Sistemas Termicos MCI 01

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
SISTEMAS TÉRMICOS
Prof. Luís Antônio Bortolaia
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
1. INTRODUÇÃO
- Máquina Térmica: todo transformador de energia que troca com o
meio externo as formas de energia trabalho e calor, e o fluido de
trabalho retorna às condições iniciais após realizar o ciclo.
- Máquina Térmica Motora: recebe uma forma disponível de
energia e a converte em trabalho mecânico.energia e a converte em trabalho mecânico.
-Motores de Combustão interna: são Máquinas Térmicas Motoras
nas quais a energia química de um combustível é transformada em
trabalho mecânico.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
• A energia é liberada pela queima (ou oxidação) do combustível
dentro do motor.
• A mistura ar – combustível antes da queima e os produtos da
combustão são os fluidos de trabalho.
• A transformação da energia da combustão em energia mecânica
ocorre diretamente entre os fluidos de trabalho e os componentes
mecânicos do motor.mecânicos do motor.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Vantagens e desvantagens dos MCI
Vantagens:
- arranque rápido
- trabalho em rotações relativamente baixas
- pequeno tamanho
- fácil manutenção
Desvantagens:
- limitação de potência
- não utilização de combustíveis sólidos
- peso elevado para potência
- elevado número de peças
- baixa eficiência
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
2. HISTÓRICO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI)¹
� Etienne Lenoir (1822-1900)
No século XIX começam as ser exploradas as propriedades explosivas 
da mistura gás (de carvão) e ar.
A combustão era realizada no interior de um motor a vaporA combustão era realizada no interior de um motor a vapor
(tecnologia conhecida e dominante na época).
Em 1859, o francês Etienne Lenoir realizou a conversão de um motor
a vapor. Era um motor de dupla ação, isto é, as forças da combustão
atuavam de um lado e de outro do pistão, alternadamente.
1. Síntese do material do Prof. Jorge Nhambiu, Motores Térmicos,
Universidade de Moçambique.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Etienne LenoirEtienne Lenoir
(1822-1900) 
• característica singular deste motor: a combustão acontecia dos
dois lados do pistão. O controle de entrada e saída dos gases
acontecia por meio de válvulas de admissão e escape.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
• princípio de funcionamento do motor: gás e ar eram introduzidos
no pistão durante a primeira metade do deslocamento do mesmo.
A carga era então queimada mediante uma faísca, a pressão
aumentava e então os gases queimados empurravam o pistão até
o fim do curso do mesmo. Na segunda batida do pistão, os gases
de exaustão eram expelidos, enquanto uma nova combustão
acontecia do outro lado do pistão. O ciclo era completado com
uma segunda batida do pistão, de exaustão.uma segunda batida do pistão, de exaustão.
• 5000 desses motores foram construídos entre 1860 e 1865, com
uma potência de até 6 HP. O melhor valor da eficiência obtido foi
em torno de 5%.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Alphonse Beau de Rochas (1815-1893)
França, 1862. Beau de Rochas listou as condições sob as quais, um 
melhor desempenho do motor poderia ser obtido: 
•menor relação superfície/volume para o cilindro do pistão
(cilindro com um diâmetro da mesma ordem de grandeza que seu
comprimento);
• processo de expansão o mais rápido possível;
•máxima expansão possível;•máxima expansão possível;
•máxima pressão possível dos gases dentro do cilindro no começo
do processo de expansão.
As duas primeiras condições visavam reduzir as perdas de calor a
um mínimo. A terceira e quarta visavam obter o máximo de
potência possível.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Beau de Rochas também indicou o método de operação desejável
num motor de combustão interna:
1. Admissão durante o deslocamento do pistão “para fora” .
2. Compressão durante o movimento do pistão “para dentro”.
3. Ignição da carga de combustível e ar no ponto morto superior do
pistão, seguida por expansão durante o deslocamento seguinte do
pistão, para fora.pistão, para fora.
