Aula 5 - Motores de Ignição por Centelha e Compressão

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Aula 5 
Professor: ADILSON RODRIGUES
Email: adrigues991@gmail.com, adilson.rodrigues@newtonpaiva.br
NEWTONPAIVA – UNIDADE BURITIS
Cursode Engenharia MECÂNICA
DISCIPLINA:MÁQUINASTÉRMICAS I
Mestre_&_Eng.º. Adilson Rodrigues
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Assunto que será abordado:
Motores de Ignição por Centelha 
Motores de Ignição por Compressão
Referência Bibliográfica
 Motores de Ignição por Centelha e Compressão
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Motores pequenos – usados em muitas aplicações no lar (cortador de grama, moto-serra), geradores portáteis de eletricidade, motores de popa e motocicletas. Geralmente são monocilíndros
Normalmente são motores de 2 tempos (1 tempo útil por revolução) ou 4 tempos (1 tempo útil por 2 revoluções). 
Problema de vibração por causa dos pulsos dos torques
 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Motores Multicilindro
Aumenta-se o número de cilindros quando a potência aumenta visando otimizar: tamanho, peso, balanceamento e suavidade de funcionamento.
Devido às forças de inércia geradas pela aceleração e desaceleração das massas do conjunto pistão-biela impõe-se limite máx. da velocidade do motor. A alternativa é distribuir o volume por vários cilindros. 
Maior número de cilindros proporciona aumento de frequência de tempos úteis logo torque mais suaves conseguindo maiores balanceamentos que os motores monocilindros.
 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Motores Multicilindro
Motores 4 cilindros em linha formam arranjo mais comum de automóveis até 2.5 litros. 
Considerado o mais compacto para pequenos automóveis. 
Fornece 2 pulsos de torque por revolução do virabrequim.
 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Motores Multicilindro
Motores em V, com cilindros dispostos em 90º ou ângulos + agudos proporcionam um bloco compacto
Largamente usado em motores entre 2.5 a 4.5 litros. 
V6 trabalham + suave com 3 pulsos de torque por revolução.
motores em linha; o bloco é mais comprido e mais propenso a vibrações de torção dificultando a distribuição homogênea da mistura em cada cilindro. Enquanto que o V-6 é mais compacto com isso garante-se maior balanço primário (cancelamento das forças de inércia decorrentes da aceleração e desaceleração do motor conseguido com a escolha do núm. e arranjo dos cilindros.)
 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
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 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Turbo-compressão
Usados para aumentar a potência máxima a uma dada cilindrada
Trabalho transferido para o pistão por ciclo, em cada cilindro que controla a potência que o motor pode fornecer depende também da quantidade da mistura queimada por cilindro por ciclo 
Aumentar a densidade do ar antes de entrar no cilindro aumenta a potência máxima do motor
Turbo-compressor – combinação compressor + turbina utiliza a energia cinética dos gases de exaustão para realizar a compressão do ar admitido. Ar admitido pelo filtro (1), compressor (2), intercooler (3), carburador (4), coletor admissão (5), e entra no cilindro pela válvula de admissão (6) a pressões até 100kPa. Gases queimados saem pela válvula (7) e coletor de escape (8) e acionam a turbina (9) que está solidária ao compressor.
 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Turbo-compressão
1 válvula (wastegate) é usada para direcionar o fluxo de ar admitido para fora da turbina através de um bypass. Fazendo com que a turbina perca velocidade e o compressor também evitando que a pressão de admissão fique muito alta protegendo o motor e o sistema turbina+compressor. 
A válvula é acionada por um controlador de pressão.
 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Operação 
Combustível + ar são misturados no sistema de admissão antes de entrar no cilindro
 Usa-se um sistema por carburação ou injeção de combustível.
Razão ar / combustível deve ser mantida em 15:1 para garantir boa combustão.
 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
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 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Operação 
Seqüência de eventos que acontece num motor a 4 tempos ilustrada nas figuras ao lado.
 O gráfico mostra o tempo das válvulas e a relação volumétrica de um motor típico
A válvula de admissão abre antes do PMS (TC) e fecha substancialmente depois do PMI (BC) – ADMISSÃO, para garantir alto fluxo de mistura a altas velocidades consequentemente alta potência.
Por outro lado consegue-se uma boa lavagem do cilindro dos gases de exaustão.
Durante a admissão a mistura (ar/comb.) mistura-se com gases queimados residuais no interior do cilindro do ciclo anterior.
 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Operação 
Após o fechamento da válvula de admissão, o conteúdo do cilindro é comprimido a Pressão > atm e temperatura aumenta enquanto que o volume no cilindro diminui – COMPRESSÃO. Todas a válvulas estão fechadas
 Dá-se alguma transferência de calor para o pistão, paredes da câmara e do cilindro não influenciando
nas propriedades da mistura não queimada.
