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Disciplina: Máquinas e Motores Utilizados na Pesca Conceitos: Motor: É a máquina que converte qualquer forma de energia em trabalho. Motor de combustão ou endotérmico: são aqueles que transformam a energia calorífica dos combustíveis em energia mecânica, coletada pela árvore de manivelas. Essa transformação é obtida pela mudança de estado, de volume, de temperatura, por compressão, vaporização e combustão. Motores de combustão externa Os motores de combustão surgiram no século XVIII, com a máquina a vapor. Neste caso, a combustão era realizada externamente, precisamente em uma fornalha que transformava qualquer combustível (madeira, carvão) em calor, com a finalidade de aquecer a água, gerando assim vapor. Motor a vapor: É qualquer motor que funcione pela transformação de energia térmica em energia mecânica, através da expansão do vapor de água. Motores de combustão interna Em 1862, o francês Alphonse Beau de Rochas (Bô de Rocha) publicou uma brochura que resumia seus trabalhos “Novas pesquisas sobre as condições práticas da maior utilização do calor e, em geral da força motriz”. Esse trabalho é uma prova inconteste das pesquisas desse francês sobre o ciclo a 4 tempos. Em 1872, o americano Bayton construiu o primeiro motor a combustão funcionando com petróleo bruto. Seu motor permitiu a propulsão de pequenos barcos e equipou um dos primeiros submarinos alguns anos mais tarde. Enquanto Beau de Rochas é considerado o inventor do ciclo de 4 tempos, o alemão Nicolas Otto tem o mérito de ter sido o primeiro a conseguir fazer funcionar um motor térmico segundo esse ciclo. Em 1876, com a ajuda de Eugene Langen, Otto construiu seu motor na fábrica que os dois fundaram em 1872, a “Gasmotrenfabrik Deutz AG” em Deutz no distrito de Colônia, Alemanha. Em 1878, Dugald Clerk desenvolve o motor de dois tempos, na tentativa de obter um motor de melhor desempenho e simplificar o projeto. Em 1892, Rodolphe Diesel, que era francês, publicou em Berlim um fascículo intitulado “Teoria e construção de um motor térmico racional” 1893 – O eng. Rodolphe Diesel desenvolve um motor onde a ignição do ar+combustível é feita por compressão, e é batizado de “motor térmico racional”. Hoje, os motores de combustão interna a Diesel são empregados como propulsores para caminhões, tratores e embarcações. Para haver produção de calor em um motor de combustão interna acontece na presença de: Oxigênio: encontrado no ar, é o elemento que permite a oxidação violenta do combustível “explosão”, associado a alta pressão que se encontra dentro do cilindro. Combustível: produto a ser inflamado no interior do cilindro, podendo ser por combustão espontânea ou induzida por faísca. Combustão: é a combinação química do O com o C e o H do combustível, liberando calor, tendo como resultado o aumento da pressão. Quimicamente o produto de uma combustão = CO2 + H2O O motor de combustão interna baseia-se no princípio da expansibilidade dos gases, obtidos por combustão de um fluído. A mistura – combustível + ar, ao explodir no interior do cilindro, gera grande quantidade de gases, que tendem a expandir-se. A elevada pressão assim originada, atua sobre o êmbolo ou pistão, conferindo-lhe um movimento alternativo, que é transformado pela biela em movimento de rotação na árvore de manivelas, que depois de passar pela transmissão, chega às rodas. O motor de combustão interna, também conhecido como motor de pistão, transforma a energia térmica ou calorífica, resultante da combustão, em energia mecânica. Ciclo Diesel Ciclo Otto Prof. Veronildo Souza de Oliveira Motor de Combustão Interna do Ciclo OTTO Este ciclo se caracteriza por converter a energia do combustível em trabalho mecânico, sob a presença de