4. Exaustão durante a corrida seguinte do pistão, para dentro.
Este processo é o que é utilizado até hoje.
Beau de Rochas patenteou o principio do motor de 4 tempos, em
1862, mas não o desenvolveu comercialmente.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Beau de Rochas 
(1815-1893) 
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Otto (1832 -1891) e Langen (1833-1895)
Uma das realizações bem sucedidas nos motores a gás foi a de
Nicolaus Otto e Eugen Langen, construída em 1867. O motor
estava ligado ao eixo motriz não por uma alavanca, mas por meio
de uma cremalheira e roda livre. A carga de gás era admitida na
base do cilindro, e, quando explodia, empurrava o pistão para
cima. Quando o pistão descia, por gravidade, empurrava acima. Quando o pistão descia, por gravidade, empurrava a
cremalheira e esta fazia o volante girar. Havia um dispositivo
especial para manter a ignição com duas chamas, pois a primeira
era apagada quando da explosão, e então uma segunda a
reacendia para a próxima explosão. Apesar destes complicados
mecanismos, este motor era altamente confiável, e muito popular
nesse tempo.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Nicolaus Otto 
(1832 -1891) 
Eugen Langen
(1833-1895) 
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
• Este motor foi apresentado na Exposição Industrial de Paris, em
1867.
• O conceito do motor era o de “pistão livre”, sendo este pistão
impulsionado pela explosão dos gases no cilindro, o pistão estava
ligado a um volante através de uma cremalheira e uma
engrenagem. No retorno do pistão era produzido trabalho
mecânico. O movimento do volante produzia por sua vez a
abertura e fecho de uma válvula de admissão e a ignição.abertura e fecho de uma válvula de admissão e a ignição.
• Também neste caso não havia compressão dos gases antes da
combustão.
• Uns 10000 motores deste tipo foram construídos, e dominaram
o mercado até a introdução do motor Otto de quatro tempos. A
eficiência era de 11%.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Siegfried Marcus (1831-1898)
Siegfried Marcus foi um grande engenheiro e construtor. Nascido
em 1831, viveu a maior parte de sua vida em Viena.
Segundo algumas fontes, teria sido ele o criador do primeiro
automóvel, equipado com um motor de dois tempos, em 1864. Era
um dispositivo tosco, basicamente um motor sobre umaum dispositivo tosco, basicamente um motor sobre uma
plataforma.
O seu segundo automóvel, de 1875, já era um modelo evoluído,
que se assemelhava muito aos outros projetos de então ou que
vieram após.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Siegfried Marcus 
(1831-1898) 
1864 
1875 
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Nicolaus Otto
Apesar da ideia do motor de 4 tempos ter sido originalmente
concebida e patenteada por Alphonse Beau de Rochas, em 1862,
a primeira realização prática foi de autoria do alemão Nicolaus
Otto.
Ele pôde obter uma patente em 1863 através da influência de seuEle pôde obter uma patente em 1863 através da influência de seu
sócio, Eugen Langen, que o financiou. Em 1867, seu motor de dois
tempos ganhou uma medalha de ouro na Feira Mundial de Paris.
Durante suas pesquisas descobriu o princípio do motor de quatro
tempos, com a compressão da mistura admitida. O ciclo de
quatro tempos passou, desde então, a ser conhecido como ciclo
Otto.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Conseguiu então produzir o primeiro motor de quatro tempos bem-
sucedido em 1876, chamando-o de motor silencioso, em contraste
com o seu motor anterior, barulhento.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach
O motor de combustão interna de alta velocidade do alemão GottliebDaimler revolucionou a indústria automotiva. Ele havia trabalhado na
fábrica de Otto junto com um colega, Wilhelm Maybach, mas os dois
decidiram fundar o seu próprio estabelecimento, e deixaram Otto.
