Baixe apostilha motores e outras Notas de aula em PDF para Engenharia de Manutenção, somente na Docsity!
CONCEITO FUNDAMENTAL:
Os motores térmicos são maquinas cuja finalidade é transformar a energia calorífica em energia mecânica diretamente utilizável. A energia calorífica pode ser proveniente de várias fontes, tais como: energia química, elétrica, atômica e etc. No caso dos motores endotérmicos a energia pode ser proveniente de combustível líquido, solido ou gasoso. O nosso estudo será restrito aos motores endotérmicos, alimentados por combustível liquido, já que os demais combustíveis são raramente empregados.
CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES QUANTO Á COMBUSTÃO:
a) Motores a combustão interna ou endotérmico. O motor é considerado a combustão interna, quando esta se processa no próprio fluido operante, na figura 1, pode ser observado um motor de combustão interna em corte.
Figura 1. Motor à Combustão Interna.
b) Motores a combustão externa ou exotérmicos. O motor é considerado à combustão externa, quando esta se processa fora do fluido operante, um exemplo deste tipo de motor pode ser visto na figura 2.
Figura 2. Motor de Combustão Externa.
Os motores endotérmicos quanto ao movimento, se dividem em:
- Motores alternativos;
- Motores rotativos;
- Motores a jato.
Os motores são dito alternativos quando os pistões executam movimentos alternados de vai-e-vem dentro dos cilindros. Todos os automóveis em circulação no Brasil são equipados com estes tipos de motor, alguns dos órgãos móveis de um motor alternativo são mostrados na figura 3.
Figura 3. Órgãos Móveis do Motor Alternativo. Os motores do tipo rotativo ainda são pouco utilizados em veículos terrestres devido a problemas como lubrificação, vedação entre rotor e cilindro. Algumas empresas como a MAZDA, vem desenvolvendo protótipos especialmente do motor WENKEL, que já se encontra em estado avançado de estudos podendo lançar um modelo em escala comercial nos próximos anos. Os motores rotativos do tipo WENKEL e QUASITURBINE, são mostrados nas figuras 4 e 5 respectivamente.
Figura 4. Motor WENKEL. Figura 5. Motor Quasiturbine.
O nosso estudo será restrito aos motores alternativos, os quais quanto à forma de combustão podem ser:
- Por ignição a centelha
- Por ignição a compressão Quanto ao ciclo operativo se divide em:
- Dois tempos
- Quatro tempos Quanto à posição dos cilindros os motores podem ser classificados como :
- Em linha figura 6;
- Em V figura 7;
- Em W;
- Contraposto ou Boxer figura 8;
- Gêmeo;
- Estrela.
Figura 6. Motor em linha. Figura 7. Motor em V. Figura 8. motor Boxer.
Os órgãos auxiliares são órgãos de menor importância que contribuem para o bom funcionamento do motor, os principais são: carburador, velas, coletor de aspiração e descarga, motor de arranque, alternador, filtros de óleo, ar e combustível, bomba de água e de combustível, distribuidor, etc.
DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS ORGÃOS FIXOS:
Cilindro: O cilindro como o próprio nome indica, é uma peça de formato cilíndrico, na qual o pistão se desloca descrevendo um movimento retilíneo alternado. Nos motores refrigerados a ar, os cilindros são aletados com a finalidade de aumentar a troca de calor, o que não é necessário nos motores refrigerados à água. Quanto à fixação dos cilindros estes podem ser:
- Fixos (quando são fabricados no bloco do motor);
- Substituíveis (Quando não fazem parte do bloco, podendo ser trocados sempre que necessário e possível). Quanto ao tipo de refrigeração os cilindros podem ser:
- Secos (estão em contato com as paredes do bloco), figura 9;
- Úmidos (estão em contato direto coma água de refrigeração), figura 10. Devido ao funcionamento alternado do pistão, os cilindros com o decorrer do tempo sofrem um desgaste que pode ser acelerado ou não, dependendo de certos fatores que dentre outros podem ser citados: Materiais abrasivos no combustível, no óleo e no ar, água no combustível e no lubrificante, viscosidade inadequada do lubrificante, superaquecimento do motor, alta solicitação e rotação do motor e insuficiência de pressão do lubrificante.
