2020227_183216_Motores de Combustão Interna - Aula 1

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MOTORES DE 
COMBUSTÃO 
INTERNA
Prof. Roger Rodrigues
Aula 1 –
Conceitos 
fundamentais
1
DEFINIÇÕES
3
• As máquinas térmicas são dispositivos que permitem transformar calor em
trabalho. Ou seja, são máquinas nas quais ocorre a conversão de energia
térmica em trabalho mecânico (trabalho de eixo).
• O calor pode ser obtido de diferentes fontes:
✓ Combustão
✓ Energia elétrica
✓ Energia atômica, etc.
• O nosso foco, obviamente, será voltado para os casos em que o calor é obtido
pela queima de um combustível (energia química convertida em trabalho
mecânico)
DEFINIÇÕES
4
• MOTOR DE COMBUSTÃO:
máquina térmica, utilizada para
converter calor em trabalho,
sendo que o calor é obtido por
meio do processo de
combustão.
• Em outras palavras, trata-se de
um processo de conversão de
energia, conforme dito
anteriormente.
DEFINIÇÕES
5
• A obtenção de trabalho é ocasionada por uma sequência de processos
realizados numa substância denominada “fluido ativo – FA”.
MOTORES DE COMBUSTÃO EXTERNA
Quando a combustão se processa
externamente ao FA, que será apenas o
veículo da energia térmica a ser
transformada em trabalho (composição
química invariável). EX: máquina a vapor.
DEFINIÇÕES
6
• A obtenção de trabalho é ocasionada por uma sequência de processos
realizados numa substância denominada “fluido ativo – FA”.
MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
quando o FA participa diretamente da
combustão (composição química muda).
EX: motores automotivos em geral.
DEFINIÇÕES
7
• Em um motor de combustão interna (imagem anterior), o fluido ativo
❑ Na entrada: mistura ar-combustível
OBS: Ar teórico → combustão completa
(sem oxigênio livre nos produtos)
❑ Na saída: produtos de combustão
CO2 CO
C elementar NOx
Sox H2O
O2
DEFINIÇÕES
8
• Órgãos estacionários
Bloco – É o motor propriamente dito, no qual
estão localizados os cilindros ou os furos para a
colocação das camisas.
Na parte inferior do bloco estão localizados os
alojamentos dos mancais centrais onde se
apoia o virabrequim e em muitos casos o eixo
comando de válvulas.
DEFINIÇÕES
9
• Órgãos estacionários
Cabeçote – Serve de tampa dos cilindros,
contra o qual o pistão comprime a mistura
combustível-ar
Suporta o conjunto de válvulas e em alguns
casos também o eixo comando de válvulas.
DEFINIÇÕES
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• Órgãos estacionários
Cárter – Tampa inferior do bloco, que protege
os componentes inferiores do motor.
É onde fica depositado o óleo lubrificante, a ser
transportado pela bomba de óleo para as partes
do motor a serem lubrificadas.
DEFINIÇÕES
11
• Órgãos estacionários
Coletor de admissão – Recebe e distribui aos
cilindros a mistura (ciclo Otto) ou o ar (ciclo
Diesel) aspirado pelo pistão, através do filtro de ar.
Coletor de escape – Recebe os gases
queimados para lançá-los à atmosfera através
do tubo de escape ou silencioso.
DEFINIÇÕES
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• Órgãos móveis
Biela – braço de ligação entre o pistão e o
virabrequim. Recebe o impulso do Pistão,
transmitindo-o ao virabrequim.
É importante salientar que este conjunto
transforma o movimento retilíneo alternado do
pistão em movimento rotativo do virabrequim.
DEFINIÇÕES
13
• Órgãos móveis
Pistão – é a parte móvel da câmara de
combustão. Recebe a força de expansão dos
gases queimados, transmitindo-o à biela por
intermédio de um pino de aço (pino do pistão).
Em geral o pistão é fabricado em liga de
alumínio.
DEFINIÇÕES
14
• Órgãos móveis
Anéis – compensam a folga entre o cilindro e o
pistão, dando a vedação necessária para uma
boa compressão do motor e um melhor
rendimento térmico.
Podem falhar por
❑ Erro de montagem
❑ Partículas estranhas no ar admitido
❑ Lubrificação insuficiente
DEFINIÇÕES
15
• Órgãos móveis
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.
