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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA 44338866 –– TTRRAATTOORREESS EE MMOOTTOORREESS AAGGRRÍÍCCOOLLAASS PPRROOFF.. DDrr.. RREENNYY AADDIILLMMAARR PPRREESSTTEESS LLOOPPEESS CIDADE GAÚCHA PARANÁ - BRASIL SETEMBRO – 2009 Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 1 1 - INTRODUÇÃO A intensificação do uso de máquinas agrícolas vem exigindo novos investimentos em máquinas com maior grau de confiabilidade no quesito de potência disponível, tecnologia e consumo de combustível, visando atender a demanda nas atividades agrícolas. A otimização do desempenho de sistemas agrícolas mecanizados necessariamente passa por questões de aspectos técnicos e econômicos visando um entendimento adequado entre as relações de potência disponível e custos operacionais. No caso de tratores agrícolas os custos operacionais estão intimamente relacionados com a intensidade de utilização da máquina de tração, tendo como composição desses custos o combustível, os lubrificantes, a manutenção e o salário do operador. O elevado consumo de combustível dos tratores agrícolas asil se deve ao fato desses ser operados, em sua maioria, com altas rotações e em marchas reduzidas compreendendo na faixa de potência máxima do motor. A redução no consumo de combustível pode ser obtida através de operações em faixa econômica de rotação do motor, ou de um prévio ajuste no dimensionamento de aquisição do trator utilizando-se da relação rotação, torque e consumo específico de combustível do motor. 2 - Conceituação e Normalização das Máquinas Agrícolas A classificação das máquinas agrícolas seguem algumas terminologias segundo a ABNT - NB-66. • Operação Agrícola: Toda atividade direta e permanentemente relacionada com a execução do trabalho de produção agropecuária. • Máquina Agrícola: Máquina projetada especificamente para realizar integralmente ou coadjuvar a execução da operação agrícola. • Implemento Agrícola: Implemento ou sistema mecânico, com movimento próprio ou induzido, em sua forma mais simples, cujos órgãos componentes não apresentam movimentos relativos. • Ferramenta Agrícola: Implemento, em sua forma mais simples, o qual entra em contato direto com o material trabalhado, acionado por uma fonte de potência qualquer. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 2 • Máquina Combinada ou Conjugada: Máquina que possui, em sua estrutura básica, órgãos ativos que permitem realizar, simultaneamente ou não, várias operações agrícolas. • Acessórios: Órgãos mecânicos ou ativos que, acoplados à máquina agrícola ou implemento, permite tanto aprimoramento do desempenho como execução de operações diferentes para o qual foi projetado. 1.a) Classificação das Máquinas Agrícolas As máquinas agrícolas são divididas em grupos, especificados em grupos distintos. Grupo 1 - Máquinas para o preparo do solo • a.1) Máquinas para o preparo inicial do solo: São responsáveis pela limpeza do solo, ou seja, pela remoção de árvores, cipós e etc. Constituem-se de destocadores, serras, lâminas empurradoras, lâminas niveladoras, escavadeiras e perfuradoras. • a.2) Máquinas para o preparo periódico do solo: São responsáveis pela movimentação ou mobilização do solo (inversão de leiva). Constituem-se de arados de aivecas, arados de discos, subsoladores, enxadas rotativas, sulcadores e outros. Grupo 2 - Máquinas para a semeadura, plantio e transplante b.1) Semeadoras, plantadoras e transplantadoras. b.2) Cultivo mínimo ou plantio direto (sistema de semeadura direta). Grupo 3 - Máquinas para a aplicação, carregamento e transporte de adubos e corretivos c.1) Adubadoras e carretas Grupo 4 - Máquinas para o cultivo, desbaste e poda d.1) Cultivadores de enxadas rotativas, ceifadeiras e roçadoras Grupo 5 - Máquinas aplicadoras de defensivos e.1) Pulverizadores, polvilhadoras, microatomizadoras, atomizadoras e fumigadores Grupo 6 - Máquinas para a colheita Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 3 f.1) Colhedoras Grupo 7 - Máquinas para transporte, elevação e manuseio g.1) Carroças, carretas e caminhões Grupo 8 - Máquinas para o processamento h.1) Máquinas beneficiadoras de café, milho, arroz, algodão e cana h.2) Máquinas para o tratamento e polimento: secadoras, classificadoras e polidoras Grupo 9 - Máquinas para a conservação do solo, água e irrigação e drenagem i.1) Irrigação: motobombas e aspersores i.2) Drenagem: retroescavadeiras e valetadeiras Grupo 10 - Máquinas especiais j.1) Reflorestamento: tratores florestais e filler bush (processador de madeira) Grupo 11 - Máquinas motoras e tratoras k.1) Tratores agrícolas, tratores industriais e tratores florestais 2 Tratores Agrícolas O trator agrícola é sem dúvida uma das ferramentas mais utilizadas na moderna agricultura. Desde o preparo inicial do solo, até operações de gradagens, roçadas, pulverizações, adubações, podas e, até mesmo, escoamento da produção. Essas máquinas representam uma grande importância de investimento, superando muitas vezes os bens que o mesmo utiliza para seu próprio lazer. Apesar da complexa mecânica de um trator, medidas simples e preventivas realizadas periodicamente antes ou depois das operações de campo, serão importantes na prevenção de defeitos e avarias, que seguramente proporcionarão às máquinas uma vida útil mais longa e um valor residual maior. Trator é uma máquina autopropelida provida de meios que, além de lhe conferirem apoio estável sobre superfícies impenetráveis, tem capacidade para tracionar, transportar e fornecer potência mecânica, para movimentar os órgãos ativos de máquinas e implementos agrícolas. • Importância: Aumentar a produtividade aliado à maior eficiência das atividades agrícolas, tornando-o menos árduo e mais atraente. Condicionam e exigem avanços tecnológicos constantes. