motores de combustão interna aula 3

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MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA
AULA 3
 
 
 
 
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Prof. Ernesto Francesco Ronchi
CONVERSA INICIAL
Veremos nesta aula as características principais dos motores, como
posicionamento, divisões de tempos de combustão em motores de múltiplos
cilindros, formas e arranjos geométricos.
Além dessas características, veremos os cálculos básicos para entender
elementos que impactarão no funcionamento adequado do motor, em consonância
com sua eficiência volumétrica e mecânica, de acordo com sua taxa de compressão,
seu volume, torque e potência. Também falaremos sobre pressão média efetiva do
motor, que é a responsável por permitir a transformação da energia térmica em
energia mecânica.
TEMA 1 – CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA
Os motores possuem algumas características que permitem seu correto
emprego conforme a característica do veículo em que será aplicado, conforme o
local onde será utilizado e ainda conforme a necessidade de torque e/ou potência
necessários ao seu funcionamento.
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Essas características implicam diretamente no consumo de combustível por
parte do motor, assim como na manutenção, durabilidade e em seus níveis de
emissões, fator este muito observado na última década pelos órgãos de fiscalização
ambiental, em função dos problemas climáticos que estão ocorrendo de maneira
mundial.
Desta forma, elementos sem muita importância num passado distante
merecem grande atenção no presente, como é o caso do número de cilindros do
motor e o posicionamento do motor no veículo.
1.1 POSICIONAMENTO DOS MOTORES EM RELAÇÃO AO EIXO
TRANSVERSAL VEICULAR
Os motores de combustão interna, por padronização, podem ser instalados na
parte frontal do veículo, na parte traseira e em posição central.
Este arranjo depende da concepção da engenharia. No entanto, o conceito de
motor central é mais aplicado para veículos superesportivos, focando a melhor
divisão de peso entre os eixos do veículo.
Já para veículos leves urbanos e rodoviários, o posicionamento frontal do
motor permite o acoplamento facilitado ao sistema de transmissão, juntamente
com o eixo de tração dianteiro, o que permite melhorar as características de
dirigibilidade do veículo, gerando melhor resposta aos comandos feitos no aro de
direção por parte do motorista.
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1.2 POSICIONAMENTO DOS MOTORES EM RELAÇÃO AO EIXO
LONGITUDINAL VEICULAR
Além do posicionamento do motor em relação ao eixo transversal, há também
o posicionamento do motor em relação ao eixo longitudinal veicular.
Os motores de combustão interna, por padronização, podem ser paralelos à
linha longitudinal do veículo ou transversal.
A utilização do motor de forma transversal ao veículo é modelo o mais
utilizado atualmente em veículo convencionais, por permitir alguns benefícios no
sistema.
Um dos grandes benefícios da utilização desse modelo, é a redução do espaço
destinado ao motor, local chamado de cofre do motor. No cofre do motor, para
motores dianteiros, são inseridos os sistemas que permitem o correto
funcionamento do motor, como o sistema de arrefecimento, além de outros
sistemas primordiais ao funcionamento do veículo como o sistema de freios.
Reduzir este espaço, permite reduzir o peso do veículo como um todo, o que se
torna interessante pois pode-se reduzir o consumo de combustível, uma vez que,
em média, gasta-se 85% da energia gerada pelo motor para mover a massa do
veículo. Assim, quanto menor o peso, menor o consumo.
Outro benefício é a redução do entre-eixos do veículo. O entre-eixos do
veículo, como o próprio nome já diz, é a distância que existe entre o eixo dianteiro
e o eixo traseiro. Essa distância impacta grandemente no raio de giro do veículo,
pois veículos com entre-eixos mais distantes tendem a ter grande raio de giro.
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Objetivando veículos mais urbanos, a utilização de entre-eixos mais curtos permite
maior agilidade no esterçamento do veículo.
Como um terceiro benefício, a possibilidade da utilização de caixa de
transmissão compacta permite aumentar o espaço do habitáculo do veículo,
destinado aos passageiros, gerando maior conforto sem gerar maior consumo de
combustível.
Logicamente, existem alguns fatores negativos, tais como o aumento de
desgaste de pneus dianteiros, maior vibração e instabilidade em rodovias e maior
esforço do motorista sobre o aro de direção. Contudo, mesmo com estes aspectos,
a utilização de outros sistemas de assistência à direção, ajustes de ângulos de
suspensão e utilização de elementos de estabilização permitem a minimização
dessas situações, a níveis praticamente imperceptíveis por parte dos motoristas.