uma centelha elétrica, que inflama a mistura gasosa, provocando um aumento da pressão a volume constante. O pistão ao se deslocar, provoca aumento do volume devido à entrada de uma mistura gasosa, proveniente do carburador ou via injeção eletrônica que, através de um bico injetor, nos motores modernos, deixa entrar combustível que se mistura com o ar que entra no interior do cilindro pela válvula de admissão, aberta neste instante. Quando o pistão ou êmbolo comprime a mistura, estando as válvulas fechadas, tem como efeito a redução do volume e o aumento da pressão. Neste instante, há um aumento dos choques entre as moléculas da mistura, ocasionando um aumento da temperatura. Antes do final da compressão, aparece nos terminais de uma vela de ignição uma centelha elétrica de até 38.000 volts que, ao entrar em contato com a mistura gasosa comprimida, produz uma explosão que provoca o deslocamento do pistão. Neste instante, há realização de trabalho mecânico. Neste ciclo, a energia química do combustível é convertida em energia térmica, ou seja, em calor, durante a explosão do combustível. Essa energia térmica liberada faz com que o ar superaquecido dentro do cilindro do motor empurre o pistão, produzindo movimento, ou seja, energia cinética. MOTOR DO CICLO OTTO A 4 TEMPOS Motor de Combustão Interna do Ciclo DIESEL Este ciclo se caracteriza por converter a energia química do combustível (Diesel) uma parte em calor e outra em energia cinética, através da alta compressão do ar atmosférico e pulverização do óleo Diesel, sem presença de centelha elétrica, mas por auto-ignição, provocando um aumento do volume a pressão constante. O pistão ao se deslocar provoca aumento do volume devido à entrada do ar atmosférico filtrado. Neste instante a válvula de admissão permanece aberta Quando o pistão ou êmbolo comprime o ar atmosférico, com ambas as válvulas fechadas, tem como efeito a redução do volume e o aumento da pressão. Neste instante, há um aumento dos choques entre as moléculas do ar, agora comprimido, ocasionando um aumento da temperatura. Antes do final da compressão é injetado óleo Diesel de forma pulverizada, através do bico injetor, que ao entrar em contato com ar comprimida, dá início a uma reação de combustão, que tem como efeito o retorno do pistão. Neste instante, há realização de trabalho mecânico. O pistão volta novamente para expulsar os gases queimados. MOTOR DO CICLO OTTO DE 4 TEMPOS 1º TEMPO ADMISSÃO O pistão se desloca do P.M.S. ao P.M.I., estando a válvula de admissão aberta, para a entrada da mistura gasosa. A árvore de manivelas executa 180º (meia volta). 2º TEMPO COMPRESSÃO O pistão se desloca do P.M.I. ao P.M.S, estando ambas as válvulas fechadas, comprimindo assim, a mistura gasosa. A árvore de manivelas executa 180º (meia volta). 3º TEMPO EXPLOSÃO Alguns graus antes do P.M.S., ou seja, antes que o pistão termine de subir, vai aparecer nos terminais da vela de ignição uma centelha elétrica que, ao entrar em contato com a mistura gasosa, dá início a uma reação de explosão que empurra o pistão para baixo. A árvore de manivelas executa 180º (meia volta). 4º TEMPO ESCAPE O pistão desloca-se do P.M.I. ao P.M.S, estando a válvula de ESCAPE aberta, para a saída dos gases queimados. A árvore de manivelas executa180º (meia volta). Dos 4 tempos, apenas o 3º tempo de explosão é o que realiza trabalho, ou seja, transforma a energia do combustível em energia mecânica, daí ser chamado de tempo motor ou tempo vivo, enquanto os demais: admissão, compressão e escape são chamados de tempos mortos. OBS: P.M.S. PONTO MORTO SUPERIOR P.M.I. PONTO MORTO INFERIOR MOTOR DIESEL DE 4 TEMPOS 1º TEMPO ADMISSÃO O pistão desloca-se do P.M.S. ao P.M.I., estando a válvula de admissão aberta, para a entrada do ar atmosférico limpo (após passar por um filtro). A árvore de manivelas executa 180º (meia volta). 