Motores de combustão Interna I

Mecânica e Manutenção de Automóvel

1 História dos motores alternativos de combustão I

Os primeiros relatos sobre o surgimento dos motores afirmam que os motores de combustão tiveram início com a invenção das armas de fogo, pois a energia térmica da explosão transformava-se em trabalho. Na realidade, as primeiras tentativas de desenvolvimento de um motor ocorreram na segunda metade do século XVII, com o uso da pólvora para movimentar um pistão dentro de um cilindro.

Relatos e documentos históricos demonstram, em esquema datado de 1508, em que Leonardo da Vinci propunha a elevação de peso por meio de fogo.

Na evolução do motor, Denis Papin, ajudante de Christian Huygens que havia idealizado o motor a pólvora, propôs o funcionamento da máquina a vapor. Esta evoluiu com Thomas Savery, Thomas Newcomen e James Watt. A máquina a vapor, assim, propiciou a Revolução Industrial da segunda metade do Século XVIII.

Em 1759, Henry Hood propôs a utilização de ar quente ao invés de vapor, ideia executada por George Caley em 1807. Outros motores a ar que operavam por combustão externa, onde o combustível era queimado fora dos cilindros foram desenvolvidos, destacando-se os motores de Robert Stirling elaborado no ano de 1816 e o modelo de John Ericson de 1826. Esses motores apresentavam um melhor rendimento por operarem com pressões superiores aos motores a vapor.

Jean Joseph Etienne Lenoir desenvolveu o primeiro motor com pistão em 1860 (Figura 1.1). A combustão acontecia dos dois lados do pistão. O controle de entrada e saída dos gases acontecia por meio de válvulas de admissão e exaustão.

Seu funcionamento permitia ao gás e ao ar serem introduzidos no pistão durante a primeira metade do seu deslocamento. Essa carga era então queimada mediante uma faísca, a pressão aumentava e assim os gases da combustão empurravam o pistão até o fim do curso. Na segunda batida do pistão, os gases de exaustão eram expelidos, enquanto uma nova combustão acontecia do outro lado do pistão. O ciclo era completado somente após nova batida do pistão, na fase de exaustão. 5000 desses motores foram construídos entre 1860 e 1865, com uma potência de até 6 hp. O maior valor obtido pela eficiência foi próximo a 5%.

Apresentado pela primeira vez na Exposição Industrial de Paris, em 1867, o motor concebido por Nicolaus Otto e Eugen Langen, Figura 1.2, tinha características bem melhores de desempenho. O conceito desse motor era o de “pistão livre”, impulsionado pela explosão dos gases no cilindro, o pistão estava ligado a um volante através de uma cremalheira e uma engrenagem. No retorno do pistão, produzia-se trabalho mecânico.

O movimento do volante produzia, por sua vez, a abertura e fechamento de uma válvula de admissão e de ignição. Também neste caso não havia compressão dos gases antes da combustão, e sua eficiência correspondia a 11%.

Baseado nesse princípio, anteriormente, Alphonse Beau de Rochas, em 1862, já havia desenvolvido um motor de quatro tempos com patente francesa. Esse modelo de motor apresentava um excelente desempenho justificado pelas seguintes características:

• Menor relação superfície/volume para o cilindro do pistão (cilindro com um diâmetro da mesma ordem de grandeza que seu comprimento).

• Processo de expansão mais veloz.

• Máxima expansão.

• Máxima pressão no começo do processo de expansão dos gases dentro do cilindro.

As duas condições iniciais visavam reduzir as perdas de calor a um mínimo, conservando a energia nos gases de combustão. A terceira e a quarta condição visavam obter o máximo de potência possível.

Beau de Rochas, também indicou o método de operação desejável num motor de combustão interna, o qual é utilizado até os dias de hoje, de acordo com as seguintes fases:

a) Admissão durante o deslocamento do pistão “para fora”.

b) Compressão durante o movimento do pistão “para dentro”.

c) Ignição da carga de combustível + ar no ponto morto superior do pistão, seguida por expansão durante o deslocamento seguinte do pistão, para fora.

d) Exaustão durante a corrida seguinte do pistão, para dentro.

Em 1876, o alemão Nicolaus Otto volta ao cenário e apresenta um motor de quatro cilindros que funcionava com os princípios estabelecidos por Beau de Rochas em 1962. Esse motor era bem mais compacto e leve, com aproximadamente 1/3 do peso do anterior e, uma eficiência próxima a 14%. Até 1890 tinham sido construídos 50.000 motores desse tipo na Europa e nos Estados Unidos. As características básicas dele são as mesmas encontradas nos motores de hoje.

Nesses primeiros tipos de motor, não havia uma compressão prévia da carga de combustível + ar, embora diversos pesquisadores vissem vantagem em introduzir essa etapa no processo (Lebon, francês, em 1799; Barnett, inglês, em 1838; e Schmidt, alemão, em 1861).

Em 1880, vários engenheiros, Dugald Clerk, e James Robson, na Inglaterra e Karl Benz, na Alemanha, desenvolveram com sucesso o motor de dois tempos que tinha a vantagem de produzir potência em cada movimento do pistão.

Os motores de dois tempos, menores e mais simples, são indicados para pequenas potências, embora esse tipo de motor também seja utilizado em máquinas de grande porte.

Em 1885, James Atkinson, na Inglaterra, construiu um motor com um movimento do pistão menor para os processos de admissão e compressão e maior para os de expansão e exaustão. Isso levava a uma eficiência maior, mas o motor era mecanicamente mais frágil.

Na década entre 1880 a 1890, foram feitos avanços nos sistemas de ignição e de carburação. A razão de compressão dos motores não podia ser muito elevada devido à qualidade dos combustíveis. Para uma relação de pressões maior que 4:1, aconteciam detonações no processo de combustão.

No final da década estavam disponíveis os primeiros motores a gasolina para automóveis.

Segundo Stone (1993), o início da exploração comercial do petróleo por Drake em 1859 impulsionou o uso de combustíveis líquidos, o que facilitou o armazenamento e contribuiu de forma decisiva para o desenvolvimento dos motores de combustão.

No período entre 1890 e 1900, foram construídos grandes motores de 6 cilindros, de 1,3 m de diâmetro que utilizavam gás de alto forno como combustível. Tinham 600 hp e 90 rev/min.

Na Inglaterra, foram feitas restrições à utilização de gás de baixo poder calorífico. Esse fato impulsionou a utilização do querosene.

2 História dos motores alternativos de combustão II

Em 1892, o engenheiro alemão Rudolf Diesel registrou a patente do motor que leva seu nome até hoje, com ignição por compressão, onde não existia centelha elétrica para inflamar a mistura. A característica fundamental desse motor é que o combustível é injetado dentro de uma câmara de combustão que já contém o ar aquecido e pressurizado. A combustão da mistura se produz pela compressão (combustão espontânea) devido às condições combinadas de pressão e temperatura elevadas, e não por uma centelha, como ocorre no caso dos motores do ciclo Otto.

Os motores Diesel apresentavam excelente rendimento, embora necessitassem de um complexo sistema de injeção em alta pressão de combustível, problema que só foi resolvido eficientemente por Robert Bosch na década de 20.

O engenheiro alemão Felix Wankel desenvolveu o motor de combustão interna com pistão rotativo, o motor Wankel, que funcionou com sucesso pela primeira vez em 1957.

O desenvolvimento dos motores foi acompanhado pelo respectivo avanço dos sistemas auxiliares que o compõem. Segundo Lopes; Furlani; Silva (2003) podem-se destacar:

• Sistema de alimentação de combustível desenvolvido por Maybach em 1892, que foi o percussor dos carburadores.

• Sistema de ignição por alta tensão desenvolvido por Robert Bosch em 1902 (BAUER, 2000), que substituiu a ignição por chama. Nele o controle do início da chama era precário.

• Sistema de distribuição por válvulas, cames e balancins desenvolvidos por Morey do exército americano em 1826.

• Sistema de arrefecimento a água, desenvolvido também por Morey

Segundo Lopes; Furlani; Silva (2003), mesmo decorridos mais de 100 anos, da invenção do motor de combustão, o seu desenvolvimento continua em ritmo crescente. Entre os anos 20 e 60 desenvolveu-se um rendimento dessa tecnologia semelhante à que ocorreu nos últimos cinco anos. Importante desenvolvimento ocorreu no campo da emissão de poluentes; os motores atuais, graças ao controle eletrônico e a outros dispositivos emitem cem vezes menos poluentes do que há três décadas.

Os combustíveis sempre tiveram maior impacto no desenvolvimento dos motores de combustão interna. Antes de 1905, embora as taxas de compressão fossem baixas (4:1 ou menores que essa relação), para evitar problemas de detonação, o combustível muito volátil proporcionava fácil partida e boa performance em climas frios.

Para suprir a grande demanda por combustível, entre 1907 e 1915, novos processos de refino de petróleo foram realizados, produzindo-se gasolina com alto ponto de fulgor, o que causava problemas de performance no tempo frio. Felizmente, os motores de partida elétrica surgiram no tempo certo, por volta de 1912.

