2_MCI - AULA 2 - Os tempos do motor

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Detalhamento dos quatro tempos do motor e dos efeitos e solicitações nos 
componentes envolvidos nessas operações, para os ciclos Otto e Diesel. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Como demonstrado na figura acima, durante dois tempos do motor (admissão e exaustão) o 
cilindro está aberto por uma das válvulas, ficando o interior do cilindro exposto à pressão atmosférica. 
Nesses dois tempos os esforços são mínimos aos componentes envolvidos. 
Na admissão o pistão inicia um movimento de 
descida, afastando-se do cabeçote onde a válvula de 
admissão encontra-se aberta. Com isso temos um aumento 
do volume interno do cilindro, que é preenchido com ar ou 
mistura de ar e combustível. Como o movimento de descida 
do pistão, dentro do cilindro, é gerado um efeito de sucção, 
fazendo com que a pressão interna fique ligeiramente abaixo 
da pressão atmosférica. Nesse tempo os esforços limitam-se 
basicamente às forças necessárias para movimentar os 
componentes, além da força necessária para manter a 
válvula de admissão na posição aberta, e também, para 
movimentar os demais componentes do motor (bomba de 
óleo, bomba de água, etc.). A temperatura do ar de 
admissão fica próxima a temperatura externa do ambiente. 
 
Na exaustão o pistão inicia um movimento de subida, 
aproximando-se do cabeçote onde a válvula de exaustão encontra-
se aberta. Com isso temos uma redução do volume interno do 
cilindro, o que força os gases da combustão para fora do cilindro. 
Como o movimento de subida do pistão, dentro do cilindro, é 
gerado um efeito de compressão, fazendo com que a pressão 
interna fique ligeiramente acima da pressão atmosférica. Nesse 
tempo os esforços limitam-se basicamente às forças necessárias 
para movimentar os componentes, além da força necessária para 
manter a válvula de admissão na posição aberta, e também, os 
esforços para movimentar os demais componentes do motor. 
Todavia, nesse tempo os gases da combustão ainda possuem 
temperatura elevada, ficando no ciclo Otto em torno de 800°C, na 
condição de motor sem carga, e em torno de 700°C a 1.000°C, na 
condição do motor com carga. Já para o ciclo Diesel a temperatura 
dos gases fica em torno de 250°C, na condição do motor sem 
carga, e em torno de 500°C a 600°C, na condição do motor com 
carga. 
 
Todavia, durante os outros dois tempos (compressão e expansão), o cilindro do motor fica 
fechado, ficando os componentes envolvidos submetidos aos esforços oriundos da compressão e da 
expansão do fluido ativo (ar ou mistura de ar e combustível), além da carga térmica decorrente do 
processo de combustão. Assim sendo, antes de estudarmos os ciclos térmicos Otto e Diesel, vamos 
estudar os efeitos causados nos componentes envolvidos com a geração de trabalho do motor. 
 
Na compressão o pistão inicia um movimento de 
subida, aproximando-se novamente do cabeçote, onde as 
válvulas de admissão e exaustão agora se encontram 
fechadas. Com isso temos uma redução do volume interno 
do cilindro, o que força acarreta um aumento da pressão 
interna, e também, da temperatura do ar ou mistura. Nesse 
estágio a pressão interna, ao final da compressão, chega a 
valores de referência entre 10 a 16 atm, enquanto que a 
temperatura chega em torno de 350°C a 500°C. Nesse tempo 
os esforços nos componentes ligados diretamente ao cilindro 
são decorrentes da pressão exercida sobre os mesmos, além 
do estrese decorrente do aumento de temperatura. 
 