2º TEMPO COMPRESSÃO O pistão desloca-se do P.M.I. ao P.M.S, estando ambas as válvulas fechadas, comprimindo, assim, o ar atmosférico. A árvore de manivelas executa 180º (meia volta). 3º TEMPO COMBUSTÃO Alguns graus antes do P.M.S., ou seja, antes que o pistão termine de subir, vai ser pulverizado óleo Diesel, através do bico injetor. O contato do diesel com o ar comprimido, dá início ao processo de combustão, sem a presença de centelha. Essa reação é como se fosse uma explosão, que empurra o pistão para baixo. A árvore de manivelas executa 180º (meia volta). 4º TEMPO ESCAPE O pistão desloca-se do P.M.I. ao P.M.S, estando a válvula de ESCAPE aberta, para a saída dos gases queimados. A árvore de manivelas executa 180º (meia volta). Dos 4 tempos, apenas o 3º tempo de combustão é o que realiza trabalho, ou seja, transforma a energia do combustível em energia mecânica, daí ser chamado de tempo motor ou tempo vivo, enquanto os demais: admissão, compressão e escape são chamados de tempos mortos. Portanto, a energia química que estava armazenada no combustível, se transforma em energia térmica, que é em parte convertida em energia cinética. Quanto mais energia térmica um motor consegue transformar em cinética, mais econômico e eficiente ele é. Nos motores do ciclo OTTO o rendimento termo-mecânica é em torno de 25%, nos motores do ciclo Diesel é de 35%. Ciclo Otto Rendimento térmico = 0,3 Rendimento mecânico = 0,83 Rendimento termo-mecânico = 0,30 x 0,83 = 0,25 = 25% Ciclo Diesel – Rendimento termo-mecânico = 35% MOTOR DO CICLO OTTO DE 2 TEMPOS Estes motores não possuem válvulas propriamente ditas, têm duas janelas na parede do cilindro, para comunica-la com o exterior e o cárter: A janela de admissão, por onde vai ser introduzida a mistura gasosa, formada pelo ar e pelo combustível. A janela de comunicação entre o cilindro e o cárter, à qual também se dá o nome de "transfere"; A janela de escape, colocada na parte superior do cilindro e que faz a comunicação deste com o exterior, permitindo a saída dos gases queimados provenientes da combustão; O funcionamento ocorre conforme a seguinte seqüencia: Admite Comprime Explode Escapa 1. À medida em que ocorre o movimento ascendente do êmbolo, o mesmo obstrui as janelas e, em seguida, comprime a mistura gasosa existente na parte superior do cilindro. 2. Ao mesmo tempo cria-se um vácuo no cárter, que força a admissão da mistura gasosa + óleo lubrificante no interior do mesmo. 3. Quando o êmbolo atinge o PMS dá-se a ignição, devido à libertação da centelha na vela. Os gases pressionam o pistão em direção ao ponto morto inferior, produzindo assim trabalho, movimentando a árvore de manivelas. Durante esta etapa, o êmbolo libera a janela de escape possibilitando a saída dos gases queimados. 4 Próximo ao PMI, o pistão abre a janela de transferência. Ao mesmo tempo, seu movimento descendente pressuriza o cárter, forçando a nova mistura a penetrar na câmara, o que támbem contribui para a saída de gases queimados, possibilitando uma melhor lavagem do cilindro. CARACTERÍSTICAS PONDERAIS DO MOTOR Cilindrada é a capacidade volumétrica do cilindro, ou seja, é o volume deslocado quando o êmbolo se desloca do P.M.S ao P.M.I. TAXA DE COMPRESSÃO é a relação entre a cilindrada e o volume da câmara de combustão A TC indica quantas vezes o volume de mistura é comprimido antes de ocorrer a centelha da vela de ignição. Assim, uma taxa de compressão de 7:1, por exemplo, indica que a mistura é comprimida 7 vezes Ex: Calcular a cilindrada de um motor que apresenta as seguintes características: diâmetro do cilindro = 100 mm = 10 cm curso do êmbolo = 100 mm = 10 cm Volume da câmara de