supercuadrado: L < D
.- Motor a longo curso: L >> D.
• Disposiçao e geometria de alguns organos do motor:
.- Valvulas: Laterais, em cabeza.....motor multivalvulas (3, 4, 5 valvulas por cilindro)
.- Arvol de comando: Latera, em cabeza.
.- Forma da camara de combustao.
Fig I.16 – Arquitetura dum motor birotor com pistões rotativos (Por cada giro completo de pistão, o
arvore de saída efetua três voltas)
I.4. Velocidade media do pistão – Motores Diesel lentos, semi-rapidos e rápidos.
A velocidade media do pistão Vp, expressada em m/s, representa o espaço percurso pelo pistão na
unidade de tempo. E dado por:
2 LN .
−3
..10 LN
Vp =
−3
.10
=
60 30
Com:
L: Curso do pistão (mm)
N: Velocidade de rotação (rpm)
O valor máximo de Vp é limitado pelas restrições aceitáveis devido as forças de inércia assim como pela
manutenção dum bom enchimento dos cilindros.
O valor de Vp no regime nominal permite classificar os motores Diesel em:
• Motores rápidos:
-Motores Diesel de tração automóvel:
Vp = 12 -14 m/2
O que corresponde a regimes máximos de:
N= 4000 – 5000 rpm
A titulo indicativo, para motores de gasolina de potencia similar,
Vp = 14 ~ 18 m/s com N = 5000 – 6000 rpm
-Motores de tração pesos pesados ou de maquinas de
trabalhos públicos: Vp = 10
-12 m/s O que corresponde a
N = 1500 – 2500 rpm ou N =
600 ~ 1500 rpm sobre os
grandes Diesels;
• Motores semi-rapidos (“Medium speed engines”)
Vp = 7 -9 m/s
Com:
N < 100 rpm, mais normalmente: N ~ 200 – 600 rpm
• Motores lentos (“Low speed engines”)
Essencialmente motores a crosse, para os quais:
Vp = 6 – 8 m/s
Com:
N < 250 rpm, com: N ~ 70 – 120 rpm
Observemos o caso muito particular dos motores a gasolina de competição, para os quais: N > 10000 rpm
e Vp maior de 20 m/s
A figura I.18 resume, com as dimensões características correspondentes, as prestações medias de
diferentes tipos de motores Diesel
Em términos de relação (massa/potencia), podemos dar a titulo de comparação:
.
•
Motor gasolina ≈ 1,2 – 2,0 kg/kW
.
•
Motor de avião ≈ 0,5 kg/kW
.
• Turbinas de gás de avião ≈ 0,25 kg/kW E
.
•
Motor elétrico assíncrono propulsor dos TGV-NG : ~ 1 kg/kW (para uma potencia por
motor de 1000 kW)