Os Motores em Engenharia Mecânica

MOTORES DE

COMBUSTÃO

INTERNA Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica 2014/2015

Relatório Projeto FEUP-Turma 1M06

Supervisor: Teresa Duarte

Monitor: José Sarilho

Trabalho realizado por:

Eduardo Miranda Moreira da Silva

João Diogo de Oliveira Dias Boavida Barroso

Marco Samuel Carvalho Ribeiro

Sara Alves Baía dos Santos

2 Projeto FEUP

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RESUMO

Este trabalho de carácter obrigatório é realizado no âmbito da Unidade

Curricular Projeto FEUP, que visa desenvolver as capacidades de trabalho em grupo, as

capacidades de pesquisa e de organização, e também promover aos alunos um

conhecimento da FEUP e dos seus serviços. Foi dado como tema Os Motores na

Engenharia Mecânica e pedido a realização de um relatório e um poster. Por opção do

grupo o subtema escolhido foi: Motores de Combustão Interna, pois são dos motores

mais utilizados e possuem uma grande importância.

Ao longo do relatório vão ser abordados vários aspetos dentro dos quais: uma

breve exposição da história evolutiva destes motores, a sua constituição e

funcionamento, como também, os vários tipos de motor incluído a distinção entre

motores de 4 tempos e 2 tempos dependendo do tipo de combustível, os seus ciclos e

por fim será feita uma referência ao motor Wankle.

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Índice

1.INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 4

2.BREVE HISTÓRIA ........................................................................................................................ 5

3.CONSTITUIÇAO DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA .......................................................... 7

4.TIPOS DE MOTOR....................................................................................................................... 9

4.1.Motores de 4 tempos .......................................................................................................... 9

4.1.1.Motor a gasolina e o motor a diesel .......................................................................... 10

4.2.Motores de 2 tempos a gasolina ....................................................................................... 11

5.CICLOS TERMODINÂMICOS ..................................................................................................... 13

5.1.Ciclo Otto ........................................................................................................................... 13

5.2.Ciclo Diesel ........................................................................................................................ 14

5.3.Ciclo Brayton ..................................................................................................................... 15

5.4.Ciclo Atkinson .................................................................................................................... 15

6.MOTOR ROTATIVO WANKEL ................................................................................................... 16

7.CONCLUSÃO ............................................................................................................................. 18

8.REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................................................... 19

8.1.Referências bibliográficas relativamente a imagens ........................................................ 20

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1.INTRODUÇÃO

Motor é um aparelho que transforma outras formas de energia em energia

mecânica, de modo a imprimir movimento a uma máquina ou veiculo. De entre os vários

tipos de motores existentes, vai-se aprofundar os motores de combustão interna.

O motor de combustão interna é uma máquina que transforma energia térmica

em energia mecânica. Este processo de conversão dá-se através de ciclos que envolvem

expansão, compressão e mudança de temperatura de gases.

Nos motores de combustão interna, o combustível é queimado no interior do

cilindro motor, ‘’utilizando os próprios gases de combustão como fluido de trabalho’’.

Estes motores são baseados no princípio de que os gases se expandem quando

aquecidos. Controlando-se essa expansão dos gases, pode-se obter pressão, a qual será

utilizada para movimentar algum órgão da máquina, tendo-se assim a transformação da

energia calorífera do combustível em energia mecânica no órgão motor da máquina. Os

motores a metano, a gasóleo e a gasolina são alguns exemplos deste tipo de motor.

‘’Os motores de combustão interna também são popularmente chamados de

motores a explosão. Esta denominação, apesar de frequente, não é tecnicamente

correta. De fato, o que ocorre no interior das câmaras de combustão não é uma explosão

de gases. O que impulsiona os pistões é o aumento da pressão interna da câmara,

decorrente da combustão (queima controlada com frente de chama). O que pode-se

chamar de explosão (queima descontrolada sem frente de chama definida) é uma

detonação dos gases, que deve ser evitada nos motores de combustão interna, a fim de

proporcionar maior durabilidade dos mesmos e menores taxas de emissões de

poluentes atmosféricos.’’.

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2.BREVE HISTÓRIA

Já há largos anos atrás que o ser humano procurar descobrir novas maneiras para

produzir energia mecânica de uma forma mais eficaz. Foi já no século XVII, que o homem

procurou construir um mecanismo que gerasse movimento de uma maneira

automática, sem que para isso fosse preciso recorrer a força humana ou animal, e para

que assim pudessem atingir “grandes distâncias e certas velocidades maiores que as dos

seus passos.”. Apareceu então o motor de combustão interna. Algo capaz de gerar e

libertar energia através de “processos de combustão levados a cabo no interior de um

mecanismo próprio”, e que revolucionou e impulsionou as formas de produzir energia

mecânica ao longo dos anos.

