motores de combustão interna aula 4

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MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA
AULA 4
 
 
 
 
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Prof. Ernesto Francesco Ronchi
CONVERSA INICIAL
O motor à combustão interna de êmbolos alternativos, convencional, apresenta
mais de 800 peças montadas em conjunto, com peças fixas e móveis. O objetivo da
estrutura e dos componentes fixos é suportar as cargas e esforços mecânicos de
elementos e estruturas móveis, suportando e atenuando vibrações, servindo de
sistema de auxílio à dissipação térmica, atenuando ruídos e dando outros suportes
a elementos móveis necessários.
Estes componentes, embora fixos, também sofrem com o estresse do
funcionamento do motor, devido as vibrações, aos choques mecânicos, à
temperatura operacional e aos milhares de ciclos a que são expostos.
TEMA 1 – BLOCO DE CILINDROS
O bloco de cilindros é uma estrutura na qual serão inseridos os cilindros do
motor, para que, dentro deles, sejam inseridos posteriormente os pistões, árvore de
manivelas e outros componentes para o funcionamento adequado do motor. É uma
estrutura que deve suportar altas cargas mecânicas, choques mecânicos e altas
temperaturas, além de atenuar vibrações e permitir transição térmica. É o chassi do
motor.
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Pode ser feito de alumínio, ferro fundido ou aço, ou ainda com uma mistura
desses elementos.
O bloco de cilindros normalmente é fundido, devido à complexidade do
projeto, que deve englobar os sistemas de arrefecimento e lubrificação, além de
dispositivos mecânicos, como árvore de manivelas, pistões, cárter e cabeçote, e
todos os elementos inseridos nas estruturas. Por isso, normalmente é o
componente mais caro do motor.
Por ser o componente mais caro, desde o ano de 2005 o número do bloco de
motor é gravado no documento do veículo, o CRV (Certificado de Registro de
Veículo) e o CRLV (Certificado de Registro e Licenciamento Veicular), de porte
obrigatório.
Para ser confeccionado, normalmente o bloco de cilindros é fundido. Isso reduz
o custo de operação e garante boa estabilidade geométrica, com uma boa relação
peso x desempenho. Quando da utilização do ferro fundido, apresenta resistência
regular à corrosão, média usinabilidade e boa absorção de vibrações geradas
durante os processos de combustão da mistura de ar e combustível.
Elementos de liga, tais como silício, molibdênio, manganês, níquel ou cromo,
podem ser inseridos nos blocos de cilindros de ferro fundido cinzento, com o
objetivo de melhorar as características de resistência mecânica e redução de
corrosibilidade.
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Créditos: Volodymyr Horbovyy/Shutterstock.
Atualmente, grande número de veículo tem saído com blocos de cilindro de
alumínio, devido à sua maior capacidade de dissipação térmica, e também por
conta de seu menor peso.
Créditos: Bachtub Dmitrii/Shutterstock.
O alumínio apresenta dificuldade maior na usinagem. Não por causa de sua
ductilidade, mas sim devido à sua menor resistência à deformação. Essa
característica faz com que sejam inseridos dispositivos para a usinagem final do
bloco, para que ele não perca sua forma estrutural. Os blocos de alumínio podem
receber, em sua estrutura, cilindros de aço, cilindros de ferro fundido, ou ainda, caso
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os cilindros sejam de alumínio, banhos químicos ou eletrodeposição de outros
elementos, como cromo ou silício, que realizem o endurecimento da superfície do
material. O alumínio, além de ser dúctil, não tem adequada estabilidade física em
temperatura maior do que 700 °C. A inserção desses elementos permite a utilização
do alumínio como elemento base para o bloco de cilindros.
Os blocos de cilindros também abrigam as estruturas e galerias para os
sistemas de arrefecimento e lubrificação. As galerias de óleo permitem o envio do
óleo lubrificante para a árvore de manivelas, os pistões, a árvore de cames e as
paredes dos cilindros, de forma a assegurar a lubrificação das partes móveis do
motor.
