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Prof. Thiago Romanelli
27/03/2012
Motores de Combustão Interna
Parte I
ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA “LUIZ DE QUEIROZ
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE BIOSSISTEMAS
LER332 – Mecânica e Máquinas Motoras
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Motores de Combustão Interna
Parte I – Introdução
Parte II – Órgãos fundamentais
Parte III – Sistemas complementares
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CONSTITUIÇÃO GERAL DE UM TRATOR
AGRÍCOLA
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Composição do trator
Traciona Aciona mecânicae hidraulicamente
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Estrutura do corpo
Célula
Tecido
Órgão
Sistemas
Corpo
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Sistema Nervoso Sistema Ósseo Sistema Muscular Sistema Circulatório
Figure 35-2 Human Organ Systems Part I
Alguns sistemas
Sistema Respiratório Sistema Digestivo Sistema Excretor
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Sistema Digestivo
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Sistema Respiratório
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O que é um motor?
Um motor é um dispositivo que converte outras formas de
energia em energia mecânica, de forma a impelir movimento
a uma máquina ou veículo.
O termo motor, no contexto da fisiologia, pode se referir aos
músculos e a habilidade de movimento muscular, como em
Coordenação Motora.
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Liberação de energia
Necessário para “queimar” o combustível;
Glicose + gás oxigênio ↔ Gás carbônico + água +ENERGIA
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Sistema Nervoso Sistema Ósseo Sistema Muscular Sistema Circulatório
Figure 35-2 Human Organ Systems Part I
Sistema Respiratório Sistema Digestivo Sistema Excretor
Transformação de
Energia química em trabalho
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Motor a combustão interna
Motor Trabalho
Calor
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Origem do motor de combustão interna de
êmbolos
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NOÇÕES BÁSICAS SOBRE MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA
CONFIGURAÇÃO MOVIMENTOS RELATIVOS MATERIAL ETC
PRINCÍPIOS TEORIAS FÍSICAS LEIS TERMODINÂMICAS FLUXO DE GASES TRANSFERÊNCIA DE CALOR
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O que é combustão?
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O que é combustão?
Combustão ou queima é uma reação química exotérmica
entre uma substância (o combustível) e um gás (o
comburente), geralmente o oxigênio, para liberar calor.
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O que é trabalho?
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O que é trabalho?
Uma das formas de transmissão de energia
Trabalho (J) = Força (N) x deslocamento (m)
Força (N) = massa (kg) x aceleração (∆v/∆t)
Força altera a velocidade de um corpo
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O que é potência?
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O que é potência?
Capacidade de transmitir energia por tempo
Transmissão de energia pode ser por
Realização de trabalho; e/ou
Transmissão de calor
Potência utilizada – mede o trabalho realizado por uma força no
intervalo de tempo
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O que é potência?
1 Cavalo =
75 kg erguidos a 1 m
em 1 s
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PMS – Ponto Morto Superior
PMI – Ponto Morto Inferior
t
POTÊNCIA
P = f . d
t
P = POTÊNCIA
f = INTENSIDADE DA FORÇA
d = DISTÂNCIA PERPENDICULAR ENTRE
O EIXO E A DIREÇÃO DA FORÇA
t = TEMPO
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TORQUE
T = f x d
T = TORQUE (mkgf)
f = INTENSIDADE DA FORÇA (kgf)
d = DISTÂNCIA PERPENDICULAR
ENTRE O EIXO E A DIREÇÃO
DA FORÇA.
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Trabalho x Torque
Trabalho = Força x Deslocamento
J = N x m
Torque = Força x raio x 2π
Nm = N x m
Pot = Torque x Rotação x 2π
W = Nm x rps
2π x r = d
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POTÊNCIA DO MOTOR
Pm = 2.π.Tm.Nm
Pm - POTÊNCIA DO MOTOR
Tm - TORQUE DO MOTOR
Nm - ROTAÇÃO DO MOTOR
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PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DOS
MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
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Conteúdo Tipos de ciclo de funcionamento
Motores do ciclo otto
Motores do ciclo diesel
Motores de 4 e 2 tempos
Funcionamento básico dos motores otto de 4 e 2 tempos
Eficiência do ciclo dos motores
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Motores de combustão
interna
Os motores de combustão interna (“endotérmicos”) utilizados nos veículos
automóveis, transformam a energia térmica gerada
pela combustão da mistura comburente/combustível em energia mecânica
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Motores de movimento alternativo Disposição dos cilindros
Os cilindros dos motores de movimento alternativo podem ter disposições diferentes
Cilindros em linha
Cilindros em V
Cilindros opostos
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Os diferentes tipos de motores
Os motores apresentam-se sob formas construtivas e de funcionamento muito diversas, podendo classificar-se segundo o tipo de movimento em:
- Motores de movimento alternativo
- Motores de movimento rotativo
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Motores de movimento alternativo
Os motores de movimento alternativo, vulgarmente utilizados nos veículos automóveis, têm como
princípio de funcionamento, o movimento alternativo do êmbolo
no interior do cilindro que transmite, através da biela, um movimento circular à arvore de
manivelas. ADM
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Motores de movimento alternativo Número de cilindros
Os motores de movimento alternativo podem ser constituídos por apenas um cilindro (monocilíndricos) ou por vários cilindros (policilíndricos).