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 4 2.1 Evolução das Máquinas A evolução das máquinas agrícolas se deve a dois fatores essenciais: a) A necessidade do aumento da capacidade de trabalho do homem do campo, face à crescente escassez de mão-de-obra rural; e b) A migração das populações rurais para as zonas urbanas, devido ao processo de desenvolvimento econômico pelo qual tem passado o nosso país. E evolução promoveu, como conseqüência, modificações profundas nos métodos de trabalho agrícola nos seguintes aspectos: a) Redução sensível da necessidade de tração animal e de trabalho manual e, por conseqüência, diminuição do mercado de trabalho rural, para mão-de-obra não qualificada; b) Crescente exigência do emprego de tecnologia avançada, notadamente das técnicas de descompactação e conservação dos solos, de aplicação de fertilizantes e defensivos, da utilização de sementes selecionadas e de conservação e armazenamento dos produtos colhidos; c) Organização e racionalização do trabalho, através de planejamento agrícola e controle econômico-financeiro, dando às atividades de produção rural um caráter tipicamente empresarial. A evolução do uso de máquinas na agricultura, como método ilustrativos pode ser vista na figura 1: FIGURA 1. Evolução da participação nos sistemas de produção das várias tecnologias de execução mecanizada das operações agrícolas. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 5 2.2 Histórico - 1858: Trator à vapor para arar a terra; - 1889: Trator com combustãointerna (Henry Ford - Fergusson); - 1911: Ocorreu a primeira mostra de tratores de Nebraska - E.U.A.; - 1920: Surgiram dois tratores agrícolas: Massey Harris - Henri Ford e Fergusson; - 1940: Surgiram tratores equipados com Tomada de Potência (TDP), Barra de Tração (BT) e Sistema de 3 Pontos (1º ponto: inferior esquerdo, 2º ponto: inferior direito e 3º ponto: superior); - Atualmente: Tratores com potência elevadas (potências variando de 180 a 220 cv) e tecnologia avançada (injeção eletrônica) como os das marcas Ford, CASE-New Holland, Massey Fergusson, Caterpillar, Valtra, Muller, John Deere e outros. 2.3 Funções Básicas a) Tracionar máquinas e implementos de arrasto tais como arados, grades, adubadoras e carretas, utilizando a barra de tração; b) Acionar máquinas estacionárias, tais como batedoras de cereais e bombas de recalque d’água, através de polia e correia ou da árvore de tomada de potência; c) Tracionar máquinas, simultaneamente com o acionamento de seus mecanismos, tais como colhedoras, pulverizadores, através da barra de tração ou do engate de três pontos e da árvore de tomada de potência; 2.4 Constituição Básica dos Tratores Agrícolas: a) Motor: Responsável pela transformação da energia potencial do combustível em energia mecânica, na forma de potência disponível no eixo de manivelas. Basicamente os motores são classificados quanto: tipo de combustível, número de cilindros, sistema de injeção, potência, torque, rotação máxima do motor e relação de compressão. b) Embreagem: Órgão receptor da potência do motor e responsável pela sua transmissão à caixa de mudança de marchas, sob o comando de um pedal ou alavanca acionável pelo operador (pedal de embreagem). Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 6 c) Caixa de mudança de marchas: Órgão mecânico responsável pela transformação de movimento para o sistema de rodados do trator. É o responsável pela transformação de torque e velocidade angular do motor, sendo comandada pela alavanca de mudança de marchas. d) Coroa, pinhão e diferencial: Órgãos transformadores e transmissores demovimentos responsáveis pela transmissão do movimento da caixa de mudança de marchas a cada uma das rodas motrizes; envolvendo uma redução proporcional de velocidade e uma mudança na direção do movimento de um ângulo de 90º. e) Redução final: Órgão que transmite os movimentos do diferencial às rodas motrizes com redução da velocidade angular e aumento do torque. f) Rodados: São os órgãos operadores responsáveis pela sustentação e direcionamento do trator, bem como sua propulsão, desenvolvida através da transformação da potência do motor em potência na barra de tração. g) Tomada de potência (TDP): Órgão responsável pela transformação do movimento do motor para uma árvore de engrenagens, cuja extremidade externa está localizada na parte traseira do trator, local onde são acoplados sistemas mecânicos rotativos. As tomadas de potência possuem rotações na faixa de 540 a 1000 rpm e são