1.1 SELOS
Os selos do bloco de cilindros são elementos metálicos inseridos no bloco com
o objetivo de tamponar as aberturas que são feitas para desarenagem do bloco
após a fundição. Tais aberturas são necessárias para que sejam removidos os
machos inseridos nos moldes, de modo a evitar o preenchimento com metal líquido
durante a fundição. Tais selos tamponarão as galerias do sistema de arrefecimento.
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Crédito: Ronchi, 2021.
1.2 MANCAIS
Mancais são estruturas criadas com a finalidade de servir de suporte para a
árvore de manivelas. Devem possuir alinhamento perfeito, pois o desalinhamento
pode gerar deformação da árvore de manivelas. Os mancais, juntamente com suas
capas, apresentam posição de montagem, pois a usinagem de mandrilhamento é
feita de uma única vez.
Portanto, o desposicionamento das capas de mancal pode danificar o motor e
até gerar seu colapso.
Crédito: Ronchi, 2021.
1.3 BRONZINAS
As bronzinas são inseridas nos mancais. São elementos de sacrifício inseridas
entre o mancal e a árvore de manivelas, com o objetivo de reduzir o desgaste da
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árvore de manivelas, suportar peças móveis que estão em movimento, e servir de
material de substituição. Devem suportar elevado atrito e fortes pressões
compressivas.
 
Crédito: Ronchi, 2021.
Devem ser feitas de material mais macio, para uniformizar a carga do mancal.
Devem absorver ou rejeitar completamente materiais que se interponham entre ela
e a árvore de manivelas. Devem ser rígidas, porém não devem ser atacadas
quimicamente, nem por óleo nem pela umidade residual. Devem ainda absorver e
dissipar o calor rapidamente.
Por conta de tal característica de aplicação, as bronzinas apresentam um corpo
fabricado em aço laminado. Em seguida, é calandrado, e seu corpo é submetido a
banhos químicos, para depositar materiais como estanho, antimônio e cobre, ou
chumbo, antimônio e cobre, ou ainda alumínio, antimônio e estanho.
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As bronzinas são fixadas através de lingueta de bloqueio, chamada
coloquialmente de chaveta, ou diretamente através de seu diâmetro, que é
ligeiramente maior que o diâmetro do mancal, de forma que, para fixá-la, é preciso
realizar esforço radial, o que auxilia no travamento do mancal.
As bronzinas são levemente maiores que o mancal. Isso é importante para que,
no momento de sua instalação, a compactação seja viável, evitando assim
movimento indesejado, quando da instalação da capa de mancal.
As bronzinas podem ou não apresentar canais de lubrificação, conforme a
característica de aplicação.
No motor, além das bronzinas radiais, existem bronzinas axiais, chamadas
bronzinas de encosto. Sua função é limitar a folga axial da árvore de manivelas.
1.4 CAMISAS
As camisas, ou cilindros do bloco de cilindros, podem ser usinadas diretamente
no bloco de cilindros, que é a forma mais comum de emprego do bloco de
cilindros. Dessa formam o cilindro se torna parte integrante do bloco de cilindros.
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Crédito: Ronchi, 2021.
Contudo, existem blocos de cilindros onde se instalam camisas. Esses sistemas
permitem a substituição das camisas, sendo empregados em motores diesel de
maior porte. Tais camisas podem ser de dois formatos: camisas secas ou camisas
úmidas.
As camisassecas não entram em contato com o líquido de arrefecimento do
motor. Esse modelo de camisa é muito usado na recuperação de blocos de motor
com danos, tornando-os utilizáveis novamente. As camisas secas são inseridas no
bloco sob pressão, e por isso demandam alta qualidade de usinagem.
Já as camisas úmidas são muito utilizadas em motores diesel, de modo que
entram em contato com o líquido do sistema de arrefecimento. Normalmente, em
tais camisas encontram-se anéis de vedação e alojamento de encaixe no bloco de
cilindros. Em motores diesel, após a instalação das camisas, elas devem ser usinadas
na altura correta do bloco de cilindros, para seu perfeito funcionamento.
