DESEMPENHO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA

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EXPERIÊNCIA Nº 1 – DESEMPENHO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO 
INTERNA 
 
 
1. OBJETIVO DO EXPERIMENTO 
Levantar curvas de desempenho de um motor de combustão interna alternativo, ciclo 
4 tempos, estacionário, a rotação constante. 
 
2. INTRODUÇÃO 
2.1. Ensaios de motores de combustão interna 
Na indústria, os ensaios de motores de combustão interna são feitos em geral com os 
seguintes objetivos: 
a) Levantamento das curvas características; 
b) Verificação do desempenho do conjunto e de componentes específicos; 
c) Ajustes e regulagens do conjunto e de componentes específicos; 
d) Desenvolvimento de novos projetos. 
2.2. Curvas características 
Propriedades 
 As propriedades, conjugado na árvore de manivelas ou torque (T), potência ( ̇) e 
consumo especifico (Ce), são as que serão utilizadas para o "levantamento" das curvas 
características de um motor de combustão interna, todas elas obtidas em função da 
rotação para motores em que se pode controlar a quantidade de ar e combustível 
admitidas (caso dos motores de automóveis). Estas curvas estão mostradas na Fig. 1. 
No caso de motores estacionários, que acionam maquinas que necessitam de rotação 
constante (como geradores e bombas), estas curvas são apresentadas em função do 
consumo total de combustível. Normalmente estes motores apresentam um governador 
(mecânico ou eletrônico) que aciona a borboleta do ar do carburador de modo que com 
o aumento da carga (torque) sobre o eixo do motor, ele corrige a posição da borboleta 
de forma a manter a rotação constante. Como a posição da borboleta de ar também atua 
sobre o controle de combustível (por válvula agulha regulável) ou por diferença de 
velocidade no Venturi, consegue-se a compensação adequada à nova carga. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Curvas características de um motor 
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2.3 Torque ou conjugado na árvore de manivelas 
Como mostra a Fig. 2, o conjunto pistão-biela-manivela, faz aparecer um momento 
instantâneo (Ta) no eixo do motor, causado pela força tangencial (Ftan). 
 
 
 
 
Figura 2. Forças aplicadas à árvore de manivelas de um motor. 
 
Na Fig. 2, Ft é a força total; Fb é a força na biela; Ftan é a força tangencial e Ta é o 
torque instantâneo. Embora o raio da manivela seja constante, esse momento varia com 
o ângulo α, que a manivela faz com relação à linha de centro do cilindro. Com o 
funcionamento do motor a uma dada rotação se obtém um momento médio positivo que 
será chamado de torque (T). 
 
2.4. Potência e consumo 
Para um motor de combustão interna, são definidas quatro potências: 
Potência Térmica ( ̇) é o calor fornecido por unidade de tempo pela queima do 
combustível; onde: PCI é o poder calorífico inferior do combustível, ou seja, energia 
por unidade de massa, ̇ é a vazão em massa de combustível que o motor consome. 
 
 ̇ ̇ (1) 
 
Potência indicada ( ̇ ) é a potência desenvolvida na cabeça dos pistões; 
Potência de atrito ( ̇ ) é a potência consumida pelas resistências internas do motor; 
Potência efetiva ( ̇ ) é a potência medida no eixo do motor. 
 
 ̇ ̇ – ̇ (2) 
Ft 
Fb 
Ta 
Ftan 
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Onde ̇ pode ser expresso em função do torque (T) e do número de rotação do motor 
(n), normalmente expresso em rotações por minuto ou rpm. 
 
 ̇ 
 
 
 (3) 
 
Onde  é a velocidade angular do motor. 
 
2.4.1 Rendimentos 
Rendimento térmico indicado (ηi): Conhecido também apenas como rendimento 
térmico, sendo expresso por: 
 
 
 ̇ 
 ̇ 
 (4) 
 
Rendimento mecânico (ηm): Engloba as perdas por atrito do motor. Pode ser 
medido com um ensaio especifico chamado Ensaio de Atrito Interno e só pode ser 
realizado com dinamômetro elétrico que permita acionar o motor de combustão 
desligado. Teoricamente: 
 
 
 ̇ 
 ̇ 
 (5) 
 
Rendimento térmico efetivo (ηe): Conhecido também como rendimento global do 
motor ou como eficiência térmica. 
 
