Relatório SM II - Atividade 1 - Nomenclatura dos MCI

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FATEC - SP - Faculdade de Tecnologia de São Paulo
Departamento de Mecânica
Disciplina: Sistemas Mecânicos II
Modalidade: Projetos
RELATÓRIO de ATIVIDADES de LABORATÓRIO
Título da Atividade:
Turma:..... -feira das ......hs..... às .....hs.....
Grupo:
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Data da entrega: ......./......./ 20.....
Área de Concentração:
Tecnologia Mecânica
Orientador:
Prof.:
São Paulo
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Objetivo
Este relatório tem como objetivo descrever o princípio de funcionamento dos motores de combustão interna de 4 tempos e 2 tempos através da ignição por faísca e por ignição espontânea. Descrever o funcionamento do motor rotativo Wankel. Fazer comparações entre os motores de 4 e 2 tempos, alternativos e rotativos expondo suas vantagens e desvantagens.
Introdução
O motor a vapor foi o primeiro tipo de motor a ser amplamente usado. Ele foi inventado por Thomas Newcomen, em 1705, e James Watt fez grandes melhorias nos motores a vapor, em 1769.
O sistema moto propulsor de uma máquina é o responsável por produzir força motriz suficiente para gerar movimento. No automóvel isto não é diferente, pois o conjunto de peças que dão forma ao motor são as responsáveis por gerar, através de um movimento retilíneo, uma resultante de movimento rotativo.
Depois da sua criação o motor de combustão interna criado por Nikolaus August Otto atravessaria os séculos impulsionando as formas de tração mecânica. Com as ciências da antiga geração, do século XVII, foi que o homem buscou construir um mecanismo para gerar força de uma maneira automática, diferente de uma tração humana ou animal, e que pudesse levá-lo a grandes distâncias e certas velocidades maiores que as de seus passos.
Foi no ano de 1860 que a ideia de construir uma máquina que utilizasse o benzeno como combustível pode ser, seis anos mais tarde em 1866, concretizada por um comerciante e interessado em ciências das mais diversas, Nikolaus August Otto. De nacionalidade Alemã nascido em Holzhausen an der Haid. Nikolaus August Otto teve a ideia de construir um mecanismo, baseado no conjunto mecânico de pedal e manivela muito utilizado em serviços braçais e nas bicicletas, onde uma mistura de ar e combustível pudesse explodir e gerar força e movimento. Esse mecanismo foi projetado e construído para trabalhar em um ciclo de quatro tempos, daí o nome no motor que ficou conhecido como motor de combustão interna ciclo Otto.
O motor de Otto obteve inúmeras vantagens em relação ao motor a vapor. Uma delas é o baixo peso já que o motor a combustão interna não precisava de um reservatório de água para ser aquecida, muito menos um combustível para ser queimado e aquecer a água, sendo na época comum utilizar a lenha ou o carvão. Na mesma época, em 23 de Fevereiro de 1897, Rudolf Diesel registrou a patente de seu motor-reator, desenvolvido para trabalhar com óleo de origem vegetal. Tais motores a injeção, desde que regulassem a pressão no sistema de injeção, poderiam funcionar com qualquer tipo de óleo, tanto derivados de petróleo como o Diesel, quanto de origem vegetal (como óleo de amendoim) ou animal (como é o caso da gordura de porco). Através dos trabalhos de Rudolf Diesel, buscando desenvolver um motor de combustão interna que tivesse o maior rendimento possível, nasce o motor de ciclo diesel utilizando o óleo diesel para seu funcionamento.
Assim, a partir de 1900, os derivados de petróleo como a gasolina e o Diesel, se tornam oficialmente os combustíveis dos automóveis, uma vez que estavam disponíveis no mercado em grandes quantidade, era mais fácil de serem transportados e tinham preços mais acessíveis que os seus concorrentes.