Este tipo de motor foi sendo trabalhado cronologicamente:

Século XVII - ainda antes de ter aparecido a máquina a vapor, o físico holandês

Christian Huygens construi o primeiro modelo daquilo que seriam os motores de

combustão interna. Ele construi um motor em que a explosão de pólvora dentro de um

cilindro fazia levantar um pistão, que ao voltar á sua posição inicial conseguia levantar

um peso devido à pressão atmosférica. Também Sir Samuel Morland usou o mesmo

combustível para movimentar bombas de água.

1859 - Jean Joseph Étienne Lenoir construi um

motor de dupla ação (fig.1) onde a combustão acontecia

de ambos os lados do pistão. O processo de

funcionamento era o seguinte: através das válvulas de

admissão eram introduzidos gás e ar durante a primeira

metade do movimento do pistão, esta carga era

queimada mediante uma faísca, e com o aumento da

pressão os gases queimados empurravam o pistão até

ao fim do primeiro movimento. Depois, no segundo

movimento, os gases eram expelidos pelas válvulas de

exaustão, enquanto do outro lado do pistão ocorria uma nova combustão. Foram então

construídos 5000 destes motores com um potência de cerca de 6 cavalos, e em que o

melhor valor de eficiência obtido foi perto de 5%.

1862 – Beau de Rochas patenteou o princípio de um motor a 4 tempos, sem no

entanto o desenvolver comercialmente. Ele concluiu que era obtido um melhor

desempenho do motor segundo as condições: “menor relação superfície/volume para o

cilindro do pistão, processo de expansão o mais rápido possível, máxima expansão

possível e máxima pressão possível no começo do processo de expansão dos gases

dentro do cilindro.” Estas condições visavam reduzir as perdas de calor conservando a

energia nos gases de combustão e obter o máximo de potência possível. Ele indicou

também a sequência de movimentos desejável para um motor, sequência essa utilizada

até hoje.

Fig.1. Motor de Lenoir [1]

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1867 – Nicolaus Otto fez a primeira realização prática do motor a 4 tempos com

a ajuda de Eugen Langen. Otto construiu um motor baseado no conceito de “pistão livre”

que tinha uma eficiência de 11% e foram construídos cerca de 10000 do mesmo tipo,

pois ele foi muito popular no seu tempo.

1876 – Nicolaus Otto, usando o princípio patenteado por Beau de Rochas,

produziu com sucesso o primeiro motor a 4 tempos a utilizar gasolina (um 1º tempo de

admissão, 2º de compressão da mistura, 3º de Combustão e um 4º tempo para a

Exaustão). Apesar de este motor apresentar uma eficiência próxima da do anterior, foi

a “enorme redução em tamanho, peso e volume e o seu potencial para evolução no

futuro” que explica o seu sucesso, tendo marcado a história da humanidade.

1883 - Gottlieb Dailmer e Wilhelm Maybach revolucionaram a indústria

automóvel com a criação do seu motor monocilíndrico de quatro tempos, que

comparado com os motores na época existentes, atingia uma velocidade muito superior

e tinha muita maior potência comparando-o com os do mesmo peso. Este motor atingia

600 rotações por minuto e o de Otto atingia apenas 130.

1879 – Karl Benz dedicando-se aos motores de combustão interna a 2 tempos,

“em que os processos de exaustão e admissão ocorriam no fim da combustão e no início

da compressão”, conseguiu um funcionamento satisfatório destes motores.

1886 - Benz desenvolveu um motor com uma

potência de cerca de ¾ cavalos e que andava a uma

velocidade de 15 km/h. Este motor, que era refrigerado a

água e estava ligado por uma correia à transmissão e ao

diferencial, foi utilizado num automóvel com 3 rodas de

bicicleta, automóvel esse a qual foi atribuído o estatuto de

primeiro automóvel do mundo (fig.3).

1892 - Rudolf Diesel desenvolveu um motor que é

até hoje utilizado nos transportes públicos, de cargas e

marítimos. Este tipo de motor obteve um rendimento

nunca antes obtidos em motores de combustão interna, porque funciona através de

autoignição, isto é, era iniciada a combustão através da injeção de um combustível

líquido para o ar, que aquecido apenas pela compressão, inflamava por si mesmo, o que

permitia aumentar a eficiência para o dobro.