Após a 1ª Guerra Mundial, houve um grande avanço na produção de combustíveis. A General Motors descobre o efeito antidetonante do Pbtetraetil e já, em 1923, tornou-se disponível como aditivo. Além disso, o processo de refino também produzia gasolina de melhor qualidade.

Durante a 2ª Guerra Mundial, devido à dificuldade de se obterem combustíveis derivados do petróleo, popularizaram-se os pequenos gaseificadores móveis chamados de gasogênios, apresentados na Figura 1.3.

No mundo, chegaram a ser usados aproximadamente 1 milhão de veículos no final da 2ª Guerra Mundial. No Brasil cerca de 20 mil veículos usaram os gasogênios. Esses veículos utilizavam pedaços de madeira, carvão e turfa como combustível. Com a volta do suprimento barato de petróleo essa tecnologia foi abandonada. (SILVA; RUGGERO, 2003).

Atualmente, a indústria mecânica está em constante aprimoramento e melhoria da qualidade e eficiência dos motores que produz, buscando mudanças importantes nos projetos e na operação dos motores de combustão, principalmente na necessidade de controle das emissões e otimização do consumo de combustível, conforme mostra a Figura 1.4.

Nesse sentido, muitas pesquisas estão voltadas para desenvolvimento de novas formas de energia, retomando e aperfeiçoando os estudos com novos combustíveis, principalmente os biocombustíveis provenientes da biomassa como o etanol, o biodiesel, entre outros.

3 Componentes fixos dos motores

São denominados componentes, as partes auxiliares que trabalham em conjunto para o funcionamento do motor. Os principais componentes ou partes fundamentais segundo Mialhe (1980), são responsáveis pelo fornecimento das condições favoráveis para que o processo de transformação da energia química dos combustíveis nos motores se realize de forma eficiente e contínua.

Os principais componentes de um motor de combustão interna se dividem em dois grupos, os componentes fixos compostos pelos seguintes elementos: bloco do motor, cabeçote e o cárter; e componentes móveis: pistão ou êmbolo, camisas, biela, árvore de manivelas ou virabrequim, válvulas de admissão, válvulas de escape e árvore de comando de válvulas, guias e sede das válvulas, porcas, molas, bucha do balancim, parafuso regulador, mancais, tuchos, casquilhos ou bronzinas, compensadores de massa, volante, juntas, etc.

Bloco do motor

O bloco, mostrado na Figura 2.1, é considerado a principal estrutura ou o corpo do motor. Nele, direta ou indiretamente, são acoplados os componentes que compõem o motor.

A construção do bloco envolve requisitos tecnológicos que levam em consideração o modelo do motor, as altas temperaturas, as pressões de trabalho e as características do material, tais como dilatação e contração. Após a fundição, o bloco passa por processo térmico de normalização e, após, é encaminhado para usinagem.

O bloco é usinado para permitir a passagem do óleo e da água que farão parte dos sistemas de lubrificação e de arrefecimento respectivamente e da montagem dos demais componentes que serão acoplados a ele: árvore do comando de válvulas, cabeçote, cárter, etc.

Os materiais utilizados no bloco do motor incluem o ferro fundido, alumínio fundido, alumínio forjado e aço forjado usualmente soldado. O tipo apropriado depende, principalmente, das considerações do tipo de motor e dos custos de fabricação.

Motores modernos utilizam o alumínio e ligas em lugar do ferro fundido, apresentado na Figura 2.1, obtendo como principais resultados melhor dissipação de calor e redução do peso. Alguns blocos possuem cilindros removíveis em formato de tubos os quais formam as paredes do cilindro no bloco propriamente dito, denominados “camisas”, como mostra a Figura 2.2. As camisas podem ser úmidas, quando o líquido de arrefecimento está em contato direto com a camisa e que entre si trocam calor; ou secas, quando o líquido de arrefecimento não está em contato direto com a camisa (Figura 2.3).

Na parte inferior do bloco estão os alojamentos dos mancais centrais, onde se apoia o eixo de manivelas ou virabrequim. Nos motores com movimento do virabrequim horizontal (Fusca) de cilindros opostos, o eixo de manivelas acha-se no centro do bloco. Este, por sua vez, é composto de duas partes justapostas, afi xadas por parafusos, como se vê na Figura 2.4.

Nos motores refrigerados a ar os cilindros são separados e circundados por aletas, conforme a Figura 2.4, cuja finalidade é aumentar a superfície de transferência de calor.

Quando os cilindros são fixos no bloco, formando uma só peça, dizemos que o bloco é integral, também chamado de monobloco. O bloco integral, quando comparado aos de cilindros substituíveis (camisados), apresenta desvantagem de só poder ser submetido a um número limitado de retíficas em seus cilindros, devido à diminuição da espessura de suas paredes. Em casos extremos, quando o bloco integral não suportar mais retíficas, pode-se efetuar o encamisamento, isto é, o bloco é retificado e um cilindro de menor diâmetro é prensado dentro dele, como se fosse um cilindro substituível.

Cabeçote

O cabeçote tem a função de tampar os cilindros, conforme se vê na Figura 2.6, formando a câmara de combustão na parte superior do bloco do motor. Nele, ocorrem altas pressões por conta do pistão que comprime a mistura, no caso do ciclo Otto, ou o ar, no caso dos motores de ciclo Diesel. Geralmente, possui orifícios com roscas onde são fixadas as velas de ignição ou os bicos injetores e alojadas as válvulas de admissão e escape ou descarga. A união do bloco com o cabeçote, em razão da total vedação, requer uma junta de amianto revestida de metal.

Os motores refrigerados a água usam cabeçotes de ferro fundido ou ligas de alumínio, quando há necessidade de redução de peso ou para melhorar a condução de calor, uma vez que impedem a formação de pontos quentes nas paredes internas do cabeçote.

Em alguns motores o cabeçote abriga o eixo de cames ou comando de válvulas responsável pela abertura e fechamento das válvulas.

O cabeçote é um dos elementos mais suscetíveis a problemas no projeto dos motores. Geralmente combina problemas estruturais, fluxo de calor e escoamento de fluido em uma forma complexa.

Cárter

Parte inferior do bloco. Cobre os componentes inferiores do motor e serve de depósito para o óleo lubrificante desse.

O cárter de um motor é constituído de ferro ou alumínio fundidos. Forma a parte principal do bloco do motor que contém o virabrequim e a bomba de óleo.

As extremidades do cárter têm, frequentemente, garras destinadas à fixação do motor. As paredes extremas e as divisórias internas suportam os mancais do virabrequim.

A parte inferior do cárter forma o depósito de óleo lubrificante. É constituída por chapa de liga de alumínio (Figura 2.8).

A união do bloco com o cárter, em razão da necessidade de total vedação, requer uma junta com material que evite vazamentos por razão do aquecimento e dilatação dos metais.

4 Componentes móveis dos motores I

Válvulas

São elementos metálicos responsáveis pela vedação da abertura de admissão do ar e pela vedação dos orifícios de saída dos gases da combustão (Figura 2.9). Existem dois tipos de válvulas: válvulas de admissão e válvulas de escape. A primeira abre-se para permitir a entrada da mistura combustível/ar (ou ar puro, conforme o caso) no interior dos cilindros. A outra, de escape, abre-se para dar saída aos gases queimados na combustão.

Alguns motores possuem válvulas laterais, ou seja, válvulas dispostas ao lado dos cilindros. Essa disposição clássica assegura um funcionamento silencioso.

Motores com válvulas suspensas possuem válvulas colocadas sobre os cilindros. Essa disposição permite uma forma mais racional da câmara de combustão, favorece a potência do motor e um rendimento térmico superior. A posição das válvulas suspensas determina melhor rendimento aos altos regimes e convém aos motores potentes de relação volumétrica elevada.

As válvulas suspensas mostradas na Figura 2.12 podem ser acionadas:

• Por hastes e balancins com eixo de cames no cárter.

• Por balancins com eixo de cames suspenso.

• Por eixo de cames suspenso com impulsos diretos sobre as válvulas.

A ligação do virabrequim e do eixo de cames é feita por meio de engrenagens, por corrente (corrente silenciosa), ou através de uma correia de borracha com arames de aço ou alma de aço denominada correia dentada. A fixação direta das válvulas permite obter uma abertura rápida, particularmente, em regimes muito altos, sendo reduzida ao mínimo a inércia das peças de movimento alternado.

O conjunto responsável pelo acionamento das válvulas, compreende o tucho e uma haste que o interliga ao balancim, apoiando-se diretamente sobre a válvula como mostra a Figura 2.11. No momento em que o eixo comando de válvulas gira, o ressalto deste ou came aciona o tucho que, por sua vez, move a haste, fazendo com que o balancim transmita o movimento à válvula, abrindo-a. Há um conjunto destes (tucho, haste, balancim) para cada ressalto, um para cada válvula, tanto de admissão quanto de escape, conforme se observa na Figura 2.13.