Resumo histórico
No século XIX apareceram os primeiros motores a combustão interna. Nestes, o combustível é queimado dentro do próprio motor e seu aparecimento provocou um rápido desenvolvimento mecânico. Estes motores levaram vantagem sobre as máquinas a vapor pela sua versatilidade, eficiência, menor peso por cavalo vapor, funcionamento inicial rápido e possibilidade de adaptação a diversos tipos de máquinas. 
O primeiro motor a combustão interna foi construído pelo mecânico alemão Lenoir, em 1860, e tinha a potência de 1 cv, trabalhando com gás de iluminação. 
Em 1861, Otto e Langen, baseando-se na máquina de Lenoir, construíram um motor que comprimia a mistura de ar e gás de iluminação, com ignição feita por uma centelha elétrica. 1 - Nicolaus Otto
Em 1862, o engenheiro francês Beau de Rochas publicou estudos teóricos e estabeleceu alguns princípios termodinâmicos baseado no motor de Otto. Este, por sua vez, baseado no estudo de Rochas, desenvolveu um motor: o motor de ciclo Otto apresentado em 1872. Estes motores usavam como combustível o gás de carvão ou o gasogênio, com ignição feita por centelha elétrica. 
Em 1889, fez-se a primeira aplicação do motor de ciclo Otto em veículos, utilizando-se como combustível a gasolina. 
Em 1893, o engenheiro alemão Rudolf Diesel descreveu um novo motor, no qual a ignição da mistura ar mais combustível era feita por compressão. Este motor, que Diesel denominou “motor térmico racional”, acabou ficando conhecido como motor Diesel. 
Os motores modernos são derivados dos construídos por Otto e Diesel e as características básicas dos mesmos são as seguintes: 
a) Motores de ciclo Otto: utilizam combustível de baixa volatilidade, como a gasolina e o álcool. Para ignição necessitam de centelha produzida pelo sistema elétrico. 
b) Motores de ciclo Diesel: utilizam como combustível o óleo diesel. A inflamação do combustível injetado sob pressão na câmara de combustão ocorre pela compressão de ar e consequente elevação da temperatura.
Princípio de funcionamento - Ciclo Otto
O motor de combustão interna é uma máquina que admite o ar da atmosfera e o combustível do tanque, estes dois elementos se unem formando a mistura proporcional de ar mais combustível o mais ideal possível e comprime a mesma na câmara de combustão. Depois que esta mistura está comprimida pelo pistão na câmara de combustão o sistema de ignição, sincronizado com o motor, gera uma centelha elétrica nas velas que estão rosqueadas dentro da câmara inflamando a mistura, gerando uma combustão e consequentemente a expansão dos gases empurrando o pistão para baixo e gerando trabalho, força, torque e movimento rotativo. Quando este processo ocorre é finalizado com a expulsão dos gases queimados para fora do motor.
1° tempo do motor, admissão; vamos entender que neste momento o motor está desligado pronto para receber o movimento inicial do motor de partida que está acoplado ao motor a combustão. Neste mesmo momento vamos colocar o pistão que está ligado à biela e posteriormente ao virabrequim em uma posição na qual conhecemos como P.M.S., ponto morto superior, é o curso máximo que o pistão alcança ao subir dentro do cilindro. Temos que entender também que o eixo virabrequim está ligado e sincronizado com o eixo comando de válvulas através de uma correia dentada, então dizemos, que a parte de baixo do motor que corresponde as peças que estejam dentro do bloco como virabrequim, bielas e pistões estão sincronizados com a parte de cima do motor que corresponde ao cabeçote e suas peças. Neste momento vamos ligar o motor de arranque que se acopla ao volante do motor que também está ligado ao virabrequim e o motor de combustão interna começa a girar. O virabrequim girando começa a movimentar a biela e consequentemente o pistão que está no P.M.S. e desce para o P.M.I., ponto morto inferior, que é o curso máximo que o pistão alcança ao descer dentro do cilindro. Como o virabrequim está ligado ao comando de válvulas, este por sua vez começa a acionar, através do “came”, a válvula de admissão no cabeçote permitindo a passagem de ar e combustível vindos do coletor de admissão passando pelos dutos internos do cabeçote. Desta maneira o pistão que está descendo criauma sucção e aspira o ar mais combustível para o interior do cilindro até que o pistão chegue ao P.M.I. completando o 1° tempo e 180° graus, meia volta do motor.
