Atps Engenharia Automotiva

ANHANGUERA EDUCACIONAL LTDA

Faculdade Anhanguera de Jundiaí

Engenharia Mecânica

Daniel Rigoni Baldim 0908349139

Leandro Devanil 0898519

Michael Almeida 0817505

Moisés Leite da Silva 0604262

Rogério Anderson 1099144549

Robson Oliveira RA-3767750467

William Rezende RA-8100070

ATPS: ENGENHARIA AUTOMOTIVA

Professor: Rafael Bruno

Jundiaí

2012

SUMÁRIO

ATPS: ENGENHARIA AUTOMOTIVA

1. CONCEITOS DE COMBUSTÃO INTERNA 5

1.1 Motor quatro tempos (Ciclo Otto) 5

1.2 Motor de dois tempos 5

1.3 Diferenças entre os ciclos de funcionamento dos motores de quatro e dois tempos 6

2. FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR QUATRO TEMPOS 7

2.1 Desenho ciclo motor de quatro tempos 7

2.2 Desenho ciclo motor de dois tempos 9

3. DESENHO MOTOR WANKEL 10

3.1 Fases e particularidades 10

4. RELATÓRIO 11

4.1 Vantagens dos motores 11

4.1.1 4 (quatro tempos) 11

4.1.2 2 (dois tempos) 11

4.1.3 Wankel 11

5. VEÍCULOS QUE UTILIZAM ESSES MOTORES 12

5.1.1 4 (quatro tempos) 12

5.1.2 2 (dois tempos) 12

5.1.3 Wankel 12

6. ETAPA 3 12

6.1 Componentes necessários para a combustão 12

6.2 Relação entre Área / Força (Queima perfeita) 13

6.2.1 Gasolina pura 13

6.2.2 Gasolina nacional 14

7. Taxa de Compressão (Relação) 15

8. PONTO DE IGNIÇÃO 16

8.1 Octanagem imagens 17

9. COMO SE MEDE A POTÊNCIA DE UM MOTOR 18

10. FATOR DETERMINANTE DA POTÊNCIA 19

11. GRÁFICOS DO MOTOR TIPO OTTO 21

12. RELAÇÃO DE CARROS POPULARES E POTÊNCIA 23

13. GRÁFICO DE POTÊNCIA 24

14. POTÊNCIA DOS CARROS DE ALTO DESEMPENHO 24

Jundiaí

2012

ÍNDICE FIGURAS

ATPS: ENGENHARIA AUTOMOTIVA

Figura 1: Admissão 7

Figura 2: Compressão 7

Figura 3: Combustão 8

Figura 4: Escape 8

Figura 5: Admissão/Compressão 9

Figura 6: Combustão 9

Figura 7: Transferência/Escape 9

Figura 8: Esquema de funcionamento do motor Wankel 10

Figura 9: uma imagem da faísca produzida pela vela de ignição 10

Figura 10: Combustão 13

Figura 11: As principais propriedades da gasolina e do álcool 15

Figura 12: Definição de Taxa de Compressão 15

Figura 13: Danificação por Pré-Ignição 17

Figura 14: Danificação por Detonação 17

Figura 15: medição da potência é nas rodas motrizes 18

Figura 16: Cálculo do volume do motor é função direta de sua geometria 19

Figura 17: Gráfico tempo de admissão 21

Figura 18: Gráfico compressão 21

Figura 19: Gráfico explosão-ignição 21

Figura 20: Gráfico escape 22

Figura 21: Representação esquemática do ciclo Otto 22

Jundiaí

2012

ETAPA 2

1. CONCEITOS DE COMBUSTÃO INTERNA

São maquinas térmicas motoras nas quais a energia química dos combustíveis se transforma em trabalho mecânico no qual o fluido entra e se transforma em energia mecânica através da combustão.

1.1 Motor quatro tempos (Ciclo Otto)

São motores de ignição por faísca, é uma mistura combustível / ar, previamente dosada.

Esta mistura é comprimida e inflamada por uma faísca que salta entre os eletrodos de uma vela.

A combustão desta mistura provoca o aumento da pressão necessária para a movimentação do pistão.