1893 - Diesel aumentou ainda mais a eficiência, com o ciclo a pressão constante.

A eficiência elevou-se de 16% para 26.2% e nasceu assim o motor de ciclo diesel.

Desde então, que vários foram os que apareceram com novas invenções,

contribuindo para o aumento da indústria dos motores de combustão interna e da

indústria automóvel. Um exemplo é o motor Wankel.

Fig.2.Considerado o 1º automóvel do mundo [2]

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3.CONSTITUIÇAO DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA

Um motor de combustão interna é uma máquina térmica que transforma

energia térmica (proveniente de uma reação química) em energia mecânica. É preciso,

como tal, saber com funciona um motor e os seus constituintes na generalidade.

Um motor é divido em três grandes

partes (fig.3):

● Cabeça ou culassa, que se

encontra no topo, onde se

encontram as válvulas;

● Bloco do motor, é o elemento

principal deste, é nele que se

encontram os cilindros sendo

também designado de bloco de

cilindros;

● Carter, é a parte inferior do

motor que tem a função de

armazenar óleo de lubrificação e

do seu respetivo arrefecimento;

No bloco de cilindros existem várias peças

fundamentais tais como as cavidades

cilíndricas onde são colocadas camisas

dentro das quais trabalham os pistões.

Os cilindros são uma das principais peças dos motores pois é aqui que se

deslocam os êmbolos. O bloco do motor é assim caracterizado pelo número e

disposição de cilindros. Existem por isso blocos de motores que variam entre o 1

e 12 cilindros e estes podem estar colocados em linha, em V, em W, horizontais

opostos e ainda em estrela.

A camisa do cilindro consiste no forro interior do cilindro, isto é, no seu interior

é que se deslocam os êmbolos. As camisas têm assim a função de no caso de

desgaste excessivo ou um problema de “gripagem” apenas é necessário a

substituição das camisas. Existem no entanto dois tipos de camisas: as camisas

secas e as camisas húmidas. Na camisa húmida a superfície externa encontra-se

em contacto direto com o líquido do refrigerante, este líquido tem espaço deste

modo para circular entre a parede da camisa e do bloco. Enquanto a camisa seca

não entra em contacto com o líquido refrigerante.

Fig.3.Esquema de motor do ciclo de otto [3]

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Os pistões com a ajuda da cambota e das bielas, constituem o sistema biela-

manivela, que serve para transformar a energia proveniente da combustão da

mistura ar-combustível /combustível em energia mecânica útil.

O pistão é dos elementos mais importantes de um motor, visto que é animado

de grandes velocidades, tem de resistir a enormes pressões e temperaturas

resultantes da combustão e transmitir a força resultante à biela. Os segmentos

em volta do pistão devem ainda assegurar boa estanquicidade com o cilindro,

dissipando para este o calor recebido da combustão.

A biela é o órgão que faz a união do êmbolo à cambota, transforma deste modo

o movimento alternativo do êmbolo em movimento rotativo da cambota. A biela

é dividida em três partes: o pé da biela que esta ligada ao êmbolo através do

cavilhão; a cabeça é aquela que faz a ligação com a cambota abraçando um

moente desta com interposição de uns casquilhos, a cabeça divide se em duas

partes por forma a permitir a ligação e separação da biela à cambota, por fim

temos o corpo da biela que se situa entre a cabeça e o pé este tem normalmente

uma secção transversal em duplo T. As bielas têm deste modo de ser resistentes,

rígidas e leves.

A cambota tem como principal função receber o movimento alternativo e linear

do êmbolo e da biela e, transformá-lo em movimento de rotação, dando origem

a um binário. A cambota é constituída pelos seus apoios que a fixam ao berço da

mesma, os moentes onde se fixam as cabeças das bielas e em oposição a estes

moentes os contrapesos para equilíbrio da cambota. Tem ainda os discos de

união da cambota ao volante do motor.

Temos ainda outros constituintes quanto ao sistema de distribuição, isto é, o controlo

da saída e entrada dos gases no cilindro.

A árvore de cames é um veio de ressaltos que comanda as válvulas, esta roda a

metade da velocidade da cambota. Os motores podem ser de árvore de cames

lateral ou á cabeça consoante a sua localização. No entanto o número utilizado

e a localização da árvore de cames depende do tipo de motor e foi evoluindo ao

longo da história.