2° tempo do motor, compressão; quando o pistão inverte o sentido de movimento começa a subir do P.M.I. em direção ao P.M.S. dando início ao segundo tempo do motor. A medida que o virabrequim vai girando empurrando a biela e consequentemente o pistão para a parte superior do cilindro, a mistura de ar mais combustível vai sendo comprimida no interior do cilindro e o comando de válvula que antes tinha o seu ressalto ou “came” pressionando a válvula à descer agora passa por ela e mola de válvula retorna a mesma vedando a parte interna do cilindro. Devemos observar que existe uma determinada folga dimensional entre cilindro e pistão para que o mesmo possa deslizar dentro do cilindro, porém, a mistura não pode escapar por esta folga entrando em cena a atuação dos anéis de segmento que vedam esta passagem. Quando o pistão chega ao seu curso máximo, P.M.S., a mistura está toda comprimida sem ter por onde escapar, pois as válvulas estão fechadas e os anéis vedando, então todo o volume aspirado no tempo anterior agora está pressurizado na câmara de combustão finalizando o segundo tempo e completando uma volta completa do virabrequim 360°.
3° tempo do motor, Explosão; agora com o fim do segundo tempo o pistão não tem outra saída a não ser de inverter novamente o sentido de movimento do P.M.S. para o P.M.I., só que agora contando com uma força extra. A mistura comprimida na câmara de combustão recebe uma centelha ou faísca da vela, ocorre um deslocamento de massa devido à explosão dentro da câmara, o pistão é forçado a descer empurrado pela expansão dos gases, com isso, o pistão se desloca do P.M.S. para o P.M.I., mantendo ainda as válvulas do cabeçote fechadas, já que o comando de válvulas não está com nenhum ressalto tocando as válvulas. Na verdade, o terceiro tempo do motor é considerado o principal tempo porque é neste tempo que o motor gera força motriz e torque que será transmitido as rodas por meio de rotação. Quando o pistão chega ao ponto morto inferior P.M.I. encerra-se o terceiro tempo do motor e o virabrequim completa uma volta e meia 540°.
4° tempo do motor, escape; o motor admitiu a mistura no primeiro tempo, comprimiu e explodiu no segundo e terceiro tempo, agora é a vez de colocar os gases resultantes da queima para fora do motor. Neste caso, temos o pistão no fim do terceiro tempo na posição P.M.I., pronto para iniciar o quarto tempo. O comando de válvulas está sincronizado com o virabrequim e o seu ressalto começa a tocar a válvula de escape e o pistão começa a subir empurrando a mistura queimada em direção dos dutos do cabeçote e coletor de escape. Quando o pistão alcança o P.M.S. os gases que se encontravam dentro do cilindro foram expulsos para fora limpando o cilindro, o comando de válvulas encerra sua ação sobre a válvula de escape. Neste momento se encerra o quarto tempo com o motor completando duas voltas 720°. Temos agora um ciclo completo do motor quatro tempos ciclo Otto e enquanto o motor estiver ligado e funcionando este ciclo se repete todas às vezes. No final do quarto tempo do motor o pistão se encontra em P.M.S., exatamente pronto para se iniciar o primeiro tempo novamente quando o mesmo se deslocará para o P.M.I. com o ressalto ou “came” do comando abrindo a válvula de admissão, e assim por diante, dando continuidade a todos os tempos do motor de combustão interna ciclo Otto.
Princípio de funcionamento - Ciclo Diesel
O funcionamento do motor ciclo “Diesel” acontece semelhante ao motor de ciclo “Otto”. Os componentes do motor dos dois ciclos também são semelhantes, logo, o funcionamento dos dois motores parte do mesmo princípio da admissão, compressão, combustão e descarga.
