Os Motores em Engenharia Mecânica MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica 2014/2015 Relatório Projeto FEUP-Turma 1M06 Supervisor: Teresa Duarte Monitor: José Sarilho Trabalho realizado por: Eduardo Miranda Moreira da Silva João Diogo de Oliveira Dias Boavida Barroso Marco Samuel Carvalho Ribeiro Sara Alves Baía dos Santos
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Os Motores em Engenharia Mecânica
MOTORES DE
COMBUSTÃO
INTERNA Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica 2014/2015
Relatório Projeto FEUP-Turma 1M06
Supervisor: Teresa Duarte
Monitor: José Sarilho
Trabalho realizado por:
Eduardo Miranda Moreira da Silva
João Diogo de Oliveira Dias Boavida Barroso
Marco Samuel Carvalho Ribeiro
Sara Alves Baía dos Santos
2 Projeto FEUP
Os Motores em Engenharia Mecânica
RESUMO
Este trabalho de carácter obrigatório é realizado no âmbito da Unidade
Curricular Projeto FEUP, que visa desenvolver as capacidades de trabalho em grupo, as
capacidades de pesquisa e de organização, e também promover aos alunos um
conhecimento da FEUP e dos seus serviços. Foi dado como tema Os Motores na
Engenharia Mecânica e pedido a realização de um relatório e um poster. Por opção do
grupo o subtema escolhido foi: Motores de Combustão Interna, pois são dos motores
mais utilizados e possuem uma grande importância.
Ao longo do relatório vão ser abordados vários aspetos dentro dos quais: uma
breve exposição da história evolutiva destes motores, a sua constituição e
funcionamento, como também, os vários tipos de motor incluído a distinção entre
motores de 4 tempos e 2 tempos dependendo do tipo de combustível, os seus ciclos e
por fim será feita uma referência ao motor Wankle.
8.1.Referências bibliográficas relativamente a imagens ........................................................ 20
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1.INTRODUÇÃO
Motor é um aparelho que transforma outras formas de energia em energia
mecânica, de modo a imprimir movimento a uma máquina ou veiculo. De entre os vários
tipos de motores existentes, vai-se aprofundar os motores de combustão interna.
O motor de combustão interna é uma máquina que transforma energia térmica
em energia mecânica. Este processo de conversão dá-se através de ciclos que envolvem
expansão, compressão e mudança de temperatura de gases.
Nos motores de combustão interna, o combustível é queimado no interior do
cilindro motor, ‘’utilizando os próprios gases de combustão como fluido de trabalho’’.
Estes motores são baseados no princípio de que os gases se expandem quando
aquecidos. Controlando-se essa expansão dos gases, pode-se obter pressão, a qual será
utilizada para movimentar algum órgão da máquina, tendo-se assim a transformação da
energia calorífera do combustível em energia mecânica no órgão motor da máquina. Os
motores a metano, a gasóleo e a gasolina são alguns exemplos deste tipo de motor.
‘’Os motores de combustão interna também são popularmente chamados de
motores a explosão. Esta denominação, apesar de frequente, não é tecnicamente
correta. De fato, o que ocorre no interior das câmaras de combustão não é uma explosão
de gases. O que impulsiona os pistões é o aumento da pressão interna da câmara,
decorrente da combustão (queima controlada com frente de chama). O que pode-se
chamar de explosão (queima descontrolada sem frente de chama definida) é uma
detonação dos gases, que deve ser evitada nos motores de combustão interna, a fim de
proporcionar maior durabilidade dos mesmos e menores taxas de emissões de
poluentes atmosféricos.’’.
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2.BREVE HISTÓRIA
Já há largos anos atrás que o ser humano procurar descobrir novas maneiras para
produzir energia mecânica de uma forma mais eficaz. Foi já no século XVII, que o homem
procurou construir um mecanismo que gerasse movimento de uma maneira
automática, sem que para isso fosse preciso recorrer a força humana ou animal, e para
que assim pudessem atingir “grandes distâncias e certas velocidades maiores que as dos
seus passos.”. Apareceu então o motor de combustão interna. Algo capaz de gerar e
libertar energia através de “processos de combustão levados a cabo no interior de um
mecanismo próprio”, e que revolucionou e impulsionou as formas de produzir energia
mecânica ao longo dos anos.
