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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO IT – Departamento de Engenharia ÁREA DE MÁQUINAS E ENERGIA NA AGRICULTURA IT 154- MOTORES E TRATORES

CONSTITUIÇÃO DOS MOTORES Carlos Alberto Alves Varella1

INTRODUÇÃO Os motores podem ser definidos como todo tipo de conjunto mecânico capaz de transformar uma determinada energia em energia mecânica. Os motores são classificados segundo a energia que transformam. 1. Eólicos: Utilizam-se do movimento do ar. Nestes motores hélices são impulsionadas por fluxo de ar. São destinados normalmente ao bombeamento de água, moinhos e, atualmente também parag geração de energia elétrica. 2. Hiráulicos: direcionamento do fluxo hidráulico através de uma turbina hidráulica, impulsionando um eixo produzindo movimento de rotação. Destinado tradicionalmente ao acionamento de máquinas estacionárias. 3. Elétricos: utiliza as propriedades magnéticas da corrente elétrica para acionamento de um eixo. Aplicações inúmeras . Possibilidade de atingir uma grande gama de potências, desde motores elétricos minúsculos a motores de porte elevado. 4. Térmicos: baseado nas propriedades térmicas das substâncias. Aumento do volume e pressão para produzir movimento linear transformado em movimento de rotação através do conjunto biela-manivela. 4.1. Térmicos de combustão externa: A combustão é realizada externamente ao motor, isto é, o calor é produzido fora do motor em local denominado de caldeira (Figura 1). Em geral utiliza-se vapor d’água proveniente da elevação de pressão no processo de ebulição. Nesta categoria se enquadram os motores das locomotivas a vapor. Atualmente o princípio é utilizado nas Usinas Termoelétricas, podendo utilizar combustível fóssil ou nuclear.

Figura 1. Combustão externa: calor é produzido fora do motor em caldeiras. 1

Professor. Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, IT-Departamento de Engenharia, BR 465 km 7 - CEP 23890-000 – Seropédica – RJ. E-mail: [email protected].

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4.2. Térmicos de combustão interna: A combustão é realizada dentro do próprio motor. Tipos de motores que vamos estudar. Atualmente utilizados na propulsão de tratores e máquinas agrícolas. Baixo consumo, flexibilidade, disponibilidade de fontes de energias abundantes. PRINCIPAIS PARTES CONSTITUINTES Os motores de combustão interna apresentam três principais partes: cabeçote, bloco e cárter, conforme ilustrado na Figura 2.

Figura 2. Partes do motor de combustão interna. CABEÇOTE DO MOTOR O cabeçote é a parte superior do motor. Normalmente os cabeçotes de motores resfriados a água são fabricados em ferro fundido, e em circunstâncias especiais que exige pouco peso, são fabricados em alumínio. A Figura 3 ilustra o cabeçote de um motor de quatro tempos.

Figura 3. Cabeçote de um motor de quatro tempos. Atualmente, quase todos os motores apresentam as válvulas no cabeçote. No cabeçote dos motores de quatro tempos existe para cada cilindro, uma válvula de descarga, uma válvula de

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admissão, uma câmara de combustão, um coletor de admissão, um coletor de descarga. O eixo de comando de válvulas pode ser encontrado no cabeçote ou no bloco do motor. Válvulas A válvula de haste é hoje universalmente usada nos motores de quatro tempos. Controlam a entrada e saída de gases no cilindro. As válvulas de admissão são de aço, de aço ao níquel ou cromo-níquel. A passagem dos gases de admissão mantém sua temperatura entre 250 e 300°C. As válvulas de descarga são de uma liga de aço, de forte teor de níquel, de cromo e de tungstênio. O níquel melhora a resistência; o cromo torna o aço inoxidável; o tungstênio mantém uma forte resistência mecânica em temperaturas elevadas. As válvulas de descarga suportam temperaturas entre 700 e 750°C. O motor de quatro tempos convencional apresenta duas válvulas por cilindro: uma de admissão e outra de descarga. Segundo TAYLOR (1976), a capacidade de escoamento da válvula de descarga pode ser menor que da válvula de admissão, e recomenda que o diâmetro da válvula de descarga deve ser 0,83-0,87 do diâmetro da válvula de admissão. A Figura 4 ilustra diversos tipos de válvulas para motores de quatro tempos.