Figura 9. Camisa Seca. Figura 10. Camisa Molhada.
Os cilindros possuem internamente pequenas ranhuras chamadas de brunimento figura 11, a função deste é dificultar o retorno imediato do lubrificante ao Cárter, mantendo assim um pequeno filme de lubrificante na parede do cilindro para evitar o contato metal com metal, principalmente na partido a frio do motor.
Figura 11. Brunimento.
Bloco: O bloco, em linhas gerais, representa propriamente o motor. Na sua parte inferior estão alojados os mancais centrais onde se apoia o eixo do motor, e na parte superior está localizado o cabeçote. O bloco serve ainda de suporte para alguns orgãos auxiliares, como bomba da água, alternador, bomba de gasolina, distribuidor, etc. Quando os cilindros são fixos no bloco formando uma só peça, dizemos que o bloco é do tipo integral ou monobloco. O bloco integral quando comparado ao de cilindro substituível, tem a desvantagem de não poder sofrer mais do que um certo número de retíficas, devido à diminuição da espessura de suas paredes. Nas figuras 12 e 13, são mostrados blocos de motores em linha e em v.
Figura 12. Bloco do Motor em Linha. Figura 13. Bloco em V de 12 cilindros.
Cárter: A função do cárter não é nada mais que servir como depósito de óleo. No seu interior estão alojados certos anteparos, dispostos de tal forma que quando o veículo estiver inclinado, o óleo sempre esteja em contato com a tromba da bomba de óleo, evitando assim que ar seja aspirado pela bomba, acarretando falha na lubrificação do motor. Na figura 14, é mostrada a localização do carter em um motor.
Figura 14. Posição do Cárter.
Cabeçote: Também conhecido com o nome de tampão, é a parte superior do motor, onde se localizam as válvulas, câmara de combustão, velas, etc. Como pode ser observado na figura 15. Entre o cabeçote e o bloco do motor deve haver uma perfeita vedação para garantir que principalmente no instante da combustão, os gases contidos dentro da câmara de combustão não iram escapar para a atmosfera, para que haja uma perfeita vedação é colocada entre o cabeçote e o bloco do motor uma junta, de material resistente ao calor que tem o nome de junta do tampão, esta quando colocada deve ser submetida a um aperto especificado e de forma adequada, que geralmente segue a ordem de ser do centro para as extremidades do cabeçote, seguindo um
Sede de válvula: Sede de válvula é a peça que serve de encaixe para a válvula quando esta se fecha. Sua finalidade é vedar e aumentar a durabilidade do sistema (se a válvula fecha-se diretamente sobre o alumínio do qual o cabeçote é fabricado haveria um desgaste prematuro). A sede de válvula figura 17 tem a forma, de um anel cônico e sua montagem no cabeçote é feita a uma temperatura elevada com a finalidade de garantir uma boa fixação.
Figura 17. Sede de Válvula. Guia de válvula: Como o nome indica, a guia de válvula figura 18 é o órgão que serve para guiar a válvula durante o seu trabalho. A parte interna da guia por estar em contato com a haste da válvula deve possuir um nível de acabamento que proporcione o menor atrito possível, para evitar o desgaste da haste da válvula. A folga entre a haste da válvula e a guia é especificada pelo fabricante. Quando da montagem da válvula deve-se tomar o cuidado de não permitir que está seja montada com uma folga maior que a especificada, pois o óleo pode fluir para o interior da câmara de combustão e ser queimado, provocando um aumento no consumo de óleo, e também que a folga fique menor que a especificada, pois pode provocar o travamento da mesma.
