Aula 04 Motores de combustão interna

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Aula 04 – MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
Máquinas Térmicas
Prof.: ALLAN CAVALCANTE BELO
(allan.cbelo@gmail.com)
ENGENHARIA DE ENERGIAS RENOVÁVEIS
CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS – CECA
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS
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Introdução
 
São Máquinas Térmicas nas quais a energia química dos combustíveis se transforma em trabalho mecânico. O fluido de trabalho consiste nos produtos da combustão. 
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Princípio de funcionamento
 A mistura ar-combustível queima dentro de um cilindro e por esta razão é chamado de motor de combustão interna. 
 Devido à queima da mistura de ar com combustível formam-se gases quentes que se expandem rapidamente, empurrando um pistão no interior do cilindro e transferindo este movimento para as demais partes mecânicas do motor.
 Podem operar consumindo combustíveis líquidos (gasolina, álcool, óleo combustível, Diesel, etc.) ou gasosos (gás natural, GLP, gases residuais ou manufaturados, etc.).
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Características dos motores de combustão interna
Existem MCI do tipo rotativo (a grande maioria das turbinas a gás, motor Wankel, etc.) e do tipo alternativo (a pistão), sendo estes últimos subdivididos em motores de ignição por centelha ou Otto e de ignição por compressão ou Diesel.
Os motores de ignição por centelha funcionam a 4 tempos (necessitam de duas rotações para completar um ciclo) ou a 2 tempos (necessitam de apenas uma rotação para completar um ciclo). São produzidos com potências que variam desde poucos quilowatts até cerca de 13 MW. 
A eficiência máxima dos motores de ignição por centelha de 4 tempos a gasolina assume valores que variam entre 27 e 30% (PCI), ou maior, no caso de motores que empregam taxas de compressão elevadas, como os a álcool ou a gás natural otimizados, chegando até a 35%.
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Cogeração a partir de MCI
Os motores alternativos também têm sido cada vez mais utilizados em sistemas de cogeração, onde é efetuada a recuperação do calor dos gases de escape, da água de resfriamento do motor e, em alguns casos, do óleo do sistema de lubrificação. 
Nestas instalações;
A potência de eixo pode ser utilizada para:
Gerar eletricidade, acionar uma bomba, um compressor ou qualquer outra carga
O calor recuperado pode ser utilizado para diversos fins:
Fornecimento de água quente para lavanderias, cozinhas de restaurantes, hotéis, calefação e também para produção de frio (água gelada) em sistemas de refrigeração por absorção.
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Exemplo de instalação que utiliza cogeração
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Balanço energético típico de um motor alternativo (a gás natural):
Gases de escape: Pode-se reaproveitar até 29% da energia em forma de vapor (normalmente com temperatura entre 350 e 500 °C e pressão de 7 a 8 bar ou mais). 
Sistema de arrefecimento do motor (resfriamento dos cilindros): o calor pode ser quase totalmente reaproveitado, porém a baixa temperatura (90 a 95 °C), 
Sistema de resfriamento do óleo do motor: reaproveitamento em temperatura ainda mais baixa (50 °C) e que poderiam ser utilizadas para fins sanitários.
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Classificação dos Motores de Combustão Interna:
Os motores podem ser classificados segundo diferentes características, conforme a seguir;
1. Segundo o método de ignição:
Esta é a classificação fundamental, que separa os MCI alternativos em dois grupos com características de operação e desempenho muito diversas (Otto e Diesel)
A mistura de ar + combustível é admitida no cilindro e comprimida na câmara de combustão, iniciando a combustão por meio de um centelhamento proveniente da vela.
Somente ar é admitido ao cilindro, comprimido e somente então o combustível é injetado. O calor do ar comprimido é que irá provocar a ignição da mistura espontaneamente
Ciclo Otto
Ciclo Diesel
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Motor Ciclo Otto: 
Devido ao fato que a mistura ar-combustível é comprimida, torna-se necessário o uso de um combustível volátil, de rápida vaporização, que possa ser distribuído uniformemente no ar de admissão.
Alem disso, a compressão da mistura ar-combustível pode resultar numa combustão espontânea e prematura durante o curso de compressão, originando um fenômeno conhecido como “batida de pino” do motor. 
Isto pode ser evitado introduzindo aditivos ao combustível para aumentar a capacidade de suportar maiores taxas de compressão.
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Motor Ciclo Diesel: 
Ar é admitido na câmara de combustão (cilindro) e comprimido até taxas elevadas de compressão (e temperatura), suficientes para provocar a combustão espontânea do combustível.
O combustível é injetado no final do processo de compressão.
Devido à inexistência de combustível no processo de compressão, taxas de compressão maiores podem ser usadas no motor de ignição por compressão se comparado com o motor de ignição por centelha.
Neste tipo de motores, o sistema de ignição (velas, cabos, bobinas e distribuidor) é eliminado.
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2. Segundo o movimento do pistão
Alternativo (Otto, Diesel): Os motores alternativos possuem êmbolos que se movem para cima e para baixo ou para frente e para trás. Uma parte chamada virabrequim transforma este movimento alternado em movimento circular, giratório.
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Rotativo (Wankel, Quasiturbine): Um motor rotativo, utiliza rotores no lugar de êmbolos. Os rotores produzem diretamente o movimento giratório. O motor de Wankel funciona de acordo com o ciclo OTTO
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3. Segundo o ciclo de trabalho
2 tempos
4 tempos
a) Motor a Quatro Tempos:
O ciclo se completa a cada quatro cursos do êmbolo, de onde vem a sua denominação. Um ciclo de trabalho estende-se por duas rotações da árvore de manivelas, ou seja, quatro cursos do pistão.
No primeiro tempo - Admissão, com o pistão em movimento descendente, dá-se a admissão, que se verifica, na maioria dos casos, por aspiração automática da mistura ar-combustível (nos motores Otto), ou apenas ar (motor Diesel). Na maioria dos motores Diesel modernos, um compressor empurra a carga para o cilindro (turbocompressão).
No segundo tempo - Compressão, ocorre a compressão, com o pistão em movimento ascendente. Pouco antes do pistão completar o curso, ocorre o inicio da ignição por meio de dispositivo adequado (no motor Otto), ou a autoignição (no motor Diesel). 
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No Terceiro tempo - Expansão, com a combustão e expansão dos gases temos a transferência de energia ao pistão e o seu movimento descendente (produção de trabalho) 
No quarto tempo - Exaustão, o pistão em movimento ascendente, empurra os gases de escape para a atmosfera. 
Durante os 4 tempos (ou duas rotações) transmitiu-se trabalho ao pistão só uma vez. 
Para fazer com que as válvulas de admissão e escapamento funcionem corretamente, abrindo e fechando as passagens nos momentos exatos, a árvore de comando de válvulas (ou eixo de cames) gira a meia rotação do motor, completando uma volta a cada ciclo de quatro tempos.
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b) Motor a dois tempos
Para eliminar a parte do ciclo não motora (do ciclo 4 tempo) eliminam-se os cursos de admissão e de escape, realizando estas operações simultaneamente quando o pistão se encontra perto do PMI. Temos um ciclo de 4 fases (admissão, compressão, expansão, exaustão) realizadas somente em 2 tempos (cursos do pistão) ciclo de 2 tempos completa uma volta (360º) ao final dos 2 tempos.
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 Primeiro tempo:
Após a combustão o pistão é impulsionado do PMS para baixo. Antes do fim do curso o pistão descobre a janela de escape, na descida
do pistão já se tem a compressão da mistura que se encontra sob o pistão (cárter).
Em seguida o pistão descobre a janela de transferência, permitindo que os gases frescos pré-comprimidos no cárter entrem no cilindro, deslocando os gases queimados restantes para o exterior. Finalmente o pistão chega ao PMI.
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 Segundo tempo:
O pistão vindo do PMI sobe e fecha a janela de transferência e depois a de escape. Na continuação do seu curso o pistão vai comprimir a mistura ar-gasolina que permaneceu no cilindro. 
Simultaneamente o pistão vai descobrir a janela de admissão e a pré-mistura vai ser admitida ao cárter. O segundo tempo termina com o pistão no PMS.
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Segundo o número de cilindros
Monocilíndricos
Policilíndricos
 
