Outubro de 2009

Motores de

Combusto Interna Relatrio

Ana Paula Fernandes Miranda

Hamilton

Joo Pedro Oliveira Reis

Tnia de Lurdes Ferreira Azevedo

Tiago Valente Guedes Ferreira Lus

Docente/Orientador: Professor Jos Ferreira Duarte

2 Outubro de 2009

Resumo

Este relatrio reporta um trabalho realizado acerca dos motores de combusto interna.

tinne Lenoir foi o inventor do 1 motor de combusto interna (1860), usando uma mistura de gs de carvo e ar no ciclo do motor.

Este motor uma mquina trmica onde a energia proveniente de uma reaco qumica transformada em energia mecnica. assim denominado porque a sua combusto ocorre numa cmara que contm um pisto que influencia o seu movimento.

O funcionamento destes motores rege-se por ciclos termodinmicos, dos quais podem ser destacados os motores a quatro e a dois tempos. So mquinas bastante complexas, com muitos constituintes, cada um com a sua funo, no entanto, como qualquer conjunto. so interdependentes.

conhecido o grande impacto ambiental deste tipo de mquinas. medida que vamos avanando no tempo, cientistas e engenheiros trabalham em busca de melhores motores, mas tambm de motores menos poluentes, que contribuem para um ambiente mais limpo. De louvar tambm o trabalho de vrias instituies no sentido de realizar acordos entre os pases que se comprometem a reduzir a emisso de poluentes.

3 Outubro de 2009

Palavras-Chave

Crter Constitui a parte inferior do motor. Geralmente uma pea de ao estampado para resistir aos choques.

Culassa Tambm conhecida por cabea do motor, esta estrutura encontra-se no topo do motor. O material mais usado no seu fabrico so as ligas de alumnio, visto que so fceis de trabalhar, so leves e tm uma boa condutibilidade trmica;

Bloco Parte estrutural do motor. Antigamente era fabricado em ferro fundido, agora usam-se ligas leves para reduo do peso e melhorar a transferncia de calor;

Pisto Devido s grandes velocidades, presses e temperaturas a que submetido, considerada das peas que maior esforo tem de realizar. Transmite fora (da ordem das toneladas) biela;

Manivela Tambm conhecida por cambota, esta tem que transformar o movimento do pisto em movimento de rotao;

Biela Esta pea tem como funo transformar o movimento alternativo do pisto em movimento de rotao da cambota;

Vlvulas As vlvulas so peas que permitem a entrada e/ou sada dos gases da cmara de combusto pelo colector de admisso e de escape, respectivamente.

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ndice

Resumo .2

Introduo..5

Motores de Combusto Interna

Histria/Evoluo do Motor .6 e 7

Aplicaes ..8

Constituintes/Princpios de Funcionamento

Anlise de Ciclos 9, 10, 11 e 12

Descrio dos Motores ....13, 14 e 15

Tipos de Motores ...16,17,18, 19 e 20

Combustveis 21,22 e 23

Impactos ambientais/Alternativas ..24 e 25

Concluso .26

Bibliografia 27

Sitiografia..28

5 Outubro de 2009

Introduo

Este trabalho foi realizado com o objectivo de dar a conhecer todo o contexto histrico e cientifico que envolve os motores de combusto interna. Para isso, realizmos um exaustivo trabalho de pesquisa de forma a poder focar todos os aspectos essenciais abordagem do tema proposto.

Durante o processo de investigao surgiram-nos algumas dvidas s quais procuramos responder de forma a podermos no s adquirir o conhecimento, como tambm transmiti-lo.

Pontos de importante relevo:

Como surgiram e evoluram os primeiros motores? Qual a sua constituio? Como funcionam? Qual o impacto ambiental dos motores de combusto interna?

Ao longo do trabalho procurmos responder s perguntas anteriormente assinaladas da forma mais completa possvel e pormenorizada no intuito de esclarecer e informar ao mximo todos os que o forem ler e/ou ver.