As válvulas têm a função de permitir que os gases entrem e saiam do cilindro,

fechando ou abrindo a comunicação entre o cilindro e os coletores de admissão

ou de escape. Cada válvula está dividida em duas partes: a cabeça, cujo desenho

varia conforme seja de admissão ou de escape, a sua forma facilita o escoamento

dos gases frescos para dentro ou para fora; e a haste, que tem a função de

guiamento, isto é, meio transmissor de calor. A válvula de escape tem a função

de permitir que os gases saiam do cilindro enquanto a válvula de admissão

mantem a comunicação com o sistema de alimentação.

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4.TIPOS DE MOTOR

4.1.Motores de 4 tempos Um motor de 4 tempos tem como o próprio nome diz 4 fases de funcionamento (fig.4):

1ºTempo: Admissão, nesta fase o pistão realiza um movimento descendente, estando a

válvula de admissão aberta. O pistão movimenta se do ponto morto superior (PMS),

para o ponto morto inferior (PMI), no seu movimento descendente, o pistão provoca

uma depressão no interior do cilindro, e assim a mistura/ar puro entra no cilindro.

2ºTempo: Compressão, aqui ambas as válvulas estão fechadas, o pistão sobe (do ponto

morto inferior para o ponto morto superior), comprimindo a mistura/ar puro que foram

admitidos durante a admissão. Esta compressão vai elevar as temperaturas e a

turbulência da mistura/ ar puro.

3ºTempo: Expansão-Combustão, no momento em que o pistão chega ao fim do

movimento de compressão, uma faísca é lançada entre os elétrodos da vela. Depois da

queima dos gases, obtém-se uma pressão muito elevada, o que provoca a descida do

pistão até ao ponto morto inferior. É a única altura em que o motor fornece trabalho

sendo por isso também designado de tempo-motor.

4ºTempo: Escape/Exaustão, a válvula de escape abre-se no fim do tempo do motor e os

gases queimados são empurrados para ela a grande velocidade. Aqui o pistão, no seu

movimento ascendente, vai limpar o interior do cilindro, sendo a válvula de escape

fechada quando o pistão chega ao ponto morto superior, e abre-se a válvula de

admissão reiniciando se o processo.

Fig.4-Os 4 tempos de um motor

de combustão interna [4]

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4.1.1.Motor a gasolina e o motor a diesel No entanto existem diferenças entre o funcionamento de um motor a 4 tempos de gasolina e

de diesel:

- Nos motores a gasolina durante a admissão entra uma mistura de ar + combustível

enquanto no motor a diesel entra apenas ar puro;

- Durante a fase de compressão num motor diesel quando o pistão chega ao ponto

morto superior (PMS) o diesel é injetado a uma pressão de 200 bar, no motor de gasolina

apenas ocorre a compressão do ar + combustível;

-O motor a gasolina aspira uma mistura de combustível + ar, assim necessita de uma

vela para que a mistura exploda fazendo descer ao longo do cilindro, enquanto que no

motor diesel o ar é comprimido e só depois é injetado o combustível e é neste momento

que acontece a explosão, dai que o motor de gasolina tenha uma vela e o motor diesel

apresenta um injetor no lugar da vela;

-No motor a gasolina o ar passa por uma válvula tipo borboleta que esta ligado ao pedal

do acelerador que controla a quantidade de ar e combustível admitidos, na maioria dos

motores a diesel essa válvula não existe e a quantidade de ar admitido depende da

rotação do motor, isto é, é feita pela bomba injetora;

- A câmara de combustão no motor a gasolina (ciclo Otto) é entre 8 e 11 vezes menor

que a capacidade cubica do cilindro o que determina uma compressão menor que no

motor diesel, visto que, a câmara de combustão é 16 a 24 vezes menor que o volume

do cilindro resultando numa maior taxa de compressão;

-A temperatura esta de modo diretamente relacionada com a taxa de compressão,

quanto maior a compressão maior a temperatura, dai que num motor diesel a

temperatura pode chegar a 800ºC, e num motor a gasolina apenas chega a 450ºC;

-A expansão no motor à gasolina é forte, mas tem pouca duração, já no motor a diesel

não tem tanta força mas dura mais tempo;

GASOLINA DIESEL

Injeção direta Injeção indireta

Pressão de compressão 11-18 Bar 18-22 Bar 25-35 Bar

Pressão de combustão 40-60 Bar ±100 Bar 60-80 Bar

Pressão de injeção 5-25 Bar 150-350 Bar 60-80 Bar

Relação de compressão 7:1 – 12:1 14:1 – 18:1 18.1 – 22.1

Tem

per

at

ura

(ºC

) Combustão 2000 – 2500 2000 – 2500

Gases de escape 700 – 1000 500 – 600

Gases de êmbolo 280 – 430 250 – 320

Gases de válvula 600 - 820 400 – 500

Fig.5- Relação das pressões de combustão entre um motor a gasolina e um motor a

diesel. [5]

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4.2.Motores de 2 tempos a gasolina

Os motores denominados 2 tempos são encontrados em motorizadas, jet skis, aeromodelos, motosserras, entre outros equipamentos. Eles não têm válvulas de admissão e escapamento, mas sim umas janelas laterais no cilindro, o que simplifica sua construção e reduz seu peso consideravelmente.