1.2 Motor de dois tempos

Os motores deste tipo combinam em dois cursos do êmbolo as funções dos motores de quatro tempos, sendo assim, há um curso motor para cada volta do virabrequim. Normalmente estes motores não têm válvulas, eliminando-se o uso de tuchos, hastes, etc. O cárter, que possui dimensões reduzidas, recebe amistura ar-combustível e o óleo de lubrificação. Deve ser cuidadosamente fechado, pois nele se dá a pré compressão da mistura.

1º Tempo - Curso de Admissão e Compressão

O êmbolo dirige-se ao PMS, comprimindo a mistura ar-combustível. As janelas de escape e carga são fechadas, abrindo-se a janela de admissão. Com o movimento do êmbolo, gera-se uma pressão baixa dentro do carter e assim, por diferença de pressão admite-se uma nova mistura ar-combustível-óleo lubrificante, que será utilizado no próximo ciclo. O virabrequim dá meia volta 180 graus, fechando o ciclo.

Pouco antes de atingir o PMS, dá-se a centelha, provocando a combustão da mistura, gerando uma força sobre o êmbolo. Inicia-se então o próximo ciclo.

2º Tempo - Combustão e Escape

É o curso de trabalho. No PMS, dado início à combustão por meio de uma centelha (spark), o êmbolo é forçado até o PMI. Durante o curso, o êmbolo passa na janela de descarga dando vazão aos gases da combustão. Ao mesmo tempo o êmbolo abre a janela de carga permitindo que uma nova mistura ar combustível entre no cilindro preparando-o para o novo ciclo e forçando os gases provenientes da combustão para fora (lavagem). O virabrequim, neste primeiro tempo, dá meia volta, 180 graus.

A combustão desta mistura provoca o aumento da pressão necessária para a movimentação do pistão.

1.3 Diferenças entre os ciclos de funcionamento dos motores de quatro e dois tempos

Motor 2 tempos:

1º tempo - A gasolina entra no cilindro e o pistão a comprime.

2º tempo - A gasolina explode, empurra o pistão e sai para o escapamento.

Motor 4 tempos:

1º tempo - Gasolina entra no cilindro e o pistão a comprime.

2º tempo - A gasolina explode e empurra o pistão.

3º tempo - O pistão desce de volta e empurra a fumaça pra fora.

4º tempo - O pistão sobe de volta para abrir espaço para a nova gasolina que vai entrar.

2. FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR QUATRO TEMPOS

2.1 Desenho ciclo motor de quatro tempos

Figura 1: Admissão

Figura 2: Compressão

Figura 3: Combustão

Figura 4: Escape

2.2 Desenho ciclo motor de dois tempos

Figura 5: Admissão/Compressão

Figura 6: Combustão

Figura 7: Transferência/Escape

3. DESENHO MOTOR WANKEL

Figura 8: Esquema de funcionamento do motor Wankel

Figura 9: uma imagem da faísca produzida pela vela de ignição

3.1 Fases e particularidades

No diagrama, a face CA do rotor pode ser vista nas posições 1 e 4, passando gradualmente através dos sucessivos estágios da primeira fase - injeção, na qual a mistura explosiva de ar e gasolina é introduzida na câmara.

Voltemos à figura e vejamos o lado AB. Ele agora começa a fase que AC tinha atingido na figura IV- fase de compressão. Esta fase pode ser seguida nas posições 5, 6 e 7.

Assim que este ponto é atingido, a única vela de ignição produz centelha, e os gases de explosão podem ser vistos na posição 8 produzindo a força para mover o rotor.

Nas posições 9 e 10, pode-se ver o lado BC nas fases de explosão e expansão. Nas posições seguintes (11 e 12), ele expulsa a mistura queimada para fora da câmara de exaustão, caracterizando a etapa de exaustão do ciclo. Figura 8

Assim, três fases do ciclo realizaram-se sucessivamente em três lados do rotor, afastados 120º uns dos outros. Isto explica como um motor Wankel de 50cc pode facilmente desenvolver 50HP. Os 500cc referem-se ao volume entre a câmara e um lado do rotor; como vimos isto é multiplicado por três, pelos três lados do rotor.

4. RELATÓRIO

4.1 Vantagens dos motores

4.1.1 4 (quatro tempos)

Esse tipo de motor utiliza o óleo misturado à gasolina.

Vantagem: Potência.

