2024-SF Aula 01 - B - Ciclos de Potência dos Motores com Pistão - Motores Alternativos

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Universidade Paulista
Sistemas Fluidotérmicos
Aula 01 – 21.02.24
Ciclos de Potência dos Motores de 
Combustão Interna
Curso Engenharia Mecânica
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Motores (slide 01/22)
Motores são máquinas que convertem energia térmica em trabalho. Na matéria de energia térmica,
foram estudados os ciclos para conversão de energia térmica em trabalho, como por exemplo o ciclo de
Rankine, cujo fluido de trabalho muda de fase, nos diferentes processos ao longo do ciclo. Estas
máquinas são consideradas como motores de combustão externa, uma vez que a fonte de calor obtém
energia através da queima de um combustível e transfere calor ao fluido de trabalho por diferença de
temperatura, por meio de uma caldeira, por exemplo.
Com relação ao meio para geração de calor, estes motores são classificados como motores de
combustão externa.
Nesta etapa do curso, nos dedicaremos ao estudo dos motores de combustão interna. Inicialmente
serão apresentados os processos existentes nos motores alternativos com pistão, existentes com
frequência nos carros de passeio, ônibus, caminhões, entre outras aplicações.
Estes motores são compostos de cilindros, dentro dos quais pistões comprimem o fluido de trabalho, (no
caso o ar) que após a liberação da energia através da queima de um combustível, obtém-se a elevação
da temperatura e pressão deste volume de ar comprimido. Com a expansão do fluido de trabalho,
obtém-se a realização de trabalho.
1 – Introdução
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Motores (slide 02/22)
Quanto ao comportamento do fluido de trabalho:
 Motores de combustão externa;
 Motores de combustão interna.
Quanto à forma de obter trabalho mecânico:
 Motores alternativos;
 Motores rotativos;
 Motores de impulso.
Classificação dos motores
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Motores (slide 03/22)
Classificação dos motores alternativos quanto ao número de tempos do ciclo de operação:
 Motores de quatro tempos;
 Motores de dois tempos.
Quanto à disposição dos orgãos internos:
 Cilindros em linha;
 Cilindros em V ou opostos (boxer).
Quanto ao sistema de arrefecimento:
 Água;
 Ar.
Quanto à alimentação de ar:
 Aspirados;
 Sobrealimentados.
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Motores (slide 04/22)
Quanto à relação entre o diâmetro e o curso do pistão:
 Motor quadrado;
 Motor subquadrado;
 Motor superquadrado.
Quanto à rotação:
 Rápidos: n > 1500 rpm;
 Médios: 600 < n < 1500 rpm;
 Lentos n < 600 rpm.
Quanto à fase do combustível:
 Líquidos;
 Gasosos.
Quanto à ignição:
 Faísca;
 Espontânea.
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Motores (slide 05/22)
Taxas de compressão nos motores alternativos:
 Etanol hidratado = de 10:1 a 14:1;
 Gasolina = 8,5:1 a 13:1;
 Diesel = 15:1 a 24:1.
Razões Estequiométricas:
 Etanol = 9:1;
 Gasolina = 13,2:1 com álcool e 14,8:1 sem álcool;
 Diesel = 14,5:1.
Poder Calorífico:
 Etanol = 6437 kcal/kg;
 Gasolina 10221 kcal/kg;
 Diesel 10377 kcal/kg.
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Motores (slide 06/22)
É interessante, antes de analisarmos os ciclos utilizados nos motores
com pistão, apresentar alguns termos e definições que são
importantes na análise desses ciclos. Os motores mais utilizados nos
automóveis operam com quatro, seis ou oito cilindros e cada conjunto
cilindro-pistão apresenta diâmetro nominal B. O pistão está conectado
a um virabrequiim (manivela), por meio de uma biela. A figura 12.13
mostra o esboço da configuração cilindro-pistão utilizada nos motores
de combuistão interna. Observe que o ângulo da manivela, q, varia
com a posição do pistão no cilindro. O curso do pistão é dado por:
𝑆 = 2𝑅𝑚𝑎𝑛
Figura 12.13 – Configuração cilindro-pistão utilizada
nos motores de combustão interna.