Figura 4. Diversos tipos de válvulas para motores de quatro tempos. Eixo de cames ou de comando de válvulas Este eixo controla a abertura e fechamento das válvulas de admissão e descarga. Recebe movimento da árvore de manivelas, possui um ressalto ou came para cada válvula e gira com metade da velocidade da árvore de manivelas. Os ressaltos atuam sobre os impulsionadores das válvulas em tempos precisos. Os eixos de cames são fabricados em aço forjado ou ferro fundido (ao níquel-cromo-molibdênio). Passam por tratamentos como cementação e tempera, de maneira a oferecer a máxima resistência ao desgaste dos ressaltos. A Figura 5 ilustra o eixo de cames ou de comando de válvulas.

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Figura 5. Eixo de cames ou de comando de válvulas. BLOCO DO MOTOR O bloco é a parte central do motor. São, na sua maioria, de ferro fundido. A resistência do bloco pode ser aumentada, se for utilizada na sua fabricação uma liga de ferro fundido com outros metais. Alguns blocos de motor são fabricados com ligas de metais leves, o que diminui o peso e aumenta a dissipação calorífica. Neste caso o cilindro é revestido com camisa de ferro fundido. A Figura 6 ilustra o bloco do motor de combustão interna.

Figura 6. Bloco do motor de combustão interna. Vídeo: bloco do motor Cilindro O cilindro é um furo no bloco aberto nas duas extremidades. Os cilindros podem ser constituídos por uma peça sobressalente denominada camisa, que é colocada no furo do bloco, evitando que este sofra desgaste. A camisa ou câmara de água é um conjunto de condutores para circulação da água de resfriamento dos cilindros, e, é normalmente fundida com o bloco do qual faz parte integrante. Árvore de manivelas ou virabrequim Á árvore de manivelas possui na extremidade posterior um flange para acoplamento do volante do motor e na extremidade anterior um eixo para transmissão de rotação ao eixo de comando de válvulas, diretamente engrenado ou por intermédio de corrente/correia dentada. São 4

normalmente fabricadas em aço ou aço fundido. A Figura 7 ilustra árvore de manivelas de um motor de quatro cilindros..

Figura 7. Árvore de manivelas de um motor de quatro cilindros. Pistão O pistão é fechado na parte superior e aberto na inferior. Apresenta ranhuras na parte superior para fixação dos anéis de segmento. Existem dois tipos de anéis de segmento: de vedação e de lubificação. Os anéis de vedação impedem a passagem dos gases de compressão e os queimados para o cárter, mantendo assim, a pressão constante sobre a cabeça do pistão. Os anéis de lubrificação, lubrificam e raspam o excesso de óleo que fica na parede do cilindro, removendo-o para o cárter. A Figura 8 ilustra um pistão com três ranhuras na cabeça para colocação dos anéis de segmento.

Figura 8. Pistão com três ranhuras na cabeça para colocação dos anéis de segmento. Biela Em forma de haste, serve para transmitir o movimento linear alternativo do pistão para o virabrequim. A biela é fixada nos mancais móveis ou de bielas do virabrequim e não fica em contato direto com o eixo. Entre a biela e o virabrequim são colocados os casquilhos para evitar desgaste do virabrequim. Mesmo assim, essas peças não são justas, existindo entre elas, uma folga, por onde circula o óleo lubrificante. A biela e casquilhos são ilustrados na Figura 9.

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Figura 9. .Biela e casquilhos. CÁRTER DO MOTOR O cárter é a parte inferior do motor. Nos motores de quatro tempos é basicamente o reservatório de óleo lubrificante. A bomba de óleo lubrificante está localizada no cárter. A Figura 10 ilustra o cárter do motor de combustão interna.