normalizadas pela ABNT-PB-83. h) Sistema hidráulico: Órgãos receptores, transformadores e transmissores da potência do motor através de um fluido sob pressão aos órgãos operadores, representados, principalmente, por cilindros hidráulicos. São normalizados pela ABNT-PB-131. i) Reguladores: Conjunto de órgãos que têm por função regular a velocidade angular do motor em função das variações das cargas às quais o trator é submetido. j) Sistema de engate de três pontos: Responsável pela tração e suspensão de implementos e máquinas agrícolas. É normalizado pela ABNT-PB-84, categoria I, II (tratores agrícolas) e III (tratores industriais e florestais). k) Barra de tração (BT): Órgão responsável pela tração de máquinas e implementos. É normalizado pela ABNT-PB-85. Na Figura 2 pode-se visualizar a constituição básica de um trator agrícola. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 7 FIGURA 2 – Constituição geral de um trator agrícola. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 8 2.5 Classificação Geral dos Tratores Agrícolas A classificação geral dos tratores leva em consideração dois critérios básicos: o tipo de rodado e o tipo de chassi. 2.5.1. Tipo de Rodado Confere à máquina importantes características com relação à tração, estabilidade e rendimento operacional. Classificam-se em: a) Tratores de rodas: Os tratores de rodas constituem o tipo predominante para uso agrícola. Caracterizam-se por possuírem, como meio de propulsão, rodas pneumáticas, cujo número e disposição determinam os seguintes subtipos: a.1) Duas rodas; - as rodas são motrizes; - o operador caminha atrás do conjunto; - tobatas ou microtratores. Figura 3 . Esquema de um trator de duas rodas Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 9 a.2) Triciclos; - possuem duas rodas traseiras motrizes e uma roda na frente; - utilizados como tratores de jardinagem e ceifadores. Figura 4 – Esquema de um trator de três rodas. a.3) Quatro rodas - duas rodas movidas e duas rodas atrás com diâmetro maior às anteriores; - modelos: 4 X 2 (4 rodas, sendo 2 para tração); 4 X 4 (4 rodas, sendo as 4 para tração) e 4X2 TDA – (4 rodas para tração - tração dianteira auxiliar). Figura 5 – Esquema de um trator de quatro rodas. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 10 b) Tratores de semi – esteiras São tratores de quatro rodas, porém modificadas, de forma a admitirem o emprego de uma esteira sobre as rodas traseiras motrizes. Figura 6. Esquema de um trator de semi – esteiras. c) Tratores de esteiras O rodado desses tratores é constituído, basicamente, por duas rodas motoras dentadas, duas rodas guias movidas e duas correntes sem fim, formadas de elos providos de pinos e buchas dispostos transversalmente, denominados esteiras. As rodas dentadas transmitem movimento às esteiras que se deslocam sobre o solo, apoiadas em chapas de aço denominadas sapatas. Uma estrutura de apoio e um conjunto de roletes completam esse tipo de rodado. Figura 7. Esquema de um trator de esteiras. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 11 2.5.2. Tipo de Chassi O chassi confere características ao trator, com relação ao Peso e Potência, distribuição dos esforços e localização do centro de gravidade. Os tratores quanto ao chassi classificam-se em: a) Tratores industriais São utilizados para transporte e manuseio de ferramentas em parques industriais. Podem ser de rodas, esteiras e de chassi articulado. b) Tratores florestais São tratores utilizados para derrubada e corte de árvores, carregamento, transporte e processamento. c) Tratores agrícolas Segundo seu chassi podem ser de 2, 3 e 4 rodas. São transportadores de implementos e formam conjuntos combinados. FIGURA 8. Representação esquemática de chassi de trator agrícola. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 12 3 . Motores Os motores basicamente são de combustão interna, externa e híbridos (configuração mais utilizada é um motor a combustão e outro elétrico, assim o consumo de combustível é menor), ambos com suas respectivas vantagens, desvantagens e aplicações. No setor de máquinas agrícola há predominância de motores de combustão interna. 3.1 Motores de Combustão externa Os motores de Combustão externa funcionam com um ciclo termodinâmico composto de 4 fases e executado em 2 tempos do pistão: compressão isotérmica (=temperaturaconstante), aquecimento isométrico (=volume constante), expansão isotérmica e resfriamento isométrico. Este é o ciclo idealizado (válido para gases perfeitos), que diverge do ciclo real medido por instrumentos. Não obstante, encontra-se muito próximo do chamado Ciclo de Carnot, que estabelece o limite teórico máximo de rendimento das máquinas térmicas. O motor Stirling (Figura 9) é um exemplo clássico de motor de combustão externa, surpreende por sua simplicidade, pois consiste de duas câmaras em diferentes temperaturas que aquecem e resfriam um gás de forma alternada, provocando expansão e contração cíclicas, o que faz movimentar dois êmbolos ligados a um eixo comum. O gás utilizado nos modelos mais simples é o ar (daí a expressão citada acima); hélio ou hidrogênio pressurizado (até 150 kgf cm-2) são empregados