Eq. 12.6
O volume deslocado no motor pode ser calculado com a equação:
𝑉𝑑𝑒𝑠𝑙 = 𝑁𝑐𝑖𝑙 𝑉𝑚á𝑥 − 𝑉𝑚í𝑛 = 𝑁𝑐𝑖𝑙 𝐴𝑐𝑖𝑙 𝑆 Eq. 12.7
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Note que o volume deslocado no motor caracteriza bem o seu
tamanho. A razão entre os volumes internos, máximo e mínimo, da
câmara de combustão é denominada pela relação de compressão:
𝑟𝑣 = 𝑅𝐶 = ൗ𝑉𝑚á𝑥
𝑉𝑚í𝑛
Eq. 12.9
O trabalho líquido realizado por um cilindro em um ciclo é:
𝑊𝑙í𝑞 = 𝑚 𝑤𝑙í𝑞 = 𝑃𝑚𝑒𝑓 𝑉𝑚á𝑥 − 𝑉𝑚í𝑛 Eq. 12.10
Eq. 12.8
O volume deslocado no motor em conjunto com a relação de
compressão caracteriza a geometria do motor. O trabalho específico
líquido num ciclo completo é utilizado para definir a pressão média
efetiva:
𝑤𝑙í𝑞 = ර𝑃 𝑑𝑣 = 𝑃𝑚𝑒𝑓 𝑣𝑚á𝑥 − 𝑣𝑚í𝑛
Figura 12.13 – Configuração cilindro-pistão utilizada
nos motores de combustão interna.
Motores (slide 07/22)
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Podemos utilizar esse resultado para determinar a potência do motor, ou seja,
ሶ𝑊 = 𝑁𝑐𝑖𝑙 𝑚 𝑤𝑙í𝑞
𝑟𝑝𝑚
60
= 𝑃𝑚𝑒𝑓 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑙
𝑟𝑝𝑚
60 Eq. 12.11
em que rpm significa rotações por minuto. Esse resultado precisa ser corrigido pelo fator ½ quando a
equação for utilizada no cálculo da potência dos motores de quatro tempos e isso ocorre porque são
necessárias duas revoluções completas para que o motor de quatro tempos complete o ciclo.
A maioria dos motores é de quatro tempos e apresenta os seguintes processos (o movimento do pistão
e a posição da manivela se referem à figura 12.13):
Processo / Movimento do Pistão
Posição da Manivela / Ângulo da 
Manivela
Variação de Propriedades
Admissão / 1S PMS a PMI / 0 – 180 graus P ≈ Cte, V ↑, escoamento de admissão
Compressão / 1S PMI a PMS / 180 – 360 graus V ↓, P ↑, T ↑, Q = 0
Ignição e Combustão / 1S
Aproximando-se rapidamente de PMS / 
360 graus
V = Cte, Q fornecido, P ↑, T ↑
Expansão / 1S PMS a PMI / 360 – 540 graus V ↑, P ↓, T ↓, Q = 0
Exaustão / 1S PMI a PMS / 540 – 720 graus P ≈ Cte, V ↓, escoamento de exaustão
Motores (slide 08/22)
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Observe que como os processos de admissão e exaustão (escapamento) realizam-se durante um curso
do pistão, duas rotações com quatro cursos do pistão são necessárias para o ciclo completo. Num motor
de dois tempos, a exaustão começa antes de a expansão ser completada e a admissão se sobrepõe no
tempo a parte do processo de exaustão e continua durante a compressão. Isso reduz a eficiência dos
processos de compressão e de expansão, mas há geração de potência em cada rotação e a potência
total é quase duas vezes a potência do motor de quatro tempos do mesmo tamanho. Na figura 1, é
apresentado, esquematicamente, o modo de funcionamento de um motor de dois tempos à gasolina. Na
figura 2, são apresentados outros exemplos de aplicações.