Em motores de grande porte o
virabrequim costuma ser instalado no
cárter.
DEFINIÇÕES
16
• Órgãos móveis
Eixo comando de válvulas – tem a
função de abrir as válvulas de admissão
e escape. É acionado pelo virabrequim,
através de engrenagem ou corrente, ou
ainda correia dentada.
DEFINIÇÕES
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• Órgãos móveis
Válvula de admissão – finalidade de permitir a entrada da mistura combustível/ar
(ou somente ar, no caso do motor diesel) no interior do cilindro.
Válvula de escape – finalidade de permitir a saída dos produtos de combustão.
DEFINIÇÕES
18
• Órgãos móveis – Conjunto de acionamento das válvulas
DEFINIÇÕES
19
• Órgãos móveis
Bomba de óleo – finalidade de bombear
o óleo do cárter e enviá-lo, sob pressão,
aos diversos pontos do motor que
necessitam de lubrificação.
DEFINIÇÕES
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• Órgãos móveis
Bomba d’água – mecanismo destinado
a efetuar a circulação de água (com ou
sem aditivo), para arrefecimento do
motor.
NOMENCLATURAS BÁSICAS
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PMS – ponto morto superior. É a
posição na qual o pistão está o mais
próximo possível do cabeçote.
PMI – ponto morto inferior. É a posição
na qual o pistão está o mais afastado
possível do cabeçote.
S – curso do pistão. É a distância
percorrida pelo pistão quando se
desloca de um ponto morto para o
outro (do PMS ao PMI ou vice-versa).
NOMENCLATURAS BÁSICAS
22
V1 – volume total. É o volume
compreendido entre a cabeça do pistão
e o cabeçote, quando o pistão está no
PMI.
V2 – volume morto ou volume da
câmara de combustão. É o volume
compreendido entre a cabeça do pistão
e o cabeçote, quando o pistão está no
PMS.
NOMENCLATURAS BÁSICAS
23
Vdu – cilindrada unitária. Também conhecido como
volume deslocado útil ou deslocamento
volumétrico. É o volume “varrido” pelo pistão de um
ponto morto a outro.
z – número de cilindros do motor.
D – diâmetro dos cilindros do motor.
Vd – volume deslocado do motor, deslocamento
volumétrico ou cilindrada total. (Vdu x z)
NOMENCLATURAS BÁSICAS
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rv – relação volumétrica ou taxa de compressão. É
a relação entre o volume total (V1) e o volume morto
(V2), e representa em quantas vezes V1 é reduzido.
𝐫𝐯 =
𝐕𝟏
𝐕𝟐
Podemos interpretar a taxa de compressão como
𝐫𝐯 =
𝐯𝐨𝐥𝐮𝐦𝐞𝐦á𝐱𝐢𝐦𝐨
𝐯𝐨𝐥𝐮𝐦𝐞𝐦í𝐧𝐢𝐦𝐨
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
25
1º) Quanto à ignição
MIF – Motores de ignição por faísca (ou Otto)
Nesses motores, a mistura combustível-ar é admitida, previamente dosada ou
formada no interior dos cilindros quando há injeção direta de combustível (GDI – gas
direct injection), e inflamada por uma faísca que ocorre entre os eletrodos de uma
vela.
CLASSIFICAÇÕES DE MOTORES 
ALTERNATIVOS
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1º) Quanto à ignição
MIE – Motores de ignição espontânea (ou Diesel)
Nesses motores, o pistão comprime somente ar, até que o mesmo atinja uma
temperatura suficientemente elevada.
Quando o pistão aproxima-se do PMS, injeta-se o combustível, que reage
espontaneamente com o oxigênio presente no ar quente, sem a necessidade de uma
faísca.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
27
1º) Quanto à ignição
MIE – Motores de ignição espontânea (ou Diesel)
OBS: a temperatura do ar necessária para que aconteça a reação espontânea de
combustão denomina-se TEMPERATURA DE AUTOIGNIÇÃO (TAI). Abaixo temos
uma tabela que apresenta alguns valores típicos de TAI.
Temperatura de autoignição - TAI (°C)
Diesel Etanol Hidratado Metanol Gasolina E22
250 420 478 400
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
28
1º) Quanto à ignição
MIE – Motores de ignição espontânea (ou Diesel)
Abaixo temos uma tabela que contempla os valores praticados de taxa de
compressão para os diferentes combustíveis. Cabe ressaltar que a massiva
presença da eletrônica nos motores tem sistematicamente alterado esta relação.