A imagem a seguir mostra a constituição de um motor de dois tempos, verifica-se assim a existência de 3 janelas (fig.4):

Janela de carga - janela de transferência que permite a comunicação entre o cárter e o cilindro;

Janela de escape - permite a comunicação entre o cilindro e a atmosfera, através das condutas de escape;

Janela de admissão - permite a comunicação entre o cárter e as condutas de admissão.

Estes motores tal como num ciclo a 4 tempos apresentam 4 fases, no entanto o ciclo operativo é realizado com cada êmbolo do motor a efetuar apenas 2 tempos. A fase de admissão efetua-se durante uma fase de compressão e a fase de escape durante uma fase durante uma parte da fase de expansão. O motor a dois tempos funciona da seguinte forma:

1ºTempo Descida do pistão (fig.5): o pistão encontra se no PMS, estando a mistura fortemente comprimida, onde a vela de ignição faz saltar uma faísca, provocando uma explosão, e consequentemente a descida do êmbolo, no inicio da descida a janela de admissão encontra-se aberta enquanto as outras estão tapadas pelo pistão, neste momento a mistura é aspirada das condutas de admissão para o cárter, onde a mistura vai ser continuamente comprimida. Continuando o seu movimento descente o êmbolo começa a destapar a janela

de escape e os gases queimados escapam para o exterior. Até que o êmbolo destapa a janela de carga, e a mistura que se encontrava no cárter passam para o interior do cilindro, e o pistão atinge assim o seu ponto mais baixo.

Fig.6.- Janelas do motor a 2

tempos. [6]

Fig.7.-Movimento de descida do

pistão num motor a 2 tempo [7]

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2ºTempo Subida do pistão (fig.6): O pistão inicia o seu movimento desde PMI até PMS, tapando a janela de carga mantendo-se ainda aberta a janela de escape, deste modo deixam de entrar gases frescos para o cilindro, acabando a admissão. Continuando o seu movimento o êmbolo acaba por tapar também a janela de escape dando fim a fase de escape. A medida que este se aproxima do PMS a mistura vai sendo comprimida e a depressão no carter aumenta, até que o êmbolo destapa a janela de admissão e devido a pressão existente no carter a mistura é aspirada para este. Quando o pistão atinge o PMS, a mistura esta ni máximo da sua compressão, e reinicia-se o processo.

Fig.8.-Movimento de subida do pistão num motor a 2 tempos [8]

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5.CICLOS TERMODINÂMICOS

5.1.Ciclo Otto

Recebe o nome de ciclo de Otto, o ciclo termodinâmico que representa o funcionamento de motores de combustão interna, popularmente conhecidos como motores a explosão. O ciclo foi definido e patenteado pelo engenheiro francês Beaus de Rochas, porém, o engenheiro alemão Nikolaus August Otto o implementou, sendo o primeiro a construir um motor com base nesse ciclo.

O modelo ideal do ciclo de Otto é constituído por quatro processos reversíveis internamente (fig.7):

1. Admissão isobárica 2. Compressão adiabática 3. Expansão adiabática 4. Exaustão isobárica

Motores de automóveis movidos a gasolina, álcool ou gás natural operam com base no ciclo de Otto. Esse tipo de motor também é chamado de motor de quatro tempos uma vez que ocorre num ciclo de 4 etapas: admissão, compressão, expansão e exaustão, como já foi explicado anteriormente.

Fig.9.- Gráfico que representa graficamente o que acontece no ciclo de

Otto [9]

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5.2.Ciclo Diesel

O ciclo de diesel é essencialmente caracterizado pela combustão ser causada

pela compressão da mistura ar + combustível. O ar é admitido pela câmara no primeiro

ciclo entrando na câmara. No segundo ciclo, o pistão faz a compressão dessa massa de

ar e a término da compressão, injeta-se combustível sob pressão no interior da câmara.

Dada as altas temperatura e pressão no interior da câmara, a mistura sofre a explosão

ao final do ciclo. A expansão do gás originário dessa explosão expande-se originando o

terceiro ciclo. Finalmente o gás de resíduos da combustão é liberado pelas válvulas,

quando então, reinicia-se o processo.