6 Outubro de 2009

Motores de Combusto Interna

Histria/Evoluo do Motor

O francs Nicolas Diogo Lonard Sadi Carnot, desenvolveu em 1824 a teoria fundamental dos motores de combusto interna de dois tempos, enquanto a patente do primeiro motor de combusto interna foi desenvolvida por Samuel Morey nos Estados Unidos, em 1826.

Em 1859, Etienne Lenoir, desenvolveu a converso de um motor a vapor, como podemos observar na figura1. Era um motor de dupla aco, isto , as foras da combusto actuavam alternadamente de um lado e do outro do pisto.

Fig. 1 - Primeiro motor de Lenoir;

De 1833 a 1895 Lenoir desenvolveu o primeiro motor a pisto que foi

comercializado. Uma caracterstica singular deste motor, como j foi dito, que a combusto acontecia dos dois lados do pisto. O controlo de entrada e sada dos gases realizava-se por meio de vlvulas de admisso e exausto.

O princpio de funcionamento deste motor era o seguinte: gs e ar eram introduzidos no pisto durante a primeira metade do deslocamento do mesmo. A carga era ento queimada mediante uma fasca, a presso aumentava e os gases queimados empurravam o pisto at o fim do curso do mesmo. Na segunda batida do pisto, os gases de exausto eram expelidos, enquanto uma nova combusto acontecia do outro lado do pisto.

O ciclo era completado com uma segunda batida do pisto, de exausto. 5000 destes motores foram construdos entre 1860 e 1865, com uma potncia de at 6 HP. O melhor valor obtido da eficincia foi em torno dos 5%.

O motor com a melhor taxa de sucesso foi desenvolvido por Nicolaus Otto entre 1832 e 1891 e Eugen Langen entre 1833 e 1895, na Alemanha. E foi mais tarde em 1867 que surgiu a sua apresentao em Paris na Exposio Industrial.

O conceito deste motor era o de pisto livre, sendo este pisto impulsionado pela exploso dos gases no cilindro, o pisto estava ligado a um volante atravs de

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uma cremalheira e uma engrenagem. No retorno do pisto era produzido trabalho mecnico.

O movimento do volante produzia por sua vez a abertura e fecho de uma vlvula de admisso e de ignio. Tambm neste caso no havia compresso dos gases antes da combusto. Foram construdos 10.000 motores deste tipo, e dominaram o mercado at a introduo do motor Otto de quatro tempos. A eficincia do motor de Otto era de 11%.

Em 1876, Nicolaus Otto, com o motor de quatro tempos, reduziu para 1/3 o peso do motor e para 1/16 o curso do pisto, a eficincia aumentou para 14%.

No ano de 1880, Dugald Clerk e James Robson (ingleses) e Karl Benz(alemo), desenvolveram o motor de dois tempos.

Rudolf Diesel, patenteou o motor de ignio por compresso em 1892, no entanto este demorou 5 anos para desenvolver um prottipo comercial. Podemos visualizar esse motor na figura 2.

Fig.2 - Motor original de Rudolf Diesel, o primeiro motor a diesel;

8 Outubro de 2009

Aplicaes

Os motores de combusto interna tm diversas aplicaes e so muito utilizados actualmente ao servio da tecnologia e do desenvolvimento da mesma. So usados principalmente na indstria rodoviria, nos automveis, motos e camies mas tambm em avies e navios, como se pode observar nas figuras 3 e 4). Podem ser encontrados tambm noutros campos, como na produo de electricidade e no bombeamento de gua tal como se pode observar na figura 5 e 6). Embora estes no consigam competir com as turbinas dos avies e os motores nucleares dos navios de grande porte, no tm concorrncia na estrada. Bastante importante fazer referncia tambm ao aumento do rendimento do motor ao longo do tempo e diminuio de gases poluentes expelidos pelo mesmo, que cerca de 100 vezes inferior aos de 40 anos atrs.

Fig.3 Carro; Fig.4 Avio;

Fig.5 Gerador; Fig.6 Bombeamento de gua;

9 Outubro de 2009

Constituintes/Princpios de Funcionamento

Anlise de Ciclos

Quanto aos ciclos termodinmicos destacam-se os seguintes: ciclo de Otto, ciclo de Diesel e ciclo de Brayton.