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Segundo a utilização:
ESTACIONÁRIOS - Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como Geradores, máquinas de solda, bombas ou outras máquinas que operam em rotação constante;
INDUSTRIAIS - Destinados ao acionamento de máquinas de construção civil, tais como tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação fora-de-estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde se exijam características especiais específicas do acionador;
VEICULARES - Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, tais como caminhões e ônibus;
MARÍTIMOS - Destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso naval. Conforme o tipo de serviço e o regime de trabalho da embarcação, existe uma vasta gama de modelos com características apropriadas, conforme o uso. (Laser, trabalho comercial leve, pesado, médio-contínuo e contínuo)
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ESTACIONÁRIOS
	Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como geradores, máquinas de solda, bombas ou outras máquinas que operam em rotação constante.
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INDUSTRIAIS
	Destinados ao acionamento de máquinas de construção civil, tais como tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquina de mineração, veículos de operação fora-de-estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde se exijam características específicas do acionador.
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VEICULARES
	Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, tais como caminhões, ônibus e caminhonetes.
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MARITIMOS
Destinados a proporção de barcos e maquinas de uso naval. Conforme o tipo de serviço e o regime de trabalho da embarcação, existe uma vasta diversidade de modelos com características apropriadas, conforme o uso: Lazer, trabalho comercial, pesca, entre outros.
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Exemplo de motor de combustão interna usado para propulsão de navio
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O Wärtsilä-Sulzer RTA96-C: é o motor Diesel mais potente do mundo atualmente. 
É de dois tempos, turboalimentado. 
Fabricado em Aioi, no Japão, pela Diesel United com tecnologia Wärtsilä, de cujo site essas imagens foram colhidas.
Está sendo produzido em versões de 6 a 14 cilindros em linha. 
Foi projetado inicialmente para aplicação em navios porta-container, mas encontra  utilização em qualquer grande embarcação similar propelida por um único motor.
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Segundo a disposição dos cilindros:
Em linha
Opostos (boxer)
Em V 
Em W
Em estrela (radial)
Etc.
Os motores de combustão interna policilíndricos permitem várias disposições dos cilindros.
Motores em Linha: Cilindros do motor alinhados em uma única linha 
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Motor em V: Motor formado por 2 conjuntos de cilindros em linha formando uma ângulo entre os dois conjuntos.
Esta configuração permite motores mais compactos que os motores em Linha
O ângulo formado depende do número de cilindros do motor
Os motores V6 (ângulo de 60º) e motor V8 (ângulo de 90º) são os mais comuns.
Motores em V com mais de 8 cilindros podem ter mais de um ângulo ideal
V10 (72º ou 144º); V12 (60º); V16 (45º, 90º ou 135º)
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Motor em VR: É uma variante da configuração em V ou uma mistura de motor em V e motor em Linha
Motor radial (motor estrela): Nesta configuração os cilindros são dispostos radialmente. Foi muito utilizado para mover hélices de aviões. 
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Motor Boxer: Nesta configuração a disposição dos cilindros é oposta
Os cilindros se afastam e se aproximam simultaneamente
Este tipo de motor poderia ser considerado um motor em V com ângulo de 180º
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Componentes Principais dos Motores de Combustão Interna
Os principais componentes de um MCI podem ser divididos em;
 (a) Elementos fixos, (b) Elementos moveis e (c) Elementos auxiliares
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Bloco: órgão estacionário fabricado de ferro fundido, onde são usinados os cilindros ou orifícios para a colocação dos pistões. Possui cavidades que constituem as galerias de escoamento da água de resfriamento. 
Na parte inferior estão os alojamentos dos mancais centrais onde se apóia o eixo de manivelas.
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Cabeçote: fecha os cilindros e define parte da câmara de combustão, sendo preso ao bloco por meio de parafusos prisioneiros e por uma junta. Possui furos onde são instalados as velas de ignição ou os bicos injetores, bem como as válvulas de admissão e descarga, no caso de motores de 4 tempos ou de 2 tempos com válvulas de descarga.
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Cárter: é também um órgão estacionário, fixado na parte inferior do bloco por meio de parafusos, sendo construído de alumínio ou ferro estampado. É o local onde se deposita o óleo lubrificante.
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Cilindro: é o espaço por onde se desloca o pistão.
Em alguns motores o cilindro é constituído por uma "camisa" que nada mais é que um tubo cilíndrico colocado no bloco do motor e que possibilita a circulação de água em sua volta, bem como uma fácil substituição em caso de desgaste. 
Cilindro de uma motocicleta refrigerado a ar 
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Câmara de combustão: é o espaço livre entre o ponto morto superior e o cabeçote, onde se procede a queima da mistura ar-combustível. Sua forma e o valor da taxa de compressão influenciam muito no rendimento e na potência do motor.
Nela, a mistura ar/combustível do motor a gasolina, que entrou pela válvula de admissão, será comprimida e, após a faísca emitida pela vela, explodirá para que a expansão dos gases movimente o pistão e dê seqüência ao funcionamento do motor.
Basicamente, o volume da câmara de combustão define a Taxa de Compressão do motor. Quanto menor for seu volume, maior será essa relação e, conseqüentemente, melhor o rendimento do motor. Todos os componentes que atuam em sua formação ou ao seu redor influenciam diretamente em sua eficiência: a posição das válvulas e o desenho dos dutos de admissão, por exemplo.
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Ponto Morto Superior e Ponto Morto Inferior
São nestas posições onde o êmbolo muda de sentido de movimento estando no seu máximo (PMS) ou no seu mínimo (PMI).
Curso do Pistão: distância percorrida pelo pistão no interior do cilindro. Define também o volume total do cilindro.
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Cilindrada
É o volume total deslocado pelo pistão entre o P.M.I. e o P.M.S., multiplicado pelo número de cilindros do motor. É indicada em centímetros cúbicos (cm³) e tem a seguinte fórmula:
Por exemplo, Tomando como exemplo o motor de
um Ômega GLS (GM). De seu catálogo têm-se os seguintes dados:
Número de Cilindros 	04
Diâmetro cilindro 	86,0 mm
Curso do pistão 	86,0 mm
Taxa de Compressão	9,2:1
Conhecido, no mercado, como 2.0
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Taxa de Compressão:
Relação matemática que indica quantas vezes a mistura ar/combustível ou simplesmente o ar aspirado (no caso do motor diesel) para dentro dos cilindros pelo pistão é comprimido dentro da câmara de combustão antes que se inicie o processo de queima. 
Assim, um motor a gasolina que tenha especificado uma taxa de compressão de 8:1, por exemplo, indica que o volume aspirado para dentro do cilindro foi comprimido oito vezes antes que a centelha da vela iniciasse a combustão.
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Do ponto de vista termodinâmico, a taxa de compressão é diretamente responsável pelo rendimento térmico do motor.
Assim, quanto maior a taxa de compressão, melhor será o aproveitamento energético que o motor estará fazendo do combustível consumido.
Por esse motivo é que os motores diesel consomem menos que um similar a gasolina: funcionando com taxas de compressão altíssimas (17:1 nos turbodiesel e até 22:1 nos diesel aspirados), geram a mesma potência consumindo menos combustível.
Há limitações físicas e técnicas para a simples ampliação da taxa. No primeiro caso, ocorre a dificuldade de obtenção de câmaras de combustão minúsculas. Já o seguinte apresenta restrições quanto às propriedades do combustível, i.e., técnicas, o quanto cada um “tolera” de compressão antes de se autoinflamar (octanagem). 
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A taxa de compressão obedece à relação
chamando de V a cilindrada do motor e v o volume da câmara de combustão (volume morto), têm-se:
Tomando como exemplo o motor de um Corsa Sedan GL (GM). De seu catálogo têm-se os seguintes dados:
Motor a Gasolina:
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Como a Taxa de Compressão
já é dada, pode-se calcular 
então o volume da câmara de 
combustão v.
Pode-se então calcular a altura deixada no cilindro para a abertura das válvulas:
Com isso pode-se concluir que a Taxa de Compressão é uma propriedade inerente ao motor (bloco, cabeçote, pistões) e não ao combustível utilizado no mesmo.
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Como exemplo, imagine que a altura (h) do cilindro que compõe o volume morto (câmara de combustão) tenha sido rebaixada de 0,6 mm. Qual será a nova Taxa de Compressão deste motor?
 