1.3 NÚMERO DE CILINDROS
Os motores de combustão interna, podem ter qualquer número de cilindros.
Por padronização, temos motores de 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 e 12 cilindros para veículo
leves e pesados. Para veículos fora de estrada, pode haver motores de 36 ou mais
cilindros, conforme a necessidade de aplicação.
Motores de 1 e 2 cilindros são amplamente utilizados em motocicletas.
Motores de 3, 4, 5 e 6 cilindros são amplamente utilizados em veículos leves, sendo
que nas últimas duas décadas priorizou-se a confecção de motores de 3 e 4
cilindros para veículo leves.
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Veículos superesportivos podem utilizar motores com 8, 10, 12 e até 16
cilindros.
O maior número de cilindros impacta em maior peso e maior atrito entre os
componentes móveis do sistema. Isto gera um consumo maior de combustível e,
por consequência, maior nível de emissões e menor eficiência energética. Assim, a
utilização de motores de 3 cilindros tem se tornado uma grande realidade no Brasil,
de forma a criar motores que funcionem com menor consumo de combustível, por
intermédio de sua menor massa e menor atrito “parasítico”.
1.4 FORMAS DOS BLOCOS DE CILINDROS
Existem diversos formatos de blocos de cilindros para motores. Contudo, os
blocos de cilindros mais utilizados para veículos leves e pesados, assim como para
motos, são os blocos de cilindros:
Em linha ou de “L”;
Em “V” ou “Y”;
De cilindros opostos, em “H” ou “boxer”.
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Créditos: NVKuvshinov /Shutterstock.
Veículos superesportivos podem possuir blocos de cilindros em duplo “V”,
chamados também de motor em “W”.
A utilização mais comum dos blocos de cilindros é os em linha. Isso por conta
da simplicidade geométrica construtiva e por gerar menores vibrações,
dependendo do número de cilindros. Normalmente, blocos de cilindros de número
ímpar tendem a gerar maiores vibrações.
Créditos: Vladimir Gjorgiev/Shutterstock.
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Já a utilização de blocos de cilindros em “V” ou “Y” ou em duplo “V” ou “W”,
em veículos superesportivos, é necessária para tentar reduzir o comprimento do
motor. Motores demasiadamente longos possuem grande fragilização em relação à
árvore de manivelas e, portanto, requerem maiores coeficientes de segurança,
traduzidos em maior tamanho dimensional dos componentes ou ainda o emprego
de materiais mais nobres e resistentes, tornando os componentes de elevado custo.
Assim, colocando os motores dispostos nestes formatos, há uma redução
significativa do comprimento do motor, quando comparados a motores em linha,
ficando em média, de 30 a 40% mais curtos. Isso tambémimpacta no comprimento
do veículo, em seu entre-eixos e em sua altura.
Créditos: Konstantin Shadrin/Shutterstock.
No caso de blocos de cilindros em “H”, além de servir para a redução do
comprimento do motor conforme mencionado anteriormente, os motores em “H”
permitem uma significativa redução do centro de gravidade do veículo, há que
estes motores são de menor altura quando comparados a motores em “V” ou
motores em “L”. Essa característica permitiu o desenvolvimento de veículos no Brasil
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como a Brasília, veículo de motor traseiro, tração traseira e motor em “H” que
permitia a utilização da parte superior do cofre do motor como bagageiro.
Créditos: ybulga/Shutterstock.
Créditos: Rudiecast/ Shutterstock.
1.5 DESENVOLVIMENTO DOS TEMPOS
Dependendo do número de cilindros que o motor possui, haverá uma explosão
ou uma combustão a cada determinada rotação da árvore de manivelas. Quantos
maior o número de cilindros de um motor, menor é o tempo entre cada combustão,
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o que permite melhorar o torque do motor numa condição normal, pois o intervalo
angular entre as combustões é menor.
Para sabermos a cada quantos graus de rotação da árvore de manivelas temos
uma combustão, basta dividir o número o número de rotações da árvore de
manivelas necessárias para um ciclo do motor pelo número de cilindros do mesmo.