nas versões de alta potência e rendimento, por serem gases com condutividade térmica mais elevada e menor viscosidade, isto é, transportam energia térmica (calor) mais rapidamente e têm menor resistência ao escoamento, o que implica menos perdas por atrito. Ao contrário dos motores de combustão interna, o fluido de trabalho nunca deixa o interior do motor; trata-se portanto de uma máquina de ciclo fechado. Teoricamente, o motor Stirling é a máquina térmica mais eficiente possível. Alguns protótipos construídos pela empresa holandesa Phillips nos anos 50 e 60 chegaram a índices de 45%, superando facilmente os motores a gasolina, diesel e as máquinas a vapor (eficiência entre 20% e 30%). A fim de diminuir as perdas térmicas, geralmente é instalado um "regenerador" entre as câmaras quente e fria, onde o calor (que seria rejeitado na câmara fria) fica armazenado para o fase seguinte de aquecimento, incrementando sobremaneira a eficiência termodinâmica . Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 13 FIGURA 9. Visualização esquemática de um motor Stirling de combustão externa 3.2 Motores de Combustão interna O motor é a fonte de potência de veículos. A potência do veículo lhe dá movimentação, e lhe permite o transporte de cargas (pessoas ou materiais). Portanto, o motor é a fonte de força e movimento de veículos. Quanto maior for a potência do motor, maior será a sua capacidade de carga, e maiores velocidades poderá proporcionar ao veículo. Assim, se é dito que um motor é mais potente que um outro, quer dizer que o primeiro proporciona ao veículo uma capacidade de transportar uma quantidade maior de carga, ou de atingir velocidades mais elevadas. Por exemplo, motores de caminhões e ônibus são feitos mais potentes que os de automóveis de modelo popular, pois necessitam de uma maior capacidade de carga. Por outro lado, motores de automóveis esportivos também são mais potentes que os de modelos populares. Motores de automóveis esportivos têm por objetivo atingir maiores velocidades. O emprego da potência de motores para uma maior capacidade de carga ou para a obtenção de velocidades mais elevadas é obtido através do projeto adequado de um sistema de transmissão (grupo de peças e equipamentos que transfere a potência do motor para as rodas.). Para seu funcionamento, o motor necessita de uma fonte de energia, combustível, os quais podem ser líquidos ou gasosos. Os combustíveis mais popularmente utilizados são: gasolina, o álcool e o óleo diesel, todos líquidos. O gás natural vem sendo ultimamente empregado como uma fonte de energia alternativa. Fatores econômicos, requerimentos de potência ou de atendimento a legislações ambientais determinam o tipo de combustível a ser utilizado. O combustível pode ser definido como sendo o alimento dos motores. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 14 Nos motores de combustão interna, o combustível é comprimido por um pistão dentro de um cilindro, juntamente com ar aspirado do ambiente. A mistura formada entre o combustível e o ar é queimada, produzindo pressões elevadas, e então se expande. A expansão da mistura queimada gera o movimento do pistão, que é transmitido para as rodas do veículo. A transmissão do movimento do pistão às rodas do veículo pode ser comparado à transmissão do movimento de um pedal à roda traseira de uma bicicleta, conforme mostra a Figura 10. O movimento das pernas de um ciclista exerce efeito similar ao movimento do pistão de um motor de combustão interna. FIGURA 10. Visualização de eixo de manivelas e conversão de movimentos do pistão em movimento rotatório com transmissão para as rodas. 3.3 Classificação dos Motores de Combustão Interna Os motores de combustão interna são classificados de acordo com o modo de queima do combustível em motores com ignição por centelha (otto) e motores com ignição por compressão. Estes últimos também são também conhecidos por motores diesel. Motores movidos a gasolina ou a álcool são exemplos de motores com ignição por centelha. Neste caso, a queima de combustível é iniciada com uma centelha fornecida pela vela de ignição, que é um componente instalado na superfície superior do cilindro, na parte chamada cabeçote do cilindro. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 15 Motores diesel normalmente utilizam o óleo diesel como combustível. Nestes motores a ignição é iniciada pela injeção de combustível no cilindro através de bicos injetores. A combustão em motores diesel se dá de maneira espontânea, estimulada por elevadas pressão e temperatura da mistura ar/combustível no cilindro. Os motores também podem ser classificados como de quatro tempos ou dois tempos. Durante seu funcionamento, um motor continuamente admite uma quantidade de ar e combustível, comprime e queima a mistura e a deixa expandir antes de expulsá-la do cilindro. Quando este ciclo é feito ao tempo em que o pistão executa quatro movimentos, dois para cima e dois para baixo, o motor é chamado de quatro tempos. Quando o pistão realiza somente dois movimentos durante o ciclo, um para cima e um para baixo, o motor é chamado de dois tempos. O esquema de motores de quatro tempos