Ciclo de Otto O ciclo ideal de Otto constitudo pelos seguintes processos 1. Admisso (0-1) 2. Compresso (1-2) 3. Combusto (2-3) e expanso (3-4) 4. Abertura de vlvula (4-5) e exausto (5-0)

Grfico I - Ciclo ideal de Otto

As vrias fases do ciclo de Otto so:

I. Com o pisto no ponto morto superior (PMS) aberta a vlvula de admisso, sendo que a vlvula de escape fica fechada. A mistura gasosa regulada pelo sistema de alimentao, que pode ser por carburador ou injeco electrnica, que permite respostas mais rpidas por parte do motor. O mbolo impulsionado para baixo pelo veio de manivelas, move-se ento at ao ponto morto inferior (PMI). A esta 1 fase d-se o nome de admisso.

II. A vlvula de admisso fecha-se, ficando o cilindro cheio com a mistura gasosa, que agora comprimida pelo pisto, impulsionado no seu sentido ascendente em direco cabea do motor pelo veio de manivelas at atingir de novo o PMS. Durante este movimento as duas vlvulas se encontram fechadas. A esta 2 fase d-se o nome de compresso.

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III. Quando o pisto atingiu o PMS, a mistura gasosa que se encontrava comprimida na cmara de combusto inflamada devido a uma fasca produzida pela vela e explode. O posterior aumento de presso destes gases empurra o mbolo at ao PMI, impulsionando desta maneira o veio de manivelas e produzindo a fora rotativa necessria ao movimento do eixo do motor. A este 3 fase d-se o nome de exploso.

IV. O cilindro, cheio de gases queimados, faz com que o mbolo tome o seu movimento ascendente e que a vlvula de escape abra, permitindo que saiam para a atmosfera todos os gases comprimidos pelo mbolo, havendo depois o posterior fecho da vlvula de escape. A esta 4 fase d-se o nome de escape.

O ciclo de Otto vigora actualmente na maioria dos automveis e utiliza combustveis leves como gasolina, gasleo e gs natural, distingue-se pela sua ignio por fasca.

Ciclo de Brayton

No modelo de ciclo, o fluido de trabalho passa pelas seguintes etapas:

1. Compresso (1 2) 2. Transferncia de calor da cmara de combusto (2 3) 3. Expanso (3 4) 4. Transferncia de calor para o ambiente (4 1)

Grfico II - Ciclo de Brayton

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Fig. 7 Ilustrao do Ciclo;

De forma mais explcita:

Entre 1 e 2 o ar comprimido por um compressor do tipo axial. Ao passar pela cmara de combusto (2 a 3), ar expande-se graas ao fornecimento de calor pelo processo de combusto. Isto ocorre sob presso constante porque a forma da cmara oferece pouca resistncia ao fluxo. O ar aquecido pela combusto movimenta a turbina (de 3 a 4). Ao sair da turbina, o ar troca calor com o ambiente num.

As turbinas a gs so usadas, normalmente, em avies e na gerao de energia elctrica.

O ciclo de Brayton, compreende as mesmas quatro fases que os ciclos de Otto e Diesel, no entanto, ao invs de estas ocorrerem todas na mesma cmara e em tempos diferentes, ocorrem ao mesmo tempo em locais distintos.

Ciclo de Diesel 1. Compresso (1,2) 2. Fornecimento de calor a presso constante (2,3) 3. Expanso (3,4) 4. Cedncia de calor a volume constante (4,1)

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Grfico III - Ciclo diesel num diagrama p-v.

O ciclo de Diesel est presente em veculos de grande envergadura, tais como camies e navios. Neste processo o fluido de trabalho utilizado costuma ser o ar, este comprimido, juntando-se-lhe de seguida o combustvel que se inflama ao contactar com o fluido sujeito a valores de presso e temperatura elevados.