Figura 18. Guia de Válvula Pistão: O pistão figura 19 é o órgão do motor que recebe diretamente o impulso da combustão dos gases e o transmite a biela. A forma do pistão a primeira vista parece perfeitamente cilíndrica, mas na realidade ela é muito complexa sendo ligeiramente oval e cônica, como poderá ser visto posteriormente. O pistão se divide em duas partes distintas que são:
Figura 19. Pistão.
A cabeça do pistão geralmente tem um diâmetro menor que a saia e é onde estão alojados quase todos os anéis de segmento. A superfície superior da cabeça é denominada de “CEU” ou topo e é onde os gases exercem as forças, durante a combustão. A maioria dos pistões empregados nos motores de automóveis possuem na sua cabeça, três caneletas nas quais estão alojados os anéis de segmento. O primeiro segmento é chamado de segmento de compressão ou de fogo, enquanto que o segundo e o terceiro são denominados de raspadores de óleo. O segundo segmento em alguns casos tem dupla função, isto é a de raspar o óleo e a de compressão. No interior da terceira canaleta, existem furos que tem como finalidade, permitir a passagem do óleo em excesso, raspado pelo anel de segmento. Em alguns pistões, no fundo da terceira canaleta, existem alguns rasgos transversais que além de permitir uma maior raspagem do óleo, serve como barreira térmica dando maior flexibilidade a saia. A forma do topo ou céu do pistão é em função da câmara de combustão, podendo ser: Plana, Côncava, Convexa e irregular. Plana é a forma mais usada devido primeiramente a sua facilidade de usinagem. Este tipo de forma de cabeça é geralmente usada, nos motores de quatro tempos de pequena e media cilindrada. Côncava é geralmente usado nos motores do ciclo DIESEL, do tipo a injeção direta. Nestes motores a câmara de combustão é formada no próprio pistão. Convexa é usada nos motores com câmara de combustão do tipo semi - esférica. Irregular para uso específico.
Saia do pistão: A saia do pistão é a parte onde se aloja o pino munhão. Em alguns motores de grande porte, para facilitar a raspagem de óleo nos cilindros, utiliza-se na saia um ou mais anéis de segmento do tipo raspador de óleo. O furo na saia do pistão onde se aloja o pino munhão é na maioria das vezes deslocado em relação à linha de centro do pistão, com a finalidade de contrabalançar as forças laterais provocadas na combustão.
vezes por segundo ao ponto morto superior e inferior, por isto este deve ser resistente ao desgaste. Boa condutividade térmica: Durante a combustão o pistão recebe uma quantidade de calor muito grande que deve dissipar o mais rápido possível caso contrário o mesmo pode se fundir acarretando danos ao motor. Leveza: O pistão deve ser o mais leve possível, considerando o projeto do motor, tanto para diminuir a atuação da força centrífuga, que age na biela como para diminuir a força de inércia do sistema pistão-biela-manivela. Quanto maior a força de inércia deste sistema menor a aceleração do motor. Em alguns casos a diferença de massa enter o pistão não deve ser maior que 6 gramas, para evitar vibrações que provoquem danos ao motor. Baixo nível de ruído: No caso dos pistões usados em automóveis o fator silenciosidade é importante.