Créditos: Vereshchagin Dmitry/Shutterstock; A.Shvedov/Shutterstock.
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1.5 METROLOGIA E DESGASTE
Os cilindros sofrem grande desgaste, devido ao movimento alternativo dos
pistões. Além do atrito entre pistão e camisa (que é potencializado na zona da saia
do pistão, devido à excentricidade do pino do pistão ou excentricidade da árvore de
manivelas, para que não haja a parada do pistão em P.M.S ou P.M.I.), há o atrito dos
anéis de segmento e da camisa, com os efeitos da alta temperatura e da pressão da
combustão. Dessa forma, os cilindros sofrem grande desgaste, principalmente na
região onde ocorre a combustão, e por isso é preciso considerar que há um limite
de desgaste.
Para medir o pistão, usa-se a ferramenta metrológica súbito. Pelo intermédio
de um relógio comparador, permite conhecer o desgaste do cilindro. O desgaste é
verificado no eixo longitudinal e transversal, chamado de ovalização. Já o desgaste
que ocorre no eixo vertical é chamado de conicidade. Ambos apresentam limites
definidos pelo fabricante.
1.6 BRUNIMENTO
O brunimento é uma usinagem feita no bloco de cilindros de forma a gerar
sulcos nas paredes dos cilindros. Tais sulcos, riscados em forma de hélices, auxiliam
a lubrificação do motor, de forma que, em cada ponto de encontro dos sulcos, fica
depositada uma pequena gota de óleo, auxiliando na lubrificação entre anéis de
segmento do pistão, pistão e camisa.
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Créditos: Anupong Nantha/Shutterstock.
No bloco de cilindros, também são instaladas árvores de manivelas, mancais,
bielas, anéis de pistão, bomba de óleo e bomba de água, além de polias,
tensionadores e outros elementos necessários ao correto funcionamento do motor.
1.7 RETENTORES
Retentores são dispositivos confeccionados normalmente em polímeros, com o
objetivo de evitar a passagem de óleo do ambiente interno para o ambiente
externo.
Podem apresentar estruturas metálicas, de suporte; contudo, os elementos de
vedação são sempre de polímeros, por serem mais eficientes na realização da
vedação, sem desgaste do componente que está vedando.
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Podem ser feitos de diversos tipos de materiais poliméricos, entre eles:
retentores nitrílicos; retentores poliacrílicos; retentores siliconados; retentores de
viton; retentores de teflon.
Cada retentor tem uma característica de resistência à temperatura, mas
também de resistência química ao óleo utilizado. Dessa forma, os retentores devem
sempre ser aplicados em consonância com o que é preconizado pelo fabricante,
evitando o risco de desgaste prematuro.
Crédito: Ronchi, 2021.
TEMA 2 – CÁRTER
O cárter é uma peça feita de aço estampado ou alumínio fundido, com o
objetivo de servir de reservatório para o óleo lubrificante do motor.
Encontra-se abaixo do bloco de cilindros. Em alguns modelos, recebe os
retentores da árvore de manivelas, o que permite o movimento rotativo da árvore
de manivelas, mas não permite o vazamento de óleo lubrificante.
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Também trabalha como como um elemento de filtragem por decantação,
retendo partículas de maior massa em seu interior, assim como um sistema de
dissipação térmica do óleo aquecido que retorna ao cárter depois de ser utilizado
no funcionamento do motor. É através de cárter que retiramos o óleo usado do
motor, através de seu bujão.
       
Créditos: Polsinaut/Shutterstock; Surasak_Photo/Shutterstock.
TEMA 3 – CABEÇOTE
Cabeçote é o nome dado ao componente que fica instalado sobre o bloco de
cilindros. No cabeçote é instalada a vela de ignição (eletroinjetor de combustível de
sistemas de injeção direta), em motores ciclo Otto, ou o injetor de diesel, em
motores diesel. Também no cabeçote podem ser instaladas as árvores de cames,
responsáveis pelas aberturas e fechamentos das válvulas. São motores chamados
O.H.C. (Over Head Camshaft).