O motor deles, monocilíndrico de quatro tempos, criado em 1883,O motor deles, monocilíndrico de quatro tempos, criado em 1883,
atingia uma velocidade várias vezes superior a qualquer outro motor
existente, e desta forma produzia muitas vezes mais potência que os
outros com o mesmo peso.
Enquanto o motor de Otto atingia 130 rotações por minuto (rpm), o
de Daimler e Maybach chegava a 600 rpm. Este motor usava a ignição
a tubo quente.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
WilhelmMaybach
(1846-1929) 
Gottlieb Daimler 
(1834 –1900) 
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Karl Friedrich Benz (1844 –1929)
A construção do primeiro automóvel do mundo é atribuída a Karl
Benz. Resultado de longo trabalho, ele teve a patente deste veículo
concedida em 29 de Janeiro de 1886 e em 3 de Julho desse mesmo
ano surpreendeu o mundo com a aparição de seu veículo, um
pequeno triciclo, na qual utilizou elementos de bicicletas. Possuía
um motor a quatro tempos refrigerado a água, colocado sob aum motor a quatro tempos refrigerado a água, colocado sob a
carroceria e ligado por uma correia à transmissão e ao diferencial.
Sua potência mal chegava a 1/2 kW (3/4 de cv), mas, entretanto,
percorria as ruas de Mannheim a uma velocidade de 15 km/h. Foi a
partir deste modesto veículo, e da associação de Benz com outro
pioneiro, Gottlieb Daimler, que surgiu a poderosa marca Mercedes -
Benz, uma das mais importantes até os dias de hoje.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Karl Friedrich Benz 
(1844 –1929) 
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Rudolf Christian Karl Diesel (1858-1913)
Outro tipo de motor que se consagrou no século XIX, foi o
concebido por Rudolf Diesel, em 1892. Este dispositivo, senhor
absoluto hoje em dia nos transportes públicos, de carga e
marítimos, permitiu atingir um rendimento nunca antes obtido em
motores de combustão interna.
Ele funciona com o princípio da auto-ignição, onde a compressão
do ar se eleva a tal ponto que o combustível admitido se inflama
por sí. O grande mérito de Diesel, engenheiro formado, foi
demonstrar termodinamicamente que este tipo de motor tinha um
rendimento superior. Ele desenvolveu previamente o
conhecimento desta ciência, demonstrando o desempenho de sua
máquina antes da sua construção.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Rudolf Diesel Rudolf Diesel 
(1858-1913) 
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
• Em 1898, Diesel demonstrou sua invenção na Feira Mundial em
Paris, usando óleo de amendoim como combustível. A sua
intenção foi a de oferecer um meio a pequenas indústrias,
agricultores e pessoas comuns de competirem com o monopólio
das grandes indústrias, que controlavam toda a geração de
energia naquela época! Sua ideia era o uso de fontes naturais de
combustível, como biomassa.
• Como resultado do trabalho e visão de Diesel, motores de
ignição por compressão foram alimentados com óleos
combustíveis até 1920.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
• O petróleo foi descoberto na Pensilvânia em 1859, tendo sido
utilizado principalmente para a produção de querosene de
iluminação.
Porém, já na década de 1920, os fabricantes do motor diesel
fizeram alterações de modo a utilizar os resíduos baratos e de baixa
viscosidade do petróleo ao invés de biocombustíveis.