Entre 10 e 40º antes do PMS dá-se a descarga elétrica entre os eletrodos da vela de ignição - ignição seguida da combustão.
O avanço da ignição serve para que a pressão máxima combustão da mistura do ciclo ocorra depois do PMS garantindo uma combustão completa e aumento da pressão útil (pressão sobre o pistão).
 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Operação 
A válvula de escape abre-se antes do PMI (BC) permitindo que grande parte dos gases queimados se escapem do cilindro e evitar dessa forma perdas devido a resistência durante o processo ascendente. 
 A saída do gases de exaustão dá-se por um efeito de blowdown, onde a pressão no coletor de descarga é inferior a do cilindro até que haja um equilíbrio.
A válvula de escape permanece aberta até depois do PMI (BC) permitindo lavagem completa da câmara. Essa válvula tem que garantir pico de pressões negativas para facilitar a entrada da mistura. A válvula de admissão se abre justamente um pouco antes do PMS. 
As 2 válvulas ficam certo tempo abertas quando a velocidade do pistão for máxima.
 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
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 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
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 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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 Motores de Ignição por Centelha
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Operação
Apenas ar é induzido para dentro do cilindro no tempo de admissão.
Combustível injetado diretamente dentro do cilindro antes de iniciar a combustão,
Controle de carga (aceleração) é obtido pela variação da quantidade de combustível injetado a cada ciclo; o fluxo de ar a uma dada velocidade essencialmente não varia.
Aplicações - automóveis, caminhões, locomotiva, navais e eletricidade
Admissão - naturalmente aspirados (ar atmosférico é induzido para dentro do cilindro) e turbo-alimentados (ar é induzido por um compressor acoplado a uma turbina) neste último consegue-se aumento da potência, massa de ar admitida por unidade de volume deslocado e quantidade de combustível injetada bem como diminuição de poluentes e consequentemente maior potência do motor)
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Exemplo: Motor Diesel 6 cilindros em linha
Normalmente são bem mais robustos que os motores de ignição por centelha sujeitos a maiores níveis de tensões devido à maiores pressões geradas. 
O volume deslocado é 10 litros, taxa compressão 16,3 e turboalimentado.
Injeção direta - combustível injetado diretamente no interior da câmara de combustão.
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Exemplo: Motor Diesel 4 cilindros em linha – overhead cam design
Motores menores operam a velocidades maiores portanto, menor tempo de combustão
Mistura ar-combustível deve ser mais rápido – injeção indireta combustível
Combustível é injetado na câmara de combustão auxiliar separada da principal por uma restrição (nozzle). Nos estágios da compressão, o ar é forçado através da restrição do cilindro para a pré-câmara a alta velocidade. O combustível é injetado na pré-câmara gerando altas turbulências e taxas bem altas de mistura são conseguidas. A combustão começa na pré-câmara e o aumento de pressão resultante força os gases em combustão, combustível e ar para dentro da câmara principal. Como o fluxo de saída dos gases da pré-câmara é bem vigoroso, o processo de mistura e queima ocorre também dentro da câmara principal.
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Exemplo: Motor Diesel 6 cilindros em linha
Motor turbo de injeção direta de 4 tempos
Marca Caterpillar
Potência 200-300kW a 1600-2100 RPM. Diâmetro do cilindro173,2mm, curso 165,1 mm. .
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
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 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Grandes Motores Diesel 
Usados na propulsão naval ou geração de eletricidade
Operam em ciclos de 2 tempos 
Exemplo: Motor Naval SULZER, 2 tempos, turbo comprimido, disponível em 4 e 12 cilindros, 840mm, curso 2900mm, potência 1,9MW por cilindro e 78 rev/min. Troca de gás entre ciclos é feita primeiro abrindo a válvula de exaustão e então o pistão descobre as portas de admissão
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Grandes Motores Diesel 
O Wartsila-Sulzer RTA96-C motor diesel turboalimentado 2 tempos é o mais poderoso e mais eficiente força motora no mundo de hoje.
A fabricante Aioi Diesel do Japão Unidos, Ltd construiu os primeiros motores e é onde algumas destas fotos foram tiradas
Ele está disponível em versões de 6 a 14 cilindros todos são motores em linha, os motores de testes foram projetados
principalmente para navios de contêineres de grande porte. Navios com um único motor / única hélice e a nova geração de navios de contêineres maiores precisava de um motor maior para impulsioná-los.