4.1.2 2 (dois tempos)

Vantagens: Comodidade, menos barulho, segurança nas reduzidas de marcha, economia e menos poluição

4.1.3 Wankel

O motor Wankel não utiliza o princípio da biela e manivela, não produzindo movimento alternativo. Por isso eles tem funcionamento suave, com menor atrito, menor vibração e maior silêncio de operação.

Todas as peças de um motor rotativo giram continuamente em uma direção, em vez de mudar de direção de modo repentino como fazem os pistões de um motor convencional.

Como os rotores giram a um terço da rotação da árvore de saída, as principais peças móveis do motor movimentam-se de maneira mais lenta do que as peças em um motor a pistão. Isso também favorece a confiabilidade.

5. VEÍCULOS QUE UTILIZAM ESSES MOTORES

5.1.1 4 (quatro tempos)

Veículos básicos em geral

5.1.2 2 (dois tempos)

• Motocicletas de competição

• Ciclomotores

• Jet skis

• Aeromodelos de controle remoto

5.1.3 Wankel

Algumas empresas que utilizam o motor wanker, General Motors, Mazda Corporation, Mercedes-Benz, MAN, Rolls Royce, Ford, Curtiss-Wright e Krupp foram algumas das empresas que desejaram aplicar a tecnologia a seus produtos.

Durante a década de 60, os diversos fabricantes que adquiriram a tecnologia Wankel produziram conceitos que utilizavam esse tipo de propulsão, entre eles a Chevrolet e a Mercedes-Benz, mas foi a Mazda a maior responsável pela evolução da tecnologia.

6. ETAPA 3

6.1 Componentes necessários para a combustão

Para que isso ocorra é necessário a união de quatro elementos essenciais do fogo, que são:

Combustível - É toda substancia capaz de queimar e alimentar a combustão. Ele serve de campo de propagação ao fogo. Os combustíveis podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. Ex.: madeira, papel, tinta, algodão, álcool, gasolina, etc.

Comburente - É o elemento que dá vida às chamas, e intensifica a combustão. O mais comum é que o oxigênio desempenhe este papel, porem não é o único, existindo outros gases.

Calor - Forma de energia que eleva a temperatura. Gerada da transformação de outra energia, através de processo físico ou químico. É a condição favorável causadora da combustão.

Reação em cadeia - É a queima auto-sustentável. É a união dos três itens acima descritos, gerando uma reação química. Quando o calor irradiado das chamas atinge o combustível e este é decomposto em partículas menores, que se combina com o comburente e queimam, irradiando outra vez calor para o combustível, formando um ciclo constante.

Figura 10: Combustão

6.2 Relação entre Área / Força (Queima perfeita)

6.2.1 Gasolina pura

No Brasil (com exceção do Rio Grande do Sul) é utilizada uma gasolina única no mundo, pois tratase de uma mistura de 76% de gasolina e 24% de álcool etílico (etanol). O teor de álcool na gasolina é objeto de Lei Federal, cuja especificação final é de responsabilidade da Agência Nacional de Petróleo – ANP.

No Estado do Rio Grande do Sul, ao invés de álcool, utiliza-se o MTBE (metil-tercio-butil-etileno) como oxigenador, i.e., aditivo que contém oxigênio para aumentar a eficiência da combustão do hidrocarboneto Gasolina (C8H18)n.

Atualmente, a gasolina que compões esta mistura é produzida, em quase sua totalidade, pelas dez a de Ipiranga, no Rio Grande do Sul. Já o álcool é produzido a partir da cana-de-açúcar em diversas destilarias espalhadas pelo país. A composição final da chamada gasolina brasileira, ou seja, a mistura de gasolina e álcool é realizada pelas Companhias Distribuidoras (Esso, Shell, Texaco, etc...), responsáveis também pela comercialização final do produto junto aos postos de serviço.

Desde janeiro de 1992, a gasolina brasileira é isenta de chumbo. O chumbo era utilizado mundialmente para aumentar a octanagem da gasolina, mas, por questões ambientais, vem sendo gradualmente eliminado. Atualmente, estão à disposição dos consumidores brasileiros 03 tipos de gasolina: comum, comum aditivada e premium. Esta classificação é dada segundo a octanagem da gasolina.