No ciclo “Diesel” os tempos acontecem de maneira parecida com ciclo otto, no primeiro tempo a válvula de admissão se abre, movida pelo came do eixo comando de válvulas, e o pistão desce aspirando apenas ar, com o giro do Virabrequim completando seu primeiro 180º.
No segundo tempo do ciclo “Diesel” o pistão sobe dentro do cilindro, fazendo 360º do eixo Virabrequim, comprimindo apenas ar e o elevando a temperaturas próximas a 600º graus C.
O terceiro tempo deste motor acontece um pouco diferente. Com a compressão o ar fica aquecido. Quando o pistão chega ao PMS (Ponto morto superior) uma quantidade de “Diesel” é injetada e inflama dentro da câmara, por encontrar o ar extremamente quente e a geração de força acontece com o deslocamento do pistão e do eixo Virabrequim em 540º.
Para encerrar o ciclo a válvula de escape se abre, em função do comando, o pistão sobe expulsando os gases de descarga no escapamento e consequentemente na atmosfera. O ciclo se completa com duas voltas 720º no eixo de Manivelas ou Virabrequim.
 
Ciclo Diesel Ciclo Otto
A característica construtiva principal deste motor é de possuir alta taxa de compressão, começando com 14:1 a 28:1 ou até outros valores extremos. Isso explica o aumento da temperatura do ar quando comprimido. Em alguns casos o cabeçote de motores a “Diesel” tem sua face de baixo “plana”, sem câmara, todo o volume do cilindro é comprimida em milímetro, em um espaço pequeno que sobra quando o pistão chega em PMS.
Motores de 2 tempos
Motor de dois tempos é um tipo de motor de combustão interna de mecanismo simples. Eles possuem orifícios ou fendas nas paredes do cilindro do motor por onde os gases de admissão e exaustão entram e saem. Neste tipo de motor o pistão funciona como uma válvula capaz de abrir e fechar esses orifícios ou fendas.
Nele ocorre um ciclo de admissão, compressão, expansão e exaustão de gases a cada volta do eixo. Diferente dos motores de quatro tempos, as etapas de funcionamento não ocorrem de forma bem demarcada, havendo admissão e exaustão de gases simultaneamente, por exemplo
Um tempo de funcionamento do motor corresponde ao percurso do PMI ao PMS da trajetória do pistão. Assim, um tempo equivale a meia volta do eixo de manivelas.
A invenção do motor de 2 tempos é atribuída ao escocês sir Dugald Clark que em 1881 o patenteou, seu invento pôde ser usado tanto em para motores com ignição por faísca como por ignição espontânea.
Motor de 2 tempos ignição por faísca (MIF): Usados em motocicletas, cortadores de grama, pequenos motores de popa, etc.
No primeiro tempo (compressão e admissão) o pistão se desloca do PMI ao PMS comprimindo a mistura (combustível + ar + óleo lubrificante), causando uma depressão no cárter, o que causa a admissão de uma nova mistura pelo orifício de admissão (A). Antes do pistão atingir o PMS ocorre a faísca que causa a combustão.
 
Ao segundo tempo corresponde as fases de expansão e escape, onde os gases da combustão se expandem deslocando o pistão do PMS ao PMI, liberando o orifício de exaustão (C) e permitindo a saída dos gases queimados. Ao mesmo tempo ele comprime a mistura que está no cárter fazendo com que ela passe para o cilindro através da janela de transferência (B) e expulse os gases resultantes da queima. B
Motor de 2 tempos por ignição espontânea (MIE): O motor por ignição espontânea de dois tempos não trabalha com uma pré-compressão no cárter. Ele tem carregamento forçado por meio de um compressor volumétrico (bomba). São usados em navios e instalações de grande porte.