Os pinhões de distribuição são os elementos responsáveis pela transmissão do movimento do virabrequim ao eixo de cames. Nos motores de 4 tempos, a relação de rotação da árvore de manivelas para a árvore do comando de válvulas ou eixo de cames é de 2:1, isto é, a cada duas voltas da árvore de manivelas, o eixo de cames realiza somente uma. Isso ocorre devido ao fato de o motor necessitar de duas voltas no virabrequim para completar a realização de um ciclo.

Eixo do comando de válvulas

O eixo de cames, ou comando de válvulas, é um eixo que tem solidário a ele ressaltos ou excêntricos destinados a agir sobre os elementos impulsionadores das válvulas, balancins, haste e tuchos em tempos precisos. A forma e a posição dos cames determinam, diretamente, as características de potência e de regime do motor.

A função desse eixo é abrir as válvulas de admissão e escape, respectivamente, nos tempos de admissão e escapamento. É acionado pelo eixo de manivelas, através de engrenagens, corrente ou por correia dentada. É dotado de ressaltos que elevam o conjunto: tucho, haste e balancim; abrindo as válvulas no momento oportuno, tal como aparece na Figura 2.13.

A fim de que a válvula vede bem e, para permitir ajustagens, desgaste, expansão e contração devido a mudanças de temperatura, é necessária sempre alguma folga. Essa folga deve ser a mínima necessária para assegurar que a válvula fique ajustada na sede. Uma folga razoável deve ser aceita para erros de ajustagem, prevendo nessas condições, a dilatação dos materiais e a manutenção da lubrificação.

É fundamental considerar as consequências de uma defeituosa folga nas válvulas: as folgas pequenas provocarão, na admissão, má compressão e explosões nos condutos de admissão.

Nas válvulas de descarga, as consequências serão danosas para a integridade do sistema, uma vez que, além de má compressão, poderão provocar a queima da válvula ou a consequente deformação.

As folgas excessivas na admissão terão como resultado admissão deficiente, enquanto na descarga o escape incompleto dos gases queimados. Nas duas situações o resultado será o baixo rendimento do motor.

Os tuchos presentes no comando de válvulas, têm a função de transmitir o movimento do came à vareta ou haste impulsora.

Os balancins têm a função de inverter o sentido do movimento gerado pelo came. A mola da válvula tem como função fechar a válvula, mantendo-a pressionada contra a sua sede. Quanto às cargas as quais as molas estão sujeitas, a mínima carga (com a válvula fechada) deve ser alta o bastante para manter a válvula firmemente em sua sede durante o período em que permanece fechada.

Atualmente, as válvulas de haste são universalmente usadas nos motores de quatro tempos. São elas que regulam a entrada e saída de gases no cilindro. As válvulas de admissão são de aço, de aço ao níquel ou cromo-níquel para suportar temperaturas de trabalho 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. Elas suportam passagem de gases a temperaturas elevadas de 700 a 750°C. À plena potência, elas se apresentam em vermelho escuro, incandescentes. As válvulas são resfriadas por contato com o assento e com a guia.

A cabeça da válvula comporta uma superfície de apoio retificada cujo ângulo pode ser de 30º ou 45°. Um ângulo de 45° permite uma melhor centragem da válvula sobre o seu assento cada vez que se dá o encaixe. Essas particularidades fazem com que se dê preferência a projetos com o ângulo de 45° para as válvulas de escape, mais facilmente deformáveis a altas temperaturas, e o ângulo de 30° às válvulas de admissão que devem, sobretudo, favorecer a entrada dos gases novos no cilindro.

Pistão

É o componente responsável por transmitir e ampliar a energia resultante da expansão dos gases após a combustão. Nele, se apresenta a parte móvel da câmara de combustão. Ele recebe a força de expansão dos gases queimados, transmitido-a a biela, por intermédio de um pino de aço (pino do pistão), conforme mostra a Figura 2.14. Os pistões são de fundição maleável, de liga de alumínio ou de aço, o que lhes confere mais leveza. Geralmente apresentam três canaletas para alojamento dos anéis que são usinadas na parte do pistão onde há mais material e menor diâmetro. Os efeitos de inércia no final do curso são menores; há, portanto, menos vibração e uma menor frenagem em altos regimes de rotação.

Os pistões de liga de alumínio são igualmente melhores condutores de calor. Essa qualidade é primordial quando se trata de motores cujo regime de rotação ultrapassa as 3500 rpm.

O pistão de um motor de combustão interna funciona em condições particularmente desfavoráveis. Para regimes de rotações de 3600 rpm, ele para 120 vezes por segundo. Entre cada parada, ele atinge uma velocidade de 70 km por hora.

No momento da explosão, ele recebe um impulso de mais ou menos 20000 N (2000 kg) 30 vezes por segundo. Sua temperatura sobe a 350°C, no centro da cabeça, e cerca de 150 a 200°C na extremidade final da saia.

Em marcha, a dilatação dos pistões é grande. As folgas médias têm um diâmetro maior para os pistões de liga de alumínio devido à maior dilatação dessa liga em relação à fundição ou ao aço. Nos pistões de aço, maus condutores de calor, a temperatura eleva-se mais do que nos pistões de liga de alumínio.

Em temperatura ambiente, o pistão deve ser ajustado no seu cilindro com uma certa folga, para que, mesmo depois de ter atingido a sua temperatura de marcha, ainda deslize livremente.

As folgas de dilatação ocorridas na fabricação do pistão dependem das seguintes situações:

5 Componentes móveis dos motores II

• Do diâmetro do cilindro.

• Dos metais que compõem o pistão.

• Da forma do pistão.

• Do regime de rotação do motor.

• Do sistema de refrigeração e de sua eficácia.

• Das condições de emprego do motor.

• Do tipo de combustível.

Os pistões ou êmbolos em movimento definem seu curso pelo deslocamento máximo superior e máximo inferior: Ponto Morto Superior (PMS) e o Ponto Morto Inferior (PMI). É nessas posições que o êmbolo muda de sentido de movimento, estando no seu máximo (PMS) ou no seu mínimo (PMI), conforme Figura 2.15.

O funcionamento do motor leva a um desgaste natural progressivo dos cilindros. Esse desgaste é irregular e dá ao cilindro uma ovalização e uma conicidade. O maior desgaste verifica-se no PMS. Nesse local, a lubrificação é normalmente insuficiente, enquanto a pressão e a temperatura estão no seu máximo. No PMI, essas condições são exatamente opostas, e o desgaste é quase nulo.

O desgaste é, em grande parte, devido aos arranques ou aceleração com o motor frio. A condensação da gasolina e a insuficiência de óleo fazem com que durante os primeiros minutos de funcionamento, os pistões funcionem completamente a seco.

Em grande desgaste dos cilindros, há um consumo exagerado de óleo lubrificante e de combustível, além de depósito de sujeira nas velas ou bicos, marcha ruidosa e diminuição da potência.

Anéis de segmento

Os anéis de segmento, apresentados na Figura 2.17, são componentes montados nos pistões que trabalham em contato com as camisas. Apresentam três funções básicas como a vedação da compressão e combustão, o controle do óleo lubrificante e a transferência do calor para o sistema de arrefecimento.

A maioria dos anéis de segmento é feita de ferro fundido-cinza dada a sua excelente resistência ao desgaste em todos os diâmetros de cilindro.

Os anéis de segmento evitam ainda o vazamento dos gases e mantêm o fluxo de óleo na câmara de combustão com vazão mínima necessária para a adequada lubrificação dos anéis e do pistão.

Nos motores modernos, a vazão de óleo através dos anéis é extremamente pequena e aproxima-se de zero para motores de pequeno e médio portes. Todos os anéis participam do controle do fl uxo de óleo, mas existe um anel cuja função principal é essa: são os anéis de controle de óleo, enquanto os outros são anéis de compressão, mostrados na Figura 2.17.

Considera-se desejável para os anéis:

a) A largura da face pequena.

b) Utilização do menor número possível de anéis, para diminuir o atrito.

Bielas

São consideradas o braço de ligação entre os pistões e o eixo de manivelas; recebem o impulso dos pistões, transmitindo-o ao eixo de manivelas ou virabrequim. É importante salientar que o conjunto biela-virabrequim transforma o movimento retilíneo dos pistões em movimento rotativo do virabrequim.

As bielas são constituídas por aço-liga estampado e, por vezes, de alumínio. A tampa da biela, junto à cabeça, é fixa por parafusos de aço ou cromo-níquel tratado, o que lhe confere grande resistência. Seu formato apresenta detalhes denominados pelo pé, corpo e cabeça da biela mostrados na Figura 2.19. O pé de biela articula-se no pino de pistão por intermédio de uma bucha de bronze fosforoso chavetada.

O corpo da biela é tubular ou de seção em duplo T. As bielas inteiramente usinadas asseguram um melhor equilíbrio do motor e menores vibrações.