 
 ̇ 
 ̇ 
 (6) 
 
Sendo que: ηe = ηi.ηm (7) 
 
Rendimento volumétrico (ηv): É a relação entre a massa de ar realmente admitida 
pelo motor e a massa de ar que poderia ser admitida se as condições de entrada (patm e 
tamb) fossem mantidas. 
Para um motor de 4 tempos, com volume deslocado igual a Vs o rendimento 
volumétrico é dado por: 
 
 
 ̇ 
 
 
 
 
 
 
 ̇ 
 
 (8) 
 
 
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4 
 
2.4.2 Consumo específico (Ce) 
 
Ce = 
 
 ̇ 
̇
 (9) 
 
Onde, ̇c é a vazão em massa de combustível que o motor consome e ̇ é a 
potencia efetiva. 
A figura 3 mostra a distribuição das potências e rendimentos pelo motor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3. Potências e rendimentos em um motor 
 
2.5. Dinamômetro (freio dinamométrico) 
Equipamento destinado a determinar o torque e a potência efetiva de um motor de 
combustão interna. Basicamente se compõe de um rotor e um estator com um elemento 
de acoplamento entre eles, que pode ser água ou um fluxo elétrico, sendo chamado de 
dinamômetro hidráulico ou dinamômetro elétrico respectivamente (Fig.4). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4. Esquema de um dinamômetro 
 
 
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2.6. Medida do torque e da potência 
2.6.1 Freio de Prony - É um elemento usado com finalidade didática que é utilizado 
para se compreender o funcionamento dos dinamômetros. Foi também utilizado no 
passado como dinamômetro. Está esquematizado na Fig. 5. 
 
Figura 5. Freio de Prony 
 
Ao acelerarmos o motor, a sua rotação tende a aumentar. Apertando-se na cinta 
ajustável, freia-se o volante do motor, conseguindo o equilíbrio dinâmico mantendo, 
portanto a rotação constante. Devido à ação motora (momento), aparece no braço uma 
força que será lida no medidor. Logo, 
 
T = F.b (10)
 
Onde T é o torque do motor; F é a força lida no medidor e b é o comprimento do 
braço do dinamômetro. 
 
2.6.2 Dinamômetro hidráulico 
Um dinamômetro hidráulico de alta potência, para altas e baixas rotações, é 
composto por uma carcaça contendo dentro um rotor com vários alvéolos semielípticos, 
de frente para igual número de alvéolos semelhantes, na face interna da carcaça. A água, 
admitida para a carcaça, passa através de furos existentes nos alvéolos, atingindo os do 
rotor. A potência do motor em prova é dissipada pela água entre a carcaça e o rotor. A 
absorção de energia se manifesta pelo aumento de temperatura da água, que deve estar 
disponível em quantidade suficiente para absorver a potência máxima. 
 
 
2.7. Medida do consumo de combustível 
2.7.1 Método em massa 
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No prato de uma balança coloca-se um reservatório de combustível, que irá alimentar 
o motor. Utilizando-se da escalada balança como referência, quando o ponteiro passar 
por um valor conhecido aciona-se um cronômetro e quando o ponteiro passar por um 
novo valor conhecido, desliga-se o cronômetro. Teremos então uma massa consumida 
num certo tempo (t), o que é exatamente a vazão em massa de combustível (mc) 
consumido. Ver esquema na Fig. 6. 
 
 
Figura 6. Método de medição de consumo por balança. 
 
2.7.2 Método em volume 
Utiliza-se um rotâmetro (medidor de vazão em volume mostrado na Fig. 7), na linha 
de alimentação de combustível para o motor, que irá fornecer direto o volume de 
combustível consumido por unidade de tempo. A desvantagem deste método é que é 
necessário conhecer a massa específica do combustível, para determinar a vazão em 
massa. 
 
Figura 7. Rotâmetro, medidor de vazão volumétrica. 
 