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Tipos de ciclos de funcionamento
OTTO foi descrito por NIKOLAUS OTTO, 1876;
DIESEL por RUDOLF DIESEL, 1893.
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Motores do ciclo OTTO
Ignição por centelha
Utilizam energia elétrica para dar início a reação de
combustão. A centelha (faísca elétrica) é produzida pela vela
de ignição;
O combustível é misturado com o ar fora da câmara de
combustão;
Pode ser de 2 ou 4 tempos.
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Motores do ciclo DIESEL
Ignição por compressão
Utilizam o aumento da temperatura, devido a compressão da
massa de ar admitida, para dar início a reação de combustão;
O combustível é misturado com o ar dentro da câmara de
combustão.
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Motores de movimento alternativo
A sequência de operações – admissão, compressão, expansão e escape – realiza-se num ciclo de 4 movimentos do êmbolo – motor de 4 tempos, ou num ciclo de 2 movimentos do êmbolo – motor de 2 tempos.
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O que é um tempo do motor?
TEMPOS DO MOTOR: MOVIMENTO DO ÊMBOLO A
CADA 180° DE GIRO DA ÁRVORE DE MANIVELAS
(ADMISSÃO, COMPRESSÃO, EXPLOSÃO-EXPANSÃO
E EXAUSTÃO).
TEMPO “MOTOR”: É O DE EXPLOSÃO-EXPANSÃO,
O ÚNICO ONDE OCORRE A TRANFORMAÇÃO DA
ENERGIA DO COMBUSTÍVEL EM MECÂNICA.
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Motores de 4 Tempos
Realizam o ciclo em quatro etapas;
O ciclo é equivalente a duas voltas (720o) na árvore de
manivelas
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Motores do ciclo otto de 4 tempos Os motores do ciclo otto de quatro tempos admitem
mistura de ar e combustível.
Árvore de manivelas
Vela de ignição
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Ciclo completo – efetua 2 rotações da ADM
Admissão
Compressão Expansão Escape
O Ciclo de 4 tempos (motor de explosão – mistura ar/gasolina
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Funcionamento básico dos motores de
4 tempos
Primeiro curso: Admissão
Ar + combustível
Admissão Descarga
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Ciclo termodinâmico - Otto
1. Admissão isobárica 0-1.
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Funcionamento básico dos motores de
4 tempos
Segundo curso: Compressão
Admissão Descarga
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Ciclo termodinâmico - Otto
1. Admissão isobárica 0-1.
2. Compressão adiabática 1-2.
Isobárica = P constante
Adiabática = sem transferir calor
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Funcionamento básico dos motores de
4 tempos
Terceiro curso: Expansão
Admissão Descarga
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Ciclo termodinâmico - Otto
1. Admissão isobárica 0-1.
2. Compressão adiabática 1-2.
3. Combustão isocórica 2-3,
expansão adiabática 3-4.
Isocórica = V constante
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Funcionamento básico dos motores de
4 tempos
Quarto curso: Descarga
Resíduos da
combustão
Admissão Descarga
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Ciclo termodinâmico - Otto
1. Admissão isobárica 0-1.
2. Compressão adiabática 1-2.
3. Combustão isocórica 2-3,
expansão adiabática 3-4.
4. Abertura de válvula 4-5,
exaustão isobárica 5-0.
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Motor Diesel
O ar, que entra na câmara de combustão na fase de admissão, é submetido a uma elevada compressão, seguindo-se a entrada de combustível, que inflama, ao contactar com o ar quente comprimido.
Este motor, inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel, é, do ponto de vista estrutural igual ao motor a gasolina.
Nestes motores, de ignição por compressão, a mistura ar/combustível é feita na câmara de combustão.
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Motores do ciclo diesel de 4 tempos
Os motores do ciclo diesel de quatro tempos admitem
somente ar.
Bico injetor
Árvore de manivelas
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Motor Diesel (4 tempos)
O êmbolo ao descer aspira ar para dentro do cilindro através da válvula de admissão aberta.
A válvula de admissão fecha-se e o êmbolo ao subir, comprime o ar, aquecendo-o. O combustível é injetado.
O combustível inflamado pelo ar que aqueceu explode e empurra o êmbolo para baixo.
