Princípios e Funcionamento dos Motores de Combustão Interna

MÁQUINAS TÉRMICAS Aline Morais da Silveira Motores de combustão interna Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Explicar os princípios de funcionamento dos motores de combustão interna Detalhar os aspectos construtivos básicos dos motores de combustão interna Avaliar parâmetros de desempenho dos motores Introdução Em máquinas térmicas em que ocorre combustão a combustão pode ser externa ou interna Na máquina térmica de combustão externa o fluido de trabalho não entra em contato com os produtos da combustão da mistura de ar e combustível como é o caso de uma caldeira a vapor Já na máquina térmica de combustão interna o fluido de trabalho é a própria mistura de ar e combustível como é o caso dos motores de ciclo Otto e Diesel Neste capítulo você vai estudar o funcionamento dos motores de combustão interna de quatro e de dois tempos Você também vai verificar quais são os principais componentes desses motores e vai compreender como avaliar o seu desempenho 1 Funcionamento dos motores de combustão interna Os motores de combustão interna são classificados como máquinas térmicas de deslocamento positivo visto que a transferência de energia ocorre em um sistema fechado composto por elementos que segundo Filippo Filho 2014 são chamados de conjunto bielamanivela convertendo o movimento linear do pistão em movimento rotativo Esses motores trabalham em ciclo aberto em que as características termodinâmicas do fluido de trabalho não são as mesmas no início e no fim da realização do trabalho Conforme Filippo Filho 2014 eles são utilizados em veículos como carros motos caminhões tratores entre outros e também em aplicações estacionárias em que se deseja a geração de energia elétrica Durante seu funcionamento há o deslocamento do pistão no interior do cilindro como você pode observar na Figura 1 Quando o pistão está o mais próximo possível do cabeçote essa posição é chamada de ponto morto superior PMS Figura 1a já quando ele está o mais afastado possível a posição é chamada de ponto morto inferior PMI Figura 1b O curso do pistão é a distância percorrida entre o PMS e o PMI Figura 1 a Ponto morto superior e b ponto morto inferior Fonte Brunetti 2018 p 24 Motores de combustão interna 2 Os motores de combustão interna podem ser classificados em função do curso do pistão em motores de quatro ou de dois tempos como você verá a seguir Motores de quatro tempos ciclo Otto O ciclo Otto segundo Çengel e Boles 2013 é o ciclo térmico ideal dos motores de ignição por centelha Ele foi criado em 1876 por Nikolaus August Otto que desenvolveu o motor de quatro tempos que é utilizado até hoje em carros e motocicletas usando como combustível etanol gasolina e gás natural Segundo Brunetti 2018 o funcionamento desses motores se dá por meio da execução de quatro cursos completos dentro do cilindro dois ciclos mecânicos enquanto a árvore de manivelas também chamada de virabrequim dá duas voltas completas para cada ciclo termodinâmico Na Figura 2 estão representados os quatro cursos também chamados de tempos que compõem um ciclo Otto completo Çengel e Boles 2013 descrevem o ciclo Otto real em que as válvulas de admissão e descarga estão fechadas inicialmente e o pistão está no PMI Durante a compressão o pistão comprime a mistura de ar e combustível Figura 2a atingindo o PMS A vela solta faíscas para que a mistura sofra ignição Figura 2b o que faz aumentar a pressão e a temperatura do sistema forçando o pistão para baixo girando a árvore de manivelas e produzindo trabalho útil concluindo o primeiro ciclo mecânico O pistão se encontra novamente no PMI e a válvula de descarga é aberta O pistão se desloca em direção ao PMS expulsando os gases Figura 2c Depois essa válvula é fechada e a válvula de admissão é aberta Figura 2d admitindo a mistura de ar e combustível e o pistão retorna para o PMI finalizando o segundo ciclo mecânico 3 Motores de combustão interna Figura 2 Ciclo real de um motor de ignição por centelha Fonte Çengel e Boles 2013 p 494 Motores de quatro tempos ciclo Diesel Segundo Çengel e Boles 2013 o ciclo Diesel é o ciclo térmico ideal dos motores de ignição por compressão Ele foi criado por Rudolph