Considerando um motor de 4 cilindros, temos:
Ou seja, a cada 180° de ângulo da árvore de manivelas, teremos uma explosão
de mistura ar e combustível gerando trabalho.
Este ângulo permite o raciocínio do desenvolvimento da sequência de ignição
do motor assim como permite as atenuações vibracionais necessárias ao
funcionamento do motor.
No caso do motor de 4 cilindros em linha, a sequência de ignição convencional
será: 1 – 3 – 4 – 2. Essa sequência permite fazer regulagens em componentes do
motor, como a folga de válvulas, em veículos que necessitam deste tipo de
regulagem.
TEMA 2 – CÁLCULO DO VOLUME DO MOTOR
 O cálculo do volume do motor é uma fórmula importante para conseguirmos
encontrar a potência e o torque do motor, pois o volume do motor afeta
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diretamente estes dois fatores.
Este cálculo também se torna importante em motores em que sejam possíveis
ações de retífica quando o motor apresenta desgastes irregulares, para, por
exemplo, averiguação de modificação de potência.
De forma geral, o cálculo do volume do motor é dado pela fórmula:
Em que:
Vm = Volume do Motor
d = Diâmetro do cilindro
h = Curso do pistão, do ponto morto inferior ao ponto morto superior
N°Cil = Número de Cilindros do motor
Normalmente temos a inserção dos valores em centímetros de forma que o
resultado será em cm³.
Tomemos um motor como exemplo, de 3 cilindros, com diâmetro dos cilindros
de 74,5 mm e curso dos pistões de 76,4 mm.
Aplicando a fórmula, temos:
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Substituindo os valores, temos:
Efetuando a potenciação, temos:
Continuando:
Transformando para cm³:
Ou:
Neste motor de 3 cilindros, temos um volume aproximado de 1 litro.
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TEMA 3 – CÁLCULO DA TAXA DE COMPRESSÃO DO
MOTOR
O cálculo da taxa de compressão do motor é extremamente importante pois
permite o correto dimensionamento das peças do motor em relação às suas
resistências mecânicas, assim como também auxilia na compreensão da resistência
à autoignição do combustível ou na facilidade que um combustível entrará em
ignição, pois a taxa de compressão é a responsável por aumentar a temperatura da
câmara de combustão auxiliando nos processos combustórios, gerando a eficiência
térmica do motor.
Em geral, quanto maior a taxa de compressão de um motor, maior será seu
rendimento. Infelizmente, essa condição não se torna real, exatamente porque
devemos levar em consideração a resistência dos materiais assim como a resistência
ou não que um combustível possui em ignição.
Para motores ciclo Otto, a maior taxa de compressão fará com que a
temperatura e a entropia dentro da câmara de combustão aumentem, porém, a
taxa de compressão não poderá ser muito alta pois poderá realizar fenômenos de
autoignição do combustível ou de detonação do combustível. A autoignição é o
fenômeno do combustível se inflamar sozinho. Para motores ciclo Otto, isso não é
interessante, pois não é atingido o ponto máximo de eficiência térmica quando da
autoignição da gasolina ou etanol. Já a detonação é um fenômeno de explosão que
ocorre após a deflagração da centelha da vela de ignição do motor e que gera
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degradações na superfície da cabeça dos pistões, em anéis de segmento e em
válvulas.
Para motores ciclo Diesel, a taxa de compressão requerida para o motor já é
mais elevada, pois o Diesel deverá entrar em ignição de forma espontânea e por
isso a temperatura dentro da câmara de combustão deve ser elevada. Contudo, a
taxa deve estar dentro de parâmetros adequados, para que não haja
comportamentos danosos ao motor, o que poderia fazer o motor funcionar com
vibrações excessivas e até o colapso de componentes do motor como a biela.
Portanto, o cálculo da taxa de compressão do motor é primordial para o
correto funcionamento do motor, dentro dos parâmetros pré-estabelecidos pela
montadora, garantindo uma correta eficiência termomecânica no motor com
adequada vida útil.
A taxa de compressão de um motor se dá pelo volume do cilindro quando o
pistão está em porto morto inferior e pelo volume que possui quando o pistão está
em ponto morto superior, chamado de volume morto. O resultado é expresso em
unidade adimensional, em número de vezes de redução do volume inicial.