A cabeça de biela gira no pino por intermédio de mancais de duas partes. Os metais utilizados dependem do gênero de motores, das cargas da biela e da velocidade de rotação

Bronzinas ou casquilhos

Os casquilhos ou bronzinas são buchas bipartidas, geralmente trimetálicas, de aço-cobre-estanho, que diminuem o atrito entre o eixo e seu apoio, suportando cargas elevadas. As bronzinas possuem ressaltos para assegurar um posicionamento correto na montagem e impedir seu deslocamento lateral, bem como orifícios que permitem facilitar a lubrificação.

Virabrequim

O virabrequim é um elemento componente do sistema de força do motor, também conhecido por Eixo de Manivelas (EDM) ou Árvore de Manivelas (ADM). É considerado o eixo motor propriamente dito, o qual, na maioria das vezes, é instalado na parte inferior do bloco, recebendo ainda as bielas que lhe imprimem movimento.

As cargas aparentes de um virabrequim resultam em tensões devido à flexão, torção e cisalhamento em todo seu comprimento. A geometria complexa envolvida tornaria impossíveis cálculos precisos de tensão, ainda que as cargas fossem conhecidas com precisão.

A linha de eixo é o conjunto de munhões, pontos fixos de assentamento dos mancais de fixação no bloco, nos quais gira o virabrequim apoiado no bloco do motor (Figura 2.21). Os moentes são as partes do virabrequim onde se apoiam as bielas.

O interior do virabrequim contém ainda dutos especiais por onde circulam o óleo necessário à lubrificação dos munhões e dos moentes, apresentados na Figura 2.21.

Volante

A Figura 2.22 apresenta a posição de instalação do volante. Constituído por fundição ou de aço moldado, o volante destina-se a regularizar e equilibrar a rotação do virabrequim. No momento da explosão, o volante absorve a energia desenvolvida e a restitui nos tempos não motores. Os motores de um cilindro exigem um volante grande, enquanto os de vários cilindros são equipados com volantes tanto mais leves quanto mais elevado for o número de cilindros.

Mancais

Os mancais são utilizados para reduzir o atrito e servir de apoio às partes móveis giratórias do motor, aos moentes e aos munhões. Dividem-se em dois tipos principais: os fixos, alojados nos munhões e no bloco do motor; e os móveis, montados nos moentes e bielas. Podem ser ainda de deslizamento ou de rolamento (com roletes, esferas, agulhas).

6 Componentes Móveis Dos Motores III

O mancal, quando constituído por duas partes iguais, para facilitar a montagem, é designado por mancal de duas meias-buchas e é composto por duas partes, uma externa chamada capa e outra interna composta por metal antifricção que pode ser uma liga de estanho, de cobre e de antimônio. Essa liga permite um deslizamento muito suave, favorecendo o funcionamento silencioso do motor.

Os mancais de bronze, ou seja, liga de estanho e de cobre – são particularmente montados nos motores Diesel. A boa resistência mecânica desse material é conveniente a esse gênero de motores, cujo conjunto de biela é submetido a fortes cargas.

7 Motores

Conceito

Motor é uma máquina destinada a converter qualquer forma de energia térmica, elétrica, hidráulica, química e outras, em energia mecânica. Os motores de combustão interna realizam a transformação de energia térmica proveniente da combustão ou queima do combustível em energia mecânica. Distinguem-se aqui os dois principais tipos de motores, os que funcionam segundo a aspiração da mistura ar-combustível (Ciclo Otto) e posteriormente promovem a combustão pela queima da mistura através de uma faísca, e os motores que aspiram apenas o ar e, logo após a compressão, é pulverizado o combustível que logo promove a queima devido ao elevado calor e pressão gerados pela compressão do ar de admissão (Ciclo Diesel).

Motores de combustão externa

Apresentam para o processo de combustão o fluido de trabalho completamente separado da mistura ar/combustível, sendo o calor dos produtos da combustão transferidos através das paredes de um reservatório ou caldeira, para os motores a vapor.

Motores de combustão interna

São considerados como máquinas térmicas nas quais para o processo de combustão o fluido de trabalho é convertido em energia mecânica. Os produtos resultantes da combustão, inseridos na mistura de ar/combustível, são confinados internamente em uma câmara de combustão.

Classificação dos motores de combustão interna

Classificam-se quanto à(s) (ao):

Utilização

• Estacionários – destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como: geradores elétricos, motobombas ou outras máquinas que operam em rotação constante.

• Industriais – destinados ao acionamento de máquinas agrícolas ou de construção civil: tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação fora de estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações.

• Veiculares – destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, caminhões e ônibus, incluindo-se aeronaves.

• Marítimos – destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso naval. Conforme o tipo de serviço e o regime de trabalho da embarcação, existe uma gama de modelos com características apropriadas, conforme o uso.

Propriedade dos gases da admissão

• Ciclo Diesel – admissão de ar.

• Ciclo Otto – admissão da mistura ar-combustível.

Ignição

• Por centelha (Ignição por Centelha – ICE).

• Por compressão (Ignição por Compressão – ICO).

Movimento do pistão

• Alternativos (Ciclo Otto e Ciclo Diesel).

• Rotativo (Wankel).

Fases dos ciclos de trabalho

• Dois (2) tempos.

• Quatro (4) tempos.

Número de cilindros

• Monocilíndricos.

• Policilíndricos.

Disposição dos cilindros

• Em linha.

• Em V.

• Opostos.

• Radiais.

8 Características técnicas dos motores de combustão interna

Dados técnicos

As características ou dados técnicos são valores predeterminados no projeto dos motores, fundamentalmente os correspondentes que diferenciam o tipo de motor produzido por determinado fabricante ou caracterizam um tipo de motor produzido pelo mesmo fabricante.

No Quadro 3.1, apresentamos as especificações típicas ou dados construtivos de um motor marca International modelo HS 2.5 Turbo para ilustração desse tópico.

Os motores, como qualquer outro equipamento, sofrem desgaste e envelhecimento com o tempo e com o uso, apresentando falhas decorrentes desse processo. No caso de motores a combustão interna, podem apresentar defeitos decorrentes do desgaste durante a operação, ou mesmo pela falta de manutenção e pelos reparos inadequados.

No Quadro 3.2, apresentamos as especificações relativas à manutenção recomendada e prevista ao motor.

9 Sistemas complementares

Os sistemas complementares dos motores proporcionam as condições necessárias para que o processo de transformação da energia interna dos combustíveis em trabalho mecânico se realize de forma eficiente e contínua. Os sistemas complementares dos motores de combustão interna são:

• Sistema de alimentação de ar.

• Sistema de alimentação de combustível.

• Sistema de arrefecimento.

• Sistema de lubrificação.

• Sistema elétrico.

Sistema de alimentação de ar

O sistema de alimentação de ar é projetado para suprir o motor de ar limpo (oxigênio) em quantidade que garanta o melhor rendimento do combustível durante o processo de explosão e, consequentemente, o funcionamento do motor.

O circuito envolve a admissão do ar, filtragem, participação na combustão e exaustão ou escapamento dos gases para o meio exterior. O ar aspirado pelo motor deve obrigatoriamente passar por filtros de boa qualidade que garantam a total retenção das impurezas que acompanham esse ar.

O elemento do filtro do ar tem como função principal reter os contaminantes, como poeira, fuligem, areia e demais impurezas presentes no ar, assegurando que só o ar limpo chegue aos sistemas do motor na quantidade ideal para mistura ar/combustível, evitando desgaste nas partes móveis do motor, prolongando a sua vida útil.

Os sistemas mais utilizados pelos motores Diesel são: sistema de aspiração natural, o sistema turboalimentado e o turboalimentado com pós-arrefecimento.

Para um eficiente sistema de limpeza do ar, os filtros acoplados aos motores podem atuar com os seguintes subsistemas:

Filtro banho de óleo – as impurezas maiores (folhas, partículas maiores de terra, etc.) são retiradas no pré-purificador, sendo conduzidas, posteriormente, ao copo de sedimentação. O ar segue por um tubo até a cuba de óleo, entrando em contato com o mesmo, fazendo com que as partículas menores de poeira fiquem retidas nele.

O ar acompanhado de gotículas de óleo segue até os elementos filtrantes, os quais retêm esse óleo juntamente com partículas ainda contidas nele. Ao sair do filtro, o ar está livre de impurezas e, então, é conduzido aos cilindros pelos tubos de admissão.

Filtro seco – as impurezas são separadas por movimento inercial em um pré-purificador tipo ciclone, no qual o ar admitido adquire um movimento circular. A força centrífuga faz com que as impurezas maiores sejam depositadas num reservatório. Em seguida, o ar passa pelos elementos filtrantes, primário e secundário. O primário é confeccionado de papel e o secundário de feltro. Cerca de 99,9% das partículas sólidas em suspensão são retidas no sistema o ar, então, é conduzido ao motor. A diferença do sistema a óleo é que ele consegue alta eficiência mesmo em rotações baixas.

Os elementos filtrantes de reposição devem ser substituídos regularmente, como parte das rotinas de manutenção.