de um motor a gasolina são mostrados em detalhes na Figura 11. Admissão Compressão Expansão Exaustão FIGURA 11 . Ciclo de quatro tempos de um motor com ignição por centelha 3.3.1 Princípio de Funcionamento de Motor de 4 tempos Na admissão, o motor atrai uma quantidade de ar e combustível para o interior do cilindro. Neste processo, a válvula de admissão permanece aberta, e a válvula de exaustão fechada. A válvula de admissão é um componente que abre ou fecha a passagem de mistura ar-combustível para o interior do cilindro. A válvula de exaustão, também conhecida como válvula de descarga ou válvula de escape, abre ou fecha a passagem de mistura queimada do cilindro para o exterior. O pistão realiza um movimento para baixo, e o volume do cilindro é preenchido por ar e combustível. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 16 O início da compressão é marcado pelo fechamento da válvula de admissão. Ambas as válvulas, de admissão e de exaustão, permanecem fechadas. A mistura ar- combustível é comprimida pelo movimento do pistão para cima, diminuindo o volume do cilindro. A pressão da mistura aumenta, preparando-a para ser queimada. Ao final da compressão, com o pistão próximo à sua posição superior máxima, denominada Ponto Morto Superior (PMS), dá-se início ao processo de queima da mistura, a combustão. A combustão em motores a gasolina é iniciada por uma centelha fornecida pela vela de ignição, e, em motores diesel, é iniciada de maneira espontânea, estimulada pelas altas pressão e temperatura da mistura no cilindro. Quando o pistão se encontra no ponto morto superior, ovolume definido pela geometria do topo do pistão, cilindro e pelo cabeçote do cilindro é chamado câmara de combustão. A câmara de combustão é projetada de maneira a facilitar o processo de combustão, objetivando que a mistura seja rápida e completamente queimada a cada ciclo do motor. A combustão prossegue e é finalizada durante a expansão. Neste processo, em que as válvulas de admissão e exaustão permanecem fechadas, o pistão move-se para sua posição inferior. O volume do cilindro aumenta, e a mistura em seu interior se expande. É durante a expansão que a potência do motor é gerada, de acordo com a força exercida sobre o pistão pela energia liberada da combustão. Pouco antes de o pistão atingir sua posição mínima, denominada Ponto Morto Inferior (PMI), a válvula de exaustão é aberta, dando início à exaustão. Este processo é caracterizado pela liberação da mistura queimada no cilindro. A mistura é expelida do cilindro à medida em que o pistão move-se para cima. Com o pistão próximo ao ponto morto superior, a válvula de admissão é aberta. A seguir, a válvula de exaustão é fechada e dá-se início a um novo ciclo. 3.3.2 Princípio de Funcionamento de Motor de 2 tempos O ciclo de um motor de dois tempos (Figura 12) se dá com a combustão da mistura ar/combustível, que acima do pistão produz um rápido aumento na pressão e temperatura, empurrando o pistão para baixo, produzindo potência (1). Abaixo do pistão, a janela de admissão induz ar da atmosfera para o cárter, devido ao aumento de volume do cárter reduzir a pressão a um valor inferior à atmosférica. O cárter é isolado ao redor do eixo de manivelas para assegura a máxima depressão em seu interior. A janela de exaustão, então, se abre (2), permitindo a saída do gás de exaustão. A área da janela aumenta com o giro do eixo de manivelas, e a pressão no cilindro se reduz. O processo de exaustão está quase se completando e, com Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 17 ambas as janelas desobstruídas pelo pistão, o cilindro se conecta diretamente ao cárter através do duto de admissão (3). Se a pressão no cárter for superior à pressão no cilindro, então uma mistura fresca entra no cilindro e se inicia os processos de admissão e lavagem. O pistão então se aproxima do ponto de fechamento da janela de exaustão e o processo de lavagem se completa (4). Após a janela de exaustão estar totalmente fechada, o processo de compressão se inicia até que o processo de combustão novamente ocorra. A distância entre o ponto morto superior e o ponto morto inferior e o diâmetro do cilindro determinam o volume da mistura ar-combustível admitida pelo motor a cada ciclo. Este volume é comumente chamado cilindrada do motor. A cilindrada é medida em litros (L) ou centímetros cúbicos (cc ou cm³). Assim: um motor 1.0 e um motor de 1000cc têm a mesma cilindrada. A cilindrada está intimamente relacionada ao desempenho do motor. De uma maneira geral, quanto maior for a cilindrada, maior será a potência e o consumo de combustível. A razão entre o volume da mistura no cilindro com o pistão no ponto morto inferior e seu volume com o pistão no ponto morto superior é denominada razão de compressão. Admissão Exaustão Exaustão Admissão 1) Compressão/Admissão 2) Expansão/Exaustão 3) Toca de Gases 4) Fechamento da Exaustão Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 18 FIGURA 12. Ciclo dos motores de 2 tempos com ignição por centelha 3.4 Cilindros de Motores Os motores de combustão interna têm, normalmente, quatro, seis ou oito cilindros. Motores de um, três, cinco, dez e doze cilindros também encontram aplicação, em menor escala. Motores de dez e doze cilindros são, em geral, empregados em veículos de competição. Motores de um único cilindro são comumente utilizados para testes de laboratório, veículos de duas rodas, ou para outros equipamentos, como cortadores de grama. Os cilindros de um motor podem ser arranjados em linha, opostos ou em configuração V (Figuras 13, 14, 15 e 16) Figura 13. Vista do arranjo de cilindros (A- em linha, B- em V, C- opostos). Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 19 Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 20 Figura 14. Vista em corte de um motor V8 (configuração V - 8 cilindros). Figura 15. Vista em corte de um motor de quatro cilindros em linha. Figura 16. Vista em corte de um motor simples de dois tempos. Pistão Janela Admissão Biela Câmara Combustão Janela Exaustão Janela Transferência Gases Cárter Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 21 3.5 Constituição dos Motores Os Motores de combustão interna são constituídos por vários componentes essenciais. Estes componentes são projetados para tornar o motor eficiente e confiável. Os componentes básicos de um motor de combustão interna de quatro tempos são os seguintes: bloco do motor, eixo de manivelas, bielas, pistões, anéis dos pistões, cabeçote do cilindro e trem de válvulas. O bloco do motor é o maior e principal componente do motor. Praticamente todas as partes do motor são direta ou indiretamente ligadas ao bloco (Figura 17). O bloco é feito de metal fundido, normalmente uma liga de ferro ou alumínio. Os cilindros são largos furos arredondados feitos através do bloco. Os pistões se ajustam nos cilindros. Os cilindros são ligeiramente mais largos que os pistões, permitindo a estes deslizarem livremente para cima e para baixo. Em muitos blocos de liga de alumínio, luvas de aço são colocadas nos cilindros, e os pistões deslizam em sua superfície. O topo do bloco é usinado plano, sendo unido por parafusos ao cabeçote do cilindro. O topo do bloco permite a passagem de óleo, para a lubrificação do motor, e de água (ou ar), para seu resfriamento. Passagens de fluido de resfriamento são também encontradas através de todo o bloco, chamadas camisas de água. Por um furo feito na parte inferior do bloco passa o eixo de manivelas. Um outro furo feito no bloco abriga o eixo de comando das válvulas de admissão e exaustão. O cárter é a parte inferior do bloco. O cárter abriga o eixo de manivelas e também, em alguns casos, o eixo de comando das válvulas. O cárter também serve como um reservatório de óleo lubrificante. O eixo de manivelas, também conhecido como virabrequim, é responsável por converter o movimento vertical do pistão em movimento de rotação. O eixo de manivelas gira no interior do cárter. O eixo de manivelas é projetada de acordo com o número de cilindros do motor. O eixo de manivelas (Figura 18 e 19) apresenta partes descentralizadas, onde as bielas são fixadas, que determinam a distância entre o ponto morto superior e o ponto morto inferior. O eixo de manivelas também apresenta contrapesos para evitar o surgimento de vibrações. O eixo de manivelas comanda o movimento do eixo de comando das válvulas. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 22 Figura 17. Vista parcial de um bloco do motor. Figura 18-.Vista parcial de bloco de um motor e árvore de manivela. Contra-Peso Conexão Volante Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 23 Figura 19. Vista da localização da árvore de manivelas no motor. A biela é a peça que transmite o movimento do pistão e a potência gerada pela combustão ao eixo de manivelas durante a expansão. A biela também permite movimento ao pistão durante os processos de exaustão, admissão e compressão. A biela consiste de uma haste com dois furos nos extremos. É conectadaao pistão através de um pino que passa através do furo menor. O furo maior é constituído por um mancal fixado por parafusos, que envolve um dos pinos excêntricos do eixo de manivelas (Figura 20). Figura 20. Vista parcial de um pistão e biela de motor. Pistão Pino Biela Movimento da Biela Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 24 Os pistões transferem a potência gerada pela combustão para a biela e à ao eixo de manivelas. Geralmente, são feitos de ferro fundido ou de ligas de alumínio. Os pistões são unidos às bielas através de pinos, e o contato com a parede lateral do cilindro é feito através de anéis. O topo do pistão é a parte mais exposta ao calor e à pressão da combustão. O formato do topo do pistão combina com a geometria do cabeçote do cilindro para formar a câmara de combustão. O topo do pistão pode ser reto, côncavo, convexo ou apresentar outra geometria dentro de uma variedade, sempre visando facilitar o processo de combustão. Os pistões apresentam ranhuras laterais para abrigar os anéis. Um furo radial é feito para o pino que une o pistão à biela. A parte inferior do pistão é chamada saia do pistão. Em motores de dois tempos, o pistão é de destacável importância no processo de lavagem.cujo o objetivo é produzir o processo de lavagem no cilindro com duas ou mais janelas de admissão direcionadas para o lado do cilindro distante da janela de exaustão, mas através de um pistão com o topo plano (lavagem em “loop”) ou outros arranjos de lavagem em “loop” (Figura 21). FIGURA 21. Vista parcial do arranjo de lavagem “loop” de pistões. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 25 A vantagem deste tipo de lavagem é a disponibilidade de uma câmara de combustão compacta acima do pistão de topo plano, que permite um processo de combustão rápido e eficiente (Figura 22). FIGURA 22. Vista parcial de pistões de lavagem transversal (esquerda e centro) e de lavagem “loop” (direita). O processo original de lavagem é o transversal. Um projeto de um defletor moderno (Figura 23) apresenta boas características de lavagem em cargas parciais e tende a fornecer boas características a baixas velocidades e baixas potências. Sob cargas plenas a eficiência de lavagem não é boa e, combinada com uma câmara de combustão não compacta preenchida com protuberâncias defletoras expostas, o motor apresenta uma potência específica baixa e elevado consumo de combustível. Um projeto de motores com lavagem transversal (Figura 23) que não apresenta desvantagens de lavagem em plena carga (Figura 24). Contudo, o cilindro não apresenta a mesma simplicidade de manufatura daquele do pistão convencional (centro da Figura 22). Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 26 Figura 23. Vista parcial de pistão defletor de motor com lavagem transversal. Figura 24. Vista parcial de um pistão defletor não convencional de motor com lavagem transversal. Exaustão Admissão Arranjo Plano da Janela Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 27 O processo de lavagem com escoamento unidirecional é o mais eficiente para motores de dois tempos. O esquema básico é mostrado na Figura 25 e, fundamentalmente a metodologia é iniciar preenchendo o cilindro com mistura fresca em uma extremidade e remover o gás de exaustão da outra extremidade. O movimento rotacional do ar é efetivo em promover boa combustão em uma configuração diesel. Sua aplicação para motores com ignição por centelha envolve complexidades mecânicas, não sendo vantajosa devido aos elevados custos. ’ FIGURA 25 Vista parcial de dois métodos de lavagem unidirecional em motores de dois tempos. Cames Cames Válvulas Admissão Exaustão Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 28 Existem projetos de motores de dois tempos em que a lavagem não emprega o cárter como uma bomba de ar, mas um equipamento externo como um soprador do tipo Roots ou um soprador centrífugo acionado pelo eixo de manivelas. Neste caso, a utilização conjunta de um turbocompressor é mais eficiente termodinamicamente, onde a energia de exaustão dos gases de saída das turbinas são disponíveis para acionar o compressor de ar. A Figura 26 mostra um arranjo em que o motor apresenta um soprador e uma turbina. O soprador é utilizado como auxiliar na partida e para suplementar ar sob baixas cargas e velocidades, e a turbina empregada como a principal unidade de suplemento de ar sob elevados níveis de torque e potência em qualquer velocidade. Este motor demonstra economia de combustível e baixos níveis de emissões de hidrocarbonetos não queimados, monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio, em comparação com um motor equivalente de quatro tempos. FIGURA 26. Motor de dois tempos com supercompressor e turbocompressor. Os anéis do pistão, também denominados anéis de segmento, são fixados em ranhuras feitas nas laterais dos pistões, na parte superior. Os pistões geralmente apresentam três segmentos de anéis. Os dois anéis superiores têm a incumbência de evitar perdas da potência gerada na combustão e impedir a passagem da mistura ar- combustível para o cárter através do espaçamento entre o pistão e o cilindro. O terceiro anel tem a tarefa de selar a passagem de óleo do cárter para a câmara de combustão. Os anéis apresentam uma separação, que permite sua montagem no pistão e lhes dá Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 29 uma tendência a se abrirem, pressionando-os contra a parede do cilindro e melhorando a vedação (Figura 27). O cabeçote do cilindro é parte do motor que cobre o bloco. Na superfície inferior do cabeçote do cilindro são encontradas cavidades na direção dos cilindros que formam com o topo dos pistões as câmaras de combustão. No cabeçote também se localizam as velas de ignição, para o caso de motores a gasolina, e os bicos injetores de combustível, para o caso de motores diesel. O cabeçote também contém aberturas chamadas janelas de admissão e janelas de exaustão. Através das janelas de admissão a mistura ar-combustível, para motores a gasolina, ou ar simplesmente, para motores diesel, é admitido para o cilindro. A mistura queimada deixa o cilindro através da janela de exaustão. No cabeçote do cilindro também se encontram furos destinados a guiar o movimento das válvulas de admissão e exaustão. As superfícies das janelas de admissão e exaustão são usinadas de maneira a assentar as válvulas, garantindo que a passagem de mistura seja lacrada quando as válvulas estão fechadas. Figura 27. Vista