 
. Na expansão o pistão inicia um movimento de 
descida, afastando-se do cabeçote, onde as válvulas de 
admissão e exaustão agora se encontram fechadas. Esse 
movimento de descida do pistão é forçado pela expansão 
dos gases da combustão, sendo u único dos tempos do motor 
onde temos a geração de trabalho. A combustão além de 
gerar um aumento no volume dos gases, acarreta também 
aumentos na pressão e temperatura interna no cilindro. No 
ciclo Otto temos como referência valores de pressão que 
variam entre 30 e 40 atm, e temperatura variando entre 
2.000°C a 2.500°C. Já no ciclo Diesel a pressão fica em torno 
de 50 a 100 atm, enquanto que a temperatura fica em torno 
de 1.400°C a 2.000°C. Nesse tempo os esforços nos 
componentes ligados diretamente ao cilindro também são 
decorrentes da pressão exercida sobre os mesmos, além do 
estrese decorrente do aumento de temperatura. 
No diagrama a seguir podemos avaliar a variação da pressão durante os quatro tempos do 
motor, onde a linha vermelha indica um ciclo sem a ocorrência de combustão, enquanto que a linha azul 
demonstra o efeito da combustão na pressão do cilindro. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Agora que já estudamos os tempos do motor, e antes de entrarmos no estudo dos ciclos térmicos 
dos motores, vamos estudar aspectos relacionados a geometria do sistema motriz do motor. 
 
RAZÃO DE COMPRESSÃO DO MOTOR 
 
Os motores alternativos trabalham com o deslocamento do pistão dentro de um cilindro do 
bloco. Esse movimento alternado acarreta em um volume máximo do cilindro, quando o pistão atinge o 
seu ponto morto inferior (PMI), que é a posição quando o pistão está mais distante do cabeçote, e um 
volume mínimo do cilindro, quando o pistão atinge o seu ponto morto superior (PMS), que é a posição 
quando o pistão está mais próximo do cabeçote, como demonstrado na figura a seguir. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Onde: 
 
PMI = Ponto morto inferior 
PMS = Ponto morto superior 
VT = Volume total do cilindro 
VM = Volume morto do cilindro 
V = Volume de deslocamento do pistão (cilindrada unitária) 
S = Deslocamento (curso) do pistão 
 
Portanto, a capacidade volumétrica máxima de um cilindro, o que representa o volume máximo 
de ar ou mistura que podemos admitir no mesmo, corresponde ao volume do motor quando o pistão 
encontra-se na posição mais distante do cabeçote, ou seja, na posição mais baixa dentro do cilindro 
(PMI). Iremos denominar esse volume como sendo o volume “VT”, como demonstrado na figura anterior. 
 
Todavia, a capacidade volumétrica efetiva de um motor não é medida pelo volume máximo dos 
cilindros, mas sim, pelo volume de deslocamento do pistão, que é a diferença entre o volume máximo do 
cilindro (VT) e o volume mínimo do cilindro (VM), sendo esse último chamado de volume morto do 
cilindro. Esse volume morto do cilindro, delimitado pela posição quando o pistão atinge o ponto morto 
superior, que é a posição mais próxima que o pistão chega em relação ao cabeçote, determina a taxa de 
compressão de um cilindro, ou seja, o ar que é admitido em um cilindro é comprimido até atingir o 
volume morto. Assim sendo, a taxa de compressão é a razão de redução do volume de ar que é admitido 
 
no cilindro, considerando os volumes máximo e mínimo com relação ao deslocamento do pistão. Já o 
volume efetivo (volume de deslocamento do pistão) de um motor é a diferença entre o volume máximo e 
o volume morto, que é denominado de cilindrada do cilindro. Esse volume passará a ser chamado de 
cilindrada unitária (V). 
 
Vamos detalhar melhor esses pontos: 
 
 
Deslocamento do pistão 
 
É o percurso que o pistão percorre dentro do cilindro, entre o ponto morto inferior e o ponto 
morto superior do cilindro. 
 
Volume Total do Cilindro 
 
É o volume do cilindro quando o pistão está localizado no ponto morto inferior. Nesse volume 
devemos considerar também os eventuais volumes de câmaras existentes no pistão, cujas quais podem 
ser preenchidas com o ar de admissão, bem como, de eventuais câmaras existentes na face divisora do 
cabeçote, cujas quais também podem ser preenchidas com ar de admissão. 
 
