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Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 1 CURSO OPERAÇÃO E MANTENÇÃO DE GRUPO MOTO GERADOR DIESEL Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 2 Sumário Geração de energia elétrica, sistema grupo moto gerador 04 Grupo moto gerador de corrente alternada 23 Introdução ao motor de combustão interna 25 Motor ciclo diesel 4 tempos 38 Sistemas que constituem o motor diesel 41 Instrução e manutenção preventiva de motor diesel 73 Alternador 79 Regulador de Tensão 91 Manutenção preventiva do alternador 98 Ajuste de velocidade 110 USCA – Unidade de supervisão de corrente alternada 118 Transferência de cargas 125 Princípio de Paralelismo 140 Operação do grupo moto gerador 150 Conceitos e métodos preventivos 156 Instalação de grupo gerador diesel 165 Questionário 174 Relatório de manutenção 177 Diagramas funcionais 178 Referências 180 Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 3 Curso de Formação Continuada – Operação e Manutenção de Grupo Moto Gerador Diesel © SENAI-SP, 2015 Trabalho organizado e editorado pelo Centro de Treinamento SENAI “Jorge Mahfuz” a partir de conteúdos extraídos dos livros e sites listados nas referências. Coordenação Roberto Sanches Cazado Edson Pereira dos Santos Equipe de organização Wilker Iassia Dias dos Santos Denis Gomes Henry Vargas Digitalização Denis Gomes Henry Vargas Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 4 Geração de energia elétrica, sistema grupo moto gerador Introdução gerador elementar O gerador elementar foi inventado na Inglaterra em 1831 por Michael Faraday e nos Estados Unidos mais ou menos na mesma época, por Joseph Henry. Este gerador consistia basicamente de um ímã, que se movimentava dentro de uma espira, ou vice-versa, provocando o aparecimento de uma força eletro motriz registrada em um galvanômetro (Figura 1). Figura 1: O galvanômetro "G" indica a passagem de uma corrente quando o ímã se move em relação à bobina. Aplicação do grupo moto gerador Geradores síncronos são máquinas destinadas a transformar energia mecânica em energia elétrica. Praticamente toda a energia consumida nas indústrias, residências, cidades, etc. são provenientes destes geradores. São fabricados geradores para as seguintes aplicações: Geração Eólica; Alimentação de Fazendas, Sítios, Garimpos, Carros de Som; Pequenos Centros de Geração de Energia para uso Geral; Grupo Diesel de Emergência; Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 5 Centro de Processamento de Dados; Telecomunicações; Usinas Hidroelétricas PCH’s; Cogeração / Turbo Geradores; Aplicações específicas para uso Naval, Usinas de Açúcar e Álcool, Madeireiras, Arrozeiras, Petroquímica, etc. Tipos Grupo Diesel São geradores acionados por Motor Diesel; Potência: 50 a 5000 KVA; Rotação: 1800 rpm (IV pólos); Tensão: 220, 380 ou 440 V - 50 ou 60 Hz. Hidrogeradores São geradores acionados por Turbinas Hidráulicas; Potência: até 20.000 KVA; Rotação: 360 a 1800 rpm (XX a IV pólos); Tensão: 220 a 13.800 V. Turbogeradores São geradores acionados por Turbinas a Vapor; Potência: até 20.000 KVA; Rotação: 1800 rpm (IV pólos); Tensão: 220 a 13.800 V. Princípio de funcionamento A característica principal de um gerador elétrico é transformar energia mecânica em energia elétrica. Para facilitar o estudo do princípio de funcionamento, vamos considerar inicialmente uma espira imersa em um campo magnético produzido por um ímã permanente (Figura 2). O princípio básico de funcionamento está baseado no movimento relativo entre uma espira e um campo magnético. Os terminais da espira são conectados a dois anéis, que Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 6 estão ligados ao circuito externo através de escovas. Este tipo de gerador é denominado de armadura giratória. espira carga Figura 2: Esquema de funcionamento de um gerador elementar (armadura girante) A bobina gira com velocidade uniforme no sentido da flecha dentro do campo magnético "B" que também é uniforme (Figura 2). Se "v" é a velocidade linear do condutor em relação ao campo magnético, segundo a lei da indução (Faraday), o valor instantâneo da f.e.m. induzida no condutor em movimento de rotação é determinada por: sen vlBe Onde: e = força eletromotriz; B = indução do campo magnético; l = comprimento de cada condutor; v = velocidade linear; = ângulo formado entre B e v. Teremos então para N espiras: NvlBe sen Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 7 A variação da f.e.m. no condutor, em função do tempo, é determinada pela lei da distribuição da indução magnética sob um pólo. Esta distribuição tem um caráter complexo e depende da forma da sapata polar. Com um desenho conveniente da sapata poderemos obter uma distribuição senoidal de induções. Neste caso, a f.e.m. induzida no condutor também varia com o tempo sob uma lei senoidal. A Figura 3a. mostra somente um lado da bobina no campo magnético, em 12 posições diferentes, estando cada posição separada uma da outra de 30o. A Figura 3b nos mostra as tensões correspondentes a cada uma das posições. Já nos geradores de campo giratório (Figura 3c) a tensão de armadura é retirada diretamente do enrolamento de armadura (neste caso o estator) sem passar pelas escovas. A potência de excitação destes geradores normalmente é inferior a 5% da potência nominal, por este motivo, o tipo de armadura fixa (ou campo girante) é o mais utilizado. Figura 3a: Distribuição da Indução Magnética sob um pólo Figura 3b: Distribuição da Indução Magnética sob um pólo Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 8 Figura 3c: Esquema de funcionamento de um gerador elementar (armadura fixa) A cada giro das espiras teremos um ciclo completo da tensão gerada, parauma máquina de um par de pólos. Os enrolamentos podem ser construídos com um número maior de pares de pólos, que se distribuirão alternadamente (um norte e um sul). Neste caso, teremos um ciclo a cada par de pólos. Sendo "n" a rotação da máquina em "rpm" e "f" a freqüência em ciclos por segundo (HERTZ) teremos: Hz 120 np f Onde: f = frequência (Hz) p = número de pólos n = rotação síncrona (rpm) Note que o número de pólos da máquina terá que ser sempre par, para formar os pares de pólos. Na tabela 1 são mostradas, para as freqüências e polaridades usuais, as velocidades síncronas correspondentes. Tabela 1: Velocidade Síncrona Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 9 Geração de tensão e corrente alternadas trifásicas A geração de tensão e corrente alternadas é feita pelo gerador. Como já foi visto o gerador é uma máquina elétrica, que transforma energia mecânica em energia elétrica com a ajuda da força magnética. O gerador de tensão trifásica é constituído por um ímã indutor girando no centro de um conjunto de três bobinas colocadas a 1200 uma da outra, com as seguintes características: Mesma freqüência angular, ou seja, mesma velocidade angular; Mesmo valor eficaz; Fases iniciais defasadas entre si 120o Geração de energia elétrica trifásica Os geradores de eletricidade podem produzir corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA). A corrente contínua é pouco usada devido às dificuldades para aumentar ou diminuir os valores de tensão e corrente. A corrente alternada, por sua vez, permite aumentar ou diminuir os valores da corrente, o que é feito por meio de transformadores. Além disso, a corrente alternada facilita bastante a transmissão e a distribuição de energia elétrica desde a usina geradora até os consumidores. Comercialmente a energia elétrica é gerada, em corrente alternada, no sistema trifásico e nas frequências de 50 Hz ou 60 Hz. Nesse sistema, utiliza-se um gerador de corrente alternada, constituído por um indutor (rotor) girando no centro de um sistema fixo de três bobinas (estator) colocadas a 120o uma da outra (Figura 4). Figura 4: Gerador comercial de energia elétrica Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 10 Um ciclo completo de corrente alternada corresponde a 360o, ou seja, uma volta completa do rotor. Por isso, as três correntes alternadas monofásicas produzidas por um gerador trifásico estão defasadas entre si de 120o elétricos, ou 1/3 do ciclo. A defasagem de 120o entre as correntes alternadas e as suas variações para valores positivos e negativos ocorre tanto para os valores de tensão (E), quanto para os valores da intensidade da corrente elétrica (I). No gráfico da figura 5, as correntes das bobinas I, II e III fornecem a seguinte configuração: Figura 5: Gráfico de tensões e correntes em um gerador trifásico Ligações em um sistema trifásico Como já vimos, a energia elétrica é gerada industrialmente em corrente alternada no sistema trifásico, por meio de geradores trifásicos constituídos por três bobinas dispostas de tal forma que as tensões induzidas ficam defasadas 120 o. As três fases são independentes entre si e geram formas de onda também defasadas 120 o. As três bobinas do gerador produzem três Correntes Alternadas monofásicas. Teoricamente, para transportar essas três correntes alternadas monofásicas até os consumidores, seriam necessários seis condutores (figura 6). Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 11 Figura 6 – Transporte de energia elétrica Na prática, porém, é possível diminuir esse número de condutores para apenas três ou quatro. Para isso, o gerador pode ser ligado de duas formas diferentes: Por meio da ligação em estrela, representada simbolicamente pela letra Y; Por meio da ligação em triângulo (ou delta), representada pela letra grega (delta). Ligação em estrela Tem-se uma ligação em estrela quando as extremidades de cada uma das fases ou bobinas geradoras são ligadas entre si. Essa ligação pode ser feita com condutor neutro (4 fios) ou sem condutor neutro (3 fios). A ligação em estrela com condutor neutro é chamada ainda de sistema a quatro fios. Nesse tipo de ligação os três fios por onde retornam as correntes podem ser reunidos para formar um só condutor ou fio neutro. Esse condutor recolhe as três correntes das cargas e as conduz ao centro das fases geradoras. A figura 7 mostra a representação esquemática desse tipo de ligação, bem como as respectivas curvas de tensões. Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 12 Figura 7: Ligação em estrela Outro dado a ser lembrado é que a soma das três tensões, num mesmo instante equivale à zero. Isso acontece porque a tensão na fase I assume seu valor máximo positivo. Enquanto isso, as tensões nas fases II e III apresentam, respectivamente e no mesmo instante, um valor máximo negativo. Matematicamente, esses valores se anulam. Isso significa que a soma das correntes de cada carga é nula no fio neutro. Por esse motivo, ele pode ser retirado. Disso resulta a ligação em estrela sem condutor neutro ou sistema a três fios. Veja a seguir a representação esquemática desse tipo de ligação (Figura 8). Figura 8: Sistema a três fios Tensão de fase e tensão de linha na ligação estrela A tensão entre as duas extremidades de cada bobina é chamada de tensão de fase (Ef). Veja a localização das tensões de fase na representação esquemática a seguir. A tensão entre duas fases seja, entre a fase I e a fase II, entre a fase I e a fase III, ou ainda entre a fase II e a fase III, é chamada de tensão de linha (EL) (Figuras 9 e 10). Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 13 Figura 9: Tensões de fase na ligação estrela Figura 10: Tensões de linha na ligação estrela Num sistema trifásico, ligado em estrela, a tensão de fase em qualquer instante corresponde à tensão de linha dividida pela raiz de três. Isso acontece porque os valores instantâneos de tensão em cada fase não são coincidentes, estão defasados em um ângulo de 120 o. Assim, a tensão de fase (Ef) é calculada com o auxílio da seguinte equação: A tensão de linha deveria ser calculada por meio da soma das tensões Ef1 e Ef3. 73,1 ou 3 L f L f E E E E Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 14 Todavia, por causa da defasagem de 120o já citada, não é possível fazer a soma aritmética das duas tensões. Portanto, deduzindo a fórmula, temos: EL = Ef . 1,73 Como exemplo, vamos aplicar essa fórmula na ligação em estrela apresentada a seguir (Figura 11). Figura 11: Tensões de fase e linha em ligação estrela EL = 127 . 1,73 = 219,71 = 220 V Corrente de linha e corrente de fase na ligação em estrela Numa ligação em estrela, chama-se corrente de linha (IL) a corrente que se encontra em cada uma das linhas (figura 12). Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 15 Figura 12: Corrente de linha em ligação estrela Na ligação em estrela, a corrente de cada bobina é chamada de corrente de fase (If) (figura 13). Figura 13: Corrente de fase em ligação estrela Por exemplo, num sistema trifásico ligado em estrela, a corrente de linha é igual à corrente de fase, isto é, IL = If. Isso acontece porque a corrente flui em série através da fase e da carga. Como não há ramificação da corrente, a intensidade de I na fase If é exatamente igual à corrente de linha (IL). Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI“JORGE MAHFUZ” 16 Potência na ligação estrela A potência total fornecida por um sistema trifásico ligado em estrela é igual à soma das potências das correntes alternadas das três fases. Como as fases estão deslocadas 120o, não é possível fazer uma soma aritmética. Assim, a potência aparente é calculada através da seguinte equação: 3IES fL Observação: O cos é o cosseno do ângulo de defasagem entre tensão e corrente e corresponde ao fator de potência usado para cálculo da potência real. Como: Temos: Sendo: 3 . I I Lf IL = If e 3 . I . E S LL 3.3 . I . E S fL 3 . I . E S ff 3 . E E , 3 E E fL L f Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 17 Logo: Então, a potência ativa poderá ser calculada das seguintes formas: ou O resultado desse cálculo é multiplicado pelo cos (fator de potência), o que dará a potência ativa ou real. Se multiplicado por sen , dará a potência reativa. Exemplo Calcular a potência de um gerador ligado em estrela, com uma tensão de linha de 440 V, uma corrente de 300 A por linha e um fator de potência de 0,8. Potência aparente S = 440 . 300 . 1,73 = 228,36 KVA Potência ativa P = S . Cos P = 228,36 . 0,8 = 182,69 KW Ligação em triângulo A ligação em triângulo é feita de modo que o início de um enrolamento é ligado ao final do outro, formando graficamente um triângulo equilátero. Os condutores externos são ligados às junções de cada fase (figura 14). 3 . I . E S fL 3 . I . E S ff 3 . I . E S fL Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 18 Figura 14: Ligação em triângulo Esse tipo de ligação forma um circuito fechado. Todavia, a corrente não circula por esse circuito, pois a tensão resultante é a soma das tensões geradas em cada fase. Como a tensão de uma fase é igual e oposta à soma das outras duas, elas se anulam. Tensão de fase e tensão de linha na ligação em triângulo Como acontece na ligação em estrela, na ligação em triângulo, a tensão entre as duas extremidades de cada bobina é chamada tensão de fase (Ef) (Figura 15). Figura 15: Tensão de fase em ligação triângulo Então, a tensão entre qualquer dos pares de fases é chamada de tensão de linha (EL) (Figura 16). Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 19 Figura 16: Tensão de linha em ligação triângulo Num sistema trifásico ligado em triângulo, a tensão de linha é igual à tensão de fase. Portanto: EL = Ef Corrente de linha e corrente de fase na ligação em triângulo Na ligação em triângulo, a corrente de linha (IL) é aquela que se encontra em cada uma das linhas (Figura 17). Na ligação em triângulo, a corrente de fase (If) é a corrente de cada bobina (Figura 18). Figura 17: Corrente de linha em ligação triângulo Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 20 Figura 18: Corrente de fase em ligação triângulo Para estudar o comportamento das correntes de linha e de fase na ligação em triângulo com três cargas monofásicas iguais, é preciso lembrar que cada condutor externo é comum a duas fases. Com os três condutores externos podemos formar três circuitos elétricos. Quando, num instante qualquer, a corrente entra por um dos condutores, esse será o condutor de entrada, e os outros dois, os condutores de retorno. No instante seguinte, um segundo condutor será o de entrada, enquanto o primeiro e o terceiro serão os condutores de retorno e assim por diante. Como as correntes estão defasadas 120o (Figura 19), a corrente de linha é igual à corrente de fase multiplicada por 1,73, ou seja: IL = If . 1,73 Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 21 Figura 19: Corrente de fase e linha em ligação triângulo Assim, numa ligação em que a corrente de fase é de 10 A, teremos: IL = 10 . 1,73 = 17,3 A Potência na ligação triângulo Para calcular a potência de um sistema trifásico ligado em triângulo, procede-se da mesma maneira utilizada para saber a potência de um sistema trifásico ligado em estrela, ou seja: P = 1,73 . EL . IL . cos É importante notar que, com o auxílio da equação acima, calcula-se a potência ativa (real) do sistema. A potência aparente é calculada multiplicando-se a constante 1,73 pelos valores de EL e IL. Para calcular a potência ativa, basta multiplicar a potência aparente pelo cosseno do ângulo de defasagem (cos ou fator de potência). P = S . cos 3 . I . E S LL Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 22 Exemplo Calcular a potência ativa de um gerador ligado em triângulo, com uma tensão de linha de 380 V, corrente de fase de 15 A e um fator de potência de 0,85. P = 1,73 . EL . IL . cos P = 1,73 . 380 . 15 . 