1. O ar ambiente é aspirado para dentro do filtro.

2. As partículas de impurezas são retidas à medida que o ar passa através do elemento de papel plissado.

3. O ar puro se dirige, então, para o coletor de admissão do motor.

Os filtros de ar secos geralmente são constituídos dos seguintes elementos de limpeza:

a) Elemento primário

• Fabricado em papel plissado, distribuído homogeneamente, com auto espaçamento.

• Papel microporoso tratado quimicamente, assegurando alta eficiência de filtragem, resistência mecânica e grande poder de acúmulo dos contaminantes.

b) Elemento secundário ou de segurança

• Assegura a filtração em eventual dano ao elemento primário.

• Protege o coletor de ar do motor no momento da manutenção.

c) Tela expandida

• O elemento filtrante é protegido por estrutura de tela de aço expandida o que proporciona maior área de utilização do papel filtrante.

No sistema de aspiração natural ou convencional mostrado na Figura 4.7, o ar é admitido dentro do cilindro pela diferença de pressão atmosférica, passando pelos filtros e, através do coletor de admissão, alcança a câmara de combustão. Após a combustão, em forma de gás, ele é empurrado ou forçado pelo pistão a sair pelo coletor de escapamento e, posteriormente, ao meio ambiente.

No sistema de aspiração turbinado ou turboalimentado, mostrado na Figura 4.8, o ar é forçado pelo turbocompressor ou turbo alimentador a passar pelo processo de filtragem através da turbina de ar, sendo remetido com pressão para a câmara de combustão. Após a combustão em forma de gás, ele aciona a turbina também a gás e é direcionado ao coletor de escapamento e, posteriormente, ao meio ambiente. Neste sistema, existe um indicador de restrição quanto à qualidade do ar na entrada do sistema.

10 Tipo de alimentação de ar – turbocompressor I

Nos motores superalimentados, o ar é introduzido nos cilindros por intermédio de um compressor centrífugo movido por uma turbina. A superalimentação consiste em substituir a admissão automática por efeito da pressão atmosférica, por uma admissão forçada, de modo a assegurar o enchimento dos cilindros sob pressão mais elevada. Dessa forma, a superalimentação apresenta as seguintes vantagens:

a) Devido ao aumento da quantidade de ar introduzido nos cilindros, é possível injetar mais combustível, o qual pode levar a um incremento da potência e do torque de até 30%.

b) Favorece a homogeneidade da mistura, devido à forte agitação provocada pela maior pressão e velocidade do ar admitido na câmara de combustão, melhorando, assim, o rendimento da combustão.

A velocidade de rotação máxima de um turbo alimentador se verifica na velocidade de rotação do motor a plena carga.

Uma turbina, acionada pelo fluxo de gases do escapamento, comprime o ar de admissão.

Aftercooler (intercooler) ou pós-arrefecimento

O ar comprimido sai da carcaça do compressor muito quente, em razão dos efeitos da compressão e do atrito que enfrenta. O calor provoca a expansão dos fluidos diminuindo sua densidade, tornando-se necessário um sistema que resfrie o ar antes de ser recebido pelas câmaras de combustão do motor.

O aftercooler arrefece o ar na saída do turbocompressor, antes de o mesmo entrar nos cilindros. Assim, o ar admitido se torna mais denso. O turbocompressor comprime o ar de admissão e, ao mesmo tempo, aquece-o. O ar quente se expande com relação ao ar frio.

O rendimento de abastecimento dos cilindros será tão maior quanto mais frio estiver o ar de admissão. O resfriamento do ar na saída do turbocompressor, influi também sobre as emissões nocivas do motor ao meio ambiente.

Turbo compressor equipado com válvula de alívio wastegate

Com o desenvolvimento de turbinas para gerar maior pressão em baixas rotações, surgiu a necessidade de uma válvula de alívio em rotações elevadas. Ela apresenta a função de ajudar o controle da rotação da turbina (enchimento de ar), aliviando o excesso de pressão de escape pela carcaça da turbina.

A válvula wastegate alivia a pressão da turbina, apresentando também as seguintes vantagens:

• Maior torque a baixas rotações.

• Menor temperatura de trabalho.

• Menor índice de emissão de poluentes.

Sistema de alimentação de combustível

O sistema de alimentação de combustível é responsável pela garantia de abastecimento de combustível nos motores, através de seus componentes. Para motores de ciclo Diesel, injetando nos cilindros no momento exato, na quantidade certa, com pressão recomendada e isento de impurezas o combustível. Nos motores de ciclo Otto, a mistura (ar + combustível) é introduzida na câmara de combustão.

O sistema de alimentação de combustível para motores do ciclo Diesel, mostrados na Figura 4.15, é constituído pelo reservatório de combustível, tubulação de baixa e alta pressão, tubulação de retorno, bomba alimentadora de combustível, filtros, bomba injetora, bicos injetores, dispositivo de avanço, regulador de rotações, etc.

Circuito do combustível – ciclo Diesel

O combustível é sugado do reservatório ou tanque através da bomba alimentadora e pressionado nos filtros até a bomba injetora. Para isso, deve ser isento de impurezas e umidade. Ao passar pela bomba injetora, esta o envia sob alta pressão, para cada um dos cilindros, no momento exato de injeção. Para garantir o perfeito funcionamento do cilindro, o sistema sempre envia uma quantidade maior de combustível, o que garante a pressão do circuito primário, retornando o excesso ao reservatório (Figura 4.16) pela tubulação de retorno.

A manutenção da limpeza periódica e o abastecimento total, mantendo o reservatório sempre cheio, evita a sucção de impurezas menos densas presentes na superfície do líquido e a entrada de vapor de água ou umidade presente no ar ambiente, que é condensado durante a noite quando ocorrem menores temperaturas.

Filtros de combustível – são dotados de elementos filtrantes descartáveis e devem reter o máximo possível de impurezas, sem obstruir nem oferecer resistência ao fluxo. Dependendo do tipo de motor, para melhorar a eficiência na filtragem, utilizam-se dois filtros em série, mostrados na Figura 4.17.

Bomba de alimentação de combustível

Normalmente, são utilizadas bombas de êmbolo na função de bomba de alimentação de combustível. A bomba de alimentação está diretamente acoplada à bomba injetora, a qual também é acionada pelo excêntrico do eixo de cames. Sua função consiste em aspirar o combustível do reservatório e transportá-lo através de um filtro até a bomba injetora.

Bomba injetora

A bomba injetora também é um conjunto mecânico complexo cuja função é injetar o combustível no momento e na quantidade exatos para o funcionamento do motor em qualquer rotação ou carga de trabalho. Os tipos mais usuais de bombas injetoras, em função das especificações operacionais dos motores, podem ser bomba injetora em linha, apresentada na Figura 4.19, as quais possuem um elemento de bombeamento formado de um cilindro e um pistão para cada cilindro do motor. O curso do pistão não é variável. Por isso, para que seja possível a modificação do volume de injeção do combustível, são usinadas bordas de controle nos pistões da bomba. O curso desejado é obtido através da regulagem realizada por uma haste móvel.

A quantidade requerida de combustível em altas rotações não é compatível com o tempo de injeção. Para que a quantidade exata seja entregue, a injeção se inicia adiantada a fim de dar tempo suficiente para formar a mistura ar-combustível. Por esse motivo é que são adotados avanços automáticos.

O dispositivo de avanço automático é um conjunto que permite avançar o ponto de inspeção quando o motor atinge alto giro, compensando o atraso da queima. Para fazer essa variação, ele aproveita a força centrífuga criada por dois pesos montados na engrenagem de acionamento da bomba injetora ou acoplamento de avanço.

Montado na parte frontal da bomba injetora no eixo excêntrico ou na árvore de comando do motor, movido pela engrenagem da árvore de manivelas (virabrequim), o avanço automático é dotado de contrapesos que atuam por intermédio da força centrífuga de modo gradual, dependendo da rotação em que se encontra o motor, sendo que o maior ângulo de avanço é alçando geralmente na máxima rotação do motor.

Os contrapesos (1) vencem a força das molas que transmitem o movimento angular para o eixo torcional (2), apresentado na Figura 4.20 que, por conseguinte, o move no sentido contrário de giro da árvore de comando, proporcionando o avanço necessário.

As bombas injetoras rotativas, Figura 4.22, caracterizam-se por possuir apenas um elemento de bombeamento para todos os cilindros. A elevação de ressaltos na parte inferior do disco de comando da bomba rola sobre os roletes do anel, provocando o movimento do curso. Uma série de componentes de adequação e regulagem automática permite o processamento mecânico de outras informações para o controle do débito, avanço, regulagem de rotação e partida.

As bombas rotativas ou distribuidoras são bombas que têm requerimentos de tolerância e especificação estritas demais para que seja possível se obterem as características de injeção desejadas.

O desenho, o conceito e a aparência são totalmente diferentes das conhecidas bombas em linha. Isso ocorre, principalmente, porque utiliza somente um pistão para os diversos cilindros do motor e, através de um só orifício, faz o controle da injeção em cada cilindro. São aplicadas aos motores menores, até 4 cilindros.