Este tipo de motor foi sendo trabalhado cronologicamente:
Século XVII - ainda antes de ter aparecido a máquina a vapor, o físico holandês
Christian Huygens construi o primeiro modelo daquilo que seriam os motores de
combustão interna. Ele construi um motor em que a explosão de pólvora dentro de um
cilindro fazia levantar um pistão, que ao voltar á sua posição inicial conseguia levantar
um peso devido à pressão atmosférica. Também Sir Samuel Morland usou o mesmo
combustível para movimentar bombas de água.
1859 - Jean Joseph Étienne Lenoir construi um
motor de dupla ação (fig.1) onde a combustão acontecia
de ambos os lados do pistão. O processo de
funcionamento era o seguinte: através das válvulas de
admissão eram introduzidos gás e ar durante a primeira
metade do movimento do pistão, esta carga era
queimada mediante uma faísca, e com o aumento da
pressão os gases queimados empurravam o pistão até
ao fim do primeiro movimento. Depois, no segundo
movimento, os gases eram expelidos pelas válvulas de
exaustão, enquanto do outro lado do pistão ocorria uma nova combustão. Foram então
construídos 5000 destes motores com um potência de cerca de 6 cavalos, e em que o
melhor valor de eficiência obtido foi perto de 5%.
1862 – Beau de Rochas patenteou o princípio de um motor a 4 tempos, sem no
entanto o desenvolver comercialmente. Ele concluiu que era obtido um melhor
desempenho do motor segundo as condições: “menor relação superfície/volume para o
cilindro do pistão, processo de expansão o mais rápido possível, máxima expansão
possível e máxima pressão possível no começo do processo de expansão dos gases
dentro do cilindro.” Estas condições visavam reduzir as perdas de calor conservando a
energia nos gases de combustão e obter o máximo de potência possível. Ele indicou
também a sequência de movimentos desejável para um motor, sequência essa utilizada
até hoje.
Fig.1. Motor de Lenoir [1]
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1867 – Nicolaus Otto fez a primeira realização prática do motor a 4 tempos com
a ajuda de Eugen Langen. Otto construiu um motor baseado no conceito de “pistão livre”
que tinha uma eficiência de 11% e foram construídos cerca de 10000 do mesmo tipo,
pois ele foi muito popular no seu tempo.
1876 – Nicolaus Otto, usando o princípio patenteado por Beau de Rochas,
produziu com sucesso o primeiro motor a 4 tempos a utilizar gasolina (um 1º tempo de
admissão, 2º de compressão da mistura, 3º de Combustão e um 4º tempo para a
Exaustão). Apesar de este motor apresentar uma eficiência próxima da do anterior, foi
a “enorme redução em tamanho, peso e volume e o seu potencial para evolução no
futuro” que explica o seu sucesso, tendo marcado a história da humanidade.
1883 - Gottlieb Dailmer e Wilhelm Maybach revolucionaram a indústria
automóvel com a criação do seu motor monocilíndrico de quatro tempos, que
comparado com os motores na época existentes, atingia uma velocidade muito superior
e tinha muita maior potência comparando-o com os do mesmo peso. Este motor atingia
600 rotações por minuto e o de Otto atingia apenas 130.
1879 – Karl Benz dedicando-se aos motores de combustão interna a 2 tempos,
“em que os processos de exaustão e admissão ocorriam no fim da combustão e no início
da compressão”, conseguiu um funcionamento satisfatório destes motores.
1886 - Benz desenvolveu um motor com uma
potência de cerca de ¾ cavalos e que andava a uma
velocidade de 15 km/h. Este motor, que era refrigerado a
água e estava ligado por uma correia à transmissão e ao
diferencial, foi utilizado num automóvel com 3 rodas de
bicicleta, automóvel esse a qual foi atribuído o estatuto de
primeiro automóvel do mundo (fig.3).
1892 - Rudolf Diesel desenvolveu um motor que é
até hoje utilizado nos transportes públicos, de cargas e
marítimos. Este tipo de motor obteve um rendimento
nunca antes obtidos em motores de combustão interna, porque funciona através de
autoignição, isto é, era iniciada a combustão através da injeção de um combustível
líquido para o ar, que aquecido apenas pela compressão, inflamava por si mesmo, o que
permitia aumentar a eficiência para o dobro.