0,85 P = 8300 W ou 8,3 KW Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 23 Grupo moto gerador de corrente alternada Grupo Moto Geradores e suas aplicações Este conteúdo tem como finalidade trazer ao técnico de manutenção o conhecimento da operação de grupo moto gerador de energia elétrica e as informações básicas sobre os geradores dieseis. Serão abordados, além do principio básico de funcionamento desses equipamentos, as principais utilizações e aplicações de forma que, se possam garantir ainda mais a segurança, confiabilidade e operacionalidade com a máxima eficiência. Também serão tratados os cuidados e considerações necessários para que o equipamento grupo moto gerador tenha sua instalação feita de forma e em local adequados, assegurando sua operacionalidade e eficiência. O que é um grupo moto gerador? Grupo moto gerador é uma montagem eletromecânica composta de dois equipamentos principais, motor e alternador (Figura 20). Figura 20: Conjunto grupo moto gerador Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 24 Motor O Motor a combustão interna (diesel, gás, gasolina, biogás ou outro combustível). Transforma a energia liberada pela explosão do combustível no pistão em energia mecânica. Alternador O Alternador, ou também denominado de gerador de corrente alternada é a máquina destinada a converter a energia mecânica em energia elétrica. Os alternadores pertencem a categoria das máquinas síncronas, isto é, máquinas cuja rotação é diretamente relacionada ao número de pólos magnéticos. Por isso grupos moto geradores para 60 HZ que têm alternadores de 4 pólos (2 pares de pólos) giram a 1800 rpm, enquanto que para 50 HZ giram a 1500 rpm. Hz 120 np f Onde: f = frequência (Hz) p = número de pólos n = rotação síncrona (rpm) Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 25 Introdução ao motor de combustão interna O motor de combustão interna é um conjunto de componentes que se combinam entre si, com a finalidade de transformar a energia calorífica da combustão da mistura de ar e combustível, em energia mecânica capaz de efetuar trabalho. O combustível misturado com o ar inflama dentro da câmara de combustão que fica no cabeçote, movimentando os êmbolos dentro dos cilindros no bloco do motor. O movimento gerado nos êmbolos é o que proporcionará a força para acionar as rodas e movimentar o veículo. A combustão é o processo químicoda ignição de uma mistura de ar e combustível. Para aplicações automotivas, existem dois tipos básicos de motor de combustão interna, ciclo Otto e ciclo Diesel. Umas das diferenças entre os dois ciclos é que no Otto o combustível é misturado com o ar antes de ser admitido pelo cilindro, já no ciclo Diesel a mistura é feita dentro do cilindro. O trabalho gerado pelo motor é utilizado não só para mover o carro, como também para acionar diversos acessórios, como ar condicionado, sistema elétrico, direção hidráulica, além de sistemas vitais ao próprio funcionamento do motor, como o sistema de arrefecimento, lubrificação e alimentação. Histórico do motor ciclo Diesel São maquinas térmicas alternativas, de combustão interna, destinada ao suprimento de energia ou força motriz de acionamento. Esse nome se deve ao seu inventor Rudolf Diesel, engenheiro francês nascido em Paris, que desenvolveu o primeiro motor na Alemanha, no período de 1893 a 1898. Oficialmente o primeiro teste de um motor diesel foi realizado em 17 de fevereiro de 1897, em Maschinenfrabick Augsburg (Figura 21). Figura 21: Rudolf Diesel e seu primeiro motor ciclo Diesel Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 26 Aplicação do motor ciclo Diesel quatro tempos Estacionários: São destinadas máquinas estacionarias, tais como: geradores, máquinas de solda, bombas (Figura 22). Figura 22: Motor estacionário GUASCOR Veiculares: São destinados ao acionamento de veículos e transportes urbanos em geral. Construção civil e industrial: São máquinas destinadas a construção civil, tais como: escavadeira, pá-carregadeira e equipamentos que necessitem de acionamento constante. Marítimos: São máquinas destinadas a propulsão de barcos e máquinas navais. Conforme ao tipo de serviço e regime de trabalho, existe uma vasta gama de modelos com características apropriadas, conforme uso. Definição das partes do motor O motor propriamente dito é composto de um mecanismo capaz de transformar os movimentos alternativos dos pistões em movimento rotativo da árvore de manivelas. Este mecanismo se subdivide nos seguintes componentes principais: Cabeçote Bloco Carter Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 27 Cabeçote Funcionam, essencialmente, como "tampões" para os cilindros e acomodam os mecanismos das válvulas de admissão e escape, bicos injetores e canais de circulação do líquido de arrefecimento. Dependendo do tipo de construção do motor, os cabeçotes podem ser individuais (figura 23), quando existe um para cada cilindro, ou múltiplos, quando um mesmo cabeçote cobre mais de um cilindro (Figura 24). Figura 23: Cabeçote individual Figura 24: Cabeçote múltiplo São montados no cabeçote, os guias e assento das válvulas. Normalmente são montados nos guias, os retentores que evitam a passagem de óleo lubrificante para a câmara de combustão. O assento de válvula é montado congelado e posteriormente usinado obedecendo ao ângulo de assentamento da válvula. Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 28 Vista explodida de um cabeçote individual (Figura 25). Figura 25: vista explodida de um cabeçote individual Os cabeçotes possuem galerias internas para a passagem do liquido arrefecedor (água). Estas galerias foram feitas na fundição e após a usinagem ficam as aberturas, onde são colocados os selos para a vedação da água (Figura 26). Figura 26: Galerias internas do cabeçote PRATO MOLA RETENTOR CABEÇOTE RETENTOR GUIA DE VÁLVULA HASTE DE VÁLVULA ASSENTAMENTO DE VÁLVULA ADMISSÃO DE AR Galeria Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 29 O fechamento das válvulas é feito pelas molas, em um tempo muito rápido, para evitar o atropelamento entre o pistão e as válvulas. Em motores que trabalham em regime de rotação mais constante, estas molas possuem tensões mais baixas, e ha casos em que as molas são mais longas ou duplas, dependendo da rotação do motor (Figura 27). Figura 27: Molas que permitem fechar as válvulas Entre o cabeçote e o bloco é montada uma junta, que tem a finalidade de vedar a pressão da combustão, evitar vazamento de água e óleo. A junta deve suportar a alta temperatura da combustão, não deformar com o aperto dos cabeçotes, resistir a oxidação da passagem de água (Figura 28). Figura 28: Junta do cabeçote Bloco de cilindros Onde se alojam os conjuntos de cilindros, compostos pelos pistões com anéis de segmento, camisas, bielas, árvores de manivelas, galeria de óleo lubrificante, galerias de líquido de arrefecimento e comando de válvulas com seus mancais e buchas. Na grande maioria dos motores, construído em ferro fundido e usinado para receber a montagem dos componentes. Grandes motores navais têm bloco construído em chapas de aço soldadas e Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 30 alguns motores de pequeno porte têm bloco de liga de alumínio. Dependendo da construção podem ser denominado bloco em “V” ou em Linha (Figura 29 e 30). Figura29: bloco de cilindros em linha Figura 30: bloco de cilindros em “V”. Cárter É um reservatório de óleo lubrificante utilizado pelo sistema de lubrificação. Além de ser um reservatório de óleo para o motor, serve pra ajudar no arrefecimento do mesmo. Geralmente construído em ferro fundido, chapa de aço ou em alumínio, o cárter está disposto de maneira a receber o fluxo de ar para o melhor arrefecimento de suas paredes, consequentemente arrefecendo o óleo. Figura 31: Cárter de óleo lubrificante Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 31 Partes móveis Êmbolo É o componente responsável para transmitir e ampliar a energia (pressão) resultante da expansão dos gases queimados ao virabrequim do motor (árvore de manivelas). O embolo é geralmente construído de liga de alumínio, bastante resistente ao calor e ao choque, com alguns reforços de aço (Figura 32). Figura 32: Vista explodida do êmbolo O êmbolo é usinado de forma muito especial, cônico e tem o diâmetro maior na sua saia. As canaletas para alojamento dos anéis são usinadas no lado de menor diâmetro do êmbolo. Geralmente com três canaletas, sendo duas para anéis de compressão e uma para anel raspador de óleo lubrificante (Figura 33). Figura 33: Anéis de compressão e raspagem do óleo lubrificante Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 32 O pistão é diretamente acoplado com uma biela através de um pino de aço (Figura 34). Figura 34: Pino de aço do pistão Anéis de compressão e raspagem do óleo A função dos anéis de compressão é a de vedar em dois sentidos, tanto a pressão da compressão como a passagem de óleo lubrificante para a câmara de combustão, com a ajuda do próprio lubrificante. O primeiro anel de compressão é feito de uma liga de ferro fundido, revestido com cromo, para ter uma melhor resistência ao desgaste e ao calor. O segundo anel de compressão também é feito de uma liga de ferro fundido revestido com cromo, porém somente na face de contato com a parede do cilindro. O anel de óleo também é de liga de ferro fundido com algumas aberturas feitas para acumular o óleo. A função do anel de óleo é a de controlar a Iubrificação das paredes dos cilindros, êmbolos e anéis (Figura 35). Figura 35: Anéis de compressão e raspagem do óleo lubrificanteGrupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 33 Cilindros Comumente chamadas de camisas, podem ser classificadas de duas formas: Secas: Quando não há o contado direto do liquido de arrefecimento com a sua superfície externa. Geralmente usinadas no próprio bloco de cilindros. Úmidas: Possui contado direto do liquido de arrefecimento com a sua superfície externa. São removíveis possibilitando sua substituição individual. Ao substituir uma junta de cabeçote ou ao remover uma camisa de cilindro deve ser medida a saliência da camisa sobre o bloco (Figura 36). Figura 36: Cilindros Biela A biela é a peça que interliga o êmbolo (pistão) à árvore de manivelas sendo responsável pela transmissão da força do movimento alternativo para o rotativo (princípio da manivela). O material empregado para fabricação das bieIas é uma liga de aço muito resistente ao impacto e aos esforços torcionais, obtida em processo de forjado. As bielas são rigorosamente pesadas uma a uma após a usinagem. São selecionadas para que seja montadas no mesmo motor com a mesma classificação de peso, o que permite o funcionamento balanceado e silencioso. Os motores têm as bielas com a classificação de pesos identificados por códigos. Cada código representa determinada faixa de peso. A diferença máxima de peso entre as bieIas não deve ultrapassar o especificado para não desbalancear o motor (Figura 37). Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 34 Figura 37: Biela Bronzinas (Casquilhos) As bronzinas têm esse nome originário da liga metálica de bronze utilizada antigamente na sua fabricação. As bronzinas têm a função de proteger a árvore de manivelas e as bielas do desgaste provocado pela fricção entre os componentes móveis. São construídas por camadas de ligas metálicas mais moles para que, em conjunto com o óleo lubrificante, suavizem esta fricção (componentes de sacrifício). Assim, pode-se substituí-Ias facilmente mantendo a vida prolongada da árvore de manivelas, bielas e do bloco (Figura 38). Figura 38: Bronzinas As bronzinas são fixadas no seu alojamento, sobre uma pré-tensão. O diâmetro externo da bronzina é maior do que o alojamento para permitir a pressão radial e evitar que não gire em seu alojamento (Figura 39). Figura 39: Pressão radial das bronzinas Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 35 Árvore de Manivelas (Virabrequins) A árvore de manivelas, popularmente conhecida como virabrequim ou virabrequim, é o eixo do motor responsável pela transformação do movimento retilíneo do êmbolo em movimento rotativo (princípio da manivela). Ela é bastante pesada, para poder suportar os esforços e também para armazenar uma parte da energia gerada no tempo da combustão "força da inércia", em conjunto com o volante, que veremos mais adiante. A árvore de manivelas é formada pelos munhões, (colos fixos), e os moentes (colos móveis), onde trabalham as bielas. Um dos munhões serve de apoio ao deslocamento axial (longitudinal) da árvore de manivelas (Figura 40). Figura 40: Árvore de Manivelas (Virabrequins) Conforme indicado na figura acima, as partes do eixo de manivelas são: 1) Engrenagem ou pinhão - instalada na extremidade do eixo, destina-se a transmitir movimento ao eixo de cames, normalmente por meio de um trem de engrenagens; 2) Contrapesos - prolongamentos dos braços de manivela que servem para dar suavidade; 3) Braços de manivela ou cambotas - partes do eixo que ligam os pinos fixos e móveis; 4) Munhões - partes do eixo que trabalham nos mancais fixos; 5) Canais de lubrificação - canais abertos no eixo para permitir o fluxo do óleo lubrificante dos mancais fixos para os móveis; 6) Curvas de reforço - partes curvas nas junções dos munhões e moentes com as cambotas; 7) Moentes - partes do eixo onde articulas os mancais das cabeças das bielas; 8) Flange - extremidade em forma de disco onde é fixado o volante. Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 36 Seção dianteira É a parte dianteira do bloco, onde se alojam as engrenagens de distribuição de movimentos para os acessórios externos, tais como bomba d'água, ventilador, alternador de carga das baterias e para sincronismo da bomba de combustível e da árvore de comando de válvulas (Figura 41). Figura 41: Seção dianteira Seção traseira Onde se encontra o volante, componente do motor caracterizado por ser muito pesado (Figura 42). É projetado para executar três funções importantes: 1) Armazenar a energia proveniente da combustão suprindo os intervalos nos quais não se produz energia através da sua inércia; 2) Conduzir força à transmissão com auxílio da embreagem acoplada na sua face; 3) Permitir a partida inicial do motor através da cremalheira. A energia proveniente da combustão é recebida pelo volante e é utilizada para manter o eixo do motor girando nos intervalos nos quais não há explosão nos cilindros. Este trabalho é necessário para executar os demais tempos do motor. O tamanho do volante é proporcional a defasagem de queima. Quanto menor o número dos cilindros, maior será o peso do volante. O peso do volante é calculado conforme a aplicação em função da quantidade de inércia. Durante a manutenção examine visualmente o volante procurando por possíveis deformações, trincas e sinais de desgastes dos dentes da cremalheira respectiva carcaça, para montagem do equipamento acionador. Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 37 Figura 42: Seção Traseira Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 38 Motor ciclo diesel 4 tempos 1º Tempo: Admissão Um ciclo de trabalho estende-se por duas rotações da árvore de manivelas, ou seja, quatro cursos do pistão. O pistão encontra-se no ponto morto superior (PMS) e vai iniciar seu curso ascendente. Abre-se então a válvula de admissão e, à medida que o pistão desce, obriga o ar a entrar, para encher o espaço que ele desocupa. Até o fim do seu curso, no ponto morto inferior (PMI), o pistão aspira o ar puro, através da válvula de admissão (Figura 43). Figura 43: Fase de Admissão 2º Tempo: Compressão Chegando ao PMI, o pistão inicia o curso de retorno. Agora, ele começa a subir. Fecha-se então a válvula de admissão. Também a válvula de escapamento fica fechada. O ar que encheu todo o volume deslocado pelo pistão é agora comprimido, até ficar reduzido a um volume cerca de 15 vezes menor. Por causa dessa compressão violenta, a temperatura do ar sobe e atinge temperatura até 2500ºC (Figura 44). Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 39 Figura 44: Fase de Compressão 3º Tempo: Combustão No Terceiro tempo, com o pistão em movimento novamente do PMS para o PMI, temos a combustão (trabalho), com a expansão dos gases e transferência de energia ao pistão (Figura 45). Figura 45: Fase de Combustão (Trabalho) 4º Tempo: Escape A fase final do ciclo de quadro tempos é a fase de escape. É assim conhecida porque é neste momento que os gases consumidos são expulsos para que o ciclo dos quatro tempos possa começar novamente. Na fase de escape a válvula de escape abre e o pistão retorna para a parte superior do cilindro. Durante seu retorna, o pistão envie os resíduos da combustão para o sistema de escamento. Assim, se completa o ciclo de quatro tempos, que se reinicia com uma nova fase de admissão (Figura 44). Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 40 Figura 46: Fase de Escape Durante os quatro tempos do motor transmitiu-se trabalho ao pistão somente uma vez fazendo com que a válvula de admissão e escapamento funcione corretamente,abrindo e fechando as passagens nos momentos exatos, a árvore de comando de válvulas gira a meia rotação do motor, completando uma volta a cada ciclo de quatro tempos. Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 41 Sistemas que constituem o motor diesel Todos os cuidados de manutenção preventiva se concentram sobre os sistemas do motor. O mecanismo principal só recebe manutenção direta por ocasião das revisões gerais de recondicionamento ou reforma, quando é totalmente desmontado, ou se, eventualmente, necessitar de intervenção para manutenção corretiva, em decorrência de defeito ou acidente. Os componentes internos estão sujeitos a desgastes inevitáveis, porém sua durabilidade e desempenho dependem unicamente dos cuidados que forem dispensados aos sistemas. A figura 47 mostra todos os sistemas do motor diesel em vista explodida. Figura 47: Vista explodida do motor e seus agregados Sistema de admissão de ar O sistema de ar é planejado para suprir o motor de ar limpo (oxigênio) e em quantidade que garanta o melhor rendimento do combustível durante seu funcionamento. O circuito envolve a admissão do ar, filtragem, participação na combustão e exaustão para o meio exterior. O ar aspirado pelo motor deverá passar obrigatoriamente por um filtro de ar Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 42 de boa qualidade, pois ele é responsável pela retenção das impurezas contidas no ar ambiente. Existem três tipos de sistema são os mais usuais em motores dieseis, o sistema de aspiração natural, o sistema turbo-alimentado e o turbo-alimentado com pós-arrefecimento. Aspiração natural do ar Neste sistema o ar é admitido para dentro do cilindro pela diferença de pressão atmosférica, provocada pela sucção decorrente do movimento descendente dos pistões, passa pela filtragem, caminha através do coletor de admissão e alcança a câmara de combustão. Após a combustão, os gases resultantes da queima são empurrados pelos pistões através do coletor de escape para o meio exterior. Um modo de forçar a entrada de mais ar nos cilindros é instalar um turbocompressor. Este componente é instalado próximo ao motor e utiliza a energia dos gases de escape para comprimir o ar de entrada (Figura 48). Figura 48: Turpocompressor Também denominado por turbina, supercharger, turbocompressor, sobrealimentador, supercarregador, turboalimentador ou simplesmente turbo. Tem como finalidade elevar a pressão do ar no coletor de admissão acima da pressão atmosférica, fazendo com que no mesmo volume seja possível depositar mais massa de ar, e consequentemente possibilitarem que maior quantidade de combustível seja injetada, resultando em mais potência. Os gases quentes de escape que deixam o motor após a combustão fazem girar o rotor da turbina. Este rotor é ligado a outro rotor por um eixo. A rotação do rotor da turbina provoca a rotação, na mesma velocidade, do rotor do compressor. A rotação do rotor do compressor puxa o ar da atmosfera, o comprime e o bombeia para dentro do motor (Figura 49). Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 43 Figura 49: Funcionamento do turbocompressor Característica do turbocompressor Dá a possibilidade a um motor pequeno de ter a mesma potência que um motor muito maior; Torna motores maiores ainda mais potentes auxilia na redução da emissão de gases poluentes, pois o turbo injeta mais ar ao motor fazendo com que a combustão seja mais completa e mais limpa; Diminui o consumo de combustível. A perda de calor pelo atrito aumenta drasticamente com o aumento do tamanho do motor. Menores, os motores turbo alimentados aproveitam melhor a energia desperdiçando menos energia por calor e atrito. Previne a perda de potência e a emissão de fumaça preta em grandes altitudes; Aftercooler (Intercooler) O ar comprimido sai da carcaça do compressor muito quente, por causa dos efeitos do compressor-turbina e do atrito. O calor provoca a expansão dos fluídos diminuindo a sua densidade. Então, torna-se necessário fazer com que o ar se resfrie de alguma maneira antes de ser recebido pelas câmaras de combustão do motor. Isto é o que faz o aftercooler ou intercooler. Ele reduz a temperatura do ar admitido fazendo com que ele fique ainda mais denso quando entra na câmara. O intercooler também ajuda a manter a temperatura baixa dentro da câmara de combustão. O intercooler localiza-se no circuito de ar entre o turbo e cilindro do motor. Um compressor convencional pode girar a uma rotação de 100.000 rpm ou mais. Por isso, alguns cuidados de lubrificação e operação são necessários. Muitas das falhas nos turbos são causadas pela deficiência de lubrificação (atraso na lubrificação, restrição ou falta Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 44 do fluxo de óleo, entrada de impurezas no óleo, etc.) ou pela entrada de objetos ou impurezas pelo rotor da turbina ou do compressor. Antes de desligar o motor, aguarde 30s em marcha Ienta para que o turbo reduza sua rotação (Figura 50). Figura 50: Sistema do intercooler Sistema de alimentação de combustível O sistema de injeção é o responsável pela alimentação de combustível do motor. Através de seus componentes, o combustível é pulverizado nos cilindros de maneira precisa e controlada. Basicamente, é composto pelas tubulações de bomba alimentadora, bomba injetora, bicos injetores e filtros de combustível (Figura 51). Figura 51: Sistema de alimentação de combustível convencional O perfeito funcionamento do sistema de injeção é ponto fundamental para o bom funcionamento do motor. Qualquer problema neste sistema acarretara uma diminuição do rendimento do motor. Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 45 Bomba injetora A injeção do combustível diesel é controlada por uma bomba de pistões responsável pela pressão e dosagem para cada cilindro, nos tempos corretos. Na maioria dos motores diesel, utiliza-se uma bomba em linha dotada de um pistão para cada cilindro e acionada por um eixo de comando que impulsiona o combustível quando o êmbolo (pistão) atinge o ponto de início de injeção, no final do tempo de compressão (Figura 52). Alguns motores utilizam bombas individuais para cada cilindro e há outros que utilizam uma bomba de pressão e vazão variáveis, fazendo a injeção diretamente pelo bico injetor acionado pela árvore de comando de válvulas. Há ainda aqueles que utilizam bombas rotativas, que distribuem o combustível para os cilindros num processo semelhante ao do distribuidor de corrente para as velas utilizadas nos motores de automóveis. Figura 52: Bomba injetora em linha A dosagem do combustível é feita pela posição da cremalheira, conectada ao acelerador por meio do governador de rotação (Figura 53). Figura 53: Dosagem do combustível Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 46 Dosagem do combustível com o mesmo deslocamento vertical, o pistão injeta mais ou menos combustível em função da sua posição. O que muda é o tempo final de débito (Figura 54). Figura 54: Injeção em débito final (total) As bombas injetoras, rotativas ou em linha, para que funcionem, são instaladas no motor sincronizado com os movimentos da árvore de manivelas. Ao processo de instalação da bomba injetora no motor dá-se o nome de calagem da bomba. Cada fabricante de motor adota, segundo o projeto de cada modelo que produz um processo para a calagem da bomba injetora. Na maioria dos casos, a coincidência de marcas existentes na engrenagem de acionamento da bomba com as marcas existentes na engrenagem acionadora é suficiente para que a bomba funcione corretamente. Em qualquer caso, porém, é absolutamente necessárioconsultar a documentação técnica fornecida pelo fabricante, sempre que se for instalar uma bomba injetora, pois os procedimentos são diferentes para cada caso. Qualquer falha neste processo implicara na injeção fora do tempo correto o que pode provocar: 1) Falha de funcionamento. 2) Fumaça. 3) Produção de carbono pela queima do combustível. 4) Desgaste prematuro dos cilindros. Bicos injetores Normalmente instalados nos cabeçotes, tem a finalidade de prover o suprimento de combustível pulverizado em forma de névoa. A agulha do injetor se levanta no começo da injeção devido ao impacto da pressão na linha de combustível, suprida pela bomba injetora. Durante os intervalos de tempo entre as injeções, se mantém fechado automaticamente pela ação de uma mola. Uma pequena quantidade de combustível, utilizada para lubrificar e Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 47 remover calor das partes móveis dos injetores é retornada ao sistema de alimentação de combustível. Os bicos injetores, assim como as bombas, são fabricados para aplicações específicas e não são intercambiáveis entre modelos diferentes de motores. Em muitos casos, um mesmo modelo de motor, em decorrência de alguma evolução introduzida na sua produção, utiliza um tipo de bico injetor até um determinado número de série e outro a partir de então, sem que sejam intercambiáveis entre si. É necessário ter atenção especial quando for o caso de substituir bicos ou bombas injetoras, para que sejam utilizados os componentes corretos. Controle eletrônico do motor e o meio ambiente A legislação de emissão de poluentes vem de forma progressiva se tornando mais rígida medida que as necessidades ambientais se evidenciam. Assim, os desafios técnicos estão sendo vencidos com a evolução dos recursos tecnológicos empregados nos motores. Os motores dieseis com gerenciamento eletrônico representam um grande passo na manutenção da qualidade do ar e redução de ruídos, por consequencia oferecendo uma melhoria na qualidade de vida da população. A legislação brasileira, através do CONAMA (Conselho Nacional de Meio Ambiente), vem continuamente adequando-se as novas necessidades ambientais, buscando adequar os novos veículos aos patamares de emissões através de um cronograma pré-estabelecido. Acompanhando tendências internacionais, o cronograma determina uma redução de 66% no volume de substancias nocivas lançadas pelo escapamento. Atendendo a este cronograma, a partir de janeiro de 2005, 40% da produção nacional de veículos diesel dever· ser equipada com motores de gerenciamento eletrônico, devendo atingir o patamar de 100% em 2006. Combustíveis Óleo Diesel composição; O Combustível conhecido como óleo diesel é um composto derivado da destilação do petróleo, constituído basicamente de Hidrocarbonetos e Enxofre. Em sua formula é utilizada uma combinação de diversos produtos tais como: Nafta pesada, querosene, diesel leve, gasóleos e o diesel pesado, além de componentes provenientes da destilação do petróleo. Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 48 Numero de Cetano; O Numero de Cetano (NC) de um óleo combustível corresponde proporção volumétrica de Cetano (C16 H35 ) e Alfa-Metil-Naftaleno (C11 H20 ) contidos neste óleo combustível. Quanto maior for o NC, menor ser· o retardo da ignição e, por conseguinte, melhor ser· sua capacidade de incendiar-se. Podemos então classificar o combustível diesel quanto ao Numero de Cetano: Leve: o Numero de Cetano variando entre 50 a 60; Pesado: o Numero de Cetano variando entre 30 a 45. A determinação do numero de Cetano (NC) é similar ao processo de Octanas (NO). Classificação; Em função da utilização, os óleos dieseis são classificados segundo sua utilização: Óleo Diesel Automotivo Comercial; Tipo B (máximo 0,35% de enxofre); Tipo D (máximo 0,2% de enxofre). Oleo diesel Tipo D; È utilizado nas regiões com as maiores frotas em circulação e condições climáticas adversas dispersão dos gases resultantes da combustão do óleo diesel, necessitando de maior controle das emissões. Para os demais regimes do país é utilizado o óleo diesel tipo B. Oleo Diesel Marítimo; Especial para motores de embarcações marítimas, com ponto de fulgor mínimo de 60°C. Vulnerabilidade; A utilização do diesel no mundo moderno vem sendo reconhecida como uma alternativa econômica imediata e viável, apesar disto, este combustível apresenta uma Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 49 vulnerabilidade que deve ser levada em consideração pelos seus usuários: a capacidade higroscópica, que consiste na propriedade do elemento absorver água. Esta característica aliada ao teor de enxofre presente na composição do óleo diesel permite a formação de acido sulfúrico (SO2H4) composto corrosivo e prejudicial ao funcionamento de qualquer sistema mecânico. Óleo Diesel Aditivado; Os motores modernos possuem características que levaram os produtores de combustíveis a desenvolver composições que auxiliem na melhoria do desempenho dos motores. Este combustível possui os seguintes aditivos e suas respectivas funções. Desemulsificante: neutraliza a característica higroscópica; Detergente: Mantem o sistemas de combustível limpo; Dispersante: Impede a acumulo de resíduos; Antiespumante: evita a formação de espuma melhorando a eficiência no bombeamento; Inibidor de corrosão: controla o teor de enxofre. Biodiesel; A busca por combustíveis alternativos ao petróleo vem se tornando nas ultima décadas uma tarefa de dedicação constante de todas as áreas. A utilização de combustível renovável de origem na biomassa é a solução mais atraente, pois ao mesmo tempo em que os gases queimados são arremessados na atmosfera, as planta consomem parte destes gases através da fotossíntese. O biodiesel atende perfeitamente esta necessidade do ponto de vista ecológico, tanto que desde 1998 países europeus como Alemanha, França e Bélgica importam óleos vegetais e os oferecem como fonte alternativa de combustível. Nestes países os veículos de transporte de carga contam com a possibilidade de utilizar 100% de biodiesel em suas operações. A composição do biodiesel é o resultado da combinação de óleo vegetal e um intermediário ativo. O intermediário é produzido a partir da reação química entre um catalisador e o álcool. Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 50 O óleo vegetal e o álcool, responsáveis pela formação do biodiesel, além de ecologicamente corretos são do ponto de vista econômicos importantes para o Brasil, pois apresentam vantagens como: Utiliza motores de tecnologia diesel que o país já domina; Rompe com o ciclo de dependência econômica do petróleo. Ativa economicamente as regiões do país, transformando terras de solo pobre, de baixo potencial de plantio de outras culturas, em potenciais produtoras de oleaginosas como a mamona. Sistema de injeção diesel Common-rail Sistema de injeção diesel de alta pressão inventado pela FIAT nos anos 90 e adaptado nos anos a veículos automóveis ligeiros pela Fiat-Engeneering e posteriormente cedido para desenvolvimento à Bosch. Em 1995 a FIAT apresentou ao mundo o sistema Common-Rail para uso em Caminhões de trabalho.A Fiat foi a primeira marca a comercializar um automóvel com esta tecnologia. Estreou-se em 1997 no Alfa Romeo 156. Consiste numa bomba de alta pressão que fornece a pressão através de uma rampa comum a todos os injetores, o que permite fornecer uma pressão (de 1350 bar a 1600 bar) constante de injeção, independentemente da rotação do motor, sendo o comando dos injetores e feito por válvulas magnéticas presentes na cabeça dos mesmos. A sua vantagem é um menor ruido de funcionamento, arranque a frio quase instantâneo,e uma clara melhoria de prestações e diminuição da poluição e de consumo. Atualmente é o sistema usado em quase todos os motores diesel (Figura 55). Figura 55: Sistema common rail http://pt.wikipedia.org/wiki/Injector-bomba http://pt.wikipedia.org/wiki/Diesel http://pt.wikipedia.org/wiki/FIAT http://pt.wikipedia.org/wiki/Bosch http://pt.wikipedia.org/wiki/Alfa_Romeo http://pt.wikipedia.org/wiki/Bar_%28press%C3%A3o%29 http://pt.wikipedia.org/wiki/Polui%C3%A7%C3%A3o Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 51 Modulo Eletrônico do Motor (PCM) O modulo eletrônico do motor ou unidade de controle do motor testa todos os processos necessários ao controle de todo o sistema do motor. Em função das necessidades do usuário e dos dados recebidos do motor e do veiculo, como exemplo, rotação do motor, velocidade do veiculo, temperatura do liquido de arrefecimento, massa de ar, etc. Esta unidade calcula as informações de saída necessárias, quantidade de combustível injetado, pressão do combustível, etc. Além disto, são verificadas funções do próprio veiculo, como o sistema de imobilização. A unidade de controle do motor comunica- se com outras unidades de controle e comando através do barramento CAN de comunicação (Figura 56). Figura 56: Modulo eletrônico CUIDADO COM ALTA TENSÃO: Quando forem executados serviços na PCM, devem ser observados todos os cuidados no trabalho em presença de alta tensão.Enquanto o motor estiver em operação, não deverão ser desligados os conectores da unidade de controle (PCM), sob risco de causar sérios danos ao motor. Sistema de Lubrificação Os motores térmicos, e em particular os Diesel apresentam, pela sua própria natureza, problemas de lubrificação difíceis de serem equacionados, levando-se em conta os seguintes fatores: a) Motor desenvolve elevadas temperaturas durante a combustão; b) As pressões exercidas pelo ar comprimido no final da compressão são muito elevadas; c) Não há como evitar-se a formação de fuligem e outras matérias carbonárias oriundas da combustão; Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 52 d) o motor consome combustíveis com teores de enxofre relativamente superiores aos utilizados nos motores de explosão. Por causa desses problemas, os engenheiros especializados em lubrificação sempre se preocuparam com a obtenção de lubrificantes com propriedades adequadas a cada tipo de aplicação. Um motor marítimo de grande porte, por exemplo, utiliza vários tipos de óleos lubrificantes, é claro que isso acontece porque se procura obter os melhores resultados possíveis utilizando-se lubrificantes com propriedades específicas para cada tipo de trabalho. Finalidade do sistema de lubrificação A principal finalidade do sistema de lubrificação do motor é reduzir o atrito entre as peças que trabalham com movimento relativo. Isto é conseguido mediante o estabelecimento de um fluxo contínuo de lubrificante entre essas peças. Ocorre, entretanto, que além de desempenhar sua função principal, o lubrificante acaba realizando funções secundárias de particular importância para o motor. Entre as funções secundárias desempenhadas pelo lubrificante do motor Diesel destacamos: a) O resfriamento ocorre porque, enquanto lubrifica, o óleo absorve parte do calor gerado pelo atrito entre as peças do motor e o transfere para o exterior em um trocador de calor denominado resfriador de óleo lubrificante. Por outro lado, em alguns motores de grande porte uma ramificação do sistema de lubrificação é utilizada para circular o óleo nos espaços ocos existentes nas coroas dos êmbolos, com o propósito de remover dos mesmos o excesso de calor oriundo da combustão. Isto é feito com o auxílio de tubos telescópicos, que serão estudados num outro momento por entendermos que o assunto tem mais afinidade com o sistema de resfriamento do motor; b) No que diz respeito à vedação, a película de óleo lubrificante entre os anéis de segmento e as paredes dos cilindros intensificam a vedação do ar e dos gases, principalmente nas fases de compressão, combustão e expansão, nas quais a pressão no interior do cilindro é bastante elevada; c) Com relação à limpeza, o lubrificante circulando no sistema deve ser capaz de desagregar e arrastar as impurezas que se formam no mesmo, principalmente as oriundas dos resíduos da combustão. Essa limpeza deve-se a uma propriedade do óleo denominada detergência, que é da maior importância, pois as impurezas podem obstruir parcial ou totalmente, tubos, galerias e orifícios de passagem do lubrificante; Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 53 d) A função de amortecer choques deve-se ao fato de que a película de óleo em determinados mancais, como por exemplo, o da conectora, sofre cargas muito elevadas, principalmente no instante da combustão. O lubrificante deverá, por suas propriedades de resistência de película, suportar esses aumentos de carga e