No 1o tempo, o pistão está em seu movimento descendente, e descobre as janelas de admissão, dando entrada ao ar, que está sendo empurrado por um soprador (bomba de lavagem). O ar que entra expulsa os gases queimados, que sairão através da passagem aberta pelas válvulas de escape.
O fluxo de ar em direção às válvulas de escape causa um efeito de limpeza, deixando o cilindro cheio de ar limpo, por isso, esse processo é chamado de “lavagem”.
 No 2o tempo, o pistão está em seu movimento ascendente e cobre as janelas de admissão (fechando-as)ao mesmo tempo em que as válvulas de escape fecham-se. O ar limpo admitido é submetido à compressão. Um pouco antes de o pistão alcançar sua posição mais alta, uma certa quantidade de óleo diesel é pulverizada pelo injetor de combustível. O intenso calor, causado pela alta compressão do ar, inflama imediatamente o combustível no cilindro. A pressão resultante força o pistão para baixo, no curso de expansão. As válvulas de escape vão se abrir quando o pistão estiver na metade do curso descendente permitindo que os gases queimados saiam pelo coletor de escapamento. Quando o pistão, em seu curso descendente, descobre as janelas de admissão, o cilindro é novamente “lavado” pelo ar limpo.
Motor rotativo Wankel
O motor rotativo Wankel leva esse nome devido ao seu idealizador, o engenheiro alemão Felix Heinrich Wankel, que foi o responsável pela maior parte dos estudos que levaram ao seu desenvolvimento e também por registrar sua patente. Com a ajuda do físico, Dr Froede, em 1960, é apresentado o primeiro motor Wankel. Em 1963 a NSU apresenta o primeiro veículo equipado com esse motor, o NSU Spider. Porém a aplicação mais audaciosa surge com o NSU Ro 80, um sedã compacto que chegou a vencer o prêmio europeu de Carro do Ano, entretanto os constantes problemas de vedação entre os vértices do rotor e estator arruinaram sua reputação. Mais tarde, em 1978, a Mazda produziu o RX-7, o maior sucesso de produção com este tipo de motor, inclusive alcançando a vitória na tradicional prova 24 Horas de Le Mans.
1 Felix Wankel
Estrutura
	A carcaça externa ou bloco do motor Wankel possui uma superfície ovalada e alongada. Internamente as câmaras que abrigam o rotor (peça que desempenha o papel de pistão) também possui forma ovalada. O formato do rotor é triangular com laterais abauladas e no seu centro localiza-se a engrenagem que se acopla à engrenagem do eixo de saída do motor. A geometria interna do bloco faz com que o rotor, ao girar, mantenha constantemente seus vértices em contato com as paredes do bloco, vedando cada uma das três câmaras.
Ciclo de funcionamento
Devido à sua estrutura o motor Wankel realiza três ciclos completos a cada volta do rotor, assim como três voltas completas do eixo do motor.
A fase de admissão do ciclo se inicia quando a ponta do rotor passa pela janela de admissão. No momento em que a janela de admissão é exposta à câmara, o volume dessa câmara está próximo do seu mínimo. À medida que o rotor se afasta da janela de admissão, o volume da câmara se expande, aspirando a mistura ar-combustível para o interior da câmara. Quando o pico do rotor passa pela janela de admissão, a câmara é vedada e a compressão se inicia. 
Conforme o rotor continua seu movimento pela carcaça, o volume da câmara diminui e a mistura ar-combustível é comprimida. No momento em que a face do rotor passa pelas velas de ignição, o volume da câmara está novamente próximo de seu mínimo. É quando se inicia a combustão. 
A maioria dos motores rotativos possui duas velas de ignição. A câmara de combustão é comprida, de modo que a chama se propagaria lentamente se houvesse apenas uma vela. Quando as velas de ignição detonam a mistura ar-combustível, a pressão aumenta rapidamente, o que força o rotor a se mover. A pressão da combustão força o rotor a se mover na direção que faz a câmara aumentar de volume. Os gases da combustão continuam a se expandir, movendo o rotor e gerando potência, até que o pico do rotor passe pela janela de escapamento.