O diâmetro do cilindro é de apenas 96,5 cm e o curso é pouco mais de 249 centímetros. Cada cilindro 1820 litros e produz 7.780 cavalos de potência. Cilindrada total sai a 25,480 litros para 14 versão cilindro
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
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 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Grandes Motores Diesel 
Algumas informações sobre a versão 14 cilindros: 
Peso motor: 2300 t (virabrequim sozinha 300 t)
Comprimento; 26,21 m
Altura: 13,41m
Potência máx: 108,920hp em 102 rpm
Torque máx: 7063,861 kN.m
Consumo combustível na potência máxima: 0,278 lbs/hp/h
Máxima economia de combustível: 0,260 lbs/hp/hour
A economia máxima do motor ultrapassa 50% da eficiência térmica.
> 50% energia do combustível é convertida em movimento.
Em comparação com a maioria dos motores de dos automóveis e aviões eficiência térmica na faixa de 25-30%.
Consume 166 gallons of heavy fuel per houer
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Perturb3=4; % Perturbação oscilatória na malha 3
 Perturb4=4; % Perturbação oscilatória na malha 4
 Perturb5=1; % Perturbação oscilatória na malha 5
 Perturb2=10;
 FV1=3; % stiction na malha 1 
 
 causa='Perturbação nas malhas 3,2,4,5 e stiction';
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Grandes Motores Diesel 
Os detalhes do motor são um pouco diferentes do que os motores automotivos normais.
A parte superior da haste de ligação não está ligado diretamente ao pistão. A parte superior da haste de ligação (connecting rod) encontra-se fixada a uma "cruzeta“ (crosshead) que se desloca em canais de guia. 
Uma haste de embolo comprido, em seguida, se conecta a cruzeta para o pistão.
Presume-se que isto é feito para que as forças laterais produzidas pela biela sejam absorvidas pela cruzeta, e não pelo pistão.
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Cross-head : cruzeta
Connecting rod: biela. 
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Grandes Motores Diesel 
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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Grandes Motores Diesel 
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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Grandes Motores Diesel 
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Piston rod assembly – conjunto haste pistao
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Grandes Motores Diesel 
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Os picos sobre as hastes de pistão são tubos ocos que se encontram dos orifícios na parte inferior dos pistões figura da esquerda) para injetar óleo para dentro do pistão com a finalidade de manter a parte superior do pistão sobreaquecida. Alguns motores de alto desempenho de automóveis têm uma funcionalidade semelhante, onde um bocal óleo esguicha óleo no fundo do êmbolo
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Grandes Motores Diesel 
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Mesa com 10 cilindros em linha em ferro fundido dúctil 
Die-cast iron ductile – ferro fundido dútil
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Grandes Motores Diesel 
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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Quadro comparativo motores Diesel (>500kW) 
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
Tipo
Lento
Semi-rápido
Rápido
Potência(MW)
11- 45
4 - 12
0.5 - 2
Ciclo
2 tempos
4 tempos
4 tempos
Velocidade (rpm)
60 – 300
300 – 1200
>1200
Diâmetro docilindro (mm)
450 – 900
200 – 620
120 – 300
Rendimento(%)
53
50
48
Relaçãopeso/ potência (kg/kW)
25– 50
10 – 20
3 - 6
Pme(bar)
10 - 17
15 – 30
7 – 25
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Operação 
Taxas compressão 12 a 24 > aos motores ICE
 Tempos de válvulas similares aos de ICE
Ar é comprimido a pressão de 4 MPa e 800 K durante o curso de compressão.
20º APMS (antes PMS) começa a injeção de combustível no cilindro.
Parte B mostra o perfil da taxa de injeção. Combustível injetado dispersa-se em pequenas gotas e penetra no ar. Evaporando-se e misturando com ar.
A temperatura e pressão do ar acima do ponto de ignição do combustível. 
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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Operação 
Após um pequeno delay period, inicia-se a ignição espontânea (auto-ignição) de partes da mistura não uniforme de ar e combustível iniciando o processo de combustão.
 Na combustão, a pressão no cilindro (parte C) sobe acima da linha pontilhada, pressão sem combustão.
Chama espalha-se rapidamente através da porção de combustível injetado já misturado com ar suficiente para combustão.
A expansão (parte D) com mistura entre ar, combustível, e gases em queima acompanhada por mais combustão
Em plena carga massa de combustível é 5% da massa de ar no cilindro. 
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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Operação
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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Operação
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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Operação
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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Operação
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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Operação
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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BICO INJETOR
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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BOMBA INJETORA
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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BOMBA INJETORA
 Motores de Ignição por Compressão (Diesel)
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1 – Martins, J., Motores de Combustão Interna, 3º ed, março 2011
2 -Loureiro, E., Notas de aula – Motores de combustão interna, UFPB, 01/02/2012
 
 Bibliografia
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