Figura 1 – Funcionamento de um motor dois tempos à gasolina.
Figura 2 – Motores dois tempos à 
gasolina: exemplos de aplicações.
Motores (slide 09/22)
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Motores de dois tempos são usados como motores a diesel em
navios de grandes dimensões e como pequenos motores à
gasolina para cortadores de grama e ferramentas manuais. Por
causa do potencial de ocorrência de fluxo cruzado entre o fluxo
de entrada (com combustível) e o de exaustão, o motor de dois
tempos de gasolina teve seu uso reduzido e não pôde se
adaptar aos requisitos atuais de baixa emissão. Por exemplo,
motores de popa para propulsão de barcos que anteriormente
eram motores de dois tempos agora são motores de quatro
tempos. Na figura 3, é apresentado, esquematicamente, o
funcionamento de um motor de dois tempos à diesel.
O ciclo do diesel dois tempos funciona assim:
1. Quando o pistão está no alto de seu curso, o cilindro contém 
uma carga de ar altamente comprimida. 
Figura 3 – Motores dois tempos à diesel: modo de 
funcionamento.
Motores (slide 10/22)
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O combustível diesel é pulverizado no cilindro pelo injetor e
inflama-se imediatamente devido ao calor e à pressão
dentro do cilindro.
2. A pressão criada pela combustão do combustível empurra
o pistão para baixo. Este é o ciclo de potência.
3. Quandoo pistão se aproxima do fim de seu curso, todas
as válvulas de escapamento se abrem. Os gases
queimados são expelidos rapidamente do cilindro, aliviando
a pressão.
4. Quando o pistão chega ao final do seu curso, descobre
as janelas de admissão de ar. O ar pressurizado enche o
cilindro, forçando para fora o restante dos gases queimados.
Figura 3 – Motores dois tempos à diesel: modo de 
funcionamento [xx].
Motores (slide 11/22)
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5. As válvulas de escapamento se fecham e o pistão começa
a voltar a subir, fechando as janelas de admissão e
comprimindo a carga de ar fresco. Este é o ciclo de
compressão.
6. Quando o pistão se aproxima do topo do cilindro, o ciclo se
repete a partir do primeiro passo.
Os maiores motores são motores à diesel usados em
aplicações estacionárias para geração de potência e em
aplicações móveis para sistemas de transporte, como em
locomotivas e navios. Uma central de potência comum a
vapor não pode iniciar o funcionamento autonomamente e
assim tem o apoio de um motor a diesel para acionar sua
instrumentação e sistemas de controle. Uma localização
remota em terra ou em uma plataforma de perfuração e
extração de petróleo em alto mar também usa um motor a
diesel para geração de potência. Figura 3 – Motores dois tempos à diesel: modo de 
funcionamento [xx].
Motores (slide 12/22)
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Motores (slide 13/22)
Os caminhões e ônibus usam motores a diesel devido a sua alta eficiência e durabilidade; com
potência variando de poucas centenas até cerca de 500 HP. Navios usam motores diesel com
rotação de 100 a 180 rpm, e dessa forma não necessitam de uma caixa de redução até a hélice
(esses motores podem ter sua rotação invertida sem a necessidade de uma caixa de redução. O
maior motor do mundo é um motor de dois tempos a diesel com deslocamento volumétrico de 25
m3 e 14 cilindros, fornecendo uma potência máxima de 105000 HP, utilizado em um navio porta-
contêineres.
Figura 4 – Navio com motor dois 
tempos a diesel.