de pressão, de maneira a impedir o contato metálico entre as telhas dos mancais e o eixo; e) A película de óleo lubrificante deve ainda proteger contra os ataques químicos todas as superfícies com as quais entra em contato. Composição básica do sistema de lubrificação O sistema de lubrificação do motor diesel é constituído basicamente pelos seguintes elementos. Cárter; Tubo de sucção (Pescador); Bomba de óleo; Filtro de óleo; Trocador de calor; Óleo lubrificante. Reservatório de óleo (Cárter) O cárter, além de ser um reservatório de óleo para o motor, serve pra ajudar no arrefecimento do mesmo, geralmente construído em aço ou alumínio, o cárter está disposto de maneira a receber o fluxo de ar para o melhor arrefecimento de suas paredes, consequentemente, arrefecendo o óleo (Figura 57). Figura 57: Cárter Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 54 Tubo de sucção (Pescador) O pescador instalado no cárter possui uma peneira em sua extremidade, com o propósito de impedir que corpos estranhos como, sujeiras, sedimentações, partículas metálicas, panos, estopa e outros, por vezes esquecidos nos reservatórios após uma limpeza, penetrem na bomba de óleo e filtro, comprometendo o seu funcionamento (Figura 58). Figura 58: Tubo de sucção (Pescador) Bomba de lubrificação A maioria das bombas de óleo tem o mesmo sistema de funcionamento, são bombas de engrenagem acionadas pelo virabrequim do motor. Nos primeiros motores, bastava existir um reservatório de óleo (cárter) no qual o virabrequim mergulhava durante o funcionamento, assim o atrito gerava espirros que lubrificavam o motor. Os novos regimes de trabalho, porém, logo exigiram a evolução para a atual bomba de óleo, que conduz o óleo lubrificante para canais (galerias de óleo no bloco do motor) que o levam aos pistões, válvulas, comando, turbocompressor e outros componentes. Nesse tipo de bomba, o líquido é conduzido entre os dentes das engrenagens e a carcaça da mesma. No caso da figura 59, a engrenagem de cima gira no sentido anti-horário e a de baixo gira no sentido horário. Uma dessas engrenagens recebe o movimento do seu acionador (engrenagem acionada), fazendo girar a outra em sentido contrário (engrenagem conduzida). Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 55 Figura 59: Bomba de óleo e seu funcionamento A bomba dispõe de uma válvula reguladora de pressão que permite manter constante a pressão do óleo no sistema. Em caso de elevação excessiva da pressão, a válvula abre, comunicando a descarga com a admissão da bomba ou com o cárter e mantendo a pressão desejada no sistema. A figura 60 mostra claramente como isso ocorre. Figura 60: Válvula de reguladora de pressão Filtro de óleo O filtro de óleo lubrificante tem por finalidade reter as impurezas sólidas menoresque conseguem passar pela peneira do pescador, garantindo o fornecimento de uma película de óleo isenta de impurezas entre as peças a lubrificar. O filtro de óleo é do tipo descartável nos motores de pequeno porte, devendo ser substituído após determinado tempo de funcionamento previsto no manual do fabricante, ou sempre que se suspeitar que o mesmo encontra-se incapacitado de realizar satisfatoriamente sua função (Figura 61). Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 56 Figura 61: Filtro de óleo lubrificante É muito comum encontrarmos nos filtros dos motores de pequeno porte uma válvula de alívio que permite ao lubrificante passar por fora do elemento filtrante, sempre que a pressão excede a um determinado valor. Isso acontece quando o fluido está muito viscoso (por causa do frio), ou quando o elemento do filtro encontra-se muito sujo. Assim, a válvula de alívio atua como uma proteção para o motor, pois evita uma queda de pressão no sistema provocada pela redução do fluxo de óleo. Com pouco lubrificante, o atrito entre as peças aumenta, a temperatura sobe, o lubrificante superaquece, a viscosidade cai excessivamente e o material das peças funde, principalmente o dos metais macios utilizados no revestimento das telhas dos mancais fixos e móveis (Figura 62). Figura 62: Funcionamento do filtro de óleo lubrificante Trocador de calor O trocador de calor (ou radiador de óleo) tem a finalidade de transferir calor do óleo lubrificante, cuja temperatura não pode ser superior a 130°C, para o meio refrigerante utilizado no motor. Nos motores refrigerados a ar o trocador de calor é instalado na corrente de ar. A transferência de calor para o refrigerante é de aproximadamente 50 Kcal / Cvh para Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 57 os motores refrigerados a água e de 100 Kcal / Cvh nos motores com refrigeração a ar (Figura 63). Figura 63: Trocador de Calor Óleo lubrificante O óleo lubrificante está para o motor assim como o sangue está para o homem. Graças ao desenvolvimento da tecnologia de produção de lubrificantes, é possível, atualmente, triplicar a vida útil dos motores pela simples utilização do lubrificante adequado para o tipo de serviço. Os óleos lubrificantes disponíveis no mercado são classificados primeiro, pela classe de viscosidade SAE (Society Of Automotive Engineers) e a seguir, pela classe de potência API (American Petroleum Institute). A característica mais importante do óleo lubrificante é a sua viscosidade, que é a resistência interna oferecida pelas moléculas de uma camada, quando esta é deslocada em relação a outra; é o resultado de um atrito interno do próprio lubrificante. Existem vários aparelhos para medir a viscosidade. Para os óleos lubrificantes utilizados em motores, é adotado o Viscosímetro Saybolt Universal. O sistema Saybolt Universal consiste em medir o tempo, em segundos, do escoamento de 60 ml de óleo, à determinada temperatura. A indicação da viscosidade é em SSU (Segundos Saybolt Universal). As temperaturas padronizadas para o teste são 70°, 100°, 130° ou 210°F, que correspondem, respectivamente, a 21,1°C, 37,8°C, 54,4°C e 89,9°C. Em essência, consiste de um tubo de 12,25 mm de comprimento e diâmetro de 1,77 mm, por onde deve escoar os 60 ml de óleo. Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 58 Classificações do óleo lubrificante; A SAE estabeleceu a sua classificação para óleos de cárter de motor segundo a figura 64: Figura 64: Classificação do óleo lubrificante A letra w (Winter = inverno) indica que a viscosidade deve ser medida a zero grau Farenheit. Observa-se que o número SAE não é um índice de viscosidade do óleo, mas sim uma faixa de viscosidade a uma dada temperatura; exemplificando, um óleo SAE 30 poderá ter uma viscosidade a 210 °F entre 58 e 70 SSU (Figura 65). Figura 65: Tabela de viscosidade O API classificou os óleos lubrificantes, designando-os segundo o tipo de serviço. As classificações API, encontradas nas embalagens dos óleos lubrificantes, são: Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 59 - ML (Motor Light). Óleos próprios para uso em motores a gasolina que funcionem em serviço leve; tais motores não deverão ter características construtivas que os tornem propensos à formação de depósitos ou sujeitos à corrosão dos mancais. - MM (Motor Médium) Óleos próprios para motores a gasolina, cujo trabalho seja entre leve e severo; tais motores poderão ser sensíveis à formação de depósitos e corrosão de mancais, especialmente quando a temperatura do óleo se eleva casos em que se torna indicado o uso de óleos motor médium. - MS (Motor Severe) Óleos indicados para uso em motores a gasolina sob alta rotação e serviço pesado, com tendência à corrosão dos mancais e à formação de verniz e depósitos de carbono, em virtude não só de seus detalhes de construção como ao tipo de combustível. - DG (Diesel General) Óleos indicados para uso em motores Diesel submetidos a condições leves de serviço, nos quais o combustível empregado e as características do motor tendem a não permitir o desgaste e a formação de resíduos. - DM (Diesel Medium) São óleos próprios para motores dieseis funcionando sob condições severas, usando, além disso, combustível tendente a formar resíduos nas paredes dos cilindros sendo, porém as características do motor tais, que o mesmo é menos sensível à ação do combustível do que aos resíduos e ao ataque do lubrificante. - DS (Diesel Severe) Óleos próprios para motores dieseis especialmente sujeitos a serviço pesado, onde tanto as condições do combustível quanto as características do motor se somam na tendência de provocar desgaste e formar resíduos. Com a finalidade de facilitar a escolha dos óleos pelo consumidor leigo, o API, com a colaboração da ASTM e SAE, desenvolveu o sistema de classificação de serviço indicado pela sigla "S" para os óleos tipo "Posto de Serviço" (Service Station) e C para os óleos tipo "comercial" ou para serviços de terraplanagem. Abaixo a classificação de serviço: AS=Serviço de motor a gasolina e Diesel; SB=Serviço com exigências mínimas dos motores a gasolina; SC=Serviço de motor a gasolina sob garantia; SD=Serviço de motores a gasolina sob garantia de manutenção; Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 60 SE=Serviço de motores a gasolina em automóveis e alguns caminhões; CA=Serviço leve de motor