Assim, com a diminuição de 0,6 mm a Taxa de Compressão aumentará de 9,4:1 para aproximadamente 10,0:1.
Não se altera a Taxa de Compressão de um motor apenas modificando o tipo de combustível consumido.
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Calcular a cilindrada de um motor de 6 cilindros, sabendo-se que:
— O diâmetro do cilindro é igual a 70 mm.
— O curso é igual a 80 mm.
Exemplos:
Calcular a taxa de compressão de um motor de 4 cilindros, cuja cilindrada mais o volume da câmara de combustão é igual a 1330 cm3. O diâmetro do cilindro e o curso são respectivamente de 80 mm e 60 mm.
Volume unitário:
Volume Total:
Volume total das câmaras:
Volume da câmara de um cilindro:
Taxa de compressão
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Octanagem - Poder anti-detonante de um combustível
Octanagem é o índice de resistência à detonação de combustíveis usados em motores no ciclo de Otto (como gasolina, álcool, GNV e GPL Auto). 
O índice de detonação de um determinado combustível é obtido quando comparado com a detonação de um combustível de referência formado por uma mistura de n-heptano (C7H16), como referência de octanagem zero (0) e o 2-2-4-trimetil pentano (iso-octano) como referência cem (100). 
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Octanagem - Poder anti-detonante de um combustível”
Por exemplo, um combustível de octanagem 85 indica que esse produto tem a mesma tendência de detonar no motor padrão de testes sob as mesmas condições de uma mistura de combustível formada por 85% de iso-octano e 15% de n-heptano. 
Há combustíveis, tais como gasolina de competição usada na Formula 1 e o etanol que possuem número de octanagem acima de 100. O etanol, por exemplo, possui número igual a 110. 
Combustíveis de alta octanagem previnem detonações “fora-de-hora” e os combustíveis baratos e de baixa octanagem as facilita. Nos veículos de competição, a vulnerabilidade a detonações é maior por conta da proximidade aos limites do motor.
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Fenômeno da detonação
O combustível com baixo poder antidetonante, em vez de ser queimado progressivamente (como quando recebe a centelha da vela de ignição) explode, quando sofre compressão, solicitando assim bruscamente todos os órgãos do motor. 
Esta explosão produz, uma diminuição no rendimento do motor, Causa também erosão nas superfícies sólidas da cabeça do pistão, furos no topo do pistão e quebras nos anéis. 
 