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Motores (slide 14/22)
Um motor alternativo tem 4 cilindros de diâmetro 8,2 cm, curso de 7,8 cm e uma taxa de compressão de
8,5. Pede-se:
a) A cilindrada ou deslocamento volumétrico do motor em cm3;
b) O volume total de um cilindro;
c) O volume morto.
Exercício 1
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Motores (slide 15/22)
Um motor de 6 cilindros tem uma cilindrada de 5,2 litros. O diâmetro dos cilindros é 10,2 cm e o volume
morto é 54,2 cm3. Pede-se:
a) O curso;
b) A taxa de compressão;
c) O volume total de um cilindro.
Exercício 2
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Motores (slide 16/22)
Um motor de 4 cilindros tem taxa de compressão de 8,0 : 1. O diâmetro dos cilindros é 7,8 cm e o curso
é 8,2 cm. Deseja-se aumentar a taxa de compressão para 12,0 : 1. De que espessura deve ser
“rebaixado” o cabeçote, (sem se preocupar com possíveis interferências)?
Exercício 3
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Motores (slide 17/22)
Um motor de 6 cilindros tem uma cilindrada de 4,8 litros. O diâmetro dos cilindros é 10,0 cm. Deseja-se
alterar a cilindrada para 5400 cm3, sem se alterar o virabrequim. Qual deverá ser o novo diâmetro dos
cilindros?
Exercício 4
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Motores (slide 18/22)
Um motor da Ferrari F1 – 2000 possui 10 cilindros montados em V, 40 válvulas, cilindrada total de 2997
cm3 e potência de 574 kW (770 HP). Os cilindros têm diâmetro de 96 mm, motor a 4T, diâmetro dos
pistões de 10 cm, raio do virabrequim de 4,5 cm, volume da câmara de combustão de 78,5 cm3 e
rotação de 14500 rpm. Pede-se determinar:
a) O curso (mm);
b) A cilindrada unitária (cm3);
c) A taxa de compressão;
d) A velocidade média do pistão;
e) A velocidade angular da árvore de comando de válvulas (rad/s);
f) Se na rotação dada, a combustão se realializa para Da = 25º, qual o tempo de duração da
combustão?
g) O número de vezes que a válvula de escape abre em 1 minuto.
Exercício 7
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Motores (slide 19/22)
Um motor a 4T tem 4 cilindros, diâmetro de 8,6 cm, curso de 8,6 cm e taxa de compressão de 9 : 1. A
rotação é de 5400 rpm. Pede-se:
a) A cilindrada unitária (cm3);
b) A cilindrada do motor (cm3);
c) O volume morto (cm3);
d) O volume total (cm3);
e) O raio da manivela (cm);
f) A nova taxa de compressão ao trocar a junta por outra com 1 mm a menos de espessura;
g) O número de cursos do pistão por segundo;
h) O número de vezes que a válvula de admissão abre em 1 minuto.
Exercício 8
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Motores (slide 20/22)
Um motor a 4T, 4 cilindros, com cilindrada total de 2,4 litros, funciona a 3200 rpm. A relação de
compressão é 9,4 e a relação curso/diâmetro é 1,06. Pede-se:
a) O volume morto;
b) O diâmetro do cilindro;
c) A velocidade média do pistão [m/s].
Exercício 11
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Motores (slide 21/22)
Um motor à álcool de taxa de compressão 12 deve ser transformado para o uso de gasolina com taxa de
compressão 9. A transformação será realizada colocando-se uma cilindrada de 1800 cm3 e o diâmetro
dos cilindros de 80 mm. Qual a variação da espessura da junta necessária, sabendo-se que depois do
aperto redunz-se 10%?
Exercício 16
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Bibliografia
Motores (slide 22/22)
Borgnakke, C. e Sonntag, R.E., “Fundamentos da Termodinâmica”, 7ª Ed., Editora Edgard Blucher, 
2010.
Brunetti, Franco, “Motores de Combustão Interna”, 3ª. Ed., Editora Blucher, 2012.