Figura 10. Cárter do motor de combustão interna.

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO IT – Departamento de Engenharia ÁREA DE MÁQUINAS E ENERGIA NA AGRICULTURA IT 154- MOTORES E TRATORES

PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Carlos Alberto Alves Varella 1

. Nos primeiros motores de combustão interna a comsbustão era realizada em condições de pressão atmosférica. Em 1862, Beau de Rochas estabeleceu os princípios fundamentais de funcionamento dos motores de combustão interna. Segundo BARGER et. al (1966), os prncípios de Beau de Rochas para máxima eficiência do ciclo são: 1. Relação superfície-volume do cilindro deve ser a menor possível; 2. Processo de expansão deve ser o mais rápido possível; 3. Expansão máxima possível; 4. Pressão máxima possível no início da expansão. Os dois primeiros itens têm como objetivo reduzir a perda de calor através das paredes do cilindro; o terceiro item considera que maior expansão (curso) produz maior trabalho e o quarto item considera que quanto maior a pressão maior é o trabalho produzido na expansão. Os motores de combustão interna são classificados em relação ao princípio de funcionamento em dois tipos: do ciclo OTTO e do ciclo DIESEL. O ciclo de funcionamento é o conjunto de transformações na massa gasosa no interior da câmara, desde a sua admissão, até a sua eliminação para o exterior. O ciclo OTTO foi descrito por NIKOLAUS A. OTTO (1876) e o ciclo DIESEL por RUDOLF DIESEL (1893). Ambos os ciclos podem ser completados em dois ou quatro cursos do pistão. Quando o motor completa o ciclo em dois cursos do pistão é chamado de motor de dois tempos e quando completa o ciclo em quatro tempos é chamado motor de quatro tempos.

1 Professor. Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, IT -Departamento de Engenharia, BR 465 km 7 - CEP 23890-000 – Seropédica – RJ. E-mail: [email protected].

MOTORES DO CICLO OTTO Os motores do ciclo otto ou de ignição por centelha utilizam a energia da centelha elétrica da vela de ignição para dar início a reação de combustão. Nos motores de quatro tempos é admitido a mistura de ar e combustível e no motores de dois tempos é admito a mistura de ar, combustível e óleo lubrificante. Nos motores de dois tempos no primeiro curso são realizadas as fases de admissão e compressão e no segundo curso as fases de expansão e descarga. Nos motores de quatro tempos cada fase do ciclo é realizada em um curso. MOTORES DO CICLO OTTO DE QUATRO TEMPOS Os motores do ciclo otto de quatro tempos apresentam sistema de lubrificação sendo o cárter o depósito de óleo lubrificante do motor. Realiza o ciclo em quatro cursos, o que implica em duas voltas (720o) no virabrequim ou árvore de manivelas. A Figura 2 ilustra a constituição geral dos motores de quatro tempos do ciclo otto.

Figura 2. Constituição geral dos motores de quatro tempos do ciclo otto. Primeiro curso: admissão O pistão se desloca do PMS para o PMI. Neste curso ocorre a admissão no cilindro da mistura ar-combustível. Durante a admissão a válvula de admissão está aberta e a válvula de descarga está fechada (Figura 3). O volume admitido é o volume de admissão ou cilindrada parcial do motor.

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Ar + combustível

Figura 3. Posição das válvulas durante o primeiro curso do pistão na fase de admissão. Segundo curso: compressão O pistão se desloca do PMI para o PMS. Neste curso ocorre a compressão, isto é, a redução do volume de admissão para volume da câmara de combustão. Durante a compressão as válvulas de admissão e descarga estão fechadas.

Figura 4. Posição das válvulas durante o segundo curso do pistão na fase de compressão. Terceiro curso: expansão O pistão se desloca do PMS para o PMI. Neste curso ocorre a expansão, isto é, ocorre a combustão e a força produzida desloca o pistão realizando trabalho. Durante a expansão as válvulas de admissão e descarga estão fechadas (Figura 5).