11 Tipo De Alimentação De Ar – Turbocompressor II

O conjunto de pistões é movido por um eixo excêntrico que é acionado pelo motor. O retorno dos pistões se dá por meio de molas. Os ressaltos do eixo excêntrico se movem contra a força das molas, forçando o movimento ascendente dos pistões-bomba. Desse modo, ocorre a elevação de pressão dentro da tubulação de combustível, fazendo com que vença a pressão do combustível e vença a força da mola de ajuste da pressão de abertura dos bicos injetores, pulverizando ou atomizando o combustível dentro da câmara de combustão.

Tubulação de alta pressão

Os tubos de alta pressão são calibrados para conduzir o combustível da bomba injetora aos bicos injetores. Esses tubos apresentam paredes espessas para suportar as altas pressões promovidas pelo sistema de injeção.

Combustão em motores e estequiometria

De maneira geral, define-se combustão como uma reação química entre duas substâncias chamadas combustível e comburente, que ocorre em alta velocidade e alta temperatura, onde se dá uma intensa liberação de calor com a emissão simultânea de luz, na maioria das vezes, dependendo, entre outros fatores, do tipo de combustível. Normalmente, o comburente utilizado é o oxigênio do ar atmosférico.

Na prática, costuma-se fazer distinção entre duas formas básicas de reação de combustão. Diz-se que a combustão é completa quando o combustível queima em sua totalidade, ou seja, os reagentes são levados ao seu grau de oxidação máxima durante a formação de um produto final.

Nos motores de combustão interna, a diferença fundamental entre a Ignição por Centelha (ICE) e a Ignição por Compressão (ICO) não faz referência sobre o tipo de combustão que ocorre e sobre como esse processo é idealizado nos ciclos Otto e Diesel respectivamente.

O processo de combustão não ocorre em um volume constante (Otto) e nem à pressão constante (Diesel). A diferença entre os dois processos de combustão é que os motores com ignição por centelha normalmente possuem seus reagentes pré-misturados, enquanto nas máquinas de ignição por compressão, os reagentes são misturados já na combustão.

Com a combustão de reagentes pré-misturados, a mistura ar/combustível deve ser sempre estequiométrica (quimicamente correta) para uma ignição e combustão correta. Para o controle da potência de saída dos motores ICE é regulada reduzindo-se a massa de combustível e/ou ar na câmara, reduzindo a eficiência do ciclo. Ao contrário, para motores ICO, onde ocorre a injeção do combustível, a mistura somente é estequiométrica na frente de chama. A saída de potência pode, então, ser controlada pela variação do controle da quantidade de combustível injetado. Isso colabora para economia de combustível superior.

A combustão nos motores de ciclo Diesel, ocorre pelo processo de injeção, onde o gás de combustão aspirado ou induzido sob pressão é comprimido a elevadas temperaturas (500 a 600ºC) que promove a autoignição. A combustão não ocorre de maneira uniforme. A injeção acontece durante o deslocamento do pistão ao PMS, no tempo de compressão. A uniformidade ou uma melhor condição de combustão somente acontece quando a mistura entre o combustível e o ar se apresenta em quantidades e temperaturas ideais.

O ponto crítico mais importante é a formação da mistura mediante a injeção do combustível diretamente antes e durante a autoignição e combustão na carga de ar fortemente comprimida. Nas relações de injeção, o elemento injetor é a peça pela qual o combustível chega até a câmara de combustão. Com pequenos orifícios calibrados, pulveriza ou atomiza o combustível para facilitar o processo de combustão. A direção e o ângulo formado pelos jatos são determinados pela posição dos orifícios do injetor.

Nas Figuras 4.25 e 4.26, apresentam-se os tipos de bico injetor com suas peculiaridades.

Injeção direta – Sistema Common Rail – CRS

As crescentes exigências de redução de consumo de combustível, tendo em vista menores índices de poluição e funcionamento mais silencioso dos motores Diesel, não são garantidos nos processos de injeção mecânica. No sistema de injeção eletrônica, a geração de pressão e a injeção de combustível são separadas, o que signifi ca que a bomba gera a alta pressão que está disponível para todos os injetores através de um tubo distribuidor comum. Essa pressão pode ser controlada independentemente da rotação do motor. A pressão do combustível, início e fi m da injeção, são precisamente calculados pela unidade de comando a partir de informações obtidas dos diversos sensores instalados no motor, o que proporciona excelente desempenho, baixo ruído e mínima emissão de gases poluentes.

A injeção direta Common Rail (CRS) comparada à injeção direta mecânica convencional é um método mais moderno. O combustível é armazenado num acumulador, chamado Rail, sob alta pressão de combustível. Assim, a pressão de injeção já está pronta, à disposição, ao iniciar a injeção. Além disso, a injeção é efetuada de forma seletiva por cilindro e pode ser livremente confi gurada à perfeição, também visando a pré-injeção.

As vantagens mais importantes da injeção eletrônica Common Rail são relativas ao ruído de funcionamento do motor. Devido à pré-injeção, é menos dura do que na injeção tradicional, e o rendimento é nitidamente mais alto que na injeção em antecâmara (injeção indireta). Com isso, produz-se também uma maior rentabilidade, assim como uma carga menor de material poluente no meio ambiente.

Motores Diesel com sistemas Common Rail satisfazem as normas de emissão dos gases de escape atualmente em vigor e têm, também, o potencial para satisfazer normas futuras.

Esse sistema possui, comparativamente, poucas peças móveis, porque todos os processos de comando e regulação ocorrem de forma eletrônica. Isso prolonga a vida útil do sistema.

Os motores com gerenciamento eletrônico visam, sobretudo, alcançar níveis menores de emissão de poluentes, atendendo às leis nacionais e internacionais de preservação ambiental; mecânica mais simples, aliando os benefícios da nova tecnologia de controle de injeção, com redução de custos.

Os motores com gerenciamento eletrônico funcionam com um sistema de alimentação de combustível controlado eletronicamente.

O mecanismo básico de injeção é conhecido como sistema bomba-tubo-bico e consiste numa unidade injetora por cilindro, interligada ao bico injetor, através de uma pequena tubulação de alta pressão (Figura 4.30). Os elementos alojados na unidade injetora-injetor, câmaras de pressão, descarga de combustível, válvula de controle de vazão e eletroímã de acionamento – são responsáveis pelo aumento da pressão e controle do volume de injeção de combustível que é conduzido ao bico e distribuído, de forma atomizada, na câmara de combustão.

Tecnologia tricombustível

A tecnologia flex fuel, que permite um motor operar com dois tipos de combustível (álcool e gasolina), equipa grande parte dos veículos brasileiros lan- çados recentemente. Entretanto, nova tecnologia está surgindo: o sistema tricombustível que associa o conceito flex fuel ao gás natural veicular (GNV).

A principal vantagem do sistema tricombustível é sua versatilidade: pode-se escolher pelo uso de três combustíveis diferentes. Outro ponto importante está na economia proporcionada pelo sistema a gás. Motores movidos a gás gasta, por quilômetro rodado, 60% a menos do que um a gasolina e 45% a menos do que um a álcool.

Diferentemente do flex fuel, que possibilita a mistura de dois combustíveis, o sistema tricombustível pode funcionar de quatro formas: alimentado só por gás natural, só por álcool, só por gasolina ou por uma mistura de álcool/gasolina. É o condutor quem escolhe o tipo de combustível: a partir de uma tecla no painel, ele faz a opção por um dois sistemas (gás ou gasolina/álcool).

Outra vantagem do sistema tricombustível está em sua maior autonomia em relação aos sistemas atuais. Por estar equipado com dois tanques de combustível, um para gás e outro para álcool/gasolina, ele permite que o automóvel rode uma distância maior, sem que haja necessidade de abastecimento. Além disso, em caso de o gás acabar, o sistema faz automaticamente a mudança para a alimentação álcool/combustível – passando a funcionar como um veículo flex fuel normal. O contrário também acontece: se o combustível líquido acabar, o gás natural é acionado.

A perda de rendimento da gasolina para o gás natural veicular se explica, principalmente, pela incompatibilidade entre taxa de compressão e octanagem dos dois combustíveis. Se aplicar turbocompressor no motor a turbina, consegue-se quase anular esse problema de perda de potência, porém encarece o produto. Além disso, o sistema tricombustível avaliado tem como um dos seus principais benefícios potencializar a diminuição de emissão de poluentes na atmosfera – pois quando comparado à gasolina, o GNV apresenta menor emissão de hidrocarbonetos (HC), monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio (NO), além de reduzir a emissão de dióxido de carbono (CO2) responsável pelo efeito estufa em aproximadamente 25%.

12 Sistema de arrefecimento I

O Sistema de arrefecimento tem por objetivo impedir que os elementos mecânicos do motor atinjam uma temperatura muito elevada ao contato com os gases da combustão, ou seja, controlar a temperatura ideal dentro da faixa de operação do motor.