A indústria do petróleo estava crescendo e se estabelecendo no
mercado.mercado.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
3. CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
Os motores de combustão interna podem ser classificados de várias
maneiras:
� Quanto a propriedade do gás na fase de admissão:
- ar (Diesel)- ar (Diesel)
- mistura ar-combustível (Otto)
� Quanto a maneira de se produzir a ignição (sistema de ignição)
- por centelha (Otto)
- por compressão (Diesel)
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Quanto ao movimento do pistão
- alternativo (Otto, Diesel)
- rotativo (Wankel)
alternativo rotativo
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Quanto ao ciclo de trabalho
- 2 tempos
- 4 tempos 
� Quanto ao número de cilindros
- monocilíndricos- monocilíndricos
- policilíndricos
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Quanto à disposição dos cilindros
- em linha
- em V
- em estrela (radial)
- opostos
Motor em linha Motor em VMotor em linha Motor em V
Cilindros opostos
em estrela
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
�Quanto à utilização
- automóveis
- caminhões
- marítimos
- locomotivas
- aeronaves leves- aeronaves leves
- geração elétrica (centrais termelétricas)
- geradores portáteis
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Combustível
- gasolina
- álcool
- gás natural
- GLP
- diesel
- bicombustível (flex)- bicombustível (flex)
� Preparação da mistura
- carburação
- injeção
- injeção direta
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
4. PRINCIPAIS ÓRGÃOS COMPONENTES DOS MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA
O motor de combustão interna é um
conjunto de mecanismos que
transforma energia térmica emtransforma energia térmica em
energia mecânica.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Bloco do motor - é o motor propriamente dito. No
bloco são usinados os cilindros ou os
furos para colocação destes.
- passagens (canais) para a água de
resfriamento são colocadas na
fundição do bloco.
- são normalmente construídos de
ferro fundido ou alumínio.ferro fundido ou alumínio.
- os cilindros estão inseridos dentro do
bloco.
- motores ‘carga pesada’
freqüentemente usam camisas no
cilindro (pressionadas dentro do bloco
e que podem ser trocadas quando
desgastadas).
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
- no interior do bloco são montados o virabrequim e os pistões.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Cabeçote
- é a parte superior do motor
(fecha a parte superior do bloco
de cilindros).
- é a parte superior da câmara de
combustão. Nele se localizam as
velas de ignição (nos motores
ICE) ou os bicos injetores (nos
motores ICO).motores ICO).
- abrigam também as válvulas de
admissão e de escape, bem como
o mecanismo de funcionamento
dessas válvulas.
- geralmente fabricado de ferro
fundido ou alumínio.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Cárter
- é a parte inferior do motor.
- local onde o lubrificante
fica acumulado.
- função: manter um nível de
óleo para garantir a
lubrificação do motor.lubrificação do motor.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Cilindro
- é um furo no bloco aberto nas duas extremidades.
- são geralmente de ferro fundido, uma vez que a fundição fácil
permite obter as mais variadas formas para o bloco do motor, para
as câmaras de água, para a sede das válvulas e para os canais de
admissão e escape. Algumas fundições atuais contêm uma
pequena proporção de cromo, para aumentar a resistência dos
cilindros ao desgaste. A presença de níquel e de magnésio modificacilindros ao desgaste. A presença de níquel e de magnésio modifica
a estrutura molecular da grafita na fundição e favorece a
durabilidade do motor.
- revestindo os cilindros de alguns motores existem as camisas, que
podem ser classificadas em secas e úmidas (ou molhadas). Esta
camisa é o revestimento do cilindro no bloco para que o pistão não
o desgaste durante a realização de trabalho.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
• as camisas denominam-se secas quando
sua superfície exterior não está em
contato com a câmara de arrefecimento.
Devem ser bem ajustadas ao bloco para
facilitar a condutibilidade térmica.
• as camisas denominadas úmidas são• as camisas denominadas úmidas são
aquelas queformam a parede interna da
câmara de água. Neste caso, devem
possuir uma perfeita vedação afim de
evitar infiltração de água para o cárter do
motor.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Pistão
• localiza-se no interior do cilindro, onde movimenta-se
retilineamente em dois sentidos (‘ para cima e para baixo’).
• é a parte móvel da câmara de combustão, recebe a força de
expansão dos gases queimados, transmitindo-a à biela, por
intermédio de um pino de aço (pino do pistão). É em geralintermédio de um pino de aço (pino do pistão). É em geral
fabricado em liga de alumínio (motores menores) ou ferro fundido
(nos motores maiores e mais lentos).