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O fenômeno da detonação ocorre após a liberação da centelha pela vela.
A massa do fluido (mistura ar + combustível) próximo da vela entra em combustão, deslocando-se em seguida para a direita (frente de chama)
Quando o pistão atinge o PMS, antes que a frente de chama chegue à outra extremidade, o resto de mistura não queimada (lado direito) se auto-inflama (explode), devido à alta pressão e temperatura a que está sujeita, ocasionando o fenômeno da detonação.
Para se evitar o acontecimento da detonação, a vela de ignição, deve ser colocada em um ponto central e o mais perto possível da zona mais quente de modo a facilitar a propagação da combustão em todas as direções. Geralmente o ponto mais quente se situa perto da válvula de descarga. 
Como a forma da câmara de combustão está relacionada diretamente com o fenômeno de detonação, essa deve ser devidamente escolhida e as mais indicadas são as formas esféricas e as triangulares porque, permitem o posicionamento central da vela.
Fenômeno da detonação
Mistura que “detona”
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Combustão regular x detonação
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Quando ambas as frentes de chama embatem, são produzidas intensas ondas de pressão de alta frequência. Estas onda criam um característico ruído “ping” metálico e a pressão do cilindro aumenta drasticamente.
A detonação do combustível, produz um ruído metálico. Este ruído é conhecido popularmente como “batida de pino”.
A combustão por detonação pode conduzir à pré-ignição devido às altas temperaturas de combustão. 
Fenômeno da detonação
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Fenômeno da detonação
É muito comum hoje em dia, após a popularização dos carros flex, escutarmos um ruído vindo do motor principalmente nas saídas ou quando se deseja subir ladeiras, por exemplo. Isto acontece quase sempre quando o carro está abastecido com gasolina.
Isto se deve ao fato de o projeto dos motores flex trabalharem com uma maior taxa de compressão e pela adoção do avanço de ignição.
Normalmente para eliminar este problema deve-se abastecer o carro com álcool, uma vez que este tipo de combustível possui uma maior octanagem.
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O fenômeno da detonação, pode ser causado pelos seguintes motivos:
Qualidade do combustível (baixa octanagem)
b) Carga elevada no motor a baixa rotação
c) Forma (geometria) de câmara de combustão
d) Temperatura elevada do motor
e) Temperatura elevada da mistura
f) Taxa de compressão elevada (maior pressão e temperatura)
g) Ponto de ignição (ignição adiantada)
 h) Posição da vela em relação à câmara de combustão
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Pré-ignição do combustível
O fenômeno da pré-ignição, se dá, quando a mistura ar-combustível entra em 
combustão, antes da centelha da vela, ainda no curso de compressão. Diferente da detonação, a pré-ignição não gera
ruído.
Este fenômeno será tanto ou mais frequente quando:
Maior for a temperatura do motor
b) Presença de ponto quente, por exemplo, em motores carbonizados (presença de uma “crosta de carvão no pistão”).
c) Quando for usada uma vela de grau térmico acima do especificado.
e) Mal funcionamento das velas (vela que não consegue retirar calor de forma adequada da câmara de combustão)
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Exemplo de pré-ignição causada pela presença de pontos quentes
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Consequências da pré-ignição...
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Vela de Ignição:
A função da vela de ignição é conduzir a alta voltagem elétrica para o interior da câmara de combustão, convertendo-a em faísca para inflamar a mistura ar/combustível. 
A capacidade de absorver e dissipar o calor é denominada grau térmico. 
uma parte da energia térmica produzida no motor é absorvida pelas velas de ignição. 
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Injeção de combustível
INJEÇÃO DIRETA - É o sistema de alimentação no qual o combustível é jogado por um ou mais jatos precisamente orientados no interior do cilindro ou na câmara de combustão, Nesse caso, os injetores, sempre um por cilindro, são mecânicos e a pressão de injeção é maior do que a usada nos sistemas de injeção indireta.
INJEÇÃO INDIRETA - Introduz o combustível sob forma de jato finamente pulverizado no duto de aspiração nos motores a ciclo Otto e na câmara auxiliar nos motores a diesel
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Controle da mistura ar-combustível (motores ciclo Otto)
Um sensor (sonda Lâmbda) mede a quantidade de oxigênio presente nos gases de escape e envia essa informação a uma central eletrônica, que calcula a dosagem da mistura ar-combustível podendo intervir para manter a dosagem dentro dos limites ideais
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Controle da mistura ar-combustível (motores ciclo Otto)
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Sobrealimentação em motores:
Utilizado para aumentar a potência do motor sem necessidade de aumentar o seu tamanho (aumento do número de cilindros).
Consiste basicamente na elevação da pressão do ar no coletor de admissão acima da pressão atmosférica, fazendo com que, no mesmo volume, seja possível depositar mais massa de ar, o que significa que mais combustível poderá ser introduzido, resultando numa potência global maior.
Existem, basicamente, duas técnicas diferentes para a sobrealimentação;
Superalimentação
Turboalimentação
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A superalimentação
Consiste numa técnica que utiliza um compressor acionado pelo motor.
Contudo, o aumento no rendimento reduz-se, em parte, em conseqüência de perdas passivas pelo acionamento do compressor. 
A potência para acionar um turboalimentador mecânico é até 15 % da potência do motor. Portanto, o consumo de combustível é maior quando comparado a um motor de aspiração natural com a mesma potência.
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Na turboalimentação, os gases quentes que saem do motor acionam uma turbina que, conectada ao compressor, permite que se admita uma massa de ar maior para o interior do cilindro, do que nos motores convencionais. Não há nenhum acoplamento mecânico com o eixo do motor.
A Turboalimentação
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Conjunto turbina-compressor
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Sistema Intercooler/aftercooler
Para melhorar os efeitos do turbo-alimentador, adiciona-se ao sistema de admissão de ar, um processo de arrefecimento do ar admitido, normalmente denominado de aftercooler (após a turbina) ou intercooler (antes da tubrina) dependendo da posição onde se encontra instalado.
A finalidade é reduzir a temperatura do ar, contribuindo para aumentar, ainda mais, a massa de ar no interior dos cilindros. 
intercooler
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Exemplo de um sistema turboalimentado/intercooler.
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Potência e Rendimento
A energia mecânica desenvolvida por um motor é medida com precisão num banco de testes. É igualmente possível calcular esta energia com uma certa aproximação tendo em conta as particularidades do motor considerado. Em ambos os casos, determina-se a quantidade de trabalho mecânico efetuada em um dado tempo. Do resultado obtido, deduz-se a potência.
 Recordemos que o trabalho mecânico é sempre composto dos dois fatores:
Uma força que se mede em newtons (N) e que atua por impulso ou por tração;
Um deslocamento do ponto de ação desta força. Este deslocamento é medido em metros na direção em que a força provoca o movimento (Energia = Força x deslocamento)
Por exemplo, Calculemos o trabalho fornecido pelo pistão de um motor que recebe durante o seu curso motriz um impulso médio de 1800 N. Admitindo um curso do pistão de 80 mm (0,08m), o trabalho efetuado a cada explosão será de:
1800 N X 0,08 m = 144 J
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Num motor, o impulso que atua sobre o pistão é determinado pela pressão dos gases durante a explosão e, depois da explosão, durante a expansão.
Durante a explosão, a pressão aumenta (~40 bar), depois baixa rapidamente no início e mais lentamente em seguida, até o fim do curso do pistão. No momento da abertura das válvulas de escape, a pressão no cilindro não passa de alguns bar.
O impulso recebido pelo pistão é, portanto, variável, e o trabalho fornecido varia a cada posição do pistão.
Na prática adota-se uma pressão média, que permite calcular o trabalho real fornecido pelo pistão durante o seu curso motriz.
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O cálculo feito pelos engenheiros diz que um determinado trabalho mecânico é realizado quando uma força atua sobre um corpo e o desloca a uma certa distância. Esta força é calculada como o produto da pressão média pela área da cabeça do pistão.
Sendo um produto de três termos, podemos reagrupá-los, e fazer o produto da área do pistão por seu deslocamento, e então multiplicar pela pressão média. E o produto da área da cabeça do pistão pelo deslocamento (curso) dele equivale ao deslocamento volumétrico, ou cilindrada, daquele cilindro.
Como um trabalho mecânico é uma medida de energia mecânica, então, para um motor a energia média liberada num curso do pistão é proporcional à pressão média e à cilindrada.
Se avaliarmos a frequência com que os cursos se repetem, teremos a potência do motor. 
Assim, a potência do motor é diretamente proporcional á pressão média, à cilindrada e à rotação do motor. 
Como potência é o produto entre torque e rotação, podemos dizer que o torque do motor é proporcional à pressão média multiplicada pela cilindrada do motor.
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Sabemos que uma parte do trabalho fornecido pelo pistão é absorvida pelos atritos internos do motor, pelos tempos mortos, pelos efeitos de inércia etc. Então, o trabalho efetivo disponível à saída do virabrequim é, portanto, mais fraco que o trabalho real fornecido pelo pistão.
Para calcular o trabalho efetivo disponível no virabrequim, adota-se uma pressão média mais fraca que a pressão média indicada. É a pressão média efetiva, que varia conforme os motores, o número de rotações e a relação volumétrica.
A pressão média efetiva (Pm) permite, então, calcular o trabalho efetivo fornecido pelo motor.
Este trabalho é tanto maior quanto maior é a superfície do pistão, 
Quanto mais longo é o curso,
Quanto mais elevado é o número de cilindros.
Exemplo: Que trabalho fornece, a cada curso motriz, um pistão de 56,5 mm de diâmetro, efetuando um curso de 70 mm sob uma pressão média de 8 bar(kgf/cm²)?
Superfície do pistão: = 𝜋.d²/4
Impulso (força) = 𝜋.d².Pm/4
Trabalho (energia) = 𝜋.d².Pm.s/4 = (𝜋. 5,65² . 80. 0,07)/4 = 140 J
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Potência efetiva (Pe): Potencia medida sobre a “árvore” do motor ou no freio do dinamômetro; 
Potência indicada (Pi): Potencia total desenvolvida nos cilindros devido a pressão do fluido motor sobre os pistões. Se determina a partir de um indicador de pressão localizado dentro da câmara
de combustão; 
Potência perdida por atritos (Pf): Atrito nos elementos moveis: pistão/biela, pistão/cilindro, etc… Auxiliares: Distribuição, bomba d’água, bomba de óleo, compressor do ar condicionado, etc…
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POTÊNCIA EFETIVA 
A potência de um motor é determinada pela quantidade de trabalho que pode fornecer em um segundo. A unidade de potência atual é o quilowatt (kW) ou o watt para os motores pequenos (1 J/s = 1 W; 1000 J/s = 1,36 C.V).
Cálculo da potência efetiva de um motor pode ser dado pela expressão a seguir:
Caso a Pm seja dada em bar (o que acontece normalmente), a expressão acima pode ser multiplicada por 10 para fornecer uma Pm em N/cm² e consequentemente uma Pef em Watt.
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Exemplo) Cálculo da potência efetiva de um motor monocilíndrico 80mm x 90mm girando a 4200 rpm com uma pressão média de 9,5 bar (1 bar ~ 1Kgf/cm²(impulso 95 N por cm²):
trabalho de uma explosão = (𝜋 . 8²/4). (9,5 x 10) . 0,09 = 430 J;
trabalho por segundo = 430 X (4200/60). (1/2) = 15050 J/s = 15,05 KW.
*O termo (1/2) na fórmula anterior é para os motores a 4 tempos, uma vez que a cada duas rotações no virabrequim é que ocorre uma 1 explosão.
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Curvas características de Motores CI
Uma das ferramentas que melhor qualificam as várias propriedades de um motor de combustão interna é o que relaciona a PME com a rotação em forma gráfica.
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O primeiro elemento que vamos analisar é a curva de PME de carga total. Esta curva está diretamente ligada às curvas de torque e potência a que estamos acostumados. Podemos obter aquelas duas curvas a partir desta.
Esta curva possui, numa análise bem genérica e superficial, três sessões.
Inicialmente a PME cresce nas rotações mais baixas. Nestas rotações, os dutos e válvulas representam obstáculos pouco significativos à passagem de ar. Com o aumento da rotação, a velocidade dos fluxos de gases no motor aumenta, aumentando sua energia cinética. 
Quanto maior a energia cinética, mais facilmente os gases queimados são descarregados, a mistura fresca é admitida, a turbulência também é maior para uma queima mais homogênea e assim por diante. É um efeito dinâmico que permite que o cilindro receba mais mistura com o aumento da rotação.
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Em motores com dutos estreitos e longos os efeitos inerciais dos gases são maiores porque imprimem maiores velocidades a estes gases. Como resultado, a PME cresce mais rapidamente nestas rotações mais baixas, junto com a curva de torque.
Este efeito é de grande interesse em carros urbanos, onde o motor está constantemente sendo exigido a acelerar o carro da imobilidade usando baixas rotações. É por esta razão que motores como o Fiat E.TorQ possuem longos dutos no coletor de admissão.
Em altas rotações temos a última sessão da curva de carga total. Nela vemos o decaimento da PME máxima. Este decaimento ocorre pela resistência à passagem dos fluxos gasosos oferecida pelos dutos e válvulas. Com o aumento da rotação, a resistência à passagem desses fluxos aumenta mais significativamente do que o possível ganho com os efeitos inerciais, entrando uma menor quantidade de mistura no cilindro.
Tecnicamente diz-se que há uma diminuição do rendimento volumétrico do motor nestas condições.
Assim, a curva de carga total da PME torna-se decrescente neste trecho final, fazendo o motor perder torque e, a partir de determinado ponto, potência também.
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Em carros de corrida este efeito é indesejável, e, ao contrário do carro urbano, usam-se coletores de dutos curtos e largos para gerar o mínimo de restrição à passagem dos gases pelo motor.
A sessão intermediária desta curva, um tanto quanto plana, ocorre onde os efeitos inerciais e de restrição se anulam, não havendo ganhos significativos no preenchimento do cilindro com mistura, e por isso não há ganho de PME nem de torque.
Esta faixa intermediária varia de motor para motor, dependendo de toda cadeia de condução e controle de fluxo da parte superior dele. Alguns motores mais potentes sequer a possuem.
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O segundo elemento deste gráfico é o conjunto de curvas de consumo. Estes conjuntos de curvas, muito parecidos com curvas de nível, mostram como o motor consome em todos os regimes de funcionamento, desde o motor sem carga até a carga total.
Elas não representam o consumo absoluto do motor, mas o consumo relativo de combustível por unidade de energia mecânica gerada.
Em algumas versões, os números podem representar valores diretos (para nós, geralmente expresso em g/kW.h).
Em outras versões, os valores representados são relativos ao consumo ótimo deste motor (representado como 100%).
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Elas representam indiretamente o rendimento deste motor em todas as possíveis combinações de PME e rotação. Quanto maior o consumo de combustível, pior o rendimento.
Estas curvas de consumo extrapolam o uso que geralmente fazemos das curvas de torque e potência a que estamos acostumados, pois faz um diagnóstico do comportamento do motor em cargas intermediárias, onde o motor é mais utilizado.
 