Relação ou taxa de compressão - rc
MIF MIE
Etanol hidratado Gasolina E22 Diesel
10,0:1 até 14,0:1 8,5:1 até 13,0:1 15,0:1 até 24,0:1
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
29
2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de operação
Motores alternativosa 4 tempos
O pistão percorre QUATRO cursos, correspondendo a DUAS VOLTAS da manivela
do motor, para que seja completado UM ciclo.
Com isso, definimos uma grandeza chamada FATOR DE TEMPOS, que corresponde
ao número de voltas necessárias para que seja produzido trabalho útil. Para motores
a 4 tempos, FATOR DE TEMPOS = 2.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
30
2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de
operação
Motores alternativos a 4 tempos
1º) Admissão: o pistão desloca-se do PMS ao PMI.
Neste momento o pistão dá origem a uma sucção
(depressão) que causa um fluxo de gases através da
válvula de admissão, que se encontra aberta. O cilindro é
preenchido com mistura combustível-ar (ou somente ar
nos motores GDI), no caso dos MIF. No caso dos MIE,
apenas ar é admitido nesta etapa.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
31
2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de
operação
Motores alternativos a 4 tempos
2º) Compressão: fecha-se a válvula de admissão (VA) e
o pistão se desloca do PMI ao PMS, comprimindo a
mistura (no caso dos MIF) ou apenas ar (se for um MIE).
Para o caso dos MIE, a compressão deve ser
suficientemente elevada para que seja ultrapassada a
TAI do combustível.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
32
2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de
operação
Motores alternativos a 4 tempos
3º) Expansão: nos MIF, nas proximidades do PMS, salta
a faísca que provoca a ignição da mistura, enquanto nos
MIE é injetado o combustível no ar quente, iniciando-se
uma combustão espontânea.
A combustão provoca um grande aumento da pressão, o
que permite “empurrar” o pistão para o PMI, de tal forma
que o fluido ativo sofre um processo de expansão. Esse
é o processo que realiza o trabalho positivo útil do motor.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
33
2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de
operação
Motores alternativos a 4 tempos
4º) Escape: Com a válvula de escape (VE) aberta, o
pistão desloca-se do PMI ao PMS. “empurrando” os
gases queimados para fora do cilindro, para reiniciar o
ciclo pelo tempo de admissão.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
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2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de operação
Motores alternativos a 2 tempos
Nesses motores o ciclo completa-se com apenas dois cursos do pistão,
correspondendo a uma única volta do eixo do motor.
Os processos indicados no motor a 4T são aqui realizados da mesma maneira,
entretanto, alguns deles se sobrepõem num mesmo curso.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
35
2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de
operação
Motores alternativos a 2 tempos
1º)
• Suponha que o pistão esteja no PMS e a mistura
comprimida, conforme figura ao lado. Ao saltar a
faísca, inicia-se a combustão e o pistão é impelido
para o PMI;
• Durante o deslocamento do PMS para o PMI, o pistão comprime o conteúdo
do cárter e, num certo ponto do curso, descobre-se a passagem de
escapamento (B), por onde os gases escapam para o ambiente.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
36
2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de
operação
Motores alternativos a 2 tempos
1º)
Na sequência, o pistão descobre a janela de admissão
(C) que coloca o cárter em comunicação com o cilindro,
forçando seu preenchimento com mistura nova.
OBS: num instante desse processo, as passagens B e C estão abertas
simultaneamente, podendo haver fluxo de mistura nova junto com os gases de
escapamento. Esse efeito é chamado “curto-circuito”.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
37
2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de
operação
Motores alternativos a 2 tempos
2º) O pistão desloca-se do PMI ao PMS. Ao longo do
deslocamento, fecha a janela de admissão (C) e, a
seguir, fecha a de escapamento (B) e abre a passagem
(A) de forma que, em virtude da sucção (depressão)
criada no cárter em função do movimento ascendente
do pistão, o cárter é preenchido com mistura nova.