combustão = 90 cm3 1. Cil.unit. = D 2 x curso 3,14 x 100 cm2 x 10 cm = 785 cm3 4 4 2. TC = 785 + 90 = 9,7:1 Este motor pertence ao ciclo Otto 90 Classificação dos motores em função da taxa de compressão Ciclo Otto gasolina 6:1 a 11:1 Álcool 11:1 a 13:1 Ciclo Diesel Diesel 18 a 22:1 P.M.S curso P.M.I Cil.unit. = D 2 x curso 4 TC = Cilindrada. + Vol.da Câmara Volume da Câmara Motores Flex Nos motores convencionais, a taxa de compressão varia em função do combustível para o qual o motor foi desenvolvido. Motores a gasolina têm taxas menores e os a álcool, maiores - e têm a ver com as propriedades de cada combustível. Como a gasolina tem um poder calorífico maior, em torno de 10700 kcal/kg, o álcool esse valor não passa de 6700 kcal/kg. Daí a razão do aumento da taxa de compressão para o álcool, para compensar seu baixo poder energético. Em geral, o derivado do petróleo trabalha com uma compressão de 9:1 (nove vezes o volume original), enquanto o combustível de cana fica em 13:1. Os carros bicombustíveis usam uma taxa intermediária, ao redor de 11:1 Essa taxa média pode variar, dependendo do motor. Mas é certo que a taxa de compressão ficará abaixo do ideal para se aproveitar a máxima energia contida no álcool e acima do que seria o padrão para gasolina. No caso dos flex, para que possam trabalhar tanto com gasolina quanto com álcool, opta-se por um valor intermediário. O limite para se estabelecer esse equilíbrio é chegar à maior taxa de compressão possível com gasolina antes que ocorra o fenômeno de autodetonação, a chamada batida de pino. O processo de autodetonação está relacionado com a octanagem do combustível. Enquanto a gasolina comum tem cerca de 87 octanas, o álcool tem o equivalente a cerca de 110 octanas. Isto significa que ele consegue suportar maior compressão sem explodir espontaneamente. Às vezes um motor flex, quando utilizado com apenas gasolina, poderá “bater pino”, devido justamente a maior taxa de compressa e por possui um menor poder antidetonante do que o álcool. Recomenda-se 50% de cada combustível para cada tanque. Quando um combustível é mais vantajoso em relação ao outro (gasolina e álcool) ? Como o poder calorífico do álcool em relação à gasolina é em torno de 70%, o veículo com álcool só pode rodar 70% do que rodaria com gasolina. Em outras palavras, o consumo com álcool é 1/0,7 = 42,8% a mais. Ex. uma viagem em que se gastariam 40 litros de gasolina, seriam consumidos 57 litros de álcool. Do ponto de vista prático, um litro de álcool é mais barato porque tem menos energia, seu preço tem de ser no máximo 70% daquele da gasolina, se a diferença de consumo for mesmo de 30%. Ex. A gasolina custa R$ 2,79 o litro, o álcool pode custar até 0,7 x 2,79 = 1,953. Nessa condição, tanto faz abastecer com um ou outro combustível, entretanto, para ser vantajoso o preço deve ser menor 2,25 2,79 = 0,806 . Neste caso, ainda é vantagem usar gasolina.O motor é dividido em 3 partes distintas: Cabeçote Bloco Cárter COMPONENTES INTERNOS DO MOTOR BLOCOS JUNTA DE TAMPÃO OU CABEÇOTE Sequência de aperto do cabeçote e o bloco do motor As juntas eram de asbesto ou amianto. Hoje, são formadas por multicamadas, sendo as externas em aço e a intermediaria em metal mais macio, por exemplo, alumínio ou bronze. Bloco do motor Válvulas de admissão e escape Cárter Cárter Confeccionado de chapa, serve para fechar o motor na parte inferior. Também serve como reservatório do óleo lubrificante do motor A volante motora tem a função de armazenar energia cinética produzida pela explosão, para vencer os tempos mortos do motor (admissão, compressão e escape), ou seja, após a explosão o pistão desce, e utiliza essa energia armazenada na volante para subir. Árvore de comando de válvulas Árvore de manivelas Êmbolo ou