Diesel por volta de 1890 Esses motores equipam veículos de grande porte como ônibus caminhões e em alguns casos caminhonetes utilizando o óleo diesel como combustível Çengel e Boles 2013 descrevem o ciclo Diesel como semelhante ao ciclo Otto pois também há a execução de quatro cursos completos dentro do cilin dro enquanto a árvore de manivelas dá duas voltas completas A injeção de combustível começa quando o pistão está próximo do PMS e continua durante a primeira parte do tempo de expansão tornando o processo de combustão mais longo Durante a compressão o ar atinge uma temperatura acima da temperatura de autoignição do combustível fazendo com que à medida que o combustível é injetado a combustão seja iniciada pelo contato com o ar quente Conforme Brunetti 2018 a temperatura de autoignição do diesel é de aproximadamente 25ºC bem inferior à de combustíveis como etanol e gasolina que é na faixa de 400ºC Motores de combustão interna 4 Nos motores a diesel não existe a possibilidade de autoignição já que apenas o ar é comprimido Com isso eles podem operar com taxas de compressão mais altas e combustíveis menos refinados e mais baratos Motores de dois tempos Segundo Filippo Filho 2014 os motores de dois tempos são motores utiliza dos em motocicletas motosserras cortadores de grama entre outros quando movidos a gasolina e em instalações estacionárias e navios de grande porte quando movidos a diesel Eles possuem as quatro funções descritas para os motores de quatro tempos com a diferença de que essas quatro funções ocorrem em dois tempos tempo motor e tempo de compressão Na Figura 3 você pode ver o esquema de um motor alternativo de dois tempos a gasolina O cárter é vedado e a mistura de ar e combustível é pres surizada com o movimento do pistão para baixo Não existem válvulas de admissão e descarga mas sim duas aberturas na parte inferior do cilindro em níveis diferentes uma para admissão e outra para exaustão Ao final do tempo motor que de acordo com Filippo Filho 2014 é o segundo tempo do motor quando ocorrem os processos de expansão Figura 3b e descarga Figura 3c a janela de exaustão é descoberta para que uma parte dos gases de exaustão seja liberada Quando ocorre a abertura da janela de admissão e a entrada da mistura de ar e combustível Figura 3a pratica mente todo o restante dos gases de exaustão é expelido Com o movimento do pistão em direção à parte superior a mistura vai sendo comprimida para que a ignição seja realizada pela vela No motor de dois tempos movido a diesel a válvula de admissão é substituída por janelas de admissão que são abertas e fechadas pelo próprio pistão FILIPPO FILHO 2014 p 160 como no esquema apresentado na Figura 4 Quando o pistão está na região inferior do curso as janelas de admissão estão abertas permitindo que o ar seja direcionado para dentro do cilindro expelindo os gases da queima anterior já que a válvula de descarga também chamada de válvula de escape VE está aberta Quando o pistão começa a subir a válvula de descarga é fechada assim como as janelas de admissão comprimindo o ar até que o combustível seja injetado e a combustão ocorra Com a combustão ocorre a expansão e um novo ciclo inicia 5 Motores de combustão interna Figura 3 Motor alternativo de dois tempos a gasolina Fonte Filippo Filho 2014 p 159 Figura 4 Motor alternativo de dois tempos a diesel Fonte Filippo Filho 2014 p 160 Motores de combustão interna 6 Segundo Çengel e Boles 2013 os motores de dois tempos possuem as vantagens de serem relativamente simples baratos pequenos e leves Por outro lado são menos eficientes do que os motores de quatro tempos já que a expulsão dos gases de exaustão é incompleta Brunetti 2018 destaca outra desvantagem desse motor que é a menor durabilidade em função da lubrifica ção visto que em decorrência do uso do cárter para a admissão da mistura combustívelar não é possível utilizálo como reservatório de lubrificante e a lubrificação ocorre misturandose lubrificante em uma pequena porcentagem com o combustível BRUNETTI 2018 p 33 Essa configuração faz com que o lubrificante queime junto com o combustível o que dificulta a combustão e reduz a qualidade dos gases emitidos 2 Aspectos construtivos Vimos até aqui como é o