Observa-se que, ao mesmo tempo, a parte superior do pistão comprime a
mistura anteriormente admitida.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
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2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de
operação
Motores alternativos a 2 tempos
Ao contrário dos motores 4T, FATOR DE TEMPOS = 1
para os motores 2T, visto que é necessária apenas
UMA volta da manivela do motor para que trabalho útil
seja gerado.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
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2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de operação
Considerando que X = 1 para motores 2T, e X = 2 para motores 4T, em teoria o
motor 2T deveria produzir a mesma potência que um motor 4T, considerando
fixa a rotação do eixo. Porém, na prática, não é isso que acontece. Por quê?
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
40
2º) Quanto ao número de tempos do ciclo de operação
R:
❑ Precariedade do processos por conta da superposição de acontecimentos;
❑ Lubrificação: o cárter não é usado somente como reservatório do lubrificante,
mas também para a admissão da mistura combustível-ar. Ou seja, acaba-se
por misturar combustível + ar + lubrificante (normalmente na proporção 1:20 –
1 litro de lubrificante para cada 20 litros de combustível), o que faz com que o
lubrificante queime junto com o combustível, dificultando a combustão e
comprometendo os gases emitidos.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
41
3º) Quanto ao sistema de alimentação
de combustível
CARBURADOR
Ainda é utilizado em aplicações de baixa
potência nas quais as limitações de
emissão de poluentes são menos
restritivas do que em aplicações
automotivas.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
42
3º) Quanto ao sistema de alimentação de
combustível
SISTEMA DE INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL
Além de mais precisa, permite melhores
resultados no controle de emissões podendo
ocorrer no coletor de admissão ou
diretamente na câmara de combustão (GDI).
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
43
4º) Quanto à disposição dos órgãos internos
Cilindros em linha Cilindros em V Cilindros opostos
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
44
5º) Quanto à alimentação de ar
O fluxo de ar para o interior dos cilindros no tempo de admissão se dá em
função da geração de um gradiente de pressão entre o coletor de admissão e o
cilindro.
MOTOR NATURALMENTE ASPIRADO
MOTOR SOBREALIMENTADO
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
45
5º) Quanto à alimentação de ar
MOTOR NATURALMENTE ASPIRADO – também chamado somente de motor
aspirado.
O gradiente de pressão é gerado unicamente pelo deslocamento do pistão do
PMS para o PMI, sem a ação de nenhum dispositivo que eleve a pressão no
coletor de admissão acima da pressão atmosférica.
Nesses motores, o gradiente de pressão no processo de admissão será limitado
pela pressão de admissão, que será NO MÁXIMO a pressão atmosférica.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
46
5º) Quanto à alimentação de ar
MOTOR SOBREALIMENTADO
Com a finalidade de aumentar esse gradiente de pressão, e por consequência a
massa de ar admitida pelo motor, surgiram os motores sobrealimentados.
Nesses motores existem dispositivos responsáveis por elevar a pressão no
coletor de admissão acima da pressão atmosférica.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
47
5º) Quanto à alimentação de ar
MOTOR SOBREALIMENTADO
Um desses dispositivos é o
TURBOCOMPRESSOR, que utiliza os
gases de escapamento para gerar trabalho.
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
48
5º) Quanto à alimentação de ar
MOTOR SOBREALIMENTADO – Qual a importância dos resfriadores de ar?
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
49
6º) Quanto à relação entre diâmetro e curso do pistão
MOTOR QUADRADO – diâmetro do pistão é igual ao curso (D = S). Bom
desempenho em todas as rotações.
Diâmetro 
(mm)
Curso (mm) Cilindrada 
(cm3)
86,0 86,0 1988
Motor GM 2.0 Monza S/R ano 1986
Taxa de compressão 12,0:1
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS50
6º) Quanto à relação entre diâmetro e curso do pistão
MOTOR SUBQUADRADO – Diâmetro do pistão é menor
que o curso (D < S). Apresenta torque e potência em
baixas rotações.
Motor VW AP-2000 – 827 (VW Santana 2.0 Mi 2p e 4p)
Taxa de compressão 10:1
Diâmetro (mm) Curso (mm) Cilindrada (cm3)
82,5 92,8 1984
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
51
6º) Quanto à relação entre diâmetro e curso do pistão
MOTOR SUBQUADRADO – Diâmetro do pistão é menor
que o curso (D < S). Apresenta torque e potência em
baixas rotações.
Motor Citroen C3 Exclusive 1.4 8V Flex
Taxa de compressão 10,5:1
Diâmetro (mm) Curso (mm) Cilindrada (cm3)
75,0 77,0 1360
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
52
6º) Quanto à relação entre diâmetro e curso do pistão
MOTOR SUPERQUADRADO – Diâmetro do pistão é
maior que o curso (D > S). Apresenta torque e potência
em altas rotações.