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Figura 5. Posição das válvulas durante o terceiro curso do pistão na fase de expansão. Quarto curso: descarga O pistão se desloca do PMI para o PMS. Neste curso ocorre a descarga, isto é, são eliminados os resíduos da combustão. Durante a descarga a válvula de descarga está aberta e a válvula de admissão está fechada (Figura 6).

Resíduos da combustão

Figura 6. Posição das válvulas durante o quarto curso do pistão na fase de descarga. MOTORES DO CICLO OTTO DE DOIS TEMPOS Os motores de dois tempos recebem esta denominação porque realizam o ciclo de funcionamento em dois cursos do pistão, isto é, em uma volta (360 o) da árvore de manivelas. A lubrificação do motor é feita através da mistura de óleo lubrificante no combustível. Não possuem sistema de válvulas sendo a admissão feita em duas etapas: primeiro no cárter e depois no cilindro. A Figura 1 ilustra as principais partes dos motores do ciclo otto de dois tempos.

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Figura 1. Principais partes dos motores do ciclo otto de dois tempos. Primeiro curso O pistão se desloca do ponto morto inferior (PMI) para o ponto morto superior (PMS). No primeiro curso ocorre a compressão e a admissão no cárter através da janela de admissão (Figura 2).

COMPRESSÃO

ADMISSÃO NO CÁRTER

Figura 2. Primeiro curso nos motores otto de dois tempos: compressão e admissão no cárter. Segundo curso O pistão se desloca do PMS para o PMI. Neste curso ocorre a expansão, a admissão da mistura no cilindro e a descarga dos resíduos da combustão (Figura 3). A renovação da mistura é chamada de lavagem do cilindro, ou seja, a mistura nova que estava no cárter é admitida no cilindro e expulsa os resíduos da combustão.

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DESCARGA

EXPANSÃO ADMISSÃO NO CILINDRO

Figura 3. Segundo curso nos motores otto de dois tempos: expansão, a admissão da mistura no cilindro e descarga dos resíduos da combustão. MOTORES DO CICLO DIESEL Os motores do ciclo diesel ou motores de ignição por compressão utilizam o aumento da temperatura devido a compressão de uma massa de ar para dar início a reação de combustão. Somente ar é admito. Após a compressão, o combustível é pulverizado na massa de ar quente dando início a combustão. MOTORES DO CICLO DIESEL DE QUATRO TEMPOS Os motores do ciclo diesel de quatro tempos apresentam sistema de lubrificação sendo o cárter o depósito de óleo lubrificante do motor. Realiza o ciclo em quatro cursos, o que implica em duas voltas (720o) no eixo de manivelas. Os quatro cursos são os seguintes: Primeiro curso: admissão O pistão se desloca do PMS para o PMI. Neste curso ocorre a admissão no cilindro de somente ar (Figura 7). Durante a admissão a válvula de admissão está aberta e a válvula de descarga está fechada. O volume admitido é o volume de admissão ou cilindrada parcial do motor. Nos motores diesel o volume de ar aspirado é sempre o mesmo. A variação da potência é obtida pela variação do volume de combustível injetado de acordo com a posição do acelerador.

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AR

Figura 7. Admissão de ar durante o primeiro curso nos motores diesel de quatro tempos. Segundo curso: compressão O pistão se desloca do PMI para o PMS. Neste curso ocorre a compressão do ar. As válvulas de admissão e descarga estão fechadas. A compressão do ar na câmara de combustão produz elevação da temperatura. No fim da compressão para a relação volumétrica de 18:1, a pressão é de 40-45 kgf.cm-2 e a temperatura é de aproximadamente 800 ºC. No final da compressão, o combustível é dosado e injetado na câmara de combustão. A medida exata do combustível e o momento da injeção são fatores muito importantes para o bom funcionamento dos motores diesel. A injeção do combustível na câmara de combustão é feita pelo bico injetor (Figura 8). Imediatamente após a injeção, o combustível se inflama devido ao contato com o ar aquecido, iniciando-se a combustão. Bico injetor Combustível

Figura 8. Injeção de combustível na massa de ar quente nos motores diesel de quatro tempos.