1893 - Diesel aumentou ainda mais a eficiência, com o ciclo a pressão constante.
A eficiência elevou-se de 16% para 26.2% e nasceu assim o motor de ciclo diesel.
Desde então, que vários foram os que apareceram com novas invenções,
contribuindo para o aumento da indústria dos motores de combustão interna e da
indústria automóvel. Um exemplo é o motor Wankel.
Fig.2.Considerado o 1º automóvel do mundo [2]
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3.CONSTITUIÇAO DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA
Um motor de combustão interna é uma máquina térmica que transforma
energia térmica (proveniente de uma reação química) em energia mecânica. É preciso,
como tal, saber com funciona um motor e os seus constituintes na generalidade.
Um motor é divido em três grandes
partes (fig.3):
● Cabeça ou culassa, que se
encontra no topo, onde se
encontram as válvulas;
● Bloco do motor, é o elemento
principal deste, é nele que se
encontram os cilindros sendo
também designado de bloco de
cilindros;
● Carter, é a parte inferior do
motor que tem a função de
armazenar óleo de lubrificação e
do seu respetivo arrefecimento;
No bloco de cilindros existem várias peças
fundamentais tais como as cavidades
cilíndricas onde são colocadas camisas
dentro das quais trabalham os pistões.
Os cilindros são uma das principais peças dos motores pois é aqui que se
deslocam os êmbolos. O bloco do motor é assim caracterizado pelo número e
disposição de cilindros. Existem por isso blocos de motores que variam entre o 1
e 12 cilindros e estes podem estar colocados em linha, em V, em W, horizontais
opostos e ainda em estrela.
A camisa do cilindro consiste no forro interior do cilindro, isto é, no seu interior
é que se deslocam os êmbolos. As camisas têm assim a função de no caso de
desgaste excessivo ou um problema de “gripagem” apenas é necessário a
substituição das camisas. Existem no entanto dois tipos de camisas: as camisas
secas e as camisas húmidas. Na camisa húmida a superfície externa encontra-se
em contacto direto com o líquido do refrigerante, este líquido tem espaço deste
modo para circular entre a parede da camisa e do bloco. Enquanto a camisa seca
não entra em contacto com o líquido refrigerante.
Fig.3.Esquema de motor do ciclo de otto [3]
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Os pistões com a ajuda da cambota e das bielas, constituem o sistema biela-
manivela, que serve para transformar a energia proveniente da combustão da
mistura ar-combustível /combustível em energia mecânica útil.
O pistão é dos elementos mais importantes de um motor, visto que é animado
de grandes velocidades, tem de resistir a enormes pressões e temperaturas
resultantes da combustão e transmitir a força resultante à biela. Os segmentos
em volta do pistão devem ainda assegurar boa estanquicidade com o cilindro,
dissipando para este o calor recebido da combustão.
A biela é o órgão que faz a união do êmbolo à cambota, transforma deste modo
o movimento alternativo do êmbolo em movimento rotativo da cambota. A biela
é dividida em três partes: o pé da biela que esta ligada ao êmbolo através do
cavilhão; a cabeça é aquela que faz a ligação com a cambota abraçando um
moente desta com interposição de uns casquilhos, a cabeça divide se em duas
partes por forma a permitir a ligação e separação da biela à cambota, por fim
temos o corpo da biela que se situa entre a cabeça e o pé este tem normalmente
uma secção transversal em duplo T. As bielas têm deste modo de ser resistentes,
rígidas e leves.
A cambota tem como principal função receber o movimento alternativo e linear
do êmbolo e da biela e, transformá-lo em movimento de rotação, dando origem
a um binário. A cambota é constituída pelos seus apoios que a fixam ao berço da
mesma, os moentes onde se fixam as cabeças das bielas e em oposição a estes
moentes os contrapesos para equilíbrio da cambota. Tem ainda os discos de
união da cambota ao volante do motor.
Temos ainda outros constituintes quanto ao sistema de distribuição, isto é, o controlo
da saída e entrada dos gases no cilindro.
A árvore de cames é um veio de ressaltos que comanda as válvulas, esta roda a
metade da velocidade da cambota. Os motores podem ser de árvore de cames
lateral ou á cabeça consoante a sua localização. No entanto o número utilizado
e a localização da árvore de cames depende do tipo de motor e foi evoluindo ao
longo da história.