Para calcular a taxa de compressão do motor, utilizamos a fórmula:
Em que:
Vcil = volume do cilindro do motor
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Vcc = volume da câmara de combustão (é o volume final que fica entre o
cabeçote e o pistão do motor, compreendendo o volume da câmara de combustão
no cabeçote, volume da junta do cabeçote e o volume do pistão).
Tomemos um motor como exemplo o mesmo motor de 3 cilindros, com
diâmetro dos cilindros de 74,5 mm e curso dos pistões de 76,4 mm do TEMA 2. Este
motor, segundo o fabricante, possui um volume de câmara de combustão de 31,7
cm³.
Para encontrarmos o volume de um cilindro, aplicamos a fórmula de volume do
motor, porém sem multiplicar o número de cilindros. Assim:
 ou 
Aplicando a fórmula da taxa de compressão:
Substituindo os valores:
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Portanto, a redução de volume que ocorrerá dentro do cilindro deste motor
quando o pistão estiver em ponto morto inferior e quando estiver em ponto morto
superior será de 10,5 vezes.
Esta informação permite iniciarmos cálculos para saber a real pressão de
operação do motor. Tomando como referência a pressão barométrica a nível do
mar de 1kgf/cm², considerando uma situação ideal, sem perdas, a pressão ao final
da compressão será de 10,5 kgf/cm².
TEMA 4 – CÁLCULO DA POTÊNCIA DO MOTOR
Potência é a energia transformada do combustível e ar em trabalho mecânico
nos componentes móveis do motor.
Para calcular a potência do motor, de forma simplificada, devemos calcular a
pressão média efetiva indicada dentro do cilindro do motor.
A pressão média efetiva depende da quantia de ar que entra no cilindro, da
massa de combustível e da taxa de compressão do motor.
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Em que:
PME = pressão média efetiva em kgf/cm²
Pot. = potência em CV
Vm = volume do motor em cm³
N = rotação do motor em rpm
Como se trata de uma pressão média efetiva, importante saber a pressão de
compressão e da combustão no momento da explosão. A pressão média efetiva em
motores convencionais aspirados, verificada de forma empírica, não passa de 14
kgf/cm².
Levando em consideração esse valor, e utilizando a rotação máxima padrão de
um motor nacional, que é de 6.500 RPM, juntamente com a cilindrada de 999 cm³
de um motor 1.0 convencional nacional, temos:
Rearranjando a fórmula:
Substituindo valores:
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TEMA 5 – CÁLCULO DO TORQUE DO MOTOR
O cálculo do torque do motor é necessário para conseguir estipular a força que
o motor conseguirá disponibilizar para as rodas, para remover o veículo de sua
inércia quando estiver parado.
Para calcular o torque do motor, usamos uma fórmula na qual inserimos a
potência do motor, a velocidade angular em radianos por segundo e uma constante
de transformação de cavalo para watts.
Assim, temos:
Em que:
 = torque em kgf.m
Pot. = potência em CV
N = rotação do motor em rpm
Assumindo o valor de potência de 101 CV, com rotação máxima de 6.500 rpm,
temos:
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FINALIZANDO
Os cálculos de torque, potência, volume e taxa de compressão do motor são
fundamentais para a escolha correta do dimensionamento do motor em função de
sua aplicação.
Principalmente quando da reparação do motor, devemos ter o cuidado de não
ultrapassar as especificações do fabricante, especialmente para não sobrecarregar
os componentes do motor que poderão gerar um colapso do sistema.
Vimos que as caraterísticas de redução do volume do motor aliadas a maiores
eficiências, com redução do número de cilindros do motor, é uma realidade para
atender às expectativas do mercado nacional, tanto no quesito de consumo quanto
em emissões ambientais. Portanto, entender os cálculos básicos para
funcionamento do motor torna-se necessário para a compreensão de todo o
processo energético que permeia o funcionamento do motor.
REFERÊNCIAS
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BOSCH, R. Manual de Tecnologia Automotiva. São Paulo - SP: Editora
EDGARD BÜCHER Ltda., 2005.
GARRETT, T. K.  The Motor Vehicle. 13 ed.  Editora SAE Inc., 2001.
GROEHS, A. Mecânica Vibratória. São Leopoldo – RS. Editora Unissinos, 1999.
MILLIKEN, W. Race Car Vehicle Dynamics.  Editora SAE Inc., 1995.