Interpretações das indicações gravadas no céu do pistão: No topo ou céu do pistão, são gravadas algumas informações como: Indicação do peso, direção de montagem, classe do pistão, folga de montagem, medida da saia, número do cilindro e sobre-medida. Classes do pistão: O pistão e os cilindros na grande maioria dos motores são divididos em classes, isto se faz necessário por causa das tolerâncias de usinagem, tanto do pistão como do cilindro. A título ilustrativo a tolerância ideal para a usinagem de um cilindro ou pistão cujo diâmetro tenha 76mm é de aproximadamente 0,05mm. Em produção seriada, isto significa que o diâmetro do cilindro pode variar de 76 a 76,05 e os pistões de 75,92 a 75,97mm. Se for montado no motor o pistão menor com o cilindro de maior diâmetro teremos uma folga de 0,13mm que é considerada muito grande, podendo ocasionar queda de potência e aumento no consumo de óleo do motor. Se forem montados o pistão de maior diâmetro no cilindro de menor diâmetro, teremos uma folga de 0, que é muito pequena e pode provocar o travamento do motor. Para evitar folgas pequenas ou excessivas e não onerar os custos de produção, os componentes do cilindro e pistão são divididos em classes, a saber:
Para o pistão: Para o cilindro:
Para o Pistão Para o Cilindro Classe Medidas Classe Medidas A 75,92 a 75,93 A 76,00 a 76, B 75,93 a 75,94 B 76,01 a 76, C 75,94 a 75,95 C 76,02 a 76, D 75,95 a 75,96 D 76,03 a 76, E 75,96 a 75,97 E 76,04 a 76,
Relação Comprimento/Diâmetro: A relação entre o comprimento do pistão e o diâmetro no sentido axial, varia de acordo com o tipo de utilização do pistão, podendo ter os seguintes valores: 0,5 - para pistões utilizados nos motores onde é predominante a exigência da leveza, isto é no caso dos motores de corrida esportiva; 1 - para os pistões utilizados nos motores normais; 1,5 - para os pistões utilizados nos motores DIESEL rápidos; 1,7 a 2 - para pistões utilizados nos DIESEL lento. Pino munhão: É o órgão que serve de articulação entre a biela e o pistão, o pino munhão figura 20, nada mais é do que um tubo de aço tratado termicamente.
Figura 20. Pino mulhão.
Quanto à montagem pode ser: Fixo, Oscilante e Flutuante. Fixo – o pino é considerado fixo quando é livre na bucha da biela e fixo no pistão; Oscilante – o pino é considerado oscilante quando é fixo na bucha da biela e livre no pistão; Flutuante – o pino é considerado flutuante quando é móvel tanto na biela quanto no pistão neste caso utilizam-se travas para evitar o deslocamento do pino munhão.
Anéis de segmento: Os anéis de segmento figura 21, ou também chamados de anéis elásticos, possuem o diâmetro externo maior do que o diâmetro do cilindro, e uma vez
A árvore de manivela figura 23 também conhecida com os nomes de eixo do motor, virabrequim, cambota e eixo de manivela é o órgão que transforma o movimento alternativo do pistão em movimento rotativo.
Figura 23. Virabrequim.
À árvore de manivela se divide nas seguintes partes:
- Mancal fixo;
- Mancal móvel;
- Braço de manivela Contrapeso;
- Flange de fixação do volante. A árvore de manivela é presa ao motor por intermédio dos mancais fixos, e as bielas são presas em seus mancais móveis. Os mancais móveis são dispostos segundo um ângulo, em função do número de cilindros e ordem de ignição do motor. No interior do virabrequim existem canais de lubrificação para lubrificar os mancais móveis para evitar o travamento do eixo. Na fabricação do virabrequim é realizado balanceamento estático e dinâmico, para corrigir imperfeições que venham a provocar vibrações quando do seu funcionamento.
Posição da manivela: A posição da manivela depende do número de cilindros dos tempos do motor e da ordem de ignição. Em um motor a combustão interna para um perfeito funcionamento, é necessário que a explosão ocorra nos cilindros em um mesmo intervalo angular, segundo a fórmula: Sendo α o ângulo entre os mancais móveis, T tempos do motor e i número de cilindros.
Volante: O volante figura 24 é o órgão responsável pelo armazenamento de energia cinética durante a fase ativa do motor e sua restituição durante as fases passivas.
Quanto mais pesado for o volante, mais estável é o motor, porém menor será a sua aceleração. Nos automóveis destinados a corrida como é mais importante à aceleração do motor do que sua estabilidade, os volantes são aliviados.
Figura 24. Volante.