Estas curvas evidenciam duas propriedades importantes:
- O consumo cresce rapidamente com a diminuição da PME, especialmente nos valores mais baixos.
- O ponto de melhor rendimento do motor ocorre numa rotação mais baixa e em carga elevada, porém abaixo da carga máxima.
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O terceiro elemento neste gráfico está nas curvas de potência.
O produto entre a PME e a rotação é proporcional à potência. Por esta propriedade, é possível traçar uma família de curvas de potência constante, no formato de hipérboles.
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O quarto elemento é a família de curvas de carga resistente.
Cada tipo de carga resistente possui um formato de curva característico. Assim, um mesmo motor pode ser usado em um automóvel, num barco ou num grupo gerador de eletricidade, mas as curvas de carga resistentes acompanharão o comportamento destas diferentes cargas.
 No caso específico de automóveis, a carga resistente varia com a resistência aerodinâmica, a resistência à rolagem dos pneus etc.. Entretanto, a aplicação desta carga no motor depende da relação final de transmissão.
O resultado é que a família de curvas é proporcional à uma única curva, multiplicada pelas relações de transmissão.
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Sistemas híbridos
Visando atingir maiores valores de rendimento na propulsão de veículos e a diminuição das taxas de emissão de poluentes atmosféricos é que se tem investido no desenvolvimento de sistemas híbridos.
O motor a combustão continua lá, mas tem o auxílio de um motor elétrico. . Os tipos de carros híbridos são o híbrido-paralelo, híbrido-série e híbrido misto. Cada um precisa mais ou menos de uma bateria.
A) Híbrido - série 
No híbrido série a tração do veículo é totalmente elétrica. O motor a combustão é ligado apenas a um gerador elétrico, responsável por recarregar as baterias e auxiliar a alimentar o motor elétrico. É um esquema parecido com o das locomotivas diesel-elétricas.
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Neste tipo de híbrido, o motor de combustão pode operar o máximo de tempo no seu ponto de rendimento máximo.
No híbrido paralelo, o motor a combustão traciona as rodas como num carro convencional, mas tem em paralelo com ele um motor/gerador elétrico.
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B) Híbrido - paralelo
No híbrido paralelo, o motor a combustão traciona as rodas como num carro convencional, mas tem em paralelo com ele um motor/gerador elétrico. N verdade, tanto o motor elétrico quanto o motor a combustão geram tração para mover as rodas do carro. Por isso, diz-se que os dois funcionam paralelamente. Geralmente, o elétrico está conectado ao eixo dianteiro, e o eixo traseiro é movido pelo motor a combustão, explica Takahira.
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Enquanto o motor a combustão funciona, a velocidade
das rodas é função da rotação do motor a combustão, da mesma forma que num carro normal. Enquanto isso, o motor elétrico é convertido em gerador para a recarga das baterias, e a carga mecânica é adicionada ao motor de combustão. 
Balanceando a carga de tração do carro e a carga do gerador elétrico, o motor a combustão pode operar na maior parte do tempo sobre uma curva bem específica de PME onde o rendimento é maximizado.
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Quando as baterias estiverem carregadas, o motor a combustão é desligado, e o motor elétrico assume a tração do carro.
 
Outro detalhe interessante sobre os híbridos é que, como o motor a combustão pode receber auxílio elétrico para tracionar, ele pode ser bem menor do que o respectivo motor da versão convencional do mesmo carro. Isso compensa em parte o peso extra das baterias e dos motores elétricos.
 
E por operar a maior parte do tempo em condições bem restritas de carga, seu desenho pode ser otimizado para rendimento máximo nestas condições e não para um rendimento razoável em todas as possibilidades de carga e rotação como nos carros atuais.
 
Sendo motores menores, podem operar em potências adequadas dentro da melhor condição de consumo. O veículo fica econômico no limite do possível e menos poluente.
 