De uma forma geral o estado inicial do ciclo de diesel é aquele que promove uma

compressão adiabática e leva a máquina ao próximo estado. Neste estado ocorre uma

transferência de calor isobárica onde a máquina recebe calor. Durante a mudança deste

para o próximo estado, ocorre uma expansão adiabática. Finalmente, ocorre uma

transferência de calor isocórica onde a máquina perde calor e a partir daí, reinicia-se o

ciclo.

Na figura 8 tem-se um diagrama p-V (pressão em função do volume) do ciclo de

Diesel, onde Q1 é o calor recebido e Q2 é o calor perdido para o meio. Cabe ressaltar

que os pontos numerados 1, 2, 3 e 4 são os estados do sistema termodinâmico.

Relembrando:

· Adiabático – conhecido também como isoentrópico, ocorre quando não há troca de calor, e a

entropia se mantém constante.

· Isotérmico – é um processo que ocorre com a temperatura constante.

· Isobárico – quando a pressão se mantém constante.

· Politrópico – todas as propriedades envolvidas na transformação se modificam.

Fig.10.Gráfico p/v do funcionamento do Ciclo de Diesel [10]

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5.3.Ciclo Brayton O ciclo Brayton é o ciclo de funcionamento de uma turbina a gás. A figura

seguinte mostra o ciclo Brayton de circuito aberto, que é utilizado na maioria das

turbinas a gás.

Entre 1 e 2 o ar é comprimido por um compressor tipo axial (processo

adiabático), tornando a pressão interna na turbina maior que a pressão externa. Ao

passar pelo queimador ou câmara de combustão (de 2 a 3), o ar se expande devido ao

fornecimento de calor pelo processo de combustão. Isso ocorre supostamente sob

pressão constante (processo isobárico) porque a forma construtiva da câmara oferece

pouca resistência ao fluxo, mas há um considerável aumento no volume dos gases. O ar

aquecido pela combustão movimenta a turbina (processo adiabático) de 3 a 4. Saindo

da turbina, o ar troca calor com o ambiente (processo isobárico).

O diagrama da figura acima não corresponde ao modo construtivo real.

Normalmente há vários queimadores dispostos em círculo entre o compressor e a

turbina. Este ciclo também é conhecido como Ciclo de Joule.

5.4.Ciclo Atkinson Em 1882, James Atkinson (1846-1914) queria fabricar motores de ciclo de quatro

tempos, mas por causa da patente já registrada em nome do alemão Nikolaus Otto, feita

em 1876, o engenheiro britânico decidiu criar um novo tipo de motor para poder entrar

no mercado que estava nascendo.

Assim, ele patenteou o ciclo Atkinson, que ao invés dos quatro tempos

(admissão, compressão, expansão e exaustão), apresentava funcionamento com cinco

estágios. A ideia era aumentar a eficiência energética em detrimento da performance.

Assim, aumentando-se a fase de expansão e reduzindo a de compressão, obtinha-se

melhor rendimento.

Para criar esse efeito, Atkinson criou um complexo mecanismo de articulação até

à cambota, fazendo com que a compressão na câmara fosse diferente daquela da

expansão, que faz com que o pistão complete as 5 etapas em apenas uma volta da

cambota.

Os 5 tempos são Admissão, Fluxo inverso (parte do gás volta para a válvula de admissão,

de modo a poupar a mistura), Compressão, Expansão e Exaustão).

Fig.11.-Funcionamento de uma

Turbina de gás. [11]

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6.MOTOR ROTATIVO WANKEL

O motor de Wankel é o único motor que funciona sem usar o sistema biela-

manivela com algum sucesso, depois de muitas tentativas na utilização desse tipo de

motores. Foi Felix Wankel quem o inventou e este motor utiliza rotores com formato

semelhante ao de um triângulo em vez dos pistões dos motores alternativos

convencionais.

Este motor já foi utilizado em automóveis e motas, mas atualmente apenas a

Mazda (construtor de automóveis) o uso em carros desportivos - RX-8. Contudo, a

Citröen e a Suzuki (construtor de motos) também já o produziram no passado.

Atualmente o motor Wankel tem-se usado sobretudo em aviões e em ‘’hovercrafts’’,

devido ao seu baixo peso.