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Descrio dos Motores

Desde que foram inventados at aos dias de hoje, os motores de combusto interna tm evoludo bastante. O rendimento dos mesmos tem aumentado e possvel observar um grande decrscimo da poluio provocada por este, e isto deve-se ao trabalho conjunto de vrios profissionais especializados. No entanto, h pormenores que se tm mantido semelhantes ( excepo de alguns motores, como os rotativos e o de mbolos livres), como o sistema biela-manivela e o facto da energia fornecida ao motor ser feita atravs da insero de combustvel na cmara de combusto, por exemplo. O motor , principalmente, constitudo por trs partes: a culassa ou cabea, o bloco e o crter, e pode ser constitudo por 1 ou por vrios cilindros. Motores monocilndricos so usados em motas de baixa cilindrada como as 50cm3, em avies telecomandados ou em tractores de pequeno porte. No motor podem-se identificar vrias peas que so essenciais ao seu funcionamento, como a biela, a manivela e o pisto, a vlvula de admisso por onde entra o ar e o combustvel e a de escape, por onde saem os produtos da combusto, a vela para iniciar a combusto, a rvore de cames, e o cilindro onde quase todo o processo ocorre, como se pode observar na figura 8, entre outros. O sistema biela-manivela dos mais importantes nesta mquina e constitudo pelos pistes, bielas e manivelas ou cambotas. Este serve para transformar a energia trmica, proveniente da combusto em trabalho atravs do movimento das peas constituintes, resultante da presso da combusto. O sistema de distribuio assume tambm uma grande importncia visto que controla a abertura e fecho das vlvulas, sendo portanto o responsvel pela consequente entrada e sada dos gases do cilindro. constitudo pela rvore de cames, que pode estar colocada na culassa, sendo que a abertura das vlvulas feita directamente, ou estar colocada lateralmente, e ser necessrio que o movimento desta seja transferido atravs dos impulsores e das varetas, que actuam sobre os balanceiros, abrindo as vlvulas.

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O sistema de arrefecimento outro com uma funo crucial para o bom desempenho do motor de combusto interna. A combusto implica o aumento da temperatura na ordem dos 2000C, logo preciso que alguns componentes sejam sujeitos a um arrefecimento. Existem 2 tipos de arrefecimentos, arrefecimento a ar e circulao lquida. Para evitar a gripagem (quando os materiais atingem o ponto de fuso) dos materiais provocada pelo aumento da temperatura resultante do atrito entre estes, necessria a aplicao de lubrificantes. Estes tm como objectivo impedir o contacto entre as superfcies reduzindo as perdas mecnicas e ajudar a estanquecidade e refrigerao do pisto, mas tambm das vlvulas, da rvore de cames ou os apoios da cambota. A vela um elemento com uma grande preponderncia no motor visto que esta que inicia a combusto que ocorre no cilindro, fazendo saltar uma fasca. Todos os elementos referidos anteriormente e mais alguns podem ser observados na figura 9 apresentada abaixo.

Fig. 8 Combusto;

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Fig.9 Estrutura do Motor de Combusto Interna;

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Tipos de Motores

Motores alternativos

Este tipo de motores caracteriza-se por realizar movimentos cclicos de translao (mbolo movimenta-se dentro do cilindro); classificam-se pelo nmero de tempos em que realizam as fases admisso, compresso, combusto e exausto.

Sendo assim, distinguem-se dois tipos de motores: motores de dois tempos e motores de quatro tempos.

O processo realizado nos motores de quatro tempos, pode ser realizado do seguinte modo:

No primeiro tempo, realiza-se a admisso: em que a mistura ar/combustvel aspirada para o cilindro aquando da descida do pisto ou mbolo, tal como se pode observar na figura seguinte:

Fig.10 - Primeiro tempo do processo que se realiza num motor de quatro tempo: admisso;

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No segundo tempo, tal como ilustra a Figura 2, ocorre a compresso, o pisto comprime a mistura:

No terceiro tempo, a combusto, o elctrodo da vela de ignio solta uma centelha, inflamando a mistura, tal como se observa na figura 3:

Fig.11 Segundo tempo do processo que ocorre em motores de 4 tempos: compresso;

Fig.12 Terceiro tempo do processo que ocorre em motores de 4 tempos: combusto;

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Tal como se pode apreender pela observao da figura seguinte, no quarto tempo, a exausto, o pisto empurra os gases resultantes da combusto que saem do cilindro para o colector de escape:

Num motor de dois tempos semelhante ao da figura 4, o processo descrito da seguinte forma:

No primeiro tempo, compresso/admisso, o pisto realiza movimento ascendente, comprimindo a mistura que j se encontra na cmara de combusto (compresso), o mbolo abre a janela de admisso, aspirando-se a mistura ar/combustvel que se encontrava no carburador, entrando no crter, onde a subida do pisto provocou um efeito de vcuo (admisso) (observar figura 5).