A PME e suas aplicações é um campo muito vasto para ser coberto com apenas um artigo. Exemplo disso está nos mapas que estudamos aqui estão por trás da escolha adequada de mistura que os pilotos de F1 fazem nos seletores presentes em seus volantes.
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c) Híbrido - misto
Por fim, o híbrido-misto tem a estrutura mais complexa dos três pois combina aspectos do sistema em série com o sistema paralelo. Um sistema eletrônico avalia, o tempo inteiro, as condições do veículo e do percurso, assim, decide qual é o melhor momento de se usar o motor a combustão ou o elétrico. O motorista também pode escolher com qual dos dois quer rodar através de um menu.
Esse sistema permite fornecer energia para as rodas do veículo e gerar eletricidade simultaneamente, usando um gerador, diferentemente do que ocorre na configuração paralela simples. No híbrido-misto, a bateria também deve ser grande, e ele é um veículo mais caro. 
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A autonomia, portanto, é um fator importante quando o assunto são os híbridos e elétricos. Os veículos que são puramente elétricos têm uma autonomia maior, e podem andar uma média de 300 quilômetros sem recarregar, de acordo com Takahira. Alguns modelos podem até mesmo passar dos 400 quilômetros. Por isso, suas baterias são maiores que as dos híbridos, e eles são mais caros.
Já um híbrido misto, por exemplo, tem uma autonomia elétrica de cerca de 40 quilômetros. Nenhum carro híbrido pode ser usado apenas com a eletricidade o tempo inteiro. Todos dependem do motor a combustão, abastecido com gasolina ou etanol, explica o especialista.
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Em todos os três tipos de carros híbridos é comum ser instalada atecnologia de freios regenerativos. 
Ela permite que a energia dispersada quando o freio é usado seja reutilizada para recarregar as baterias.
Para possibilitar uma frenagem rápida e abrupta, os veículos elétricos são providos também dos freios tradicionais.
Um freio regenerativo é um mecanismo de recuperação de energia que produz um contra torque no eixo da máquina elétrica (motor) que causa a diminuição da velocidade de um veículo, convertendo a sua energia cinética em uma outra forma, geralmente em energia elétrica, que é realimentada de volta para a fonte que originalmente a forneceu.
Neste tipo de tecnologia, quando o motorista aciona os freios para reduzir a velocidade do veículo elétrico, o(s) motor(es) elétrico(s) de tração é(são) chaveado(s) para atuar como gerador(es) de eletricidade acionado(s) pela(s) roda(s) ou eixo da(s) roda(s).
Freios regenerativos
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A eficiência energética de um carro convencional é de apenas 30% , os 70% restantes são convertidos em calor por meio de atrito. 
A grande vantagem da frenagem regenerativa é que ela permite recuperar mais da metade da energia perdida colocando-a novamente em funcionamento.
Como o torque de frenagem é muito maior que o torque que um motor elétrico pode proporcionar, nos veículos elétricos e nos híbridos devem coexistir tanto a frenagem convencional (mecânica) como a regenerativa (elétrica).
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O torque ou a potência do motor geralmente é medido com um dinamômetro. O motor é fixo em uma mesa de testes e o seu eixo é conectado ao rotor do dinamômetro onde é acoplado eletromagneticamente, hidraulicamente ou por fricção mecânica a um estator. 
Quando colocamos um motor no dinamômetro, avaliamos torque e potência úteis gerados por ele na ponta do virabrequim. A pressão média que calculamos a partir destes dados é chamada de Pressão Média Efetiva ao Freio (em inglês Brake Mean Effective Pressure, BMEP), ou simplesmente Pressão Média Efetiva (PME).
O torque exercido ao estator com o giro do rotor é medido balanceando o estator com pesos, molas ou pneumaticamente.
Testes do freio (Dinamômetros) 
uma parte móvel ligada ao motor é acionada por este último;
uma parte fixa provida de um dispositivo de frenagem atua diretamente sobre a parte móvel.
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Um sistema de regulagem permite modificar a eficácia da frenagem.
A parte fixa é montada sobre um eixo de oscilação (braço de alavanca de um metro).
É estabilizada por uma carga variável por meio de contrapeso e de uma mola calibrada.
Durante a frenagem, a parte fixa tende a ser acionada pela parte móvel. Aquela levanta o contrapeso e atua sobre a mola até à obtenção de uma posição de equilíbrio. Conhecendo, então, o valor dos contrapesos em kg, conhece-se igualmente o esforço desenvolvido pelo motor à periferia do dispositivo de frenagem. Este esforço tangencial denomina-se torque motor.
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O cálculo do torque é obtido pelo produto da força aplicada e distância do eixo do rotor medida até o centro de aplicação da força. Como descrito anteriormente, o torque pode ser relacionado com a potência.
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O torque (T) exercido pelo motor é:
A potência (P) desenvolvida pelo motor e absorvida pelo dinamômetro é o produto do torque pela velocidade angular, ou seja:
Freio de Prony:
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Tipos de Dinamômetros
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Freio de Prony: é formado por um simples tambor metálico frenado por sapatas de madeira. A sua regulagem é delicada; varia constantemente, e ocorre o aquecimento das sapatas. Utilizado apenas para testes de fraca potência.
Freio Froude é um freio hidráulico. É composto por uma turbina que gira num carter vedado, munido de chicanas internas, e ligado aos contrapesos. Sob o efeito da turbina, a água atua sobre o cárter e tende a acioná-lo. Varia-se a eficácia da frenagem modificando as possibilidades de reação da água sobre as chicanas do cárter.
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Freio a corrente de Foucault 
É constituído por dois discos de função girando na frente das extremidades de potentes eletroímãs (campo eletromagnético). Estes últimos são solidários a uma estrutura móvel cujo deslocamento é controlado por um dispositivo de mola calibrada. 
O motor aciona os dois discos, excitando os eletroímãs, obtém-se então um fluxo magnético fixo, que cria nos discos rotação importantes correntes elétricas (correntes de Foucault). 
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A reação destas correntes tem por efeito frear a rotação dos discos, provocando uma tração nos eletroímãs. Variando a importância da excitação, varia-se a eficácia da frenagem. O regime do motor e o esforço (torque) registrado pela mola calibrada permitirão calcular a potência fornecida pelo motor.
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CICLO MOTOR PADRÃO A AR
 Ciclo Diesel e Ciclo Otto 
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[O-1] O pistão desloca do PMS ao PMI aspirando a mistura. A pressão no interior do cilindro é menor que a pressão atmosférica.
Ponto 1: A válvula de aspiração se fecha e o pistão se desloca ao PMS comprimindo a mistura
Ponto 2: A vela solta uma faísca dando início à combustão que eleva bruscamente a pressão no interno do cilindro.
CICLO OTTO REAL:
Ponto 3: O pistão começa a deslocar em direção ao PMI aliviando a pressão interna.
Ponto 4: A válvula de descarga se abre provocando uma diminuição quase vertical da pressão.
[1-O] O pistão desloca do PMI ao PMS expulsando os gases da combustão.
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Diferença entre Ciclo Real e Teórico (ciclo Otto):
Os principais fatores responsáveis pela diferença entre o ciclo real Otto e teórico são:
a) Perdas por bombeamento
No ciclo teórico as perdas por bombeamento são nulas, porque a aspiração e descarga são feitas à pressão constante, enquanto que no ciclo real isso não acontece.
b) Perdas pela combustão não instantânea
No Ciclo teórico o calor é introduzido instantaneamente e a volume constante enquanto que no real a combustão se inicia antes do PMS.
c) Perdas pela dissociação do combustível
No ciclo teórico não existe dissociação do combustível, enquanto no real o combustível se dissocia em elementos tais como CO2, H2 O, CO e outros compostos, absorvendo calor, (trabalho).
d) Perdas devido abertura antecipada da válvula de descarga. 
No ciclo teórico a abertura da válvula de descarga é considerada instantânea, enquanto que no real ela se abre antes do pistão atingir o PMI.
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e) Perdas de calor
No ciclo teórico, as perdas de calor são nulas enquanto que no real elas são sensíveis, devido à necessidade de refrigeração dos cilindros.
f) Perdas devido à variação dos calores específicos do fluido:
Os calores específicos, a pressão constante Cp e a volume constante Cv de um gás real aumentam com a temperatura mas a sua diferença é sempre constante isto é, 
(Cp — Cv = R)
Porém, a relação K (Cp/Cv) diminui com o aumento da temperatura. Portanto, o valor da pressão e temperatura máxima obtida no ciclo é inferior à obtida quando os calores específicos são constantes.
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CICLO DIESEL REAL: As transformações termodinâmicas do ciclo real Diesel são semelhantes ao ciclo Otto, variando somente na forma. 
Por causa da alta taxa de compressão do ciclo Diesel pode-se verificar que os valores dos pontos de pressão de combustão do Diesel são bem superiores aos do ciclo Otto.
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Diferença entre Ciclo Real e Teórico (ciclo Diesel): As diferenças são semelhantes às diferenças entre o ciclo Otto real e teórico.
[A] Injeção
[B] Perdas devido ao retardo da combustão
[C] Perdas devido a dissociação do combustível
[D] Perdas devido à combustão não instantânea
[E] Perdas devido à troca de calor com o meio ambiente
[F] Abertura da válvula de descarga
[G] Perdas devido à abertura antecipada da válvula de descarga
[H] Perdas por bombeamento
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CICLO OTTO:
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Primeira lei da termodinâmica
Processos 1-2 e 3-4 isentrópicos e
Definindo a taxa de compressão:
Pressão média efetiva (Pme)
Pressão média efetiva (Pme)
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A eficiência aumenta com o aumento da taxa de compressão
No ciclo Otto o aumento na taxa de compressão é limitada pelo fenômeno de detonação
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CICLO DIESEL:
Primeira lei da termodinâmica
Pressão média efetiva (Pme)
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Taxa de compressão:
Taxa de expansão:
Razão de corte:
A eficiência aumenta com o aumento da taxa de compressão
A eficiência aumenta com a diminuição da razão de corte
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Notas de aula de Máquinas Térmicas – Professor Jorge Recarte Henríquez Guerrero – Departamento de Engenharia Mecânica – UFPE.
Geração Termelétrica; Planejamento, Projeto e Operação, Electo E. S. Lora e Marcos Rosa do Nascimento, Ed. Interciência, 2004.
Fundamentos da termodinâmica, Van Wylen – Sonntag – Borgnakke, Ed. Edgar Blucher, 6º ed., 2003
Thermodynamics: An engineering approach, Yunus A. Çengel e Michael A. Boles, Ed. McGraw-Hill, 5th edition, 2005.
Os motores a combustão interna, Paulo Penido Filho, Ed. Lemi S.A., 1983.
Internal combustion engine fundamentals, John B. Heywood, Ed. McGraw-Hill, 1988.
ROCHA, B. P.; SOUZA, H.B.; OLIVEIRA, L.B. Frenagem Regenerativa. Escola de Engenharia – UFRGS, 2014.
Bibliografia:
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ANEXO
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Uma das ferramentas que melhor qualificam as várias propriedades de um motor de combustão interna é o que relaciona a PME com a rotação em forma gráfica.
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O primeiro elemento que vamos analisar é a curva de PME de carga total. Esta curva está diretamente ligada às curvas de torque e potência a que estamos acostumados. Podemos obter aquelas duas curvas a partir desta.
Esta curva possui, numa análise bem genérica e superficial, três sessões.
Inicialmente a PME cresce nas rotações mais baixas. Nestas rotações, os dutos e válvulas representam obstáculos pouco significativos à passagem de ar. Com o aumento da rotação, a velocidade dos fluxos de gases no motor aumenta, aumentando sua energia cinética. 
Quanto maior a energia cinética, mais facilmente os gases queimados são descarregados, a mistura fresca é admitida, a turbulência também é maior para uma queima mais homogênea e assim por diante. É um efeito dinâmico que permite que o cilindro receba mais mistura com o aumento da rotação.
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Em motores com dutos estreitos e longos os efeitos inerciais dos gases são maiores porque imprimem maiores velocidades a estes gases. Como resultado, a PME cresce mais rapidamente nestas rotações mais baixas, junto com a curva de torque.
Este efeito é de grande interesse em carros urbanos, onde o motor está constantemente sendo exigido a acelerar o carro da imobilidade usando baixas rotações. É por esta razão que motores como o Fiat E.TorQ possuem longos dutos no coletor de admissão.
Em altas rotações temos a última sessão da curva de carga total. Nela vemos o decaimento da PME máxima. Este decaimento ocorre pela resistência à passagem dos fluxos gasosos oferecida pelos dutos e válvulas. Com o aumento da rotação, a resistência à passagem desses fluxos aumenta mais significativamente do que o possível ganho com os efeitos inerciais, entrando uma menor quantidade de mistura no cilindro.
Tecnicamente diz-se que há uma diminuição do rendimento volumétrico do motor nestas condições.
Assim, a curva de carga total da PME torna-se decrescente neste trecho final, fazendo o motor perder torque e, a partir de determinado ponto, potência também.
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Em carros de corrida este efeito é indesejável, e, ao contrário do carro urbano, usam-se coletores de dutos curtos e largos para gerar o mínimo de restrição à passagem dos gases pelo motor.
A sessão intermediária desta curva, um tanto quanto plana, ocorre onde os efeitos inerciais e de restrição se anulam, não havendo ganhos significativos no preenchimento do cilindro com mistura, e por isso não há ganho de PME nem de torque.
Esta faixa
intermediária varia de motor para motor, dependendo de toda cadeia de condução e controle de fluxo da parte superior dele. Alguns motores mais potentes sequer a possuem.
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O segundo elemento deste gráfico é o conjunto de curvas de consumo. Estes conjuntos de curvas, muito parecidos com curvas de nível, mostram como o motor consome em todos os regimes de funcionamento, desde o motor sem carga até a carga total.
Elas não representam o consumo absoluto do motor, mas o consumo relativo de combustível por unidade de energia mecânica gerada.
Em algumas versões, os números podem representar valores diretos (para nós, geralmente expresso em g/kW.h).
Em outras versões, os valores representados são relativos ao consumo ótimo deste motor (representado como 100%).
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Elas representam indiretamente o rendimento deste motor em todas as possíveis combinações de PME e rotação. Quanto maior o consumo de combustível, pior o rendimento.
Estas curvas de consumo extrapolam o uso que geralmente fazemos das curvas de torque e potência a que estamos acostumados, pois faz um diagnóstico do comportamento do motor em cargas intermediárias, onde o motor é mais utilizado.
 