Os processos de transmissão de calor ocorrem em função das leis da termodinâ- mica, ciência a qual define as transformações do calor e do trabalho mecânico e o estudo das leis às quais obedecem os gases durante suas evoluções desde sua entrada no cilindro até sua saída para a atmosfera. Especificamente no caso dos motores de combustão interna, os gases são comprimidos, queimados, dilatados e expandidos sob o efeito da temperatura ou de um trabalho mecânico.

Para os motores ditos térmicos que transformam a energia calorífica dos combustíveis ou carburantes em energia mecânica absorvida pela árvore de manivelas, esta transformação é obtida pela mudança de estado, vaporização; de volume, compressão; de temperatura, combustão. Para tanto, os processos de transmissão de calor podem ser:

a) Condução – é o processo de transferência de calor por meio de movimento molecular através dos sólidos e dos fluidos em repouso. Esse é o mecanismo pelo qual o calor flui através da estrutura do motor.

Onde: T1 e T2 – gradiente de temperatura q”– taxa de transferência de calor

b) Radiação – é o processo de transmissão de calor através do espaço. Ele tem lugar não apenas no vácuo, mas, também, através de sólidos e fluidos transparentes aos comprimentos de onda na faixa espectral visível e infravermelha. Uma pequena parte do calor transmitido para as paredes dos cilindros pelos gases quentes flui por esse processo.

Onde: T1 e T2 – gradiente de temperatura

c) Convecção – é o processo de transmissão de calor através dos fluidos em movimento, e entre um fluido e uma superfície sólida com movimento relativo. Esse tipo de transmissão de calor envolve a condução e o movimento do fluido.

• Convecção natural – é a expressão usada quando o movimento do fluido se dá devido às diferenças de densidade em um campo gravitacional.

• Convecção forçada – é a expressão usada para indicar o processo de transmissão de calor entre o fluido e uma superfície sólida com movimento relativo, quando ele é provocado por forças que não decorrem da gravidade. A maior quantidade de calor que flui entre o fluido de trabalho e as peças do motor, e entre estas e o fluido de refrigeração é transmitida por este processo.

Onde: TS e T∞ – gradiente de temperatura q” – taxa de transferência de calo

A manutenção da temperatura ideal de trabalho evita o desgaste, detonação da mistura. As folgas adequadas e a viscosidade do lubrificante são responsabilidade do sistema de refrigeração.

A perda de calor do sistema durante os cursos de compressão e expansão contribui para redução em potência e eficiência, até cerca de 10% da potência e da eficiência do ciclo equivalente de ar/combustível.

Um motor moderno, em geral, aproveita aproximadamente 30% da energia do combustível para seu movimento. Os demais 70% são eliminados pelo calor. Esses valores podem variar em função de o motor apresentar uma versão equipada ou não com turbo alimentador e ar pós-arrefecido. Na Figura 4.34 apresentamos o circuito do sistema de arrefecimento de um motor.

Além do calor transmitido do fluido de trabalho durante os cursos de compressão e expansão, uma parcela ponderável é transmitida para a estrutura do cilindro e, consequentemente, para o meio refrigerante, durante o processo de descarga, além do atrito provocado pelo pistão que também constitui uma fonte de fluxo de calor. Assim, o fluxo total de calor no sistema de refrigeração é muito maior do que o fluxo de calor dos gases durante o ciclo de trabalho.

O sistema de arrefecimento é o responsável pela troca de calor do motor com o meio ambiente, regulando sua temperatura de trabalho, conforme a Figura 4.35. O calor é transmitido ao fluido de arrefecimento que circula no bloco e cabeçote do motor e, posteriormente, dissipado para o ambiente ao passar pelo radiador.

Um bom sistema de arrefecimento garante trabalho motor na faixa ideal de funcionamento, permitindo maior vida aos componentes internos e reduzindo consumo de combustível.

O processo de refrigeração envolve o fluxo de calor dos gases, sempre que a temperatura destes excede à da parede do cilindro. O atrito gerado pelas partes móveis do motor também é uma fonte geradora do fluxo de calor para as diversas partes do motor. O atrito mecânico eleva a temperatura do lubrificante e das partes envolvidas, resultando em fluxo de calor para as partes vizinhas ao resfriador e de lá para o fluido refrigerante.

As perdas de calor, direta e por atrito, reduzem a potência disponível e a eficiência do motor. O estudo das perdas de calor no motor é importante não apenas do ponto de vista da eficiência, mas também para o projeto do sistema de refrigeração e, talvez, por uma razão ainda mais forte como o entendimento do efeito do fluxo de calor sobre as temperaturas de operação dos componentes do motor.

Os motores de combustão transformam em trabalho útil, somente uma pequena parte (35%) da energia total liberada pela queima do combustível (Figura 4.35).

Os gases quentes da combustão aquecem, principalmente, o bloco do motor e saem em parte sem ser aproveitados pelo coletor de escapamento. O excesso de calor gerado pela queima do combustível no interior do motor é levado para o radiador pelo líquido do sistema de arrefecimento.

O sistema de arrefecimento tem como função garantir que a temperatura de serviço no interior do motor nunca ultrapasse um valor predeterminado, a fim de evitar o superaquecimento das peças e dos lubrificantes.

Tipos de subsistemas de refrigeração

Existem dois tipos comuns de subsistemas de arrefecimento: o “arrefecimento a ar” e o “arrefecimento a água”: bombeia-se um agente refrigerador líquido através do circuito de arrefecimento do bloco do motor. Existem alguns motores com arrefecimento direto ou arrefecimento forçado a ar. Nesses motores, o calor é expelido diretamente do motor pelo ar que o circunda. Se, por algum motivo, acontecer uma falha no sistema de arrefecimento do motor, ocorrerá um superaquecimento e, com isso, as peças do motor se dilatarão excessivamente, causando vários tipos de anomalias, principalmente o desgaste excessivo com maior rapidez.

Sabemos que os elementos naturais, ar e água, são excelentes dissipadores de calor e que com mecanismos simples e econômicos esses elementos conseguem trocar o calor com o meio exterior com facilidade.

Arrefecimento a ar

Esse método apresenta uma grande simplicidade de execução e de manutenção. Os cilindros do motor (às vezes, também, o cárter) possuem aletas que aumentam a superfície de contato com o ar, permitindo melhor troca de calor com o meio.

Nos sistemas de ventilação natural, é o deslocamento do veículo que provoca a circulação de ar em volta dos cilindros, como nas motocicletas, por exemplo. A eficácia da refrigeração depende, portanto, da velocidade de deslocamento do veículo, será suficiente para velocidades normais e altas, porém, insuficiente quando o veiculo estiver parado ou a plena potência.

Os sistemas de ventilação forçada são compostos por um ventilador ou por uma turbina acionada pelo motor. Essa solução é necessária sempre que os cilindros do motor localizam-se no interior do veículo. O ar recalcado pelo ventilador é conduzido por tubulações até às proximidades dos cilindros e dos cabeçotes. Em seguida, o ar sai para a atmosfera.

A ventilação forçada permite uma refrigeração suficiente em todas as condições de funcionamento do motor. Contudo, em condições climáticas desfavoráveis (frio), a ventilação é excessiva, e a refrigeração tende a levar o motor a funcionar a uma temperatura muito baixa. Corrige-se esse defeito pelo emprego de um obturador que limita a quantidade de ar aspirado. Este obturador pode ser acionado por um comando manual ou por um dispositivo termostático situado na corrente de ar quente que sai do motor.

O comando por termostato é automático, sendo colocado de modo a ser atingido pelo ar quente que vem dos cilindros. O calor provoca a dilatação do termostato que, por um comando mecânico, abre o obturador situado à entrada do ventilador.

13 Sistema de arrefecimento II

Para controlar a temperatura de funcionamento de um motor de refrigeração a ar, coloca-se um termostato sobre o cárter ou no óleo de lubrificação.

De um modo geral, a refrigeração a ar faz com que o motor funcione a temperaturas muito variáveis. A ajustagem dos pistões, segmentos e válvulas exige folgas de dilatação suficientes e um óleo lubrificante de excelente qualidade.

Arrefecimento a água

A água é utilizada como condutor de calor entre o motor e o ar atmosférico. O forte calor específi co da água permite obter uma excelente refrigeração pelo simples contato com o exterior dos cilindros e do cabeçote. Desse fato, resulta uma maior estabilização da temperatura do motor e, consequentemente, condições de funcionamento mais regulares.

O arrefecimento a água compreende os seguintes elementos básicos:

• Bomba centrífuga de baixa pressão e alta vazão que recalca a água do radiador para o bloco do motor.

• Válvula termostática que atua como um dispositivo automático que permite normalizar rapidamente a temperatura do motor e a estabilização ideal de funcionamento do motor.

• Radiador cujo elemento de refrigeração tem a forma de um favo, tubular ou com tiras; a parte superior do radiador possui sempre uma saída de segurança chamada “registro”. Essa saída limita a pressão na circulação quando, por aquecimento, o volume do líquido aumenta.