A octanagem da gasolina pode ser avaliada por dois métodos distintos: método Motor (MON – Motor Octane Number) avalia a resistência da gasolina à detonação quando o motor está operando em condições mais severas – alta rotação e plena carga, como acontece em subidas com marcha reduzida e velocidade alta. O método Pesquisa (RON – Reserch Octane Number) avalia a resistência da gasolina à detonação quando o motor está operando em condições mais suaves – baixa rotação, como acontece em subidas com marcha alta. A octanagem das gasolinas brasileiras é equivalente à das gasolinas encontradas nos Estados Unidos e na Europa. É dada pela média entre os dois métodos, conhecida como Índice

Antidetonante (MON +RON)/2.

As Gasolinas Comum e Comum-Aditivada têm octanagem de 86, indicadas para a maioria da frota de veículos circulante no Brasil. A Gasolina Premium possui maior octanagem, 91. Pode ser utilizada em qualquer veículo, mas não trará nenhum benefício se o motor não exigir este tipo de combustível (alta taxa de compressão, com monitoramento eletrônico, injeção multipontos e projetados para gasolinas de alta octanagem).

6.2.2 Gasolina nacional

Como mistura na gasolina, na forma de 24% de etanol anidro, a 99,6º Gay-Lussac (GL) e 0,4% de água, formando uma mistura “gasohol” com o objetivo de aumentar a octanagem da gasolina;

Como etanol puro, na forma de etanol hidratado a 95,5º GL.

Nos outros países, as misturas de “gasohol” contêm tipicamente apenas 10% (ou menos) de etanol.

O etanol é um excelente combustível automotivo: apresenta um Índice de Octanagem superior ao da gasolina e tem uma Pressão de Vapor inferior, resultando em menores emissões evaporativas. A combustão no ar é inferior a da gasolina, o que reduz o número e a severidade de fogo nos veículos. O etanol anidro tem poder calorífico inferior e superior de 21,2 e 23,4 MJ/l (megaJoule por litro), respectivamente, contra 30,1 e 34,0 MJ/l da gasolina.

As principais propriedades da gasolina e do álcool estão indicadas abaixo:

Figura 11: As principais propriedades da gasolina e do álcool

7. Taxa de Compressão (Relação)

Relação matemática que indica quantas vezes a mistura ar/combustível ou simplesmente o ar aspirado (no caso dos diesel) para dentro dos cilindros pelo pistão é comprimido dentro da câmara de combustão antes que se inicie o processo de queima.

Assim, um motor a gasolina que tenha especificada uma taxa de compressão de 8:1, por exemplo, indica que o volume aspirado para dentro do cilindro foi comprimido oito vezes antes que a centelha da vela iniciasse a combustão,

Figura 12: Definição de Taxa de Compressão

Do ponto de vista termodinâmico, a taxa de compressão é diretamente responsável pelo rendimento térmico do motor. Assim, quanto maior a taxa de compressão, melhor será o aproveitamento energético que o motor estará fazendo do combustível consumido.

Por esse motivo é que os motores diesel consomem menos que um similar a gasolina: funcionando com taxas de compressão altíssimas (17:1 nos turbodiesel e até 22:1 nos diesel aspirados), geram a mesma potência consumindo menos combustível.

Há limitações físicas e técnicas para a simples ampliação da taxa. No primeiro caso, ocorre a dificuldade de obtenção de câmaras de combustão minúsculas. Já o seguinte apresenta restrições quanto às propriedades do combustível, i.e., técnicas, o quanto cada um “tolera” de compressão antes de se autoinflamar (octanagem).

A taxa de compressão corresponde à relação entre

Chamando de V a cilindrada do motor e v o volume da câmara de combustão (volume morto), têm-se:

8. PONTO DE IGNIÇÃO

Em razão das altas temperaturas na câmara de combustão ou octanagem incorreta da gasolina para a taxa de compressão do motor, algumas vezes o efeito auto-ignição pode ocorrer. Pontos quentes no interior da câmara passam a fazer o papel da vela de ignição, incandescendo a mistura ar/combustível antes mesmo de a vela de ignição iniciar o processo através da centelha elétrica. Uma vela com grau térmico muito alto para a situação em que o motor está sendo utilizado pode também ser o motivo da auto-ignição.

