Motores de Combustão Interna_Aula_03

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Máquinas de Combustão Interna
Conceitos Básicos de um Motor de 
Combustão Interna
Prof. MSc. José Fábio Abreu de Andrade
1Máquinas de Combustão Interna
Conceitos Básicos de um 
Motor de Combustão Interna:
� Torque do Motor:
• O torque de um motor de combustão interna, que varia
conforme sua curva de torque, é o resultado do produto da
força atuante sobre o pistão pelo raio projetado do
virabrequim;
• O torque geralmente é expresso em kgf.m ou em N.m e é
indicado juntamente com a rotação em que foi medido;
• O torque máximo de um motor, que ocorre a determinada
rotação, é inferior ao torque que ocorre em sua rotação
máxima;
2Máquinas de Combustão Interna
Conceitos Básicos de um 
Motor de Combustão Interna:
� Torque Motor:
• A rotação de torque máximo é importante de ser conhecida
para identificação dos momentos ideais de mudança de
marcha, aproveitando o torque máximo do motor, com
melhor rendimento e economia de combustível;
• Para verificar o torque em cada situação de rotação, é
necessário consultar a curva de torque do motor.
3Máquinas de Combustão Interna
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Motor de Combustão Interna:
4Máquinas de Combustão Interna
� Potência do Motor:
• Um motor converte a energia química do combustível em
trabalho. A potência é o trabalho desenvolvido pelo motor em
uma determinada unidade de tempo;
• A potência de um motor é usualmente expressa em Watts ou
em CV (cavalo vapor), onde 1 CV = 736 Watts;
• De posse do torque (T) e sabendo em que rotação (N) ele
ocorre é possível determinar a potência (P) desprendida pelo
motor naquele instante usando a seguinte equação:
� Curva Torque x Potência:
Exemplo de curva de
Potência e torque de um
motor (VW EA 113 1.6 l)
5Máquinas de Combustão Interna
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Motor de Combustão Interna:
Conceitos Básicos de um 
Motor de Combustão Interna:
� Dinamômetro de Motor:
• As curvas de potência e torque são geradas com o uso de
dinamômetros, que submetem o motor aos diversos regimes;
• No dinamômetro o motor é submetido a cargas e rotações
controladas, podendo simular diversas condições de
funcionamento;
• No aparelho são monitorados diversos parâmetros de
funcionamento, como temperatura do motor, pressão de óleo
lubrificante, consumo de combustível.
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� Dinamômetro de Motor:
7Máquinas de Combustão Interna
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Motor de Combustão Interna:
Conceitos Básicos de um 
Motor de Combustão Interna:
� Cilindrada do Motor:
• Representa o somatório dos volumes internos dos cilindros do
motor. Assim, um motor que possui 4 cilindros, onde cada
um tem o volume de 250 cm3, possui a cilindrada de 1.000
cm3, ou 1,0 litro.
• A cilindrada representa a quantidade de mistura ar
combustível que o motor consegue conter em seus cilindros;
• A cilindrada é expressa em centímetros cúbicos ou,
comercialmente, em litros. Geralmente a cilindrada de um
motor é aproximada para o número inteiro superior mais
próximo para simplificação.
8Máquinas de Combustão Interna
� Cilindrada do Motor:
9Máquinas de Combustão Interna
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Motor de Combustão Interna:
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Motor de Combustão Interna:
� Potência específica:
• É um valor de referência para
comparação entre a eficiência de
motores;
• É encontrado dividindo-se a
potência máxima do motor (em
CV) pela cilindrada em litros.
10Máquinas de Combustão Interna
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Motor de Combustão Interna:
� Taxa de Compressão:
• Especifica quantas vezes a mistura
é comprimida durante a fase de
compressão.
• A taxa de compressão (TC) é
calculada em função da relação
entre o volume total (Vt) e o
volume da câmara (Vc);
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12Máquinas de Combustão Interna
� Taxa de Compressão:
• Vd é o volume deslocado e Vc é o volume da câmara;
Conceitos Básicos de um 
Motor de Combustão Interna:
� Taxa de Compressão:
• O rendimento de um motor é proporcional à sua taxa de
compressão, porém esta é limitada à capacidade do
combustível resistir à compressão, medida pela octanagem;
• As taxas variam conforme o combustível utilizado:
� Motores à gasolina - entre 9:1 e 11:1;
� Motores à álcool e gás natural veicular (GNV) - cerca de 12:1;
� Motores a Diesel em torno de 20:1;
• Os motores equipados com compressor ou turbo possuem a
taxa de compressão menor devido ao maior enchimento dos
cilindros provocada por eles, evitando problemas de
detonação causados pela alta compressão da mistura.