funcionamento dos motores de dois e de quatro tempos identificando alguns de seus componentes como cilindro pistão válvulas de admissão e descarga biela árvore de manivelas etc Agora vamos estudar outros componentes e alguns aspectos construtivos que diferenciam os motores de ciclo Otto e Diesel Os motores geralmente possuem mais de um cilindro que normalmente são dispostos em linha Figura 5a ou em V Figura 5b Os cilindros ficam alojados dentro do bloco do motor assim como os pistões as bielas e a árvore de manivelas Na parte inferior do bloco fica o reservatório de óleo chamado de cárter e o virabrequim Na parte superior está o cabeçote que aloja as válvulas de admissão e descarga e as velas ou bicos injetores Além desses componentes os motores de combustão interna possuem mais uma grande variedade de elementos cada um com sua função específica mas que não serão detalhados neste capítulo 7 Motores de combustão interna Figura 5 Cilindros dispostos em a linha e b V Fonte Brunetti 2018 p 39 A principal diferença entre os motores de ciclo Otto e Diesel é que no motor Diesel a vela de ignição Figura 6a é substituída por um injetor de combustível Figura 6b Figura 6 a Motor a gasolina com vela de ignição e b motor a diesel com injetor de combustível Fonte Çengel e Boles 2013 p 500 Motores de combustão interna 8 Na grande maioria dos motores Otto o combustível já é admitido misturado com o ar de forma homogênea Já nos motores Diesel apenas o ar é admitido e o combustível é pulverizado ao final do curso de compressão Segundo Roberto 2016 nos motores Otto o ar que é admitido passa por uma válvula tipo borboleta que está ligada ao pedal do acelerador A rotação do motor é determinada em função da mistura de ar e combustível Já nos motores Diesel a quantidade de ar admitido depende diretamente da rotação do motor Filippo Filho 2014 destaca que no motor Otto a ignição ocorre pela faísca proveniente de uma vela necessitando de um sistema elétrico para a geração dessa faísca Já no motor Diesel a combustão acontece por autoigni ção em função da temperatura elevada do ar no interior da câmara Devido à taxa de compressão elevada e consequentemente à alta temperatura do ar comprimido é preciso que o motor Diesel seja mais robusto do que o motor Otto Roberto 2016 cita que a temperatura do ar comprimido no interior dos cilindros pode chegar a 800C nos motores Diesel enquanto não ultrapassa os 450C nos motores Otto Em alguns motores Diesel principalmente os aplicados em sistemas peque nos e de alta velocidade como caminhonetes e utilitários esportivos o ciclo de compressão acontece em um compartimento chamado de précâmara de combustão onde o óleo diesel e o ar aspirado na admissão são misturados e colocados sob pressão De acordo com Riosulense 2019 com a précâmara é possível gerar mais eficiência na ignição reduzindo o consumo de combus tível Ela é fabricada em aço inox especial com alta precisão sendo instalada no interior do cabeçote entre as válvulas do motor 3 Parâmetros de desempenho Segundo Brunetti 2018 o desempenho de um motor pode ser avaliado por meio de algumas propriedades como torque cilindrada potência efetiva potência indicada e consumo específico O torque T segundo Moratto 2015 p 2930 é um parâmetro relacionado à capacidade do motor para produzir potência na rotação Ainda conforme o autor motores de combustão à compressão geralmente possuem o torque maior do que os motores de combustão interna por centelha MORATTO 2015 p 2930 9 Motores de combustão interna A cilindrada segundo Filippo Filho 2014 é o volume deslocado pelo pistão de um ponto morto a outro A cilindrada unitária Vdu é calculada por meio da equação 1 e a nomenclatura utilizada é mostrada na Figura 7 em que D é o diâmetro do pistão e S é o curso Para o cálculo da cilindrada total Vd do motor basta multiplicar a cilindrada unitária pelo número de cilindros 1 Figura 7 Nomenclatura do conjunto cilindropistão Fonte Brunetti 2018 p 25 Motores de combustão interna 10 Brunetti 2018 define a potência efetiva Ne como a potência medida no eixo do motor sendo calculada por meio da equação 2 Ne T ω T 2π n 2 onde T é o torque ω é a velocidade angular do eixo e n é a rotação Já a potência indicada Ni segundo