pistão Volante motora Bomba de óleo Captador de óleo No cabeçote encontram-se: Tampa com junta de cortiça Balancins Câmara de combustão, Válvulas de admissão e escape Galerias de arrefecimento Canais de lubrificação Varetas de tuchos Orifícios dos portas-bicos injetores (Diesel) Velas de ignição (Otto) Coletor de admissão e escape No Bloco estão: - Êmbolo ou pistão - Camisas de cilindros - Biela - Árvore de manivelas - Árvore de comando de válvulas PISTÃO OU ÊMBOLO O pistão ou êmbolo de um motor é uma peça cilíndrica, normalmente feita de alumínio ou liga de alumínio, que se move longitudinalmente no interior do cilindro dos motores de combustão interna. Os anéis de pistão ou mola de segmento formam o que chamamos de "parede móvel" do cilindro, não permitindo passagem de mistura ar- - Bomba de óleo - Canais de lubrificação - Galerias de arrefecimento - Bomba d’água combustível para o cárter e impedindo o acesso do lubrificante à câmara de combustão. Podem-se encontrar dois tipos de anéis no pistão: de compressão e de óleo. Os anéis de compressão têm a finalidade de dissipar o calor do pistão para o cilindro e de raspar o óleo na sua descida, além de garantir a vedação. Na posição mais afastada da cabeça do pistão situa-se o chamado anel do óleo, que possui um conjunto de orifícios e cujo objetivo é jogar e formar um filme de óleo entre o êmbolo e a superfície da camisa, evitando o atrito direto. CAMISAS DE CILINDROS As camisas podem ser móveis ou fixas ao bloco. As camisas móveis podem ser retiradas do bloco, quando se pretende trocá-las Ovalização dos cilindros O movimento alternativo do pistão é controlado pela biela que, por sua vez, está ligada à árvore de manivelas. Este movimento provoca uma força perpendicular ao comprimento da árvore, que exerce esforços laterais sobre os cilindros e tende a provocar, com o funcionamento do motor, desgastes na superfície da camisa de A função da biela é a de transformar o movimento alternativo do êmbolo em movimento de rotação na árvore de manivelas. As bronzinas de bielas formam o mancal móvel, uma vez que ficam entre o moente do virabrequim e a biela Bronzinas ou casquilhos As primeiras bronzinas eram feitas de bronze, daí o nome. Hoje, são fabricadas com uma liga com grande quantidade de Cobre (Cu), Manganês (Mn) e Zinco (Zn), e são colocadas entre as superfícies de contato da parte interna da biela e capa como também na parte interna dos mancais e capas de apoio do virabrequim. As bronzinas revestem a parte externa dos munhões do virabrequim (mancais fixos) formando uma bucha de bronze. Quando o motor apresenta desgaste, dependendo da situação, geralmente são essas buchas que desgastam e devem ser substituídas, preservando as peças de maior custo como bielas e virabrequim. Bronzinas que recebem os munhões (colos) da árvore de manivelas ÁRVORE DE MANIVELAS OU VIRABREQUIM (vulgarmente conhecida por cambota) ÁRVORE DE COMANDO DE VÁLVULAS Válvulas de Admissão e escape Árvore de comando de válvulas Tuchos Pistão ll Motor com duas árvores de comando de válvulas no cabeçote. Neste caso, existem quatro válvulas por cilindro, totalizando 16, se o motor for de 4 cilindros Coletor de admissão e escape O coletor de admissão tem a função de permitir a entrada do ar atmosférico (Diesel) ou a mistura gasosa (Otto) para o interior dos cilindros. O coletor de escape serve para enviar todos os gases queimados, juntamente com o sistema de escapamento (bojo, silencioso, catalizador e cano de escape), para o exterior (meio). Nos motores modernos a árvore de comando de válvulas é encontrada no cabeçote. Nos motores Diesel continua no bloco, nas montadoras mais tradicionais, contudo já existem motores Diesel com árvore de comando no cabeçote. Bomba d’água Bomba de óleo