Motor AP 1600 (equipa vários modelos antigos da Volkswagen)
Diâmetro (mm) Curso (mm) Cilindrada (cm3)
81,0 77,4 1595
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
53
6º) Quanto à relação entre diâmetro e curso do pistão
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
54
6º) Quanto à potência específica
As exigências impostas às emissões de poluentes têm tornado antieconômica a
aplicação de motores a diesel (motores ciclo Diesel) em automóveis de passeio
na Europa. Com isso, o mercado está retornando à utilização de motores ciclo
Otto, mas com maior potência específica.
ሶ𝐖𝐞𝐄𝐒𝐏 =
ሶ𝐖𝐞
𝐕𝐃
WeESP – potência efetiva específica
We – potência efetiva
VD – cilindrada total
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
55
6º) Quanto à potência específica
Observa-se que é possível
• Aumento de potência e torque sem aumentar a cilindrada total
• Redução da cilindrada total mantendo a mesma potência
• Redução do número de cilindros
ሶ𝐖𝐞𝐄𝐒𝐏 =
ሶ𝐖𝐞
𝐕𝐃
WeESP – potência efetiva específica
We – potência efetiva
VD – cilindrada total
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
56
6º) Quanto à potência específica
Como é possível reduzir o consumo de combustível?
• Redução das perdas por bombeamento em decorrência do menor volume
varrido pelos pistões a cada revolução do motor e da maior pressão no
interior da câmara de combustão;
• Redução da perda de energia por calor devido à redução da área da
superfície interna e, consequentemente, maior aproveitamento da energia
térmica na realização do trabalho de expansão;
ALGUMAS CLASSIFICAÇÕES DE 
MOTORES ALTERNATIVOS
57
6º) Quanto à potência específica
Como é possível reduzir o consumo de combustível?
• Redução das perdas por atrito em função das menores dimensões de
componentes móveis.
Exercícios
58
1) Um motor diesel de quatro cilindros a quatro tempos tem 1000 cm3 de
cilindrada total. Se o volume da câmara de combustão é igual a 20 cm3, qual a
taxa de compressão desse motor?
A) 15,0
B) 13,5
C) 12,3
D) 10,0
E) 9,4
Exercícios
59
2) (Brunetti, questão 1, cap.1) Um motor alternativo tem 4 cilindros de diâmetro
8,2 cm e curso 7,8 cm e uma taxa de compressão 8,5. Pede-se
A) A cilindrada ou deslocamento volumétrico do motor em cm3;
B) O volume total de um cilindro;
C) O volume morto.
3) (Brunetti, questão 2, cap.1) Um motor de 6 cilindros tem uma cilindrada de
5,2L. O diâmetro dos cilindros é 10,2 cm e o volume morto é 54,2 cm. Pede-se:
A) O curso;
B) A taxa de compressão;
C) O volume total de um cilindro.
Exercícios
60
4) (CODEBA – 2015 – Analista Portuário –
Engenharia Mecânica). BANCA: FGV
A figura a seguir ilustra o pistão dentro do
cilindro de um motor com 4 cilindros e os
pontos mortos superior (PMS) e inferior(PMI)
desse cilindro. Dimensões dadas em mm.
Sabendo que o diâmetro do cilindro vale 50
mm e admitindo que π ≈ 3, a cilindrada desse
motor e sua taxa de compressão valem,
respectivamente:
(A) 600 cm3 e 9:1 (C) 600 cm3 e 11:1
(B) 600 cm3 e 10:1 (D) 660 cm3 e 10:1 (E) 660 cm3 e 11:1
REFERÊNCIAS
61
1) BRUNETTI, F. Motores de Combustão Interna: volume 1. São Paulo: Blucher,
2012.
2) MAHLE AFTERMARKET. Manual Técnico: curso Mahle Metal Leve Motores
de Combustão Interna. Disponível em: <https://www.mahle-
aftermarket.com/media/local-media-latin-america/catalogs/manuais-
tecnicos/manual-curso-de-motores-2019.pdf>
https://www.mahle-aftermarket.com/media/local-media-latin-america/catalogs/manuais-tecnicos/manual-curso-de-motores-2019.pdf