Brunetti 2018 é a potência desenvolvida pelo ciclo termodinâmico do fluido calculada pela equação 3 3 onde Wi é o trabalho indicado e z é o número de cilindros do motor Brunetti 2018 destaca que se o motor for de dois tempos então x 1 se for de quatro tempos então x 2 Ainda de acordo com Brunetti 2018 p 185 a potência do motor pode variar com a rotação ou comandada pela variação do acelerador que no motor Otto aciona a borboleta aceleradora e no motor Diesel o débito da bomba injetora sendo que o débito é o volume de combustível injetado por ciclo Brunetti 2018 também define o consumo específico Ce como a relação entre o consumo de combustível ṁc e a potência efetiva Pe sendo obtido pela equação 4 4 Segundo Brunetti 2018 a potência efetiva é medida em dinamômetro enquanto o consumo de combustível pode ser medido de forma gravimétrica ou volumétrica 11 Motores de combustão interna Dinamômetro Figura 8 do grego dynos força e metron medição é o equipamento que mede a potência de um motor nas suas diferentes condições de funcionamento Figura 8 Motor em teste em dinamômetro Fonte Chevitarese 2016 documento online No vídeo intitulado Como funciona um dinamômetro Física todo dia Mecânica do canal Física com Douglas Gomes no YouTube você pode ver o princípio de fun cionamento de um dinamômetro Propriedades como torque potência efetiva consumo específico entre outras podem ser plotadas em curvas para a visualização de sua variação com a rotação como você pode observar na Figura 9 Motores de combustão interna 12 Figura 9 Curvas características de um motor Fonte Brunetti 2018 p 196 No exemplo da Figura 9 mesmo tendo atingido o torque máximo n 1100 rpm o aumento da rotação continua proporcionando o aumento da potência até certo ponto n 1400 rpm Posteriormente torque e potência passam a sofrer uma queda não justificando o aumento da rotação Já o consumo sofre uma queda inicialmente para depois ocorrer seu aumento gradativo 13 Motores de combustão interna É importante saber que a potência desenvolvida pelo motor é função da pressão da temperatura e da umidade do ambiente O mesmo motor en saiado em locais ou dias diferentes não irá produzir os mesmos resultados BRUNETTI 2018 p 200 Por isso é necessária a padronização dos ensaios por meio de normas específicas A eficiência térmica é definida por Çengel e Boles 2013 p 488 como a razão entre o trabalho líquido e produzido pelo motor e o calor total fornecido A eficiência térmica do ciclo Otto pode ser calculada por meio da equação 5 em que r é a taxa de compressão calculada pela equação 6 e k é a razão entre o calor específico à pressão constante cp e o calor específico a volume constante cv 5 6 No cálculo da taxa de compressão Filippo Filho 2014 descreve V2 como o volume total ou seja o volume entre a cabeça do pistão e o cabeçote quando o pistão está no PMI e V1 como o volume morto que é o volume entre a cabeça do pistão e o cabeçote quando o pistão está no PMS Como é possível observar na equação 5 a taxa de compressão influencia diretamente na eficiência térmica do motor de ciclo Otto pois quanto maior r maior será ηtOtto Segundo Çengel e Boles 2013 a taxa de compressão de motores de ciclo Otto ideal com k 14 valor para o ar à temperatura ambiente varia normalmente entre 8 e 11 com eficiência na faixa de 60 Já para o caso de motores reais a eficiência térmica varia entre 25 e 30 Já a eficiência térmica do ciclo Diesel ideal pode ser expressa pela equação 7 em que r e k são os mesmos definidos para o ciclo Otto e rc é a razão de corte calculada pela equação 8 por meio da razão entre os volumes do cilindro após V3 e antes V2 do processo de combustão 7 8 Motores de combustão interna 14 Conforme Çengel e Boles 2013 a taxa de compressão de motores com ciclo Diesel ideal com k 14 varia entre 12 e 23 Quanto menor for a razão de corte maior será a eficiência A eficiência térmica de motores Diesel reais varia entre 35 e 40 A eficiência térmica de um ciclo Otto sempre é maior do que a do ciclo Diesel em situações em que operam na mesma razão de compressão Porém os motores Diesel sempre operam a taxas de compressão muito mais altas fazendo com que sejam mais eficientes do que os motores Otto O desempenho de um motor