Na falta do rotâmetro, pode-se utilizar uma bureta graduada e um cronômetro (Fig.8), 
executando-se um processo semelhante ao do método em massa, só que será medido o 
volume (Vc) consumido por tempo (t). 
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Figura 8. Bureta para medida volumétrica do consumo de combustível. 
 
2.8. Medida do consumo de ar (flow-box) 
A figura 9 mostra um equipamento que utiliza um medidor de “placa de orifício” 
para a medida de consumo de ar. Seu princípio básico de funcionamento leva em conta 
que a admissão de ar para o motor é pulsante, não sendo, portanto um escoamento em 
regime permanente. Para resolver esse problema, a tomada de ar para o motor é feita em 
um tanque que, devido ao seu tamanho, elimina a pulsação, fazendo que pelo “orifício” 
exista uma vazão constante de ar. A pressão dentro tanque será medida por um 
micromanômetro diferencial, com escala em mmca. 
 
Figura 9. Sistema para medição da vazão de ar. 
 
Aplicando-se a equação de Bernoulli entre as seções (1) e (2) teremos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Onde, para escoamento incompressível: 
v1 << v2 
(1) 
L 
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ar = .g = cte. 
P1 – P2 = h .H2O 
Onde h = L senθ , sendo θ a inclinação do tubo de leitura do manômetro (OBS 
alguns manômetros, como é o caso do deste experimento, já possuem L senθ na escala). 
 
Portanto: √
 
 
 (11) 
 
 
 
 
 
 
A vazão teórica é: 
 
 
 
 √
 
 
 (12) 
 
Sendo a vazão real: Qr = Cd,o Qt (13) 
 
e sendo a vazão mássica: ̇ar = ar Qr 
A densidade do ar pode ser determinada considerando-o como um gás ideal: 
 
 
 
 
 (14) 
 
Temos, ̇ 
 
 
 
 √ (15) 
 
Onde, ̇ar é a vazão mássica de ar realmente admitida pelo motor. 
Quando o ar é admitido para o motor, à medida que ele se aproxima do cilindro, 
sofre aquecimento e perda de pressão e, portanto a sua massa específica (ar) diminui. 
Devido a essa diminuição, a massa de ar realmente admitida pelo motor, é menor do que 
a que caberia no cilindro, se as condições de entrada, Patm e Tamb , fossem mantidas. 
 
2.9. Razão ar/combustível 
É a relação entre a massa de ar e a massa de combustível que formam a mistura que 
será admitida pelo motor (λ), ou seja: 
 
 
 ̇ 
 ̇ 
 (16) 
 
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A razão ar/combustível estequiométrica (ou teórica) é obtida considerando a 
quantidade de ar necessária para a combustão completa do combustível, sendo 
representada por e. Seu valor normalmente é utilizado como referência. 
Em condições reais, para que a combustão completa ocorra,  deve ser maior que e. 
 
Exemplo: Cálculo da vazão ar/combustível estequiométrica (e) para a gasolina: 
C8H18 + 12,5 O2 + 47 N2  8 CO2 + 9 H2O + 47 N2 
Massa de combustível: 8x12 + 18x1 = 114 kg 
Massa de ar: 12,5 x 32 + 47 x 28 = 1716 kg 
Logo: e =15 
 
A razão entre a relação ar combustível real e a estequiométrica () é conhecida como 
excesso de ar, podendo ser maior ou menor que a unidade. 
 
 
 
 
 (17) 
 
Se φ > 1 teremos uma mistura pobre . Se φ = 1 teremos mistura estequiométrica. Se 
φ < 1 teremos mistura rica. 
 
