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aula11  Motores a Combustão Interna

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Máquinas Térmicas 
Prof. Carlos Gurgel 
Dep. Engenharia Mecânica – FT 
Universidade de Brasília 
 
Capítulo XI – Motores a Combustão Interna (Eastop & McConkey, 1993) 
 
O ciclo de potência teórico foi apresentado no Cap. V. Contudo, existem diferenças 
fundamentais entre o ciclo teórico e o real, tanto nas questões termodinâmicas quanto 
mecânicas. Muitos parâmetros de grande importância nos motores a combustão interna são 
obtidos experimentalmente. A ocorrência de reação química no interior do cilindro dificulta 
em muito um cálculo mais preciso dos estados por que passam os processos. Tal como em 
turbinas a gás, o ciclo real não é fechado, uma vez que o sistema necessita de suprimento 
constante de ar atmosférico que fornece o oxidante e de combustível para efetuar a 
liberação de calor. 
 
Classificação: 
• Pelo combustível e tipo de ignição. Motores a gasolina com ignição por centelha e 
motores a diesel com ignição pelo processo de compressão. No primeiro comprime-se 
uma mistura ar combustível (gasosa), pronta para a queima, no segundo, apenas o ar é 
comprimido e o combustível é injetado quando a temperatura é suficientemente alta 
para iniciar a combustão sem auxílio de uma fonte de ignição. 
• Pelo modo como o ciclo é arranjado. Isto é, pelo número de golpes do pistão 
necessários para um ciclo completo. Um golpe do pistão é definido pelo seu 
deslocamento entre dois extremos. Este são classificados como o ponto mais próximo 
do eixo de manivela (ponto morto inferior) e o ponto mais afastado do eixo de manivela 
(ponto morto superior). Um motor a quatro tempos necessita de 2 voltas no eixo de 
manivela para completar um ciclo. Ao passo que um motor a dois tempos precisa 
somente de uma volta no eixo de manivela para completar um ciclo. 
 
 
 
Passos: 
• 1 → 2 (admissão) – Ar mais combustível é admitido no cilindro a medida em que o 
pistão se desloca do PMS para o PMI. A válvula de admissão no ponto 2, mas um 
pouco depois de o cilindro iniciar o retorno para o PMS. 
• 2 → 3 (compressão) – Compressão da mistura. No PMS, a mistura de gases fica 
confinada na câmara de combustão (espaço morto). A centelha ocorre antes do PMS. A 
queima da mistura ocorre após um tempo de indução. A combustão ocorre num 
processo aproximadamente a volume constante. 
• 3 → 4 (combustão) – Os gases quentes da queima forçam o pistão para baixo. Esta é 
efetivamente a fase de liberação de potência do ciclo. Com a finalidade de descarregar 
os produtos da combustão, a válvula de descarga abre-se antes do ponto 4, quando a 
pressão no interior do cilindro está em torno de 3.5 bar. Aproximadamente 60% dos 
gases são expulsos antes de se atingir o ponto 4 (PMI). 
• 4 → 5 (descarga) – O pistão, no movimento em direção ao PMS, complementa o 
processo de descarga dos produtos da combustão. Pela existência de espaço morto, o 
cilindro não é evacuado completamente e, portanto, a mistura a ser admitida para o 
próximo ciclo está adicionada de produtos gasoso do ciclo anterior. 
 
Estes processos descritos acima podem ser visualizados num diagrama p – V e num 
diagrama de tempo na Fig. XI-1 abaixo. 
 2
 4
 p
 V
 E
 S
 3
 1
 S
 AF
 DA
 AA DF
 PMS
 PMI
AA → 10° antes PMS
 15° depois PMS
AF → 20 a 40°
 depois PMS
DA → 50° antes PMI
DF → 0 a 10°
 depois PMS
 S → 20 a 40°
 antes PMS (avanço total) e
 no PMS (retardo total)
 
Figura XI-1: Motor a quatro tempos (Ignição por Centelha). 
 182
 
 
O diagrama p – V e o diagrama de tempo para um motor diesel (ignição por compressão) 
pode ser visto na Fig. XI-2. 
 