Diesel; CB=Serviço moderado de motor Diesel; CC=Serviço moderado de motor Diesel e a gasolina e CD= Serviço severo de motor Diesel. Também as forças armadas americanas estabeleceram especificações para os óleos lubrificantes, que são encontradas nas embalagens comerciais como MIL-L-2104-B e MIL-L- 2104C, para motores Dieseis. As diferenças entre os diversos tipos de lubrificantes residem nas substâncias adicionadas ao óleo para dotá-lo de qualidades outras. São os Aditivos, que não alteram as características do óleo, mas atuam no sentido de reforçá-las. Os aditivos comumente usados são: (Figura 66). FINALIDADE TIPO DE COMPOSTO USADO Antioxidantes ou inibidores de oxidação Compostos orgânicos contendo enxofre, fósforo ou nitrogênio, tais como aminas, sulfetos, hidroxisulfetos, fenóis. Metais, como estanho, zinco ou bário, frequentemente incorporados Anticorrosivos, preventivos da corrosão ou "venenos" catalíticos Compostos orgânicos contendo enxofre ativo, fósforo ou nitrogênio, tais como sulfetos, sais metálicos do ácido trifosfórico e ceras sulfuradas. Detergentes Compostos organometálicos, tais como fosfatos, alcoolatos, feno latos. Sabões de elevado peso molecular, contendo metais como magnésio, bário e estanho. Dispersantes Compostos organometálicos, tais como naftenatos e sulfonatos. Sais orgânicoscontendo metais com cálcio, cobalto e estrôncio. Agentes de pressão extrema Compostos de fósforo, como fosfato tricresílico, óleo de banha sulfurado, compostos halogenados. Sabões de chumbo, tais como naftenato de chumbo. Preventivos contra a ferrugem Aminas, óleos gordurosos e certos ácidos graxos. Derivados halogenados de certos ácidos graxos. Sulfonatos. Redutores do ponto de fluidez Produtos de condensação de alto peso molecular, tais como fenóis condensados com cera clorada. Polímeros de metacrilato. Reforçadores do índice de viscosidade Olefinas ou iso-olefinas polimerizadas. Polímeros butílicos, ésteres de celulose, borracha hidrogenada. Inibidores de espuma Silicones Figura 66: Tabela de aditivos Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 61 Como a viscosidade é a característica mais importante do óleo lubrificante, é natural que os centros de pesquisas do ramo dedicassem especial atenção a essa propriedade. Sabe-se que todos os óleos apresentam uma sensibilidade à temperatura, no que concerne à viscosidade; alguns serão mais sensíveis que outros, observando-se que os óleos naftênicos sofrem mais a sua ação que os parafínicos. Com o desenvolvimento técnico exigindo qualidades mais aprimoradas dos óleos, muitas vezes chamados a trabalhar em condições de temperatura bastante variáveis, tornou-se necessário conhecer bem as características viscosidade versus temperatura em uma faixa bastante ampla. A variação da viscosidade com a temperatura não é linear. Ou seja, não é possível estabelecer, a priori, quanto irá variar a viscosidade quando for conhecida a variação de temperatura. Os estudos desenvolvidos nessa área até os dias atuais levaram os fabricantes de lubrificantes a produzirem óleos capazes de resistirem às variações de temperatura, de forma a se comportarem como se pertencessem a uma classe de viscosidade a zero grau Farenheit e a outra classe a 210 graus Farenheit. Tais óleos são conhecidos como "multigrade" ou multiviscosos. Os fabricantes de motores dieseis, também, como resultado das pesquisas que realizam, chegaram a desenvolver composições de óleos que hoje são encontradas a venda no mercado. A Caterpillar desenvolveu o óleo que hoje é comercializado com a classificação denominada "Série - 3", que é indicado para uso em motores dieseis turbo-alimentados e supera todas as classificações API. A Cummins desenvolveu um óleo fortemente aditivado com componentes sintéticos, que denominou de "Premium Blue", cuja licença de fabricação, nos Estados Unidos, já foi concedida à Valvoline. Sua principal característica é a alta durabilidade. Atualmente, a melhor indicação para lubrificação dos motores dieseis que operam em temperaturas superiores a 14°F (-10°C), recai sobre os óleos multiviscosos (15w40 ou 20w40), que mantém durante o funcionamento do motor a viscosidade praticamente constante e são aditivados para preservar suas características durante um maior numero de horas de serviço. A seguir a figura 67 mostra o sistema completo de lubrificação. Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 62 Figura 67: Funcionamento do sistema de lubrificação Sistema de distribuição A finalidade do mecanismo de distribuição é fazer com que cada fase do ciclo de funcionamento do motor ocorra rigorosamente no seu devido tempo. Por exemplo, se o motor estiver realizando a fase de compressão, é claro que tanto a válvula de admissão quanto a de descarga devem estar fechadas. Da mesma maneira, no instante da injeção do combustível no cilindro, as referidas válvulas não podem estar abertas pois, se assim acontecesse, o combustível não poderia inflamar. Esses exemplos, apesar de grosseiros, servem para você entender, de imediato, que as peças que fazem parte do mecanismo de distribuição do motor devem trabalhar de forma sincronizada, e que qualquer desvio nessa sincronização pode fazer com que o motor trabalhe mal, ou nem sequer consiga funcionar. Quando isso acontece dizemos que o motor está “fora de ponto”. A princípio, você poderia pensar que, no caso dos motores dieseis, o conceito de distribuição envolve apenas a abertura e o fechamento das válvulas de aspiração e descarga e a injeção do combustível. Na realidade, o conceito de distribuição torna-se muito mais amplo quando se trata, por exemplo, de um motor marítimo de grande porte que, além de ser reversível (gira nos dois sentidos), tem arranque a ar comprimido. Essas particularidades, entretanto, serão estudadas mais adiante. Por agora vamos fazer um estudo básico da distribuição, atentando para o arranjo simplificado da figura abaixo. A uma simples olhada, você percebe que se trata do mecanismo de um motor de quatro tempos, uma vez que existe uma válvula de admissão e uma válvula de descarga na cabeça do cilindro. Além do mais, a engrenagem do eixo de manivelas tem a metade do Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 63 número de dentes da engrenagem do eixo de cames. Repare que as cames do mesmo eixo transmitem movimento aos tuchos, que por sua vez transmitem movimento às hastes ou varetas. Estas hastes acionam os balancins, para abrir as válvulas de aspiração e de descarga, cada uma no seu devido tempo. Repare que os balancins articulam no eixo, o qual é fixado num suporte que não aparece na figura, mas poderá ser visto mais adiante. Vejamos agora algumas particularidades dos componentes (Figura 67). Figura 67: Elementos do conjunto de distribuição Varetas - é a peça que trabalha com uma de suas extremidades em contato com o tucho e a outra em contato com uma das extremidades do balancim. A vareta transmite ao balancim o movimento alternado produzido pela came, devido ao seu formato excêntrico. Balancim - é uma peça que, articulando no eixo, fixo ao seu suporte, recebe o movimento da vareta e o transfere à válvula de admissão ou de descarga. O balancim possui em uma de suas extremidades um parafuso com porca para permitir o ajuste da folga entre a sua outra extremidade e o topo da haste da válvula, quando a mesma encontra-se totalmente fechada. Essa folga visa prevenir a válvula contra os efeitos da dilatação térmica causada pelo calor dos gases da combustão. Se não houvesse essa folga, a dilatação linear da sua haste não deixaria que ela fechasse completamente, chegando “inclusive” a impedir o funcionamento do motor por falta de compressão suficiente. Válvula de admissão - é a peça que serve de porta de entrada do ar (no cilindro do motor Diesel), ou da mistura ar+combustível (no cilindro do motor Otto). Para permitir um bom enchimento do cilindro, normalmente ela se apresenta com o diâmetro externo do seu Grupo Moto Gerador ESCOLA SENAI “JORGE MAHFUZ” 64 disco maior do que o da válvula de descarga. A sua haste trabalha dentro de uma guia, geralmente substituível. Válvula de descarga - é a peça que serve de porta de saída dos gases da combustão do interior do cilindro do motor. A válvula de admissão é construída em aço especial e sua haste trabalha em uma guia, normalmente substituível. Apresenta normalmente um disco com diâmetro externo menor do que o da válvula de admissão. Isso é possível porque a velocidade de escoamento dos gases da combustão através dela é relativamente grande, devido à razoável pressão ainda existente nos mesmos por ocasião da sua abertura. Estando mais sujeita ao calor dos gases da combustão do que a válvula de admissão, a folga entre o topo de sua haste e a extremidade do balancim, é normalmente maior do que a da válvula de admissão. Entenda agora que, quando qualquer uma das válvulas está fechada, o seu respectivo tucho está trabalhando na parte do círculo base que gerou a came. Quando ela está em processo de abertura ou fechamento, é sinal de que a parte excêntrica da came é que está atuando nos
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