2.9.1 Influência do tipo de mistura no comportamento do motor. 
- Mistura muito rica (limite rico) 
O excesso de combustível dificulta a propagação da chama, provocando uma 
instabilidade na rotação do motor. Provoca também um resfriamento da câmara de 
combustão e em consequência disso a extinção da chama, impedindo o motor de 
funcionar. (motor “afogado”) 
- Mistura de máxima potência 
É uma mistura levemente rica, que na condição de plena carga do motor produz a 
máxima potência. 
- Mistura econômica 
É uma mistura levemente pobre, que devido ao excesso de ar permite a queima 
completa do combustível. Nesta condição o motor pode produzir o mínimo consumo 
específico. 
- Mistura muito pobre (limite pobre) 
Devido ao excesso de ar, a chama se torna excessivamente lenta, mantendo a 
combustão durante grande parte da expansão, provocando o superaquecimento da 
câmara de combustão. 
 
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3. SISTEMA EXPERIMENTAL 
A bancada de instrumentação é projetada para operar junto com o motor em teste. 
A fotografia da bancada dinamométrica é vista na Fig. 10, enquanto a vista da 
bancada de instrumentação é mostrada na Fig. 11. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 10. Vista da bancada dinamométrica junto ao motor a ser ensaiado. 
 
 
Figura 11. Painel de controle da bancada 
 
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3.1. Medição da velocidade de rotação do motor 
 A velocidade do motor é medida eletronicamente por um sistema de contagem 
de pulsos. Um sensor óptico é montado sobre o chassi do dinamômetro contendo um 
transmissor e receptor de infravermelho. Um disco rotativo com fendas radiais é 
colocado entre o transmissor e o receptor. 
 A medida que o motor e o disco giram os raios do emissor são interrompidos e o 
trem de pulsos resultante é processado eletronicamente para fornecer a velocidade do 
motor. 
 Este tacômetro eletrônico é calibrado com um gerador de sinais de precisão. A 
Fig. 12 mostra um esquema da montagem do dinamômetro. 
 
 
Figura 12. Esquema da montagem do dinamômetro. 
 
3.2. O dinamômetro hidráulico e medição de torque 
O torque do motor é medido pelo dinamômetro hidráulico e transmitido para o 
indicador de torque na bancada de instrumentação. 
 
3.2.1. Fornecimento de água 
Uma fonte de água limpa de altura constante (pressão constante) entre 6 a 12 m. 
Tipicamente o fluxo de água é 4 L/min numa pressão de 6mca usando tubo plástico de 
10 mm de diâmetro. 
 
 
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3.2.2. O dinamômetro hidráulico 
 A figura 12 mostra o principio de operação e o esquema do dinamômetro. O 
fluxo de água é controlado pelo registro A entrando pelo topo do casco do dinamômetro 
B e saindo pela válvula C para o dreno. A quantidade de água no dinamômetro e 
consequentemente a potência absorvida do motor, depende de ajuste da válvula A e da 
válvula C. 
 O eixo do motor aciona o rotor hidráulico dentro do casco aletado agitando a 
água. O casco é impedido de rotação pelas duas molas fixadas à corda de nylon e que 
passa em torno do casco B e é fixo ao topo do casco. As duas molas (F) são idênticas. 
 O amortecedor(G) é conectado ao casco. A posição angular do casco (B) 
depende do torque T e da constante das molas (F). O deslocamento periférico do casco é 
proporcional ao torque (T) e é medido por um potenciômetro rotativo (H), cujo saída é 
alimentada a entrada do medidor do torque. 
 
3.2.3 Calibração da linearidade 
A leitura do medidor de torque obtida pode ser calibrada, se necessário. É 
interessante verificar a linearidade global do sistema pela comparação do torque 
indicado contra torques conhecidos aplicados. Para realizar isto, utilizam-se pesos até 4 
kg em incrementos de 0,5 kg, e registram-se o torque indicado e o torque aplicado para 
cada peso. 
O torque aplicado pode ser calculado conforme a relação 
 
mgaT 
 (Nm) (18) 
 
Onde, T é o torque aplicado (em Nm), m é a massa (em kg), g é a aceleração da 
gravidade e a é a distancia entre o peso de calibração e o eixo do dinamômetro (em m). 
O valor de a é 0,25 m. 
Considerando o motor de 4 tempos utilizado neste experimento, o volume deslocado 
(Vs) é igual a 193 cm
3
. 
A Fig. 13 mostra um gráfico típico de verificação da linearidade. 
 
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Figura 13. Curva de calibração do indicador de torque. 
 