 I
 AA DF
 p
 V
 I
 AF
 DA
 AA
 PMS
 PMI
AA → até 30° antes PMS
AF → até 50°depois PMI
DA → 45° antes PMI
DF → 30° depois PMS
 I → 15°
 antes PMS
 
Figura X-2: Motor a quatro tempos (Ignição por Compressão). 
 
Critérios de Desempenho (Performance) 
 
Um motor deve ser selecionado para uma aplicação em particular sendo que a característica 
mais importante é a potência/velocidade. Naturalmente os custos relacionados ao 
investimento inicial e os custos de operação são fatores importantes na escolha de um 
motor. Com o objetivo de se comparar diferentes tipos de motores ou mesmo motores do 
mesmo tipo é necessário se estabelecer certos critérios de desempenho. Os parâmetros de 
interesse são obtidos experimentalmente, em bancadas de testes, ou calculados por meios 
padronizados. Os resultados obtidos são apresentados na forma de curvas de desempenho 
(performance). 
 
Potência Indicada (ip) 
A potência indicada é a taxa de trabalho realizado pelo pistão conforme indicado por um 
diagrama p – V obtido do motor numa bancada de testes. O trabalho líquido realizado pelo 
pistão, por ciclo é dado pela diferença entre o trabalho de expansão menos o trabalho de 
compressão (bombeamento). A Figura XI-3 ilustra o diagrama conforme as características 
 183
 
de funcionamento do motor. Existem diversos métodos de se obter este diagrama, na 
bancada de testes do LTMD, a pressão é lida por um sensor piezelétrico e plotado contra o 
tempo com auxílio de um indicador de posição no eixo virabrequim. 
 L
 p
 V
 Loop de
potência liberada
 Loop de
bombeamento
 
Figura XI-3: Diagrama p – v indicando os trabalhos envolvidos. 
 
Teoricamente a pressão média efetiva é definida como a altura do retângulo com a mesma 
área e comprimento do ciclo representado num diagrama p – V. A Figura XI apresenta a 
pressão média obtida para um motor operando num ciclo Otto. 
 
 C B
 D A
 2
 p
 v
 1
 4
 3
 pm
 
Figura XI-4: Pressão média efetiva para um Ciclo Otto. 
 
A pressão média efetiva é dada pela altura AB do retângulo cuja área ABCD é 
correspondente à área 1234. O trabalho líquido é dado por 
 184
 
)(ABCDA área 21 vvpW m −==− 
O termo (v1 – v2) é proporcional ao volume deslocado (varrido) pelo cilindro. Portanto, a 
pressão média efetiva fornece a potência líquida por volume deslocado. Uma conseqüência 
imediata é que a pressão média efetiva pode ser utilizada para se comparar motores 
similares de tamanhos diferentes. A pressão média efetiva pode ser obtida por diagramas 
derivados de experimentos e permite avaliar se a potência indicada pelo motor. 
A pressão média efetiva (indicada) a partir do diagrama da Fig. XI-3 é dada por 
constante
diagrama do comp.
líquida área ×=ip . 
A constante acima depende da escala dos registros. 
Considerando-se um motor com um único cilindro, o trabalho realizado por ciclo é 
LApW i ××= . 
Nesta formulação A é a área do pistão e L é o deslocamento efetuado num golpe, isto é, do 
PMI ao PMS (Fig. XI-3). 
Como potência é trabalho por unidade de tempo, isto é, 
minuto
ciclos
tempo
×=WW , tem-se 
2
ip ci
ALNnp= . 
No caso de um motor dois tempos, 
ci ALNnp=ip . 
Nas expressões acima, nc representa o número de cilindros e N a rotação do motor. 
Com o avanço da informática, a aquisição e análise de dados de motores a combustão 
interna tornou-se bastante simplificada facilitando a realização de testes, o desenvolvimento 
e mesmo o controle de motores. A Figura XI-5 ilustra a variação de pressão com o ângulo 
do virabrequim para um motor de combustão interna. 
 185
 
 PMS
 p
 ângulo do virabrequim
 
Figura XI-5: Pressão contra ângulo do virabrequim. 
 
Potência de Freio (bp) 
Esta é a medida da potência liberada pelo motor. O motor é conectado a um dinamômetro 
que pode ser carregado de tal forma que o torque exercido pelo motor pode ser medido e 
registrado de maneira apropriada.