A válvula de escape abre-se e o êmbolo ao subir, expele do cilindro os gases de combustão.
1ºTempo-admissão 2ºTempo-compressão 3ºTempo-expansão 4ºTempo-escape
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Ciclo termodinâmico - Diesel
1-2 : Compressão adiabática
2-3 : Fornecimento de calor isobárico
3-4 : Expansão adiabática
4-1 : Transferência de calor isocórica
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Motores de 2 Tempos
Realizam o ciclo em dois cursos;
O ciclo é equivalente a uma volta (360o) na árvore de
manivelas
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Funcionamento básico dos motores do
ciclo otto de 2 tempos
Os motores do ciclo otto de dois tempos admitem mistura de ar,combustível e óleo lubrificante.
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O Ciclo de 2 tempos - (motor de explosão)
Ciclo completo – efetua 1 rotação da ADM
1ºTempo – Expansão/Admissão 2ºTempo – Escape/Compressão
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O Ciclo de 2 tempos - (motor de explosão)
1ºTempo – Expansão/Admissão
A mistura gasolina-ar explode e empurra o êmbolo para baixo, uma nova mistura entra no cárter pela janela de admissão.
O êmbolo empurra a mistura nova para a janela de transferência e começa a abrir a janela de escape.
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O Ciclo de 2 tempos - (motor de explosão)
2ºTempo – Compressão/Escape
A janela de transferência é aberta, passando a mistura para a parte superior do cilindro o que ajuda a expulsar os gases.
O êmbolo sobe, fechando a janela de escape e comprimindo a mistura. Na vela salta a faísca.
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Motor Wankel
Este motor, de movimento rotativo, menos usual do que os anteriores, realiza em cada rotação do rotor uma sequência de quatro operações – admissão, compressão, explosão e escape.
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Admissão Compressão Explosão Escape
Motor Wankel
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Prof. Thiago Romanelli
09/04/2012
Motores de Combustão Interna
Parte II - ÓRGÃOS FUNDAMENTAIS
ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA “LUIZ DE QUEIROZ”
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE BIOSSISTEMAS
LEB332 – Mecânica e Máquinas Motoras
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ÓRGÃOS FUNDAMENTAIS
1. BLOCO,
2. CILINDRO,
3. CABEÇOTE,
4. CARTER,
5. ÊMBOLO,
6. ANÉIS DE SEGMENTO,
7. PINO DO ÊMBOLO,
8. CASQUILHOS,
9. BIELA,
10.ÁRVORE DE MANIVELAS (ADM),
11.VOLANTE.
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1. Bloco
Constitui o suporte às demais partes constituintes do motor.
Geralmente construídos em ferro fundido.
Automóveis mais modernos em alumínio.
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Bloco – Sistema de arrefecimento
1. Bloco de cilindros externos – arrefecimento a ar
2. Bloco de cilindros internos – arrefecimento a àgua
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Cilindros em linha
Cilindros em V
Cilindros opostos
Bloco – Arranjo dos cilindros
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2. Cilindro
Onde ocorre a combustão, sob altas pressões e temperaturas.
Em geral são tubos removíveis, denominados “camisas”
.
Para que a pressão desloque o embolo, o sistema deve ser vedado → anéis de segmentos (ou anéis de vedação)
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2. Cilindro
Alta resistência de desgaste
Mínimo atrito
Troca calor através de contato com o meio arrefecedor (água/ar) – câmaras de arrefecimento
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Camisas de cilindro
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3. Cabeçote Órgão que fecha o bloco e os cilindros na sua parte
superior
Entre cabeçote e bloco, está a junta de cabeçote.
Na parte interna do cabeçote existem depressões chamadas câmaras de compressão.
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4. Cárter É o órgão que fecha a parte inferior do bloco, ao
qual é fixado por meio de uma junta.
É um depósito de lubrificante e veda a parte inferior do motor, protegendo contra impacto e impurezas
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5. Êmbolo Parte que se movimenta devido à explosão e
expansão dos gases oriundos da combustão.
Através do pino e da biela transmite o movimento à árvore de manivelas.
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ÊMBOLO ou PISTÃO
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6. Anéis de segmento São localizados nas ranhuras circulares existentes na
cabeça do êmbolo.
Suas funções:
a) vedar a câmara do cilindro, retendo a compressão;
b) reduzir a área de contato direto entre as paredes do êmbolo e do cilindro;
c) controlar o fluxo de óleo nas paredes do cilindro;
d) dissipar o calor do êmbolo pelas paredes do cilindro
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6. Anéis de segmento Existem dois tipos fundamentais de anéis
a) De compressão – responsável pela vedação do cilindro; são maciços e colocados nas canaletas próximas ao topo do êmbolo.
b) De lubrificação – responsáveis pelo controle de fluxo de óleo entre as paredes do êmbolo e cilindro; são providos de canaletas ou rasgos, interrompidos ao longo do perímetro.