13Máquinas de Combustão Interna
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� Eficiência Volumétrica:
• Quanto maior a quantidade de ar admitido, maior é a
potência que pode ser fornecida por um mesmo motor na
mesma rotação;
• A relação entre o ar admitido e o volume deslocado pelos
pistões é indicado como a eficiência volumétrica de um motor
(ηV %);
• Equação:
� Q [lpm] – Quantidade de ar admitido em litros por minuto.
� O fator 0,5 deve-se ao fato de que, em um motor 4 tempos, o ar é
admitido apenas uma vez em cada rotação do virabrequim.
14Máquinas de Combustão Interna
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� Rendimento de um Motor:
• É a relação entre a potência mecânica fornecida pelo motor
no eixo virabrequim e a que lhe é disponibilizada pelo
combustível durante o seu funcionamento.
• O motor de combustão interna aproveita apenas uma
pequena parcela da energia resultante da queima do
combustível. Motor a gasolina tem a seguinte distribuição:
� 35% - Calor retirado através dos gases de escapamento;
� 32% - Calor dissipado pelo sistema de arrefecimento;
� 08% - Atritos internos decorrentes do funcionamento do motor;
� 25% - Energia mecânica efetivamente disponível no volante do motor.
• Motor Diesel possui um rendimento superior, podendo passar
dos 35%. 15Máquinas de Combustão Interna
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� Diagrama de um Motor:
16Máquinas de Combustão Interna
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� Relação Ar Combustível:
• A mistura admitida por um motor de combustão interna só
queimará em uma determinada faixa de relação. Essa
relação, denominada relação ar combustível, define a relação
de peso entre o ar e o combustível admitido;
� ϒ – peso específico do ar;
� b – quantidade de combustível consumido em cm3;
� t – tempo de consumo de combustível em segundos;
� r – peso específico do combustível.
17Máquinas de Combustão Interna
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� Relação Ar Combustível:
• A relação ar combustível possível de ser queimada em um
motor na prática varia de 8:1 a 21:1 (rica e pobre,
respectivamente);
• Peso específico do ar – é uma unidade que expressa o peso
do ar por unidade de volume em Kg/m3. O valor varia em
função da pressão e temperatura do ar:
� Po – Pressão atmosférica em mmHg;
� Td – Temperatura da atmosfera em bulbo seco (°C).
18Máquinas de Combustão Interna
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� Relação Ar Combustível:
• Supondo que a gasolina é composta unicamente por hexano
(C6H14), a quantidade de ar necessária para queimar 1 Kg de
combustível é calculada:
� O ar é composto por aproximadamente 79% de Nitrogênio (N2) e 21%
de oxigênio (O2);
� Massa molecular do N2 é 14 x 2 = 28;
� Massa molecular do O2 é 16 x 2 = 32;
� A massa de N2 será:
� A massa de O2 será:
19Máquinas de Combustão Interna
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� Relação Ar Combustível:
� Quando ocorre a queima completa do combustível, a reação é a
seguinte:
�A quantidade de O2 necessária para queimar completamente 1 Kg de
combustível é X Kg: 86 : 304 = 1 : X → X = 3,56 kg
� A relação de massa do O2 no ar é: ≈ 23%
� A relação de massa do N2 no ar é: ≈ 77%
� A relação de massa de Nitrogênio e Oxigênio é 77 : 23, e a quantidade
de nitrogênio necessária é Y Kg: 77 : 23 = Y : 3,56 → Y = 11,8 kg
20Máquinas de Combustão Interna
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� Relação Ar Combustível:
� Finalmente, a quantidade de ar necessária será igual a:
X + Y = 3,53 + 11,8 = 15,33 (relação teórica)
• Relação ar combustível teórica 15,33:1 é conhecida como
razão estequiométrica, considerando uma queima completa
com gasolina pura.
• No Brasil, o uso de uma mistura de cerca de 22% à gasolina,
faz com que a razão estequiométrica fique em 13,8:1.
21Máquinas de Combustão Interna
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� Processo de Combustão em um Motor:
• Infelizmente, em um motor de combustão interna não ocorre
a queima completa do combustível. Diversos fatores
ocasionam a queima incompleta do combustível, dentre eles:
� Tempo reduzido para a reação entre o combustível e o oxigênio do ar;
� A mistura ar combustível não é formada perfeitamente, deixando locais
com excesso de oxigênio e outros com falta, tornando a queima no
interior da câmara de combustão heterogênea;
� O ar admitido contém outros elementos além do oxigênio (Nitrogênio e
outros gases em menor proporção);
� Variações de carga, rotação, temperatura do ar e do próprio motor
provocam alterações na combustão, com alimentação com misturas
fora da razão estequiométrica.
22Máquinas de Combustão Interna
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� Processo de Combustão em um Motor:
• Em uma combustão completa, os únicos subprodutos
resultantes da queima da gasolina são o dióxido de carbono,
Água e Nitrogênio;
• A mistura real proporciona uma queima não ideal, produzindo
outros subprodutos, muitos dos quais tóxicos e com emissão
restrita pelo PROCONVE – Programa de Controle da Poluição
do Ar por Veículos Automotores.