Muito prejudicial ao funcionamento do motor, fazendo com que o mesmo perca potência e corra o risco de um superaquecimento ainda maior, a auto-ignição pode levar à destruição da câmara de combustão e, em casos extremos, furos na cabeça dos pistões ou mesmo sua fusão com o cilindro.

Seus efeitos devastadores são idênticos aos do motor com ponto de ignição muito adiantado, o que pode acabar provocando detonações.

De uma maneira geral, o maior responsável pela auto-ignição é a carbonização da cabeça dos pistões e das câmaras de combustão em motores com alta compressão, fato que aumenta ainda mais a taxa de compressão por reduzir o volume da câmara de combustão, ou que estejam trabalhando com o avanço da ignição adiantado com relação ao ideal para aquele motor.

8.1 Octanagem imagens

Figura 13: Danificação por Pré-Ignição

Figura 14: Danificação por Detonação

9. COMO SE MEDE A POTÊNCIA DE UM MOTOR

Figura 15: medição da potência é nas rodas motrizes

A ferramenta usada para calcular a potência de um motor é o dinamômetro. Há o de rolo, no qual o veículo “roda” e a medição é feita nas rodas motrizes, e o de bancada, em que o motor é instalado e a medição, feita isoladamente.

O nome cavalo-vapor, utilizado no sistema métrico para indicar potência, teve origem na década de 1790, na Inglaterra. Foi quando surgiram os motores a vapor.

James Watt, a quem é creditada a invenção, foi quem definiu que 1 cavalo-vapor seria a potência para elevar uma massa de 75 kg a uma altura de 1 metro em 1 segundo, ilustrando sua ideia com um cavalo realizando a tarefa.

O nome em inglês é horsepower (hp), força de cavalo, que aqui se vê como cavalos de força. Em francês é cheval-vapeur (cv), de onde veio a expressão para o português. A diferença entre hp e cv existe por causa de uma aproximação da definição de Watt.

É que 33.000 lbf-pé (libra-força.pé) por minuto, ou 1 hp, equivalem a 550 lbf.pé por segundo e estes correspondem a 76,04 m.kgf por segundo no sistema métrico.

Quando esse valor foi arredondado para 75 m.kgf por segundo para definir 1 cv, surgiu a diferença de 1,39%. 76,04 / 75 = 1,0139. A potência em cv é sempre maior que em hp.

,

10. FATOR DETERMINANTE DA POTÊNCIA

Um modelo de automóvel é, em geral, caracterizado principalmente pelo volume de seu motor. Assim, geralmente, associamos os números 1.0 ou 1.000 a motores de baixa potência e menor preço.

O volume e a potência do motor aumentam na proporção que avançamos numericamente para as classificações convencionais de 1.6, 1.8 ou 2.0 (quando expressas em litros) ou em seus correspondentes 1000, 1600, 1800 ou 2000 (quando expressos em centímetros cúbicos ou cilindradas).

O cálculo do volume do motor é função direta de sua geometria, conforme figura abaixo.

Figura 16: Cálculo do volume do motor é função direta de sua geometria

O trabalho produzido por um motor a explosão provém do deslocamento do pistão entre o ponto morto superior e o inferior do cilindro.

A distância percorrida pelo pistão entre estes dois extremos do cilindro é chamada de curso.

Assim, o volume do motor é o volume dos cilindros definidos pelo curso do pistão, ou, em termos matemáticos:

Volume do motor

x curso x número de pistões.

onde d= diâmetro do pistão

Um conhecido motor de quatro cilindros fabricado no Brasil tem como diâmetro dos cilindros (ou curso) 86mm ou 8,6cm.

O volume desse motor pode então ser facilmente calculado a partir destes dados:

Volume do motor:

x 8,6cm x 4 = 1998,22 cm3.

Após um pequeno arredondamento, constatamos a origem da designação 2.0 (litros) dada a este motor específico.

Como vimos na primeira parte, o trabalho produzido e, consequentemente, a potência do motor, são determinados pela sua geometria e pressão interna ao longo do ciclo Otto.