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Créditos: Sharomka/Shutterstock.
3.1 MECANISMOS
  O cabeçote tem mancais, que são usinados e mandrilados para receber a
árvore de cames.
  
Crédito: Ronchi, 2021.
Além desses componentes, no cabeçote são instaladas as válvulas de admissão
e escape. Também são instalados mecanismos de acionamento das válvulas, como
tuchos ou balancins, molas de válvulas, pratos de molas e chavetas de molas, guias
de válvulas, sedes de válvulas, retentores da árvore de cames e retentores de polias.
3.2 GUIAS DE VÁLVULAS E SEDES DE VÁLVULAS
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As guias de válvulas são responsáveis por guiar o movimento das válvulas,
lubrificando-as de forma adequada. Já as sedes de válvula são responsáveis por
fazer a vedação da câmara de combustão, permitindo a explosão adequada da
mistura de ar e combustível.
 
Crédito: Ronchi, 2021.
3.3 CÂMARA DE COMBUSTÃO
A câmara de combustão é o espaço geométrico onde ficam instaladas as
válvulas de admissão e a válvula de escape, além da vela de ignição (e também
eletroinjetor em motores de injeção direta), em motor Otto, e injetor em motor
Diesel. Através dela calculamos a taxa de compressão do motor.
A câmara de combustão também influencia na combustão, auxiliando na
mistura do ar e do combustível, através do turbilhonamento da mistura, assim
como no movimento combustório,
Podem ser simétricas, cônicas ou hemisféricas, com posicionamento central ou
angular da vela de ignição.
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Crédito: Ronchi, 2021.
3.4 MATERIAIS
O cabeçote é uma estrutura que deve suportar altas cargas mecânicas, choques
mecânicos, temperatura, atenuar vibrações, além de permitir transição térmica,
assim como o bloco de cilindros.
Pode ser feito de alumínio ou ferro fundido.
Os cabeçotes normalmente são fundidos, devido à complexidade do projeto e
aos componentes de abertura e fechamento das válvulas. Devem também englobar
os sistemas de arrefecimento e lubrificação, além do sistema de ignição e de injeção
de combustível, dependendo do modelo de cabeçote.
Isso reduz o custo de operação, garantindo boa estabilidade geométrica com
uma boa relação peso x desempenho. Quando da utilização do ferro fundido, há
resistência regular à corrosão, média usinabilidade e boa absorção de vibrações
geradas durante os processos de combustão da mistura de ar e combustível. Porém,
sua dissipação térmica é baixa, não sendo tão interessante em motores atuais, com
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maiores taxas de compressão. Já com a utilização do alumínio, além de ele ser mais
leve, garante melhor dissipação térmica, com maior resistência e menores defeitos
de fabricação.
Entretanto, diferentemente dos cabeçotes de ferro fundido, os cabeçotes de
alumínio necessitam de guias de válvulas e sedes de válvulas de metais mais duros,
em virtudeda ductilidade do alumínio. Também sofre mais com empenamentos, e
não tolera problemas de superaquecimento no sistema de arrefecimento.
Os blocos de cilindros também abrigam as estruturas e galerias para os
sistemas de arrefecimento e lubrificação. As galerias de óleo permitirão o envio do
óleo lubrificante à árvore de manivelas, além de pistões, árvore de cames e paredes
dos cilindros, de forma a assegurar a lubrificação das partes móveis do motor.
Assim como no bloco de cilindros, há selos no cabeçote, com a função de
desarenagem do molde.
No cabeçote também são instalados prisioneiros, que fazem a fixação dos
coletores de escape e de admissão.
3.5 JUNTA DO CABEÇOTE
Na interface entre o bloco de cilindros e o cabeçote, é colocada uma junta,
chamada de junta do cabeçote, que auxilia na vedação do sistema.
Essa junta necessita ser metálica e suportar muita pressão e temperatura, pois é
entre o bloco e o cabeçote que ocorre a explosão da mistura de ar e combustível,
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necessitando de excelente vedação.