Constituição do motor Wankel (ver fig.12):

R – rotor (tem 3 lóbulos, cada um com uma câmara

de combustão)

cc – câmara de combustão

A – janela de admissão (periferia)

E - janela de escape (periferia)

RD – roda dentada fixa à carcassa

V – veio de saída (apresenta uma excentricidade de

modo a que o movimento do rotor seja a ele

transmitido)

A zona da esquerda é a zona da lavagem

(admissão-escape) enquanto a zona da direita é

a de combustão (onde se vêem 2 velas).

Funcionamento do motor

Na fase de admissão (a) o volume entre o rotor e a carcassa aumenta, a janela

de admissão encontra-se aberta. Depois na fase de compressão (b) a janela é fechada

pelo rotor e o volume começa a diminuir, este processo dura até que o espaço livre seja

o mínimo (equivalente ao PMS num motor alternativo). Ao atingir esse ponto dá-se a

faísca das velas (geralmente não simultâneas). Segue se por fim a fase de expansão (d)

que ao chegar ao fim abre-se a janela de escape, por onde os gases queimados são

descarregados durante a fase de escape (e).

Enquanto um dos lóbulos faz estas 4 fases, os restantes fazem-nas também, pelo

que temos 3 fases motoras para cada rotação do rotor. Verifica-se ainda que para cada

rotação do rotor o eixo de saída realiza 3 rotações (o rotor sobe e desce 3 vezes), haverá

assim uma fase motora para cada rotação do veio, o que torna este motor semelhante

ao motor a 2 tempos. (retirado do livro Motores de Combustão Interna de Jorge Martins)

Fig.12.-Motor Wankle [12]

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Vantagens:

O motor é muito suave e apresenta um valor baixo de vibrações, pois não apresenta

movimentos alternativo, só havendo um movimento, o que faz com que haja um menor

desgaste e uma vida mais longa. A sua subida de rotação é muito rápida, pela razão

anterior e porque as peças em movimento têm pouca inércia.

Neste tipo de motor, a elevada potência, que é

o dobro dos motores convencionais com a mesma

cilindrada (devido ao facto de cada lado do seu rotor

se encontrar numa fase do ciclo, gerando mais

explosões), a elevada velocidade máxima de

funcionamento e o baixo volume e peso são

importantes vantagens.

Desvantagens:

Os inconvenientes são muitos, mas os mais relevantes são:

-O motor Wankel aquece muito mais que o motor a pistões, devido às altas rotações,

trabalhando sempre no ‘’limite’’, pelo que apresenta grandes gradientes térmicos que

têm de ser minimizados;

-Existem muitas perdas por atrito que resultam do elevado número de segmentos.

-A taxa de emissão de gases poluentes é elevada;

-É muito difícil em manter uma vedação ideal da câmara de combustão devido à

dilatação térmica, o que causa algumas dificuldades devido ao rigor das especificações

do projeto e às tolerâncias mínimas na produção;

-A reparação deste tipo de motor é difícil e cara, devido à complicada geometria da

carcassa.

Fig.14.-detalhes do interior do

motor Wankel. [14]

Fig.13- Ciclo de funcionamento do motor Wankle. [13]

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7.CONCLUSÃO

Depois de toda a recolha e estudo da informação com que foi possível realizar e

concluir este trabalho sobre motores de combustão interna, pode-se retirar várias

conclusões.

Relativamente á evolução deste tipo de motores ao longo dos anos pode-se

concluir que foram vários os engenheiros, cientistas, entre outros que trabalharam e

tentaram desenvolver os motores de combustão interna. De todos destacam-se, por

exemplo, Étienne Lenoir, Beau de Rochas, Nicolaus Otto, Rudolf Diesel, etc.

Ganhou-se uma maior noção relativamente ao funcionamento destes motores e

quais são todas as peças que o constituem. Os motores podem ser divididos em três

partes que incluem várias peças como o pistão ou a biela. E cada peça desempenha um

papel diferente e indispensável para o seu funcionamento.

Ficou-se a saber que existem diferentes tipos de motores. Existem motores de 2

tempos e outros de 4, que trabalham de maneiras diferentes, e existem também

motores a gasolina ou gasóleo. Enquanto no motor a dois tempos o pistão apenas realiza

um movimento descendente e outro ascendente, no de quatro tempos ele realiza este

processo duas vezes. Já a principal diferença entre os motores a gasolina e a diesel é a

ignição, pois nos motores a gasolina a combustão da mistura é provocada por uma faísca

produzida pela vela de ignição, enquanto nos outros essa combustão deve-se ao

aumento da temperatura provocado pela compressão. Além das diferenças que se

encontram na forma de funcionamento, também existem diferenças relativamente à

eficiência do motor, à emissão de gases poluentes, entre outras.