Estas curvas evidenciam duas propriedades importantes:
- O consumo cresce rapidamente com a diminuição da PME, especialmente nos valores mais baixos.
- O ponto de melhor rendimento do motor ocorre numa rotação mais baixa e em carga elevada, porém abaixo da carga máxima.
*
O terceiro elemento neste gráfico está nas curvas de potência.
O produto entre a PME e a rotação é proporcional à potência. Por esta propriedade, é possível traçar uma família de curvas de potência constante, no formato de hipérboles.
*
O quarto elemento é a família de curvas de carga resistente.
Cada tipo de carga resistente possui um formato de curva característico. Assim, um mesmo motor pode ser usado em um automóvel, num barco ou num grupo gerador de eletricidade, mas as curvas de carga resistentes acompanharão o comportamento destas diferentes cargas.
 No caso específico de automóveis, a carga resistente varia com a resistência aerodinâmica, a resistência à rolagem dos pneus etc.. Entretanto, a aplicação desta carga no motor depende da relação final de transmissão.
O resultado é que a família de curvas é proporcional à uma única curva, multiplicada pelas relações de transmissão.
*
Primeiro, vamos considerar que o carro está se movendo numa determinada condição de carga. Isto significa que ele consome uma determinada potência nesta condição. Então, plota-se no gráfico a curva de potência para aquela condição.
Esta potência irá equiparar-se com a resistência que o carro sofre para se mover naquela condição. Esta resistência aumenta com o aumento da velocidade.
Entretanto, o motor lida com esta resistência de formas diversas conforme a relação de transmissão. Neste exemplo, vamos imaginar que estejam disponíveis duas marchas para a escolha do motorista, uma 50% mais longa que a segunda. Plota-se no gráfico então as duas curvas de resistência, uma para cada marcha. O motor irá operar em cada marcha no ponto onde a curva de potência gerada encontra a curva de resistência oferecida pelo automóvel em cada marcha.
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Em seguida, vamos colocar as curvas de consumo para avaliá-lo. No exemplo, vemos que a marcha mais longa oferece a potência consumida sobre um consumo específico de 240 g/kW.h a 2.000 rpm, enquanto a marcha mais curta sofre um consumo específico de 280 g/kW.h a 3.000 rpm. Proporcionalmente, usar a marcha mais curta representa um aumento de consumo de 16,7% nestas condições.
É por esta razão que normalmente o motor torna-se mais econômico quando dirigido em uma marcha mais longa e com carga mais elevada, esta última sentida pelo motorista por exigir maior acionamento do acelerador.
 Este é o “método de carga” que o BS já falou aqui no blog, e aí está porque funciona.
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Por outro lado, devemos avaliar também a diferença de PME entre estes pontos até a curva de PME máxima na mesma rotação. Esta diferença mostra quanto temos de reserva de aceleração.
No exemplo, vemos que a marcha mais curta possui uma reserva de aceleração maior do que a marcha mais longa nestas condições.
Além do fato da marcha mais curta multiplicar mais o torque do motor, a maior reserva de aceleração do motor nesta marcha é a outra razão pela qual devemos reduzir a marcha para realizar uma ultrapassagem.
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O gráfico completo fica desta forma:
Por estes gráficos vemos claramente o quanto um automóvel é menos eficiente em uso urbano que em uso em estrada.
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Andando a maior parte do tempo em baixa velocidade e com baixa carga, o motor é usado com baixa PME, onde o consumo é mais elevado.
 
Esta limitação do uso do motor não é só prejudicial ao bolso do motorista. Com menor eficiência, o motor lança mais poluentes no ar, bem como há uma queima mais incompleta do combustível na câmara, emitindo poluentes mais agressivos.
 