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Terceiro curso: expansão O pistão se desloca do PMS para o PMI. Neste curso ocorre a expansão do ar. As válvulas de admissão e descarga estão fechadas. A medida que o combustível é injetado, vai se inflamando, aumentando a temperatura dos gases que tendem a se dilatar cada vez mais. Durante a expansão o pistão é acionado pela força de expansão dos gases transformando a energia térmica em mecânica (Figura 9). A força vinda da expansão dos gases é transmitida para o virabrequim através da biela, promovendo assim o movimento de rotação do motor. A expansão é o único curso que transforma energia. Parte da energia transformada é armazenada no virabrequim e no volante do motor que será consumida durante os outros três cursos

Figura 9. Deslocamento do pistão pela força de expansão dos gases transformando a energia térmica em mecânica. Quarto curso: descarga O pistão se desloca do PMI para o PMS. Neste curso ocorre a descarga dos resíduos da combustão. A válvula de admissão está fechada e a de descarga está aberta. O movimento ascendente do pistão expulsa do cilindro os resíduos da combustão através da válvula de descarga (Figura 10)..

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Resíduos da combustão

Figura 10. Resíduos da combustão são eliminados através da válvula de descarga. BIBLIOGRAFIA BARGER, E.L.; LILGEDAHL, J.B.; CARLETON, W.M.; McKIBBEN, E.G. Tratores e seus Motores. Editora Edgard Blücher Ltda. São Paulo, Brasil, 1966.

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CARACTERÍSTICAS DIMENSIONAIS DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Carlos Alberto Alves Varella1

Diâmetro do cilindro

Curso do pistão O curso é a distância entre o ponto morto superior e o ponto morto inferior.

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Professor. Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, IT-Departamento de Engenharia, BR 465 km 7 - CEP 23890-000 – Seropédica – RJ. E-mail: [email protected].

Volume do cilindro O volume do cilindro é obtido multiplicando-se a área do cilindro pelo curso do pistão, conforme escrito na Equação 1.

Vcil

A L ou Vcil

D2 L 4

(1)

em que: Vcil A L D

= = = =

volume do cilindro, cm3; área do cilindro, cm2; curso do pistão, cm; diâmetro do cilindro, cm.

Volume da câmara de combustão (Vcam) O volume da câmara de combustão é o espaço compreendido entre o cabeçote e o pistão no PMS. É onde ocorre a combustão da mistura ar-combustível. As câmaras de combustão apresentam formatos irregulares, devido a isso seu volume é obtido experimentalmente.

Vcam = obtido experimentalmente Cilindrada parcial ou volume de admissão A cilindrada parcial é o volume admitido por um cilindro para realização do ciclo. É calculada pela Equação 2. 2

Cp

Vcil Vcam

(2)

em que: Cp Vcil Vcam

= cilindrada parcial, cm3; = volume do cilindro, cm3; = volume da câmara de combustão.

Cilindrada total ou cilindrada É o volume admitido por todos os cilindros do motor para realização do ciclo, isto é, o volume admitido pelo motor equivalente a duas voltas na árvore de manivelas. É calculada pela Equação 3.

Ct

Cp n

(3)

em que: Ct Cp n

= cilindrada total, cm3; = cilindrada parcial, cm3; = número de cilindros do motor.

Taxa de compressão A taxa de compressão é a relação entre a cilindrada parcial e o volume da câmara de combustão. É calculada pela Equação 4.

Tc

Cp Vcam

(4)

em que: Tc = taxa de compressão; Cp = cilindrada parcial, cm3; Vcam = volume da câmara de combustão, cm3. Parâmetros dependentes das características dimensionais As características dimensionais têm influência na cilindrada minuto e na velocidade linear do pistão durante o funcionamento dos motores.

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Cilindrada minuto É o volume admitido pelo motor em um minuto de funcionamento. Depende da cilindrada total e da rotação da árvore de manivelas. É calculada pela Equação 5.

C min

Ct N

(5)

em que: Cmin Ct N ∆