No segundo tempo, combusto/exausto, quando o pisto atinge o ponto morto superior, (ou seja, o ponto mais alto do seu movimento de translao) a vela liberta uma fagulha, dando-se a combusto e quando o pisto realiza o movimento descendente, os gases so expelidos (exausto) (observar figura 6).

Fig.13 Quarto tempo do processo que ocorre em motores de 4 tempos: exausto;

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Fig.14 Componentes bsicos de um motor de 2 tempos;

Fig.15 Primeiro tempo do processo que ocorre em motores de dois tempos: compresso/ admisso;

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Fig.16 Segundo tempo do processo que ocorre em motores de dois tempos: combusto/ exausto;

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Combustveis

De um modo geral denomina-se combustvel qualquer corpo cuja combinao qumica com outro seja exotrmica. A maior parte dos combustveis so o resultado de mais de 100 compostos. O petrleo bruto um conjunto de hidrocarbonetos. Por refinio o petrleo separado em vrias fraces, que depois so processadas quimicamente de modo a produzir os diferentes combustveis e outros produtos. Da destilao fraccionada obtm-se: o gs propano e butano, a gasolina, o querosene e petrleo, o gasleo, o fuelleo, as parafinas e os asfaltos.

Estrutura dos combustveis

Os hidrocarbonetos que constituem a gasolina e o gasleo agrupam-se em famlias de parafinas, oleofinas, naftalenos e aromticos.

As parafinas so hidrocarbonetos de frmula geral CnH2n+2. de ligao simples e em cadeia aberta. O nome de hidrocarbonetos parafnicos termina em ano, sendo o prefixo relativo ao nmero de tomos de carbono da molcula (1: met, 2:et, 3: prop, 4: but, 5: pent, 6: hex, 7: hept, 8: oct, 9: non, 10: dec, 11: undec, 12:dodec.).

heptano (C7H16.)

As oleofinas so molculas de frmula geral CnH2n. com uma ou mais ligaes duplas entre tomos de carbono que se ligam em cadeias abertas. As oleofinas com mais de uma ligao dupla so prejudiciais na armazenagem de combustveis, por isso que so retirados no momento da destilao dos combustveis.

etileno(C2H4.)

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Os naftalenos tm a mesma frmula que as oleofinas (CnH2n.) no entanto todas as ligaes entre tomos de carbono so simples.

ciclopropano (C3H6.)

Os hidrocarbonetos aromticos so formados por uma ou mais cadeias de 6 tomos de carbono com ligaes simples e duplas de frmula geral CnH2n-3.

Benzeno (CnH2n-3.)

As fortes cadeias fechadas dos hidrocarbonetos aromticos fazem com que sejam difceis de quebrar o que faz com que o ndice de octano da gasolina aumente e que o ndice de cetano (facilidade do combustvel em auto inflamar-se) do gasleo diminui.

Gasolina

o carburante mais utilizado actualmente nos motores endotrmicos, sendo uma mistura de hidrocarbonetos obtidos do petrleo bruto, por intermdio de vrios processos como o "cracking", destilao e outros. um lquido voltil e inflamvel. A caracterstica mais importante da gasolina o seu ndice de octano que determina a

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taxa de compresso possvel nos motores de combusto interna e tambm a sua velocidade de combusto. O octano tem como funo queimar mais eficientemente.