• o pistão é fechado na parte superior e aberto na inferior.
Apresenta ranhuras na parte superior para fixação dos anéis de
segmento.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
• a folga entre a lateral do pistão e a
parede do cilindro é “fechada” pelos
anéis de segmento inseridos em
reentrâncias laterais na cabeça do
pistão.
• estes anéis servem para evitar a
fuga de gases e controlar o óleo de
lubrificação.lubrificação.
• os anéis superiores são chamados
anéis de compressão e os inferiores
anéis raspadores do excesso de óleo
das paredes do cilindro, removendo-o
para o cárter.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Biela
• braço de ligação entre o pistão e o eixo de manivelas
(virabrequim);
• recebe o impulso do pistão, transmitindo-o ao eixo de manivelas.
• é importante salientar que o conjunto biela-virabrequim• é importante salientar que o conjunto biela-virabrequim
transforma o movimento retilíneo do pistão em movimento
rotativo do virabrequim.
• a biela, normalmente de aço liga forjado, é acoplada na sua parte
superior ao pistão, por meio de um pino de aço. O pino é vazado
para redução de peso.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Árvore de manivelas (eixo de manivelas, virabrequim)
• eixo motor propriamente dito, o qual, na maioria das vezes, é
instalado na parte inferior do bloco, recebendo ainda as bielas que
lhe imprimem movimento.
• o virabrequim é normalmente fabricado de aço forjado. Ele é
suportado por mancais fixos. O número máximo de mancais fixos
é um a mais que o número de cilindros.é um a mais que o número de cilindros.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Válvulas
• Existem dois tipos: a de admissão e a de escape. É um dispositivo
que visa permitir ou bloquear a entrada ou a saída de gases dos
cilindros do motor.
• A válvula de admissão abre-se para permitir a entrada da mistura
combustível/ar (ou somente ar, conforme o tipo de motor).
• A válvula de escape (ou descarga) abre para dar saída aos gases• A válvula de escape (ou descarga) abre para dar saída aos gases
de combustão (gases queimados).
• A válvula é constituída por uma cabeça em forma de disco, fixa a
uma haste cilíndrica. A haste desliza dentro de uma guia
constituída por metal que provoque reduzida fricção ( por. ex. ferro
fundido ou bronze).
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
• O topo da haste está em contato mecânico com um impulsor que,
acionado pelo excêntrico da árvore de cames, provoca a sua abertura
e a conseqüente entrada ou saída dos gases do motor.
• As válvulas são feitas de aço liga forjado.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Conjunto de acionamento das válvulas
• Compreende o tucho e uma haste, que o interliga ao balancim,
apoiando-se diretamente sobre a válvula. No momento em que o
eixo comando de válvulas gira, o ressalto deste aciona o tucho,
que por sua vez move a haste, fazendo com que o balancim
transmita o movimento à válvula, abrindo-a. Há um conjunto
destes (tucho, haste, balancim) para cada ressalto, i. e., um paradestes (tucho, haste, balancim) para cada ressalto, i. e., um para
cada válvula, tanto de admissão quanto de escape.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
� Câmara de combustão 
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
5. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA ALTERNATIVO
5.1 PRINCÍPIO GERAL DE FUNCIONAMENTO: comum aos motores
alternativos
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
No motor de combustão interna existe uma série de operações
contínuas, denominada de ciclo mecânico, que é o mesmo em
qualquer motor alternativo.
Ciclo mecânico:
1. Introdução do ‘combustível’ no cilindro;
2. Compressão do ‘combustível’ (consumindo trabalho);
3. Queima do combustível (combustão);
4. Expansão dos gases resultantes da combustão (gerando
trabalho);
5. Expulsão dos gases
.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Nos motores alternativos de combustão interna, este ciclo pode
completar-se de duas maneiras:
- ciclo de trabalho de dois tempos;
- ciclo de trabalho de quatro tempos.