As válvulas têm a função de permitir que os gases entrem e saiam do cilindro,
fechando ou abrindo a comunicação entre o cilindro e os coletores de admissão
ou de escape. Cada válvula está dividida em duas partes: a cabeça, cujo desenho
varia conforme seja de admissão ou de escape, a sua forma facilita o escoamento
dos gases frescos para dentro ou para fora; e a haste, que tem a função de
guiamento, isto é, meio transmissor de calor. A válvula de escape tem a função
de permitir que os gases saiam do cilindro enquanto a válvula de admissão
mantem a comunicação com o sistema de alimentação.
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4.TIPOS DE MOTOR
4.1.Motores de 4 tempos Um motor de 4 tempos tem como o próprio nome diz 4 fases de funcionamento (fig.4):
1ºTempo: Admissão, nesta fase o pistão realiza um movimento descendente, estando a
válvula de admissão aberta. O pistão movimenta se do ponto morto superior (PMS),
para o ponto morto inferior (PMI), no seu movimento descendente, o pistão provoca
uma depressão no interior do cilindro, e assim a mistura/ar puro entra no cilindro.
2ºTempo: Compressão, aqui ambas as válvulas estão fechadas, o pistão sobe (do ponto
morto inferior para o ponto morto superior), comprimindo a mistura/ar puro que foram
admitidos durante a admissão. Esta compressão vai elevar as temperaturas e a
turbulência da mistura/ ar puro.
3ºTempo: Expansão-Combustão, no momento em que o pistão chega ao fim do
movimento de compressão, uma faísca é lançada entre os elétrodos da vela. Depois da
queima dos gases, obtém-se uma pressão muito elevada, o que provoca a descida do
pistão até ao ponto morto inferior. É a única altura em que o motor fornece trabalho
sendo por isso também designado de tempo-motor.
4ºTempo: Escape/Exaustão, a válvula de escape abre-se no fim do tempo do motor e os
gases queimados são empurrados para ela a grande velocidade. Aqui o pistão, no seu
movimento ascendente, vai limpar o interior do cilindro, sendo a válvula de escape
fechada quando o pistão chega ao ponto morto superior, e abre-se a válvula de
admissão reiniciando se o processo.
Fig.4-Os 4 tempos de um motor
de combustão interna [4]
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4.1.1.Motor a gasolina e o motor a diesel No entanto existem diferenças entre o funcionamento de um motor a 4 tempos de gasolina e
de diesel:
- Nos motores a gasolina durante a admissão entra uma mistura de ar + combustível
enquanto no motor a diesel entra apenas ar puro;
- Durante a fase de compressão num motor diesel quando o pistão chega ao ponto
morto superior (PMS) o diesel é injetado a uma pressão de 200 bar, no motor de gasolina
apenas ocorre a compressão do ar + combustível;
-O motor a gasolina aspira uma mistura de combustível + ar, assim necessita de uma
vela para que a mistura exploda fazendo descer ao longo do cilindro, enquanto que no
motor diesel o ar é comprimido e só depois é injetado o combustível e é neste momento
que acontece a explosão, dai que o motor de gasolina tenha uma vela e o motor diesel
apresenta um injetor no lugar da vela;
-No motor a gasolina o ar passa por uma válvula tipo borboleta que esta ligado ao pedal
do acelerador que controla a quantidade de ar e combustível admitidos, na maioria dos
motores a diesel essa válvula não existe e a quantidade de ar admitido depende da
rotação do motor, isto é, é feita pela bomba injetora;
- A câmara de combustão no motor a gasolina (ciclo Otto) é entre 8 e 11 vezes menor
que a capacidade cubica do cilindro o que determina uma compressão menor que no
motor diesel, visto que, a câmara de combustão é 16 a 24 vezes menor que o volume
do cilindro resultando numa maior taxa de compressão;
-A temperatura esta de modo diretamente relacionada com a taxa de compressão,
quanto maior a compressão maior a temperatura, dai que num motor diesel a
temperatura pode chegar a 800ºC, e num motor a gasolina apenas chega a 450ºC;
-A expansão no motor à gasolina é forte, mas tem pouca duração, já no motor a diesel
não tem tanta força mas dura mais tempo;
GASOLINA DIESEL
Injeção direta Injeção indireta
Pressão de compressão 11-18 Bar 18-22 Bar 25-35 Bar
Pressão de combustão 40-60 Bar ±100 Bar 60-80 Bar
Pressão de injeção 5-25 Bar 150-350 Bar 60-80 Bar
Relação de compressão 7:1 – 12:1 14:1 – 18:1 18.1 – 22.1
Tem
per
at
ura
(ºC
) Combustão 2000 – 2500 2000 – 2500
Gases de escape 700 – 1000 500 – 600
Gases de êmbolo 280 – 430 250 – 320
Gases de válvula 600 - 820 400 – 500
Fig.5- Relação das pressões de combustão entre um motor a gasolina e um motor a
diesel. [5]
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4.2.Motores de 2 tempos a gasolina
Os motores denominados 2 tempos são encontrados em motorizadas, jet skis, aeromodelos, motosserras, entre outros equipamentos. Eles não têm válvulas de admissão e escapamento, mas sim umas janelas laterais no cilindro, o que simplifica sua construção e reduz seu peso consideravelmente.