Casquilhos: Os casquilhos figura 25, também conhecidos com o nome de bronzinas tem a função de elevar a eficiência dos motores e prolongar a vida útil da árvore de manivela, que é um órgão de grande responsabilidade e custo.
Figura 25. Bronzina.
Os principais requisitos de uma bronzinas são:
- Possuir material antifricção;
- Elevada resistência à fadiga;
- baixa dureza;
- Absorver as partículas sólidas provenientes do óleo;
- Não sofrer corrosão. O Casquilho se divide praticamente em duas partes que são:
- Carcaça e;
- Metal antifricção. Carcaça: A função da carcaça é a de dar a forma ao metal antifricção, e de servir como encosto. O material empregado da sua fabricação é o aço. Metal antifricção: O metal antifricção é à parte do casquilho que trabalha em contato com os mancais. Dimensões do casquilho: Para que o casquilho tenha um bom assentamento no mancal é necessário que o raio externo da carcaça seja maior que o raio interno do mancal, ou seja deve existir uma pequena sobra para que quando o mancal sofra o devido aperto de montagem, comprima o casquilho contra a sua parede interna, acomodando o mesmo para evitar deformações que venha a prejudicar o funcionamento do motor. Ressalto de localização do casquilho:
Mola de válvulas:
As molas figura 27 são órgãos responsáveis pelo fechamento das válvulas. Uma boa mola de válvula deve suportar 10 milhões de solicitações a baixa freqüência com carga de 11 a 60 Kg/cm 2 sem se romper.
Figura 27. Mola de Válvula.
Flutuação da Mola: Quando uma mola está sujeita a uma solicitação cíclica tanto durante a compressão quanto na expansão ela deve estar sempre em contato com o mecanismo que faz o seu acionamento, se a rotação do mecanismo aumentar progressivamente, chegará um momento que a mola não mais acompanhará o perfil do mecanismo, passando a funcionar como uma peça rígida, deixando de realizar seu trabalho, diminuindo a potência de operação do motor e podendo danifica-lo. Esse fenômeno é chamado de flutuação da mola.
Eixo comando de válvula: Chamamos de distribuição de um motor o conjunto de órgãos encarregados de regular as fases de aspiração e descarga do motor.
O órgão principal da distribuição é o eixo comando de válvula. Ele é composto de cames que comandam a abertura e fechamento das válvulas. Nos motores a quatro tempos devem existir pelo menos duas válvulas por cilindro, neste caso só é necessário um comando de válvulas (no caso do acionamento das válvulas ser no cabeçote chamamos esses motores de OHC – Overhead Camshatf ou comando de Válvulas no Cabeçote), já para motores com mais de duas válvulas por cilindro são necessários dois comandos (no caso do acionamento das válvulas ser no cabeçote chamamos esses motores de DOHC – Double Overhead Camshatf ou Duplo comando de Válvulas no Cabeçote, figura 28).
Figura 28. Duplo Comando de Válvulas.
Na montagem do motor atenção especial deve ser dada a posição correta dos cames do cabeçote em relação a posição do virabrequim, o que se chama de sincronia do motor ou tempo mecânico. Normalmente a sincronia é dada em relação aos cames de acionamento das válvulas do primeiro cilindro (o que pode mudar para alguns fabricantes), na grande maioria dos motores a montagem é feita com o pistão do cilindro 1 (um) no ponto morto superior no tempo de explosão ou seja as válvulas fechadas e verificando se no sentido de giro do eixo comando de válvulas que com aproximadamente 90º de giro a próxima válvula a abrir será a válvula de descarga.
Tucho: O tucho é um componente fundamental no sistema de distribuição mecânica do motor. Fica entre o câme da árvore de comando das válvulas e a válvula. O tucho recebe o impulso do câme e transfere para a válvula, de modo a acioná-la. Basicamente existem dois tipos de tuchos, os convencionais (mecânicos) e os hidráulicos. O tucho mecânico é totalmente sólido, ou seja, tem seu corpo rígido. Quando se utiliza tucho mecânico em um motor figura 29, é necessário que haja uma folga devido à dilação do mesmo sob efeito do calor desprendido pelo motor. Já com o uso do tucho hidráulico essa folga é desnecessária. Não havendo essa folga, o nível de ruído do motor será bem menor.