Assim que o pico do rotor passa pela janela de escape, os gases de combustão a alta pressão estão livres para fluir para o escapamento. À medida que o rotor continua a se mover, a câmara começa a se contrair, forçando os gases de escape remanescentes através da janela. No momento em que o volume da câmara está próximo de seu mínimo, o pico do rotor passa pela janela de admissão e todo o ciclo começa novamente.
Comparações entre motor de 4 e 2 tempo.
Uma das maiores características que diferenciam os motores de 4 e 2 tempos é a forma construtiva. Os motores de 4 tempos possuem uma maior quantidade de peças, comparado ao 2 tempos, fundamentais ao seu funcionamento o que aumenta sua complexidade. 
Uma característica visível externamente da diferença entre esses dois motores é a maior quantidade de gases queimados pelo motor 2 tempos provenientes do lubrificante das peças, devido à ausência de reservatório. Logo esses motores são muito mais poluentes.
O motor de dois tempos, com o mesmo dimensionamento e rpm, dá uma maior potência que o motor de quatro tempos e o torque é mais uniforme. Faltam os órgãos de distribuição dos cilindros, substituídos pelos pistões, combinados com as fendas de escape e combustão, assim como as de carga.
Os motores de 2 tempos são pouco econômicos, pois uma parte da mistura admitida no cilindro escapa junto com os gases queimados, possuem maior aquecimento, pois as combustões ocorrem com maior frequência, têm lubrificação imperfeita, pois é preciso fazê-la através do óleo diluído no combustível, perdem eficiência quando há alteração nas condições de rotação, temperatura e altitude.
Uma desvantagens, além das bombas especiais de exaustão e de carga, é que tem menor poder calorífico e consumo de combustível relativamente elevado; carga calorífica consideravelmente mais elevada que num motor de quatro tempos, de igual dimensionamento.
Comparações entre motor rotativo e alternativo
Esse motor, de um modo geral, apresenta as seguintes vantagens em relação aos alternativos: 
Eliminação dos mecanismos biela-manivela com redução dos problemas de compensação de forças e momentos, bem como vibratórios; 
Menor número de peças móveis, o que poderá ocasionar construção e manutenção mais simples e de menor custo; 
Maior concentração de potência, logo menor volume e peso.
Motor Wankel
	As vantagens do motor Wankel sobre os motores a pistão convencional são muitas. Em primeiro lugar, não existem vibrações devido ao fato de que só há um movimento rotativo, isso significa ainda menor desgaste e vida mais longa. O motor Wankel não tem nada de complicado, pelo contrário, tem poucos componentes e é bem menor. Além disso ele gera mais potência e mais torque que um motor "convencional" de mesma cilindrada. Isso porque cada lado de seu rotor encontra-se em uma fase do ciclo, gerando mais explosões por volta do eixo virabrequim do que um motor a pistão.
Os motores Wankel apresentam maior consumo de combustível devido a sua elevada temperatura de funcionamento e menor taxa de compressão, custo de manutenção mais elevado e a maior emissão de CO (Monóxido de Carbono).
Uma grande vantagens no emprego de motores rotativos, devido ao seu princípio de funcionamento, é devida as vibrações produzidas que são bem menores, assim como o nível de ruído. Outro aspecto importante, fica por conta do torque, que é disponibilizado de forma mais homogênea e constante e esses motores são muito mais compactos e leves.
Referências bibliográficas/sites:
(Máquinas Térmicas- Apostila de Motores de Combustão Interna)
http://mecanica.scire.coppe.ufrj.br/util/b2evolution/media/silvio/apmotoresMCI05_01.pdf
(MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA)
PROF. Eng.º. DURVAL PIZA DE OLIVEIRA JUNIOR
(Motores e Geradores)
ENG JOSÉ CLAUDIO PEREIRA
(Motores a combustão interna)
Apostila – Drive SMII_s2_2015