Isso fica bem claro quando acompanhamos em um gráfico de pressão (P) x volume (V) as variações dos quatro tempos do ciclo:

11. GRÁFICOS DO MOTOR TIPO OTTO

Tempo de admissão

Figura 17: Gráfico tempo de admissão

Compressão

Figura 18: Gráfico compressão

Explosão-ignição

Figura 19: Gráfico explosão-ignição

Escape

Figura 20: Gráfico escape

Figura 21: Representação esquemática do ciclo Otto

O trabalho teórico total produzido por um ciclo de quatro tempos do ciclo Otto corresponde à área do gráfico descrita pelo ciclo.

Os fundamentos dos motores a explosão mudaram muito pouco desde sua invenção no século retrasado.

Composições mecânicas mais precisas e comandos eletrônicos diversos tornaram os carros mais eficientes e tecnicamente mais sofisticados.

Mas seus princípios básicos ainda podem ser abarcados por um único olhar para um gráfico simples e capaz de resumi-los.

12. RELAÇÃO DE CARROS POPULARES E POTÊNCIA

Na lista, classificamos os modelos de acordo com sua plataforma e preço. Não representando necessariamente o mais potente dentro da linha de produtos.

Assim, os mais baratos serão os primeiros quando houver empate. Segue então a lista com dos 10 populares mais potentes do Brasil:

Etanol

1) Chevrolet Celta/Prisma – 78 cv

2) Chevrolet Classic – 78 cv

3) Renault Clio Campus – 77 cv

4) Renault Logan/Sandero – 77 cv

5) Fiat Palio/Siena Fire – 75 cv

6) Fiat Novo Uno – 75 cv

7) Fiat Novo Palio – 75 cv

8) Volkswagen Gol/Voyage – 76 cv

9) Nissan March – 74 cv

10) Ford Ka e Fiesta – 73 cv

Gasolina

1) Chevrolet Celta/Prisma – 77 cv

2) Chevrolet Classic – 77 cv

3) Renault Clio Campus – 76 cv

4) Renault Logan/Sandero – 76 cv

5) Nissan March – 74 cv

6) Fiat Palio/Siena Fire – 73 cv

7) Fiat Novo Uno – 73 cv

8) Fiat Novo Palio – 73 cv

9) Volkswagen Gol/Voyage – 72 cv

10) Volkswagen Fox – 72 cv

(a) O Volkswagen Fox tem motor 1.0 VHT com 73 cv no etanol, mas seu preço é superior aos rivais da Ford.

13. GRÁFICO DE POTÊNCIA

Potência desenvolvida versus as rotações do motor, consegue a curva da potência do motor. A curva de potência (cv) típica para um motor de alto desempenho pode ter a aparência aqui mostrada:

Também podemos ver com a curva de potência em que ponto ela é máxima. Quando se tenta obter a maior aceleração possível, procura-se deixar o motor próximo desse ponto, mostrado na curva.

Essa é a razão pela qual muitas vezes se reduz marcha para retomar velocidade: reduzindo aumentamos a rotação do motor, que fica mais perto do ponto de maior potência.

Quando se quer "pular" com o carro na abertura de um sinal de trânsito, o que se faz normalmente é aumentar a rotação do motor até o pico de potência, e depois soltar a embreagem, de maneira a descarregar a potência máxima nos pneus.

14. POTÊNCIA DOS CARROS DE ALTO DESEMPENHO

Um carro é tido como de 'alto desempenho' se tem bastante potência em relação ao seu peso. Isso faz sentido, pois quanto mais pesado, mais potência será necessária para acelerar o automóvel.

Para uma dada quantidade de potência deseja-se minimizar o peso para maximizar a aceleração.

A tabela seguinte mostra a potência do motor e os pesos para diversos carros de alto desempenho (e para um de baixo desempenho, para fins comparativos).

O gráfico mostra a potência máxima, o peso do carro, a relação peso-potência (kg dividido por cv), quantos segundos o carro precisa para acelerar de zero a 96 km/h e o preço.

Pode-se notar uma correlação definida entre a relação potência-peso e o tempo 0 a 96 km/h. Na maioria dos casos, uma relação baixa indica um carro mais rápido.

Não deixa de ser interessante notar que não existe correlação tão acentuada entre a velocidade e o preço. O Viper realmente aparece com um valor bem razoável nesta tabela

Para termos um carro rápido, precisamos ter uma boa razão entre o peso e a potência.

O desejável é contar com muita potência correspondendo a um peso mínimo. De modo que a primeira providência é fazer uma limpeza no porta-malas.