VT = V + VM 
Volume morto do cilindro 
 
É o volume do cilindro quando o pistão está 
localizado no ponto morto superior. Nesse volume 
devemos considerar também os eventuais volumes de 
câmaras existentes no pistão, cujas quais podem ser 
preenchidas com o ar de admissão, bem como, de 
eventuais câmaras existentes na facedo cabeçote, 
cujas quais também podem ser preenchidas com ar de 
admissão. 
 
 
Em resumo podemos considerar que o volume morto é igual ao volume total do cilindro menos o 
volume correspondente ao volume de deslocamento do pistão, que corresponde a cilindrada unitário do 
cilindro. 
 
VM = VT - V 
 
 
 
Volume efetivo do cilindro (cilindrada unitária) 
 
Representa o volume de ar que pode ser admitido em cada ciclo do cilindro. A determinação do 
mesmo é feito pelo volume correspondente da área de secção transversal do cilindro pelo deslocamento 
do pistão. 
 
 
 
 
Taxa de compressão do cilindro 
 
É a razão de quanto o volume total do cilindro é comprimido até o volume morto do cilindro. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cilindrada total do motor 
 
É a cilindrada unitária de um cilindro multiplicado pelo número de cilindros do motor. 
 
C = V . Z 
 
Onde “Z” representa o número de cilindros do motor 
 
Para efeito didático iremos considerar pistões de cabeça plana (sem câmara) e cabeçotes de face 
plana. 
 
Exemplo: Em um motor de 4 cilindros com diâmetro de cilindro de 90 mm, e curso de pistão de 
120 mm, e distância de 10 mm do pistão na posição de PMS até o cabeçote, determinar a cilindrada 
total do motor e a taxa de compressão do mesmo. 
 
Inicialmente vamos determinar a cilindrada unitária de um cilindro. 
 
 
V = (π . D2 . S) / 4 = (π x 902 x 120) / 4 � V = 763.407,0 mm3 
 
Agora vamos determinar o volume morto. Como estamos considerando tratar-se de um pistão 
sem câmara e cabeçote de face plana, o volume morto pode ser determinado pela área de secção 
transversal do cilindro pela distância do pistão no ponto morto superior até a face do cabeçote. 
 
VM = (π x 90
2 x 10) / 4 � VM = 63.617,3 mm
3 
 
Agora que já conhecemos a cilindrada unitária e o volume morto, podemos então determinar a 
taxa de compressão. 
 
TC = (V / VM) + 1 = (763.407,0 / 63.617,3) + 1 � TC = 13 
 
Então dizemos que a taxa de compressão é de 13 por 1 (13 : 1) 
 
Agora vamos calcular a cilindrada total do motor. Como o enunciado informa que o motor tem 4 
cilindros, então: 
 
C = V . Z = 763.407,0 x 4 � C = 3.053.628 mm3 
 
Portanto, trata-se de um motor de aproximadamente 3 litros. 
 
 
Exemplo 2: Num motor Otto de 4 cilindros, com 1.600 cm3 de cilindrada unitária e taxa de 
compressão de 10:1, determinar o volume total e o volume morto de um cilindro. 
 
Inicialmente vamos determinar a cilindrada unitária de um cilindro: 
 
C = V . Z � V = C / Z = 1.600 / 4 � V = 400 cm3 
 
Como conhecemos a taxa de compressão, podemos determinar o volumem morto do motor: 
 
TC = (V / VM) + 1 � (V / VM) = TC – 1 � VM = V / (TC – 1) 
 
VM = 400 / (10 – 1) � VM = 44,44 cm
3 
 
Agora que sabemos os valores do volume morto e da cilindrada unitária, podemos determinar o 
valor do volume total do cilindro: 
 
VT = V + VM = 400 + 44,44 � VT = 444,44 cm
3 
Exemplo 3: Em um motor de 4 cilindros com diâmetro de cilindro de 70 mm, e 
curso de pistão de 90 mm, e distância de 7,4 mm do pistão na posição de PMS 
até o cabeçote, determinar a cilindrada total do motor e a taxa de compressão 
do mesmo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exemplo 4: Num motor Otto de 8 cilindros, com 4.200 cm3 de cilindrada e taxa 
de compressão de 10,5:1, determinar o volume total e o volume morto de um 
cilindro. 
 
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