Os canais de lubrificação são encontrados tanto no bloco como no cabeçote, assim como as galerias de arrefecimento, por onde passa a água, responsável pelo arrefecimento do motor. ORDEM DE IGNIÇÃO DOS MOTORES EM LINHA 4 CILINDROS: 1342 6 CILINDROS: 153624 BLOCO 0-180º EXPLOSÃO ESCAPE COMPRESSÃO ADMISSÃO 180-360º ESCAPE ADMISSÃO EXPLOSÃO COMPRESSÃO 360-540º ADMISSÃO COMPRESSÃO ESCAPE EXPLOSÃO 540-720º COMPRESSÃO EXPLOSÃO ADMISSÃO ESCAPE Os principais sintomas que apontam para a necessidade de se retificar um motor de combustão interna (gasolina, álcool ou diesel) de um veículo são 1) Alto consumo de óleo lubrificante 2) Excesso de fumaça sendo expelida pelo escapamento 3) Baixa potência 4) Alto consumo de combustível 5) Motor trabalhando superaquecido 6) Fortes barulhos vindo do motor Após determinada quilometragem ou horas trabalhadas (>200 mil quilômetros), o motor pode apresentar folgas superiores às prescritas pelos fabricantes. O motor começa a queimar óleo, indicando necessidade de retífica das partes móveis do motor. A retífica consiste em medir as folgas dos moentes e munhões da árvore de manivelas e os desgastes das camisas de cilindros. Essa operação deve ser feita por mecânico, utilizando micrômetro, para garantir a precisão da segunda casa decimal. Uma árvore de manivelas suporta até 4 retificas (cortes) (0,25; 0,50; 0,75 e 1,00 mm) 1 3 4 2 Se um motor apresentar medidas dos moentes da árvore de manivelas inferiores às medidas standard. Ex: O diâmetro do moente standard é 56 mm, após medição dos moentes com micrômetro a árvore de manivelas apresentou as seguintes medidas: 1º moente 55,782 56,00 – 55,782 = 0,218 2º “ 55,742 56,00 – 55,752 = 0,248 3º “ 55,748 56,00 – 55,751 = 0,249 4º “ 55,726 56,00 – 55,726 = 0,274 Como o último moente apresentou maior desgaste, a árvore de manivelas vai trabalhar com bronzinas (casquilhos) de 2º corte, ou seja, de 0,50 mm, pois o 4º moente apresentoudesgaste superior ao 1º corte que é de 0,25 mm. Todos os moentes serão retificados para ficarem com 55,5 mm (considerando-se uma pequena folga) Para os cilindros, a retífica só é possível para dois cortes (0,50 e 1,0 mm). Neste caso, obrigatoriamente, serão substituídos todos os pistões para o 1º corte (0,50) ou para o 2º corte (1,0). Muitas vezes é preferível substituir todas as camisas de cilindros com seus respectivos pistões e anéis, por um kit novo. Classificação quanto à posição dos cilindros: Motor em linha Motor com cilindros opostos Ex: fusca, kombi Motor em “V” MOTOR TURBINADO Os motores convencionais são aspirados, enquanto os motores turbinados recebem o ar atmosférico sob pressão de uma turbina, daí o nome do equipamento responsável pelo processo: Turbo compressor. Os gases queimados que saem pela válvula de escape, acionam o rotor da turbina, ou seja, a energia em forma de calor que sai da válvula de escape, faz girar o rotor da turbina. A turbina, por sua vez, está montada a um eixo que, na outra extremidade, apresenta um outro rotor, e tem a função de sucçionar o ar, após passar por um filtro. Esse rotor vai comprimir o ar, que é resfriado e entra pela válvula de admissão no cilindro. Assim é o funcionamento de um turbo compressor. A máxima eficiência de um turbo compressor só ocorre em alta rotação. A função do turbo compressor é o de aumentar a potência do motor. Um motor com 2,0 litros, com 8 válvulas e 112 CV com um turbo compressor de 1 kg de pressão pode aumentar para 300 CV a potência do motor. Um motor para funcionar necessita, além dos componentes internos no cabeçote e do bloco, vários sistemas auxiliares: 1. Sistema de Alimentação (ar e combustível) 2. Sistema de Lubrificação 3. Sistema de Arrefecimento 4. Sistema Elétrico
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