parcial de anéis de segmentos de compressão e vedação de óleo. Uma placa fina de metal, chamada gaxeta, é colocada na junção entre o cabeçote do cilindro e o bloco do motor para fins de vedação. Gaxetas são também utilizadas nas junções entre o cabeçote do cilindro e as tubulações de admissão e escapamento. Através da tubulação de admissão o ar, para o caso de motores diesel, ou a mistura ar- combustível, para o caso de motores a gasolina, tem acesso ao cilindro. A mistura queimada deixa o cilindro através da tubulação de escape. O trem de válvulas consiste das partes que compõem o mecanismo de operação das válvulas de admissão e exaustão. Anéis de Compressão Anéis de Compressão Anéis de Vedação de óleo Pistão Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 30 O trem de válvulas (Figura 28) inclui eixo decomando das válvulas, alças, hastes, braços (balancim), molas e válvulas. As partes presentes em um trem de válvulas dependem do seu projeto. FIGURA 28. Vista parcial de um trem de válvulas. O eixo de comando das válvulas tem a função de comandar a abertura e o fechamento das válvulas nos momentos adequados. Consiste de um eixo com partes ovais, chamados excêntricos ou cames, com as quais as alças fazem contato. O número de cames no eixo é igual ao número de válvulas. À medida que o eixo gira, os cames deslocam as alças, em um movimento vertical. O movimento das alças é transmitido através das hastes e braços para as válvulas. Quando a parte mais protuberante do came, chamada lóbulo, faz contato com a alça, esta se encontra em sua posição superior, e a válvula atinge sua abertura máxima. As molas fazem com que as válvulas retornem à sua posição de fechamento. A posição fechada da válvula corresponde à alça em seu nível inferior, em contato com o prolongamento circular do cames (Figura 29). Figura 29. Vista parcial do movimento do came motor. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 31 O eixo de comando das válvulas (Figura 30) pode estar localizado no bloco do motor ou no cabeçote do cilindro. Quando o eixo de comando das válvulas se localiza no cabeçote do cilindro, o trem de válvulas não apresenta hastes e braços. mostra um eixo de comando das válvulas. Figura 30. Vista de um eixo de comando das válvulas. A válvula de admissão abre ou fecha a janela de admissão para a entrada de ar (motores diesel) ou mistura ar-combustível motores a gasolina) no cilindro. A válvula de exaustão abre ou fecha a janela de escape para a saída de mistura queimada do cilindro. Os motores de combustão interna têm, em geral, duas válvulas por cilindro, uma de admissão e uma de exaustão. Também é comum motores modernos de potência elevada apresentarem quatro válvulas por cilindro, duas de admissão e duas de exaustão. A válvula de admissão é feita em tamanho maior que a válvula de exaustão. Na Figura 31 mostra válvulas de admissão e exaustão do tipo “poppet”, utilizadas principalmente em motores de combustão interna de quatro tempos. FIGURA 31. Vista de válvulas de admissão e exaustão. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 32 Em motores de dois tempos, o método mais simples de admitir mistura fresca e expulsar os gases queimados é pelo movimento do pistão expondo janelas na parede do cilindro. Neste caso, todos os eventos de abertura das portas são simétricos em relação ao ponto morto superior e ponto morto inferior. É possível produzir eventos de admissão e exaustão assimétricos pelo uso de válvulas disco, válvulas “reed” (Figura 32) e válvulas “poppet”, permitindo que o fasamento das janelas corresponda mais precisamente aos eventos de pressão no cilindro e no cárter, proporcionando ao projetista maior controle sobre a otimização dos sistemas de admissão e exaustão. As válvulas poppet são de difícil projeto para proporcionar escoamento adequado a motores de dois tempos e são mais utilizadas em motores de quatro tempos, onde o tempo disponível aos processos de admissão e exaustão é o dobro em relação a motores de dois tempos. FIGURA 32. Vista de válvulas disco e “reed” para controle da admissão. Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 33 Questões de Avaliação • Definições: Tempo de admissão, tempo de compressão, tempo de expansão, tempo de exaustão, combustão, potência, ponto morto superior, ponto morto inferior, bloco do motor, cilindro, virabrequim, cárter, pistão, anéis de segmentos, biela, cabeçote do cilindro, câmara de combustão, janela de admissão, janela de escape, válvula de admissão, válvula de escape, trem de válvulas, eixo de comando das válvulas, came, tubulação de admissão, tubulação de escapamento, gaxeta. • Como se dá o início da combustão em motores a gasolina? • Como se dá o início da combustão em motores diesel? • O que significa ponto morto superior e ponto morto inferior? • Qual a função dos contrapesos na eixo de manivelas? • Explique a função dos anéis de segmentos. • Quais são os principais componentes de um trem de válvulas? • Identifique as partes do motor na figura abaixo indicadas pelas letras: Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas 34
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