(a) (b) (c) Figura 29 Tucho mecânico em funcionamento normal(a) e (b) e em flutuação(c).
O tucho hidráulico figura 30, é oco formando internamente um cilindro com um êmbolo. Este êmbolo é mantido para fora pela força de uma mola. O tucho hidráulico é preenchido com o óleo lubrificante do próprio motor através de orifícios que se encontram no corpo do tucho. Como, tanto o tucho mecânico como o hidráulico trabalham em contato direto com o câme, este está sujeito ao desgaste, mesmo com o sistema de lubrificação em perfeito estado de funcionamento. Quando isso ocorre, a folga da válvula aumenta, o que ocasiona um aumento do nível de ruído do motor "batidas de válvulas".
Volume total da Câmara de Combustão (v): É o volume compreendido entre o cabeçote e o céu do pistão, quando este estiver no PMS.
Cilindrada Unitária (Vu):
É o volume do cilindro compreendido entre o PMS e PMI, representado pela fórmula: ; Onde, D e o diâmetro do cilindro.
Volume Total do Cilindro (V (^) 1): É o volume do cilindro compreendido entre as paredes da câmara de combustão e o ceu do pistão quando este está no PMI, ou seja: V 1 = Vu + v Cilindrado do Motor (V): É o produto da cilindrda unitária pelo número de cilindros do motor e é dada por: V = Vu x I = x I
Taxa de Compressão (ρ): É a relação entre o volume total do cilindro e o volume da câmara de combustão, pode ser calculada por: ρ =
Ciclos Operativos: Ciclo operativo de um motor é a sucessão das operações repetidas com leis periódicas que o fluido realiza no cilindro. Os ciclos operativos dividem-se: quanto ao tempo e quanto ao tipo de ciclo.
Quanto ao tempo podem ser: a) Quatro tempos, é quando o ciclo se realiza em quatro deslocamentos completos do pistão, isto é, em duas vindas e idas do PMI ao PMS.
b) Dois tempos, é quando o ciclo se realiza em dois deslocamentos completos do pistão, isto é, em uma ida e vinda do PMI ao PMS.
Quanto ao tipo do ciclo podem ser: a) Ciclo OTTO. O primeiro motor operando no ciclo OTTO foi fabricado em 1862 por um alemão chamado OTTO, daí o nome. Os princípios para sua construção foram baseados nas teorias enunciadas por BEAU DE ROCHAS, de que a combustão se processa a volume constante. A principal característica dos motores do ciclo OTTO é que a ignição do combustível é feita por intermédio de uma centelha elétrica. b) Ciclo DIESEL. Como o ciclo Nikolaus OTTO, os motores DIESEL receberam o nome do seu idealizador. O primeiro motor operando neste ciclo foi fabricado em 1892 por RUDOLPH DIESEL. A principal característica destes motores é que: a ignição do combustível é feita por intermédio da compressão.
Motores do ciclo OTTO a quatro tempos: Os motores do ciclo OTTO a quatro tempos são muito utilizados no automobilismo e na aviação, e como foi dito antes, o ciclo destes motores realizam-se em quatro fases a saber:
1 o^ tempo – aspiração; 2 o^ tempo – compressão; 3 o^ tempo – combustão; 4 o^ tempo – descarga.
Aspiração: Na fase de aspiração figura 33, o pistão ao deslocar-se do PMS ao PMI, cria uma depressão no interior do cilindro e câmara de combustão, fazendo com que a mistura ar mais combustível (ou somente ar no sistema de ignição por compressão) seja aspirada. Esta fase é realizada em 180 graus de giro do virabrequim, e apenas com a válvula de admissão aberta.
Figura 33. Aspiração.