3.3. Medição da temperatura dos produtos de combustão 
A temperatura dos produtos de combustão é medida por um termopar tipo J 
(cromel/alumel) soldado ao tubo de exaustão próximo ao bloco do cilindro. 
 
3.4. Sistema de combustível 
O sistema de combustível é alimentado a partir de um tanque de combustível de 
capacidade de 4,5 litros, montado no topo da unidade de instrumentação (Fig. 15). 
Sendo alimentado por gravidade, o carburador do motor deve estar abaixo do nível do 
tanque. A Fig. 14 mostra o sistema de combustível. A marca mais baixa na pipeta de 
combustível deve ser montada mais alta que o carburador do motor para garantir que o 
reservatório de 32 mL esvazie completamente antes da parada do motor. 
O combustível escoa no fundo da pipeta graduada em volumes de 8, 16 e 32 mL. A 
torneira T isola o tanque do motor permitindo o consumo de combustível que está na 
pipeta. O consumo de combustível é determinado pela medição do tempo (t) que o 
motor leva para consumir um dado volume, 8 mL por exemplo. 
A torneira T2 isola o motor do sistema de fornecimento de combustível. Esta torneira 
deve ser fechada somente quando o dispositivo não está em uso. 
Assumindo a densidade relativa da água como 1000 kg/m³ e para um volume de 8 
mL temos: 
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t
S
m
gf
f
61081000 

 [kg/s] (19) 
 
Obs: Um valor típico para a densidade relativa da gasolina é 0,74. 
 
Figura14. Sistema de alimentação de combustível. 
 
3.5. Medição de consumo de ar 
Na unidade de instrumentação está instalado um medidor de vazão do tipo fluxo 
laminar (Fig. 15). 
 
 
Figura 15. Sistema de medição de vazão de ar. 
 
O número de Reynolds do escoamento no medidor é abaixo de 2300 para permitir 
utilizar a equação de Hagen-Poiseuille. 
 
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2
..32
d
ul
P


 (20)
 
 
Para ar de uma dada densidade, o fluxo de massa de ar é proporcional à velocidade 
média, de modo a queda de pressão através do medidor é proporcional ao fluxo de 
massa. A Fig. 16 mostra a curva de calibração do medidor. A Equação de Hagen-
Poiseuille é usada como base para corrigir o fluxo de massa medido em condições de 
pressão e de temperatura diferentes da pressão padrão. 
Figura 16. Curva de calibração do medidor de vazão de ar. 
 
O fluxo de massa no tubo é dado por: 
Auma 
 
Onde A é área transversal do tubo 
Para um dado tubo e elemento: P = 
 ̇ 
 
 
 
Da formula do Sutherland, a viscosidade do ar é dependente apenas da temperatura 
absoluta, ou seja: 
BT
AT


2/3

 
 
Para ar , as constantes A e B são: 
114
10.1465,0 5

 
B
A
 
 
A densidade do ar é função da temperatura (T) e pressão ambientes (P) podendo ser 
obtida aplicando-se a equação dos gases ideais. 
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RT
P

 
 
Combinando as equações acima o fluxo de massa do ar é proporcional a 
 
 
2/5
114
T
PT
P

 
 
Para uma dada diferença de pressão através do medidor de escoamento viscoso (ou 
laminar) o fluxo de massa dado na curva de calibração deve ser multiplicado por 
 
2/5
2/5
)114(
564,3
114
114
T
T
P
T
T
T
T
P
P
calib
calibcalib








 
 
Pois Tcalibração = 293 K e Pcalibração= 1013 mbar. 
 
Na figura 16 é apresentada a equação do fator de correção a ser aplicado para a 
determinação da vazão mássica de ar corrigida para as condições de P e T ambientes. 
 