Gasleo

O gasleo um produto da destilao fraccionada do petrleo bruto contendo vrios hidrocarbonetos. Ao contrrio da gasolina, o gasleo o combustvel que deve ser usado num motor de ignio por compresso porque facilmente auto-inflamvel. A densidade do gasleo superior da gasolina (0,85>0,75) o que faz com que o consumo de gasleo seja inferior ao consumo de gasolina. O gasleo tem um teor em enxofre superior ao da gasolina (0,3%>00,3%).

Outros combustveis

Nos motores de combusto interna podemos usar outros tipos de combustveis para alm do gasleo e da gasolina, tais como: lcoois, teres e esteres, leos vegetais e gs natural.

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Impactos ambientais/Alternativas

Os motores de combusto interna libertam vrias substncias txicas nocivas para o ambiente e para o organismo humano. Durante o trabalho destes motores o pisto liberta, principalmente as seguintes substncias: xidos de azoto, monxido de carbono, hidrocarbonetos e compostos de enxofre e chumbo. Mesmo num motor bem regulado a quantidade de gases txicos que pode ser libertada ainda um factor a tentar melhorar.

Componentes txicos Motores Diesel Motores a carburador

Monxido de Carbono %

0,2 6

xidos de nitrognio %

0,35 0,45

Hidrocarbonetos % 0,04 0,4

Dixido de enxofre % 0,04 0.007

Fuligem / mg / l 0,3 0,05

Tabela I. Quantidade de gases emitidos pelos dois tipos de motores

Assim, a toxidade do motor a diesel depende principalmente da emisso de xidos de nitrognio e de fuligem. Por outro lado os motores a gasolina emitem principalmente monxido de carbono e xidos de nitrognio.

Os motores de combusto interna tm grandes responsabilidades ao nvel de emisses que causam o efeito estufa (dixido de carbono e xidos nitrosos). Segundo estimativas do Governo Espanhol no que diz respeito a Alteraes Climatricas, tudo leva a querer que com esta emisso de gases do efeito de estufa, o aumento da temperatura rondar uma taxa mdia global de 0,3C por dcada e que, consequentemente, haver um aumento do nvel do mar que pode chegar aos 100m em 2100.

Para haver reduo dos poluentes podem haver medidas no que diz respeito a dois grandes grupos essenciais: construtores e operadores. No que diz respeito ao mtodo construtivo pode ser feita uma recirculao de gases de combusto e a neutralizao destes. Quanto aos processos operativos, a regulamentao adequada, a

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melhoria dos processos de formao de mistura e combusto e a seleco correcta dos combustveis, aditivos e a utilizao de biocombustveis.

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Concluso

Ao longo da realizao deste trabalho conseguimos alargar os nossos conhecimentos cientficos, nomeadamente no que diz respeito aos motores de combusto interna. No incio, deparmo-nos com algumas dificuldades e questes relativas, principalmente, ao funcionamento do motor. No entanto, com trabalho e muita pesquisa conseguimos obter as respostas necessrias para as nossas dvidas iniciais.

Chegmos concluso que os motores de combusto interna so essenciais e representam um grande contributo tecnolgico para a nossa sociedade. Estes, tm diversas aplicaes, estando a principal relacionada com a indstria automvel e outros veculos de locomoo, desempenhando tambm um papel muito importante em sistemas de bombeamento de gua, de produo de electricidade e ar comprimido. Contudo, existe ainda um longo caminho a percorrer na reduo da emisso de gases poluentes para a atmosfera terrestre por parte deste tipo de motores.

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Bibliografia

Motores de Combusto Interna - Jorge Martins

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Sitiografia

http://www.mspc.eng.br/termo (Acedido a 4 de Outubro)

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Otto (Acedido a 5 de Outubro)

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_diesel#Ciclo_Termodin.C3.A2mico (Acedido a 5 de Outubro)

http://www.rcmasters.com.br/index.php?name=News&file=print&sid=8 (Acedido a 11 de Outubro)

http://www.fram.com.br/pdf/leve/modulo02.pdf (Acedido a 3 de Outubro)

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combust%C3%A3o_interna Acedido a 3 de Outubro)

http://www.geocities.com/webbike2000/dicas/2tempos.htm (Acedido a 7 de Outubro)