23Máquinas de Combustão Interna
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� Processo de Combustão em um Motor:
• Gases não poluentes:
� Pelos gases do escapamento de um veículo sai uma mistura de gases
composta por 99% de gases não poluentes, que em sua maioria não
trazem problemas à saúde, são eles:
�Nitrogênio – parte integrante do ar que respiramos, não participa
como fonte de energia na queima – 71%;
�Vapor d’água – compõe cerca de 9% dos gases de escape;
�Dióxido de carbono (CO2) – compõe cerca de 18% dos gases
eliminados. É um dos responsáveis pelo Efeito Estufa;
�Oxigênio e gases inertes – cerca de 1% dos gases do
escapamento. Corresponde ao oxigênio não utilizado durante a
queima e os demais gases que compõe o ar atmosférico em
reduzida quantidade.
24Máquinas de Combustão Interna
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� Processo de Combustão em um Motor:
• Gases poluentes:
� Apesar de comporem apenas 1% dos gases expelidos, são
extremamente danosos à saúde e ao meio ambiente, o que os torna
indesejados e alvo de restrito controle pelas legislações ambientais ao
redor do mundo, são eles:
�Monóxido de carbono – inodoro e incolor, o CO é extremamente
tóxico. Respirá-lo em uma concentração de 0,3% em volume mata
em apenas 30 minutos.
�Óxidos de Nitrogênio – o ar, quando submetido a elevadas
temperaturas e pressões, propicia a formação dos óxidos de
nitrogênio que, combinados com o vapor d’água na atmosfera,
pode formar o ácido nítrico (formação de chuva ácida);
25Máquinas de Combustão Interna
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� Processo de Combustão em um Motor:
• Gases poluentes:
�Hidrocarbonetos – correspondem ao combustível não queimado, ou
queimado parcialmente. Além de formarem fuligem – aquela
substância que escurece os tubos de descarga dos carros – são
cancerígenos.
�Partículas sólidas – especialmente vistos em motores Diesel, são
uns dos responsáveis pela fumaça preta desse tipo de veículo.
Também causam problemas à saúde;
�Compostos de enxofre – o enxofre, não totalmente eliminado na
produção da gasolina, pode provocar a formação de compostos
que, combinados ao vapor d’água, se transformam em ácidos
sendo nocivos à saúde e danificando o escapamento e o
catalisador;
26Máquinas de Combustão Interna
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� Processo de Combustão em um Motor:
• Gases poluentes:
�Aldeídos (CHO) – são voláteis cancerígenos e provocam irritações
nas vias respiratórias. São especialmente gerados através da
queima do álcool puro (etanol) ou do álcool anidro presente à
gasolina.
27Máquinas de Combustão Interna
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� Processo de Combustão em um Motor:
• Combustão anormal - Detonação:
� Quando ocorre a centelha da vela, uma frente de chama é formada,
elevando rapidamente a pressão no interior da câmara de combustão.
A auto-ignição, ou detonação, ocorre quando essa elevação provoca
uma nova onda de pressão em algum local, devido ao surgimento de
queima da mistura sem a faísca da vela.
� Esse fenômeno de combustão anormal traz prejuízos à queima devido
aos esforços desordenados gerados no interior do cilindro, que podem
inclusive gerar ruídos metálicos, denominados batidas de pino.
� Se permanecer durante longos períodos, além da queda no rendimento
e ruído, o fenômeno da detonação traz sérios danos ao motor
danificando os pistões.
28Máquinas de Combustão Interna
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� Processo de Combustão em um Motor:
• Combustão anormal - Detonação:
� A detonação pode ser causada por combustível inadequado
(octanagem fora da especificação), temperatura muito elevada ou
sistema de ignição regulado inadequadamente. É possível eliminar ou
atenuar a detonação atrasando a ignição. Nesse caso a pressão no
interior dos cilindros é ligeiramente menor, o que acaba por impedir a
formação de novas frentes de chama.
29Máquinas de Combustão Interna
Conceitos Básicos de um 
Motor de Combustão Interna:
� Processo de Combustão em um Motor:
• Combustão anormal – Pré-ignição:
� Também denominada ignição de superfície, é causada pela presença
de um ponto quente no interior da câmara, dando origem a uma frente
de chama independente da centelha da vela de ignição;
� A pré-ignição tem geralmente as origens em impurezas de carvão e
válvulas ou velas incorretas;
� Um motor carbonizado costuma apresentar problemas de pré-ignição
na medida em que o carvão depositado na cabeça do pistão, válvulas e
sedes de válvulas agem como pontos quentes, dando origem a frentes
de chama anteriores à combustão provocada pela vela de ignição;
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