3.6. Cálculo da razão ar/combustível. 
A razão ar/combustível pode ser obtida pela divisão de fluxo de ar/ fluxo de 
combustível como obtidos anteriormente 
 
 
4. PROCEDIMENTO 
 
Etapa 1: Calibração de medidas de torque 
Esta calibração deve ser feita antes de cada teste. 
O medidor de torque deve ser zerado e calibrado antes de cada teste usando o 
seguinte procedimento. 
1. Ajustar o potenciômetro de faixa “span” para sua posição máxima. 
2. Vibrar o dinamômetro para liberar o eixo. 
3. Ajustar o potenciômetro de zero até o indicador de torque indicar zero. 
4. Verificar que o zero está bem ajustado vibrando o motor novamente. 
5. Pendurar um peso de 3,5 kg no braço de calibração (J). 
6. Ajustar o controle de faixa “span” para ler um torque de 8,6 Nm (valor 
correspondente a 3,5 kg). 
7. Remover o peso de calibração e repetir uma vez as etapas (2) a (8). A curva de 
calibração de torque obtida pelo fabricante está apresentada na Fig. 13. 
8. Verificar a linearidade da curva medindo o torque para massas de 0,5 a 4 kg, com 
incrementos de 0,5 kg. Levante a curva de calibração do dinamômetro. (OBS: ESTE 
PASSO NÃO É NECESSÁRIO) 
 
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Etapa 2: Controle do fluxo de água para o dinamômetro. 
1. Verificar se a válvula de fornecimento de água ao motor está aberta. 
2. Abrir a válvula de fornecimento de água ao dinamômetro (T4) em 
aproximadamente 1 volta. 
3. Abrir a válvula agulha (T5) do dinamômetro até o máximo. 
 
Etapa 3. Procedimento para ligar o motor (partida fria) 
1. Verificar se a válvula T2 está fechada e se a válvula de fornecimento de 
combustível (T3) está aberta. 
2. Abrir a válvula T1. 
3. Preencher a proveta com combustível, eliminando bolhas de ar caso necessário. 
4. Abrir a válvula T2. 
5. Mover a alavanca “choke” do afogador no sentido anti-horário, fechando a 
entrada de ar no motor e em seguida acelerá-lo (manivela vermelha para cima). 
6. Ligar a ignição. 
7. Puxar, com vigor, a partida do motor. 
8. Esperar o motor estabilizar. Acelerar se necessário. 
 
Etapa 4. Levantar dados de desempenho do motor 
 
1. Aplicar carga ao dinamômetro regulando a válvula T4 e aguardar a estabilização 
do torque. 
2. Fazer as leituras de torque, rotação, temperatura de saída dos gases e vazão de 
ar. 
3. Fechar a válvula T1 e fazer a medida de consumo de combustível seguindo o 
procedimento apresentado no item 2.7 (volume x tempo). 
4. Alterar a carga (controlando a válvula T4) e retornar ao item 1 para regular a 
nova condição operacional a ser testada (cerca de 5 condições operacionais 
diferentes devem ser testadas, procurando manter o torqueentre 4 e 9,5 Nm) 
 
5. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS 
Apresentar e discutir os resultados de potência efetiva, rendimento efetivo e consumo 
específico em função da vazão de combustível e da vazão de ar. 
Apresentar e discutir os resultados de consumo específico, razão ar/combustível e 
rendimento efetivo em função do torque no motor. 
Apresentar e discutir os resultados de consumo específico em função da potência 
efetiva. 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
Oliveira Junior, Motores de combustão interna, FATEC – SP, 1997. 
Heywood, J. B. Internal Combustion Engines Fundamentals, McGraw-Hill Inc., 1988. 
Taylor, C. F., Análise dos Motores de Combustão Interna. Edgar Blucher, 1976. 
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Taylor, C. F., Análise dos Motores de Combustão Interna. Edgar Blucher Vol. II, 1984. 
Rowland S. Benson, N.D Whitehouse, Internal Combustion Engines Vol. I, 1979. 
Rowland S. Benson, N.D Whitehouse, Internal Combustion Engines Vol. II, 1979. 
Michael, P., Anthony M. Engine Testing – Theory and Practice, BH, 2nd Edition,1999. 
Richard, S., Introduction to internal combustion engines, 1999. 
Ferguson, Colin R., Internal Combustion Engines : Applied Thermo Sciences, New 
York, NY: John Wiley, c1986.