Dentro dos ciclos termodinâmicos, aprendeu-se em que se baseia o ciclo Otto, o

ciclo Diesel, o ciclo Brayton e o ciclo Atkinson. Todos eles são usados nos motores de

combustão interna e cada um tem as suas vantagens e desvantagens.

Assim, adquiriu-se uma noção diferente daquilo que é o funcionamento dos

motores de combustão interna e aprendemos que nem todos estes motores que geram

energia mecânica trabalham de igual maneira. Além disso, o aparecimento deste tipo

de motores foi algo que revolucionou e impulsionou o mundo para um lugar mais fácil

de habitar.

No âmbito do projeto FEUP, foi possível aprender como fazer um relatório em

engenharia e desenvolveram-se as capacidades de realização de trabalhos em grupo,

bom como as técnicas de pesquisa de informação, entre outras.

19 Projeto FEUP

Os Motores em Engenharia Mecânica

8.REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS

Gionei daRocha. “História do Motor a Combustão Interna ciclo “Otto””. INFOMOTOR.

http://www.infomotor.com.br/site/2009/01/historia-do-motor-a-combustao-interna-

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Prof. Jorge Nhambiu. “Motores Térmicos”. http://nhambiu.uem.mz/wp-

content/uploads/2012/08/MT_-Aula-01.pdf Acedido a 6 de Outubro de 2014

Yolanda Vieira de Abreu. “Motor de Combustão Interna”. eumed.net.

http://www.eumed.net/libros-

gratis/2010e/827/Motor%20de%20Combustao%20Interna.htm Acedido a 6 de

Outubro de 2014

http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema003/liquidos/diesel/historia.htm .

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Martins, Jorge. Motores de Combustão Interna.Publindústria, 2ºedição. Porto,2006.

CEPRA (Centro de Formação Profissional de Reparação Automóvel).Formação Modular

Automóvel: Características e Funcionamento dos

Motores.1ºedição.Portugal,Lisboa,2000.

Mayara Lopes Cardoso. “Ciclo Otto”. InfoEscola.

http://www.infoescola.com/fisica/ciclo-de-otto/. Acedido 7 de Outubro 2014.

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híbridos”. Notícias Automativas.http://www.noticiasautomotivas.com.br/o-que-e-o-

ciclo-atkinson-motor-e-usado-normalmente-em-hibridos/. Acedido 8 de Outubro de

2014.

Filipe Morto Água. “Ciclo Brayton”.

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de 2014.

Marshall Brain. “Como funcionam os Motores”. HowStuffWorks.

http://carros.hsw.uol.com.br/diesel.htm. Acedido 2 de Outubro de 2014.

Wikipedia. “Motores de Combustão Interna”. Wikipedia.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combust%C3%A3o_interna. Acedido 4 de

Outubro de 2014.

Dfandrade33. “Diferença entre Motores Diesel e Gasolina”.YouTube vídeo.

https://www.youtube.com/watch?v=JnwVHbizoEc. Acedido 2 de Outubro de 2014.

20 Projeto FEUP

Os Motores em Engenharia Mecânica

8.1.Referências bibliográficas relativamente a imagens

[1] retirada de

https://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%89tienne_Lenoir#mediaviewer/File:Lenoir_Motor_

2.jpg Acedido a 25 de Outubro de 2014

[2] retirada de http://en.wikipedia.org/wiki/Karl_Benz#mediaviewer/File:1885Benz.jpg

Acedido 25 de Outubro de 2014

[3], [12], [13] retiradas de Martins, Jorge. Motores de Combustão

Interna.Publindústria, 2ºedição. Porto,2006.

[4] retirada de http://parquedaciencia.blogspot.pt/2013/08/combustao-poluicao-e-

automoveis.html Acedido 4 de Outubro de 2014

[5], [6], [7], [8] retiradas de CEPRA (Centro de Formação Profissional de Reparação

Automóvel).Formação Modular Automóvel: Características e Funcionamento dos

Motores.1ºedição.Portugal,Lisboa,2000.

[9] retirada de Figura modificada com base na original do artigo Máquinas Térmicas a

Combustão Interna de Otto e de Diesel-autor Fernando Lang

[10] retirada de http://www.appuntidigitali.it/11701/motori-ad-accensione-

spontanea/ Acedido 27 de Outubro de 2014

[11] retirada de http://filipemortagua.com.sapo.pt/ciclo%20brayton.htm Acedido a 7

de Outubro de 2014

[14] retirada de

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_Wankel#mediaviewer/File:DrehkolbenmotorDKM

54.JPG Acedido a 8 de Outubro de 2014