Hoje, o problema de emissões de poluentes por automóveis é mundial, especialmente em perímetro urbano, e esta limitação dos motores explica muitas das soluções técnicas que vem surgindo nos últimos anos.
 
Nas últimas três décadas as legislações européias de emissões vêm se tornando progressivamente mais severas. Durante a maior parte deste período, os fabricantes atenderam estas normas evoluindo a tecnologia de injeção de combustível. Entretanto, em determinado instante todos os fabricantes atingiram um limite economicamente viável de melhorias dessas injeções.
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A saída encontrada foi a adoção do “downsizing”.
 
Downsizing significa que carros originalmente equipados com grandes motores aspirados passaram a ter motores menores turbocomprimidos com a mesma potência máxima.
 
Carros com motores de 2 litros aspirados passaram a usar motores turbo de 1,4 litro, por exemplo.
 
Com esta estratégia, em cargas intermediárias, o motor menor ainda não recebe auxílio significativo do turbo, operando como um motor aspirado. Sendo um motor menor, precisa trabalhar sob uma PME mais alta para gerar a mesma potência que o motor maior. Como esta é a condição que impera durante seu uso urbano, a melhoria de rendimento do motor reduz a quantidade e melhora a qualidade dos gases descarregados.
 
Para o motorista não ter a sensação que está conduzindo um carro pesado com motor menor, o uso de acelerador “drive-by-wire”, elétrico comandado eletronicamente, é obrigatório.
 
O downsizing, porém, não é a resposta definitiva ao problema. Há um limite para ele, bem aquém do que se prevê para as futuras leis e normas ambientais.
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É em função desta previsão de futuro que os fabricantes vem investindo no desenvolvimento de carros híbridos.
 
Carros híbridos utilizam o motor a combustão de formas bem diferentes dos carros convencionais, e por isso podem extrair maior rendimento deles.
 
Há dois tipos básicos de carros híbridos, dos quais derivam diversas variantes: o híbrido série e o híbrido paralelo.
 
No híbrido série a tração do veículo é totalmente elétrica. O motor a combustão é ligado apenas a um gerador elétrico, responsável por recarregar as baterias e auxiliar a alimentar o motor elétrico. É um esquema parecido com o das locomotivas diesel-elétricas.
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Neste tipo de híbrido, o motor de combustão pode operar o máximo de tempo no seu ponto de rendimento máximo.
No híbrido paralelo, o motor a combustão traciona as rodas como num carro convencional, mas tem em paralelo com ele um motor/gerador elétrico.
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Enquanto o motor a combustão funciona, a velocidade das rodas é função da rotação do motor a combustão, da mesma forma que num carro normal. Enquanto isso, o motor elétrico é convertido em gerador para a recarga das baterias, e a carga mecânica é adicionada ao motor de combustão. 
Balanceando a carga de tração do carro e a carga do gerador elétrico, o motor a combustão
pode operar na maior parte do tempo sobre uma curva bem específica de PME onde o rendimento é maximizado.
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Quando as baterias estiverem carregadas, o motor a combustão é desligado, e o motor elétrico assume a tração do carro.
 
Outro detalhe interessante sobre os híbridos é que, como o motor a combustão pode receber auxílio elétrico para tracionar, ele pode ser bem menor do que o respectivo motor da versão convencional do mesmo carro. Isso compensa em parte o peso extra das baterias e dos motores elétricos.
 
E por operar a maior parte do tempo em condições bem restritas de carga, seu desenho pode ser otimizado para rendimento máximo nestas condições e não para um rendimento razoável em todas as possibilidades de carga e rotação como nos carros atuais.
 
Sendo motores menores, podem operar em potências adequadas dentro da melhor condição de consumo. O veículo fica econômico no limite do possível e menos poluente.
 
A PME e suas aplicações é um campo muito vasto para ser coberto com apenas um artigo. Exemplo disso está nos mapas que estudamos aqui estão por trás da escolha adequada de mistura que os pilotos de F1 fazem nos seletores presentes em seus volantes.
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O cálculo feito pelos engenheiros diz que um determinado trabalho mecânico é realizado quando uma força atua sobre um corpo e o desloca a uma certa distância. Esta força é calculada como o produto da pressão média pela área da cabeça do pistão.
Sendo um produto de três termos, podemos reagrupá-los, e fazer o produto da área do pistão por seu deslocamento, e então multiplicar pela pressão média. E o produto da área da cabeça do pistão pelo deslocamento (curso) dele equivale ao deslocamento volumétrico, ou cilindrada, daquele cilindro.
Como um trabalho mecânico é uma medida de energia mecânica, então, para um motor a energia média liberada num curso do pistão é proporcional à pressão média e à cilindrada.
Se avaliarmos a frequência com que os cursos se repetem, teremos a potência do motor. 
Assim, a potência do motor é diretamente proporcional á pressão média, à cilindrada e à rotação do motor. 
Como potência é o produto entre torque e rotação, podemos dizer que o torque do motor é proporcional à pressão média multiplicada pela cilindrada do motor.
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Tipos de Câmaras 
a) Câmara Hemisférica
A câmara do tipo hemisférica é considerada como o tipo mais adequado para ser usado nos motores de taxa de compressão não muito elevada.
Este tipo de câmara além de proporcionar ao motor um bom rendimento, possui ainda a vantagem de permitir o posicionamento da vela em uma zona central, minimizando assim a ocorrência do fenômeno da detonação.
Como desvantagem, este tipo de câmara obriga quase sempre a utilização do comando duplo, o que provoca um custo adicional do motor.
Os motores de taxa de compressão elevada, quando utilizam este tipo de câmara, devem possuir um rebaixamento na cabeça do pistão para não interferir com as válvulas.
ENGENHARIA DE ENERGIAS RENOVÁVEIS - UFAL
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Câmara Triangular
A câmara triangular, assim como a hemisférica, possui uma boa capacidade para não permitir a ocorrência da detonação, porém este tipo de câmara é pouco usada, porque além de apresentar os mesmos inconvenientes da câmara hemisférica, possui um menor espaço para as válvulas.
Câmara no Pistão
Este tipo de câmara é normalmente conhecida como “Heron”. 
Ela é empregada principalmente nos motores Diesel.
A sua principal vantagem é a facilidade de construção e a desvantagem é a limitação dos diâmetros das válvulas.
Câmara Trapezoidal
Este tipo de câmara é utilizado nos motores de taxa de compressão alta.
A sua desvantagem está na dificuldade de fabricação, devido a sua forma irregular.
ENGENHARIA DE ENERGIAS RENOVÁVEIS - UFAL
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Freio elétrico
 
É constituído por um simples dínamo fixado a uma estrutura rígida. Mede-se a tensão e o débito da corrente produzida; deduz-se o número de watts, e, em seguida, tem-se a potência em kW. Mas o rendimento do dínamo não é constante. Varia conforme o número de rotações por minuto e o número de watts produzidos. Cada medida deve ser corrigida por um fator de rendimento diferente que se marca sobre um gráfico dado pelo fabricante do dínamo. As variações de frenagem são obtidas modificando a corrente de excitação por meio de um reostato.
Freio eletro-dinamométrico
 
É igualmente constituído por um dínamo. Mas o estator deste dínamo é montado sobre um eixo oscilante, e é ligado igualmente a uma carga de contrapeso completada por um dinamômetro. A reação magnética do induzido tende a acionar o estator; o esforço de acionamento (torque) é medido em quilos pelos contrapesos e pelo dinamômetro. O rendimento do dínamo não entra em conta.
Modifica-se a eficácia da frenagem por uma mudança da corrente de excitação como no caso precedente. Este tipo de freio é recente, e é de manobra simples e precisa. Pode, por outro lado, funcionar como motor de lançamento e de acionamento para a rodagem do motor a frio. Permite medir as resistências internas do motor funcionando ociosamente, e dando, assim, indicações exatas
sobre as condições de funcionamento da superfícies de atrito.
ENGENHARIA DE ENERGIAS RENOVÁVEIS - UFAL
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