Crédito: Ronchi, 2021.
Créditos: Fusionstudio/Shutterstock.
3.6 TAMPA DE VÁLVULAS
Peça feita de aço estampado ou alumínio fundido, a tampa de válvulas
encontra-se acima do cabeçote. Sua principal função é proteger o comando de
válvulas (árvore de cames), as válvulas e o óleo lubrificante, que é pressurizado pela
bomba de óleo e sobe para a parte de cima do motor, para depois retornar sob a
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ação da gravidade. É pela tampa de válvulas que inserimos o óleo lubrificante do
motor.
Créditos: Kudrin Ilia/Shutterstock.
Nela encontra-se o sistema de ventilação positiva do cárter, chamado de
válvula PCV, ou mais coloquialmente como blow-by ou antichama. Sua função é
filtrar os gases que saem do cárter e remanejá-los ao coletor de admissão,
reduzindo as emissões de gases tóxicos pelo motor.
Créditos: Bogdan Steblyanko/Shutterstock.
TEMA 4 – COLETORES DE ADMISSÃO
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Peça feita de alumínio fundido ou plástico extrudado, com a função de
conduzir a mistura de ar e combustível, ou apenas o ar, até o cabeçote. Nele,
podem estar inseridos os eletroinjetores.
Os coletores de admissão poder ter geometria variável, operando em conjunto
com sistema de comando de admissão e escape variáveis, melhorando as
características volumétricas do motor.
Dessa forma, quando em baixos regimes de rotação, o ar deve percorrer um
caminho mais longo, aumentando a velocidade de preenchimento do cilindro do
motor, o que gera melhor torque.
Já em elevados regimes de rotação, o ar deve percorrer um caminho mais
curto, a fim de preencher o máximo possível a câmara de combustão, no menor
tempo possível.
Os coletores de admissão também devem reduzir os pulsos de funcionamento
do motor, reduzindo sua ressonância, reduzindo ruídos e evitando refluxo de gases.
Também é importante ter uma reserva de ar fresco em momentos de necessidade
retomada.
Créditos: Winai Tepsuttinun/Shutterstock; Nor Gal/Shutterstock.
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TEMA 5 – COLETORES DE ESCAPE
  Peça feita de ferro fundido ou aço, com a função de conduzir os gases
queimados oriundos da combustão da mistura de ar e combustível para fora do
motor. Deve ainda suportar altíssimas temperaturas, absorver ondas de impacto,
reduzir ruídos, conduzir os gases sem gerar grande turbulência, além de manter
uma contrapressão de escape.
A contrapressão de escape auxilia na manutenção da pressão da câmara de
combustão do motor, melhorando o torque produzido pelo motor.  
No coletor de escape, encontra-se a sonda lambda, sensor do sistema de
injeção eletrônica, que analisa os níveis de emissões veiculares (excesso ou falta de
oxigênio), auxiliando no controle da quantidade de combustível injetada nos
eletroinjetores para redução da poluição.
Nos coletores de escape, podem estar inseridos os turbocompressores, que são
sistemas de aumento de potência e torque do motor, mediante a inserção de ar
fresco, através de um compressor de ar que se movimenta por intermédio da
rotação de uma turbina que gira a partir do fluxo dos gases de escape.
Modelos mais modernos de motores já integram o coletor de escape
diretamente no cabeçote, melhorando os fluxos de gases com melhor controle da
temperatura.
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Créditos: Vladimir Skoptsev/Shutterstock.
FINALIZANDO
Vimos a complexidade de alguns elementos utilizados no motor. Por conta das
características de operação, e dos diversos elementos de diferentes tipos de
materiais que são agregados e necessitam trabalhar em conjunto, os componentes
fixos do motor devem atender às mais diferentes condições de operação.
Por isso, há o desenvolvimento de tecnologia intensiva na área, em especial em
alguns elementos, como bloco de cilindros e cabeçote, elementos de alto valor
agregado.
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