A imagem a seguir mostra a constituição de um motor de dois tempos, verifica-se assim a existência de 3 janelas (fig.4):
Janela de carga - janela de transferência que permite a comunicação entre o cárter e o cilindro;
Janela de escape - permite a comunicação entre o cilindro e a atmosfera, através das condutas de escape;
Janela de admissão - permite a comunicação entre o cárter e as condutas de admissão.
Estes motores tal como num ciclo a 4 tempos apresentam 4 fases, no entanto o ciclo operativo é realizado com cada êmbolo do motor a efetuar apenas 2 tempos. A fase de admissão efetua-se durante uma fase de compressão e a fase de escape durante uma fase durante uma parte da fase de expansão. O motor a dois tempos funciona da seguinte forma:
1ºTempo Descida do pistão (fig.5): o pistão encontra se no PMS, estando a mistura fortemente comprimida, onde a vela de ignição faz saltar uma faísca, provocando uma explosão, e consequentemente a descida do êmbolo, no inicio da descida a janela de admissão encontra-se aberta enquanto as outras estão tapadas pelo pistão, neste momento a mistura é aspirada das condutas de admissão para o cárter, onde a mistura vai ser continuamente comprimida. Continuando o seu movimento descente o êmbolo começa a destapar a janela
de escape e os gases queimados escapam para o exterior. Até que o êmbolo destapa a janela de carga, e a mistura que se encontrava no cárter passam para o interior do cilindro, e o pistão atinge assim o seu ponto mais baixo.
Fig.6.- Janelas do motor a 2
tempos. [6]
Fig.7.-Movimento de descida do
pistão num motor a 2 tempo [7]
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2ºTempo Subida do pistão (fig.6): O pistão inicia o seu movimento desde PMI até PMS, tapando a janela de carga mantendo-se ainda aberta a janela de escape, deste modo deixam de entrar gases frescos para o cilindro, acabando a admissão. Continuando o seu movimento o êmbolo acaba por tapar também a janela de escape dando fim a fase de escape. A medida que este se aproxima do PMS a mistura vai sendo comprimida e a depressão no carter aumenta, até que o êmbolo destapa a janela de admissão e devido a pressão existente no carter a mistura é aspirada para este. Quando o pistão atinge o PMS, a mistura esta ni máximo da sua compressão, e reinicia-se o processo.
Fig.8.-Movimento de subida do pistão num motor a 2 tempos [8]
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5.CICLOS TERMODINÂMICOS
5.1.Ciclo Otto
Recebe o nome de ciclo de Otto, o ciclo termodinâmico que representa o funcionamento de motores de combustão interna, popularmente conhecidos como motores a explosão. O ciclo foi definido e patenteado pelo engenheiro francês Beaus de Rochas, porém, o engenheiro alemão Nikolaus August Otto o implementou, sendo o primeiro a construir um motor com base nesse ciclo.
O modelo ideal do ciclo de Otto é constituído por quatro processos reversíveis internamente (fig.7):
Motores de automóveis movidos a gasolina, álcool ou gás natural operam com base no ciclo de Otto. Esse tipo de motor também é chamado de motor de quatro tempos uma vez que ocorre num ciclo de 4 etapas: admissão, compressão, expansão e exaustão, como já foi explicado anteriormente.
Fig.9.- Gráfico que representa graficamente o que acontece no ciclo de