• Ventilador, que se destina a provocar uma intensa circulação de ar através do elemento de refrigeração do radiador.

• Câmara de água em volta dos cilindros, dos assentos das válvulas e dos cabeçotes. Essa câmara possui na sua parte inferior uma entrada de água fria e na parte superior uma saída de água quente; frequentemente, coloca-se um bujão de esvaziamento no local mais baixo da câmara de água.

Costuma-se colocar o ventilador e a bomba (Figura 4.37) sobre o mesmo eixo, a meia altura do sistema de refrigeração. Portanto, a bomba atua apenas como acelerador de circulação.

A tendência natural de circulação da água chamada de efeito termossifão, ocorre naturalmente. Quando é aquecida, fica mais leve e por si só procura o ponto mais alto do motor, subindo do bloco para o cabeçote, e em seguida, para o radiador (trocador de calor) por meio das mangueiras.

A bomba d’água é responsável pelo auxílio nesta circulação de água em todo o sistema de arrefecimento do motor. Seu acionamento é realizado pela árvore de manivelas por intermédio de correia ou engrenagens.

Sistema de circulação forçada – por bomba

A circulação por bomba é mais rápida, resultando numa menor diferença de temperatura nas extremidades do radiador e menos riscos de congelamento no inverno. Contudo, quando se aciona o motor, a água fria entra imediatamente em circulação, e o aquecimento do motor é mais lento.

A utilização, nesse caso, de um termostato ou de válvula termostática, freia e até interrompe a circulação de água, se a sua temperatura não for superior a 80ºC. O termostato é, frequentemente, completado por uma passagem auxiliar que, no caso de estar fechado, permite que a água que sai do motor volte ao bloco de cilindros sem ter que passar pelo radiador. Assim, o aquecimento do motor é acelerado.

Em um motor de combustão interna, a refrigeração a água mantém uma temperatura de funcionamento mais regular que a refrigeração a ar. A temperatura das paredes do cilindro não ultrapassa a 120ºC.

Válvula termostática

A válvula termostática é um dispositivo automático, que tem a função de normalizar rapidamente a temperatura do motor e permitir a sua estabilização ideal durante todo o tempo de funcionamento, independentemente da carga do motor ou de fatores externos.

Quando a água do arrefecimento está fria, a válvula termostática impede sua circulação pela colmeia do radiador, permitindo somente sua circulação pelo interior do bloco e cabeçote do motor através da passagem de derivação para a bomba d’água, conforme apresenta a Figura 4.39.

Antes, porém, de a água de arrefecimento atingir a temperatura ideal, a válvula termostática permanece semiaberta, permitindo a passagem da água para o radiador e, ao mesmo tempo, diretamente para o bloco através da passagem de derivação para a bomba d’água, evitando-se dessa forma que aconteça um choque térmico no bloco do motor.

Atingida a temperatura normal de funcionamento para o motor, a válvula termostática abre a passagem para o radiador e fecha a passagem de derivação para a bomba d’água (Figura 4.40). Esta abertura se processa gradativamente, bem como o fechamento da derivação, evitando com isso variações bruscas de temperatura.

Verificação de funcionamento – o procedimento de ensaio das condições funcionais da válvula termostática consiste em submetê-la a banho com água aquecida, observando-se que para diferentes valores de temperatura a válvula abre ou fecha seu registro, conforme mostra a Figura 4.41.

Radiador

É o reservatório do fluido de arrefecimento, composto de aletas, conhecidas por colmeias, que formam uma grande superfície de dissipação do calor (Figura 4.42).

Outros elementos importantes do subsistema de arrefecimento é o tanque de expansão que atua como um reservatório incorporado ao sistema de arrefecimento cuja finalidade é de receber o volume de água proveniente da expansão pelo aquecimento e de reintegrar este fluido ao sistema, quando da contração do volume pelo seu resfriamento. A tampa do radiador, a qual tem a função de pressurizar a água do sistema de arrefecimento para:

• Retardar o ponto de ebulição (ponto de fervura).

• Reduzir as perdas pela evaporação.

• Evitar o fenômeno da cavitação.

A tampa do radiador possui dois elementos de válvulas. Um maior e outro menor: o maior limita a pressão formada pelo aquecimento da água, e o menor localizado no centro da tampa, limita a depressão que se forma com o esfriamento da água (exemplo: uma parada prolongada do motor após um período de funcionamento).

As Figuras 4.44 e 4.45 apresentam o esquema de circulação do fluido de arrefecimento nas condições de temperatura do motor e os elementos funcionais que operam o sistema nas duas tarefas as quais a válvula termostática se propõe.

1ª tarefa – inicia-se com o funcionamento do motor, quando a válvula termostática encontra-se fechada, na condição de motor frio.

2ª tarefa – quando a válvula termostática encontra-se aberta, promovendo a refrigeração do motor em operação.

14 Sistema De Arrefecimento III

Ventilador

É um componente importante que faz parte do radiador. Sua atuação é de manter o fl uxo de ar em forma espiral, forçando a passagem desse ar impulsionado pelas pás através das aletas do radiador, acelerando o processo de troca de calor. O acionamento pode ser através de polia e correia com sincronismo do virabrequim ou motor elétrico independente.

Anticongelantes

Para evitar que no inverno a água congele, junta-se a ela álcool ou glicerina pura. O álcool dilui-se facilmente; a mistura permanece homogênea, mas como o álcool se evapora mais facilmente que a água, deve-se verificar a sua proporção periodicamente.

A resistência ao frio depende da quantidade de álcool ou de glicerina que se adiciona à água.

O acionamento de um motor cuja temperatura está baixa, próxima de 0ºC, apresenta certas dificuldades e alguns perigos. Se não houver lubrificação, o metal mais frágil poderá sofrer, sob o efeito de choques, um começo de ruptura pelo atrito frio (molas de válvulas, etc.).

Sistema de lubrificação

As peças móveis do motor submetidas ao atrito geram calor e desgastes, necessitando continuamente de lubrificantes entre as superfícies de contato. O calor e desgaste gerados provocam temperaturas elevadas que podem fundir as peças uma nas outras.

A primeira função dos lubrificantes, os óleos minerais ou sintéticos, é o de lubrificar esses componentes, ou seja, manter uma película de óleo lubrificante entre essas peças para dissipar o calor, vedar, limpar, reduzir o ruído do motor e remover as partículas geradas pelo desgaste nos locais de atrito, mantendo-as em suspensão.

Em função das exigências dos óleos lubrificantes, bem como seus incrementos determina-se o período de troca, pois cada vez mais são utilizados óleos sintéticos ou semissintéticos e de aditivação.

Os aditivos são classificados de acordo com as funções que desempenham:

• Antioxidantes – agem quimicamente com o oxigênio, evitando a oxidação dos metais.

• Detergentes – reduzem a formação de placas e depósitos.

• Dispersantes – impedem a aglomeração de borras.

• Viscosidades maiores – proporcionam menor sensibilidade às mudanças de temperatura.

• Inibidores da corrosão ou anticorrosivos – reduzem o desenvolvimento de substâncias ácidas.

• Antiespumantes – reduzem a espessura das bolhas de espuma, eliminando-as.

• Modificadores de fricção ou anti desgastantes – formam uma camada de proteção nas superfícies metálicas.

O sistema de lubrifi cação é composto por uma bomba que succiona o óleo do reservatório, pelo cárter, através do elemento pescador que o bombeia para a galeria principal do motor. Em motores turboalimentados, o óleo passa pelo trocador de calor onde é resfriado e direcionado aos fi ltros. Após a passagem pelos elementos fi ltrantes é encaminhado às demais partes do motor: mancais, cabeçote, balancins, etc.

A bomba de óleo do motor faz circular sob pressão o óleo lubrificante, levando-o para todos os pontos que requerem lubrificação, através de galerias existentes no bloco e cabeçote do motor. Os cilindros são lubrifi cados pelo óleo que extravasa dos colos das bielas e mancais. As hastes das válvulas, as articulações esféricas das varetas de acionamento dos balancins, os tuchos, as engrenagens da distribuição também são lubrificados pelo óleo vazado dos mancais, os quais são lubrificados sob pressão.

O sistema de lubrificação insere o lubrificante entre as partes metálicas móveis do motor, para diminuir o atrito e dilatações excessivas entre elas.

A lubrifi cação protege os componentes contra corrosão e melhora a vedação entre os pistões e os cilindros, além de refrigerar as superfícies em contato.

Todo óleo destinado à lubrifi cação do motor é forçado a passar por um sistema de fi ltragem no qual são retidas as partículas existentes. Em casos de obstrução do elemento fi ltrante do tipo cartucho de papel especial, uma válvula de segurança intercalada no circuito abre-se e permite a passagem do óleo para lubrifi car o motor, porém com óleo não fi ltrado.

O filtro de óleo é posicionado após a saída da bomba de óleo, para que as impurezas sejam retidas pelo elemento filtrante antes da passagem do óleo lubrificante para o motor.