quanto à emissão de poluentes também é importante visto que combustíveis como gasolina e diesel emitem alguns compostos na exaustão Alguns desses compostos são monóxido de carbono CO hidrocarbonetos HC óxidos de nitrogênio NOX óxidos de enxofre SOX e material particulado MP A manutenção adequada de um motor mantendose a integridade de juntas de vedação controlandose o desgaste do conjunto cilindropistão entre outras práticas é uma das formas de reduzir a emissão desses poluentes BRAUN APPEL SCHMAL 2003 O Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores estabelece resoluções com valores máximos de emissão de poluentes pelos veículos A cada nova fase a quantidade de emissão de poluente é reduzida fazendo com que veículos mais novos emitam menos poluentes Segundo o Ministério do Meio Ambiente BRASIL 2020 para que um veículo seja comercializado no Brasil é preciso que ele passe por um ensaio de emissão em um laboratório credenciado pelo Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis e em condições controladas Se ele ultrapassar o limite permitido de emissões pela resolução vigente a sua comercialização é vetada Como vimos ao longo deste capítulo os motores de combustão interna possuem diversas aplicações como em veículos em geradores de energia no acionamento de máquinas portáteis entre outras sendo necessário levar em conta as suas particularidades Eles podem ter diferentes configurações sendo de dois ou de quatro tempos movidos a gasolina etanol ou diesel com um número variável de cilindros dispostos em diferentes configurações 15 Motores de combustão interna Para cada configuração e faixa de operação é possível observar diferentes rendimentos sendo estes mais facilmente analisados por meio das curvas de desempenho que são obtidas a partir de testes realizados em dinamômetros Outro fator que pode influenciar o desempenho de um motor é o combustível utilizado pois diferentes combustíveis possuem diferentes poderes caloríficos além da qualidade que é bastante variável BRASIL Ministério do Meio Ambiente Emissões veiculares Brasília MMA 2020 Dis ponível em httpswwwmmagovbrmmaemnumerosemissoesveiculares Acesso em 12 ago 2020 BRAUN S APPEL L G SCHMAL M A poluição gerada por máquinas de combustão interna movidas à diesel a questão dos particulados estratégias atuais para a redu ção e controle das emissões e tendências futuras Revista Química Nova v 27 n 3 p 472482 2003 Disponível em httpswwwscielobrpdfqnv27n320176pdf Acesso em 12 ago 2020 BRUNETTI F Motores de combustão interna 2 ed São Paulo Blucher 2018 v 1 ÇENGEL Y A BOLES M A Termodinâmica 7 ed Porto Alegre AMGH 2013 CHEVITARESE C Sotreq investe em dinamômetro para testar motores In ELO Notí cias do Grupo Sotreq S l s n 2016 Disponível em httpelogruposotreqcombr categoriaeditoriaissotreqinvesteemdinamometroparatestarmotores Acesso em 12 ago 2020 FILIPPO FILHO G Máquinas térmicas estáticas e dinâmicas fundamentos de termodi nâmica características operacionais e aplicações São Paulo Érica 2014 Série Eixos MORATTO L F C A S Simulação de curvas de rendimento do motor de combustão interna do ciclo Otto 2015 Trabalho de Conclusão de Curso Bacharelado em Engenharia Mecâ nica Universidade Tecnológica Federal do Paraná Ponta Grossa 2015 Disponível em httprepositoriorocautfpredubrjspuibitstream175032PGDAMEC2015101 pdf Acesso em 12 ago 2020 RIOSULENSE Entenda o papel da précâmara de combustão nos motores a diesel In RIOSULENSE Blog S l Riosulense 04 set 2019 Disponível em httpsblogriosulense combrentendaopapeldaprecamaradecombustaonosmotoresadiesel Acesso em 12 ago 2020 ROBERTO F Entenda a diferença entre motores diesel e gasolina In T4 CLUBE S l s n 19 set 2016 Disponível em httpswwwt4clubecombrpost20160919entenda adiferencaentremotoresdieselegasolina Acesso em 12 ago 2020 Motores de combustão interna 16 Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados e seu fun cionamento foi comprovado no momento da publicação do material No entanto a rede é extremamente dinâmica suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo Assim os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade precisão ou integralidade das informações referidas em tais links 17 Motores de combustão interna