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7. Pino do êmbolo Proporciona uma ligação articulada entre biela e
êmbolo
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Árvore de manivelas
Pino
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Pino
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8. Biela É o órgão que estabelece a conexão entre o êmbolo e
a árvore de manivelas (ADM).
É um dos órgãos responsáveis por transformar o movimento retilíneo do êmbolo em movimento circular junto ao volante do motor.
Cabeça: parte que se prende aos moentes da ADM
Pé: parte que se acopla ao êmbolo, através do pino
Corpo: viga entre o pé e a cabeça que lhe confere o comprimento.
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Cabeça
Pé
Corpo
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9. Casquilhos São os elementos através dos quais estabelece-se o
contato, sob condições especiais, entre a cabeça da biela e os moentes da ADM.
São duas cápsulas semi-cilíndricas recobertas de liga antifricção.
baixo coeficiente de atrito
ponto de fusão relativamente baixo
resistência a corrosão
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9. Casquilhos Excesso de folga faz com a lubrificação seja prejudicada
Anéis não conseguem retirar o excesso, excesso acaba sendo queimado
O excessivo escape de óleo ou extravasamento não uniforme gera a lubrificação deficiente e superaquecimento, quando há a fusão do casquilho.
“Motor fundido” → casquilhos fundidos
“Motor batendo” → ruído das batidas do mancal da biela contra o moente da ADM, pelo excesso de folga.
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10. Árvore de manivelas Árvore de transmissão de movimento que apresenta
tantas manivelas quantos forem os cilindros do motor.
Na extremidade de cada manivela localiza-se um moente, ao qual de acopla o mancal da cabeça da biela.
Numa extremidade da ADM se acopla o volante do motor. Na outra a engrenagem ou a roda dentada de acionamento do comando de válvulas.
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Munhões Moentes
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ADM
O ângulo formado entre moentes da ADM se dá pelo número de cilindros e de tempos do motor
a) Motor de 4 tempos : 720°/n
b) Motor de 2 tempos : 360°/n
Onde n = número de cilindros
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11. Volante do motor
Massa de ferro fundido que tem por função manter
uniforme a velocidade angular da ADM, absorvendo a
energia cinética durante os tempos de explosão para
cedê-la de volta durante os outros tempos.
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11. Volante do motor
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O que é Cilindrada?
O que significa falar que o motor é 2.0?
O que é um carro 1000?
PMI
PMS
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O que é Cilindrada?
O que significa falar que o motor é 2.0?
O que é um carro 1000?
PMI
PMS
D = DIÂMETRO DO CILINDRO h = CURSO DO ÊMBOLO (PMI PARA PMS) N = NÚMERO DE CILINDROS DO MOTOR
Volume deslocado pelo êmbolo durante o percurso do PMS ao PMI CC = (∏ D²/4) x h x N
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Um motor de 3 cilindros, com diâmetro dos cilindros de 10 cm e curso do êmbolo de 120 mm, qual é sua cilindrada?
Cálculo da cilindrada - Exemplo
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Um motor de 3 cilindros, com diâmetro dos cilindros de 10 cm e curso do êmbolo de 120 mm, qual é sua cilindrada?
CC = (∏ D²/4) x h x N =
= ∏ 10²/4 x 12 cm x 3 =
= ∏ 25 x 36 = 2827,4 cm³
Cálculo da cilindrada - Exemplo
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Uma mistura combustível atinge pressão de 40 atm dentro do cilindro do motor. qual a força máxima aplicada pela biela contra o êmbolo, no tempo de compressão, sendo que o diâmetro do cilindro mede 96 mm?
1 atm = 1,03329 kgf/cm²
A = ∏ r² ou ∏ D²/4
Cálculo da pressão exercida no Êmbolo - Exemplo
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Uma mistura combustível atinge pressão de 40 atm dentro do cilindro do motor. qual a força máxima aplicada pela biela contra o êmbolo, no tempo de compressão, sendo que o diâmetro do cilindro mede 96 mm?
1 atm = 1,03329 kgf/cm²
D = 96 mm,logo r = 48 mm
A = ∏ r² = 7238,22 mm² = 72,38 cm²
P = F/A, logo F = P * A = 40 atm * 72,38 cm² * 1,03329 kgf/cm²
F = 2991,7 kgf
Cálculo da pressão exercida no Êmbolo - Exemplo
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Câmara de compressão: volume remanescente, localizado no cabeçote, quanto o êmbolo se encontra em seu PMS.
Câmara de compressão
Bico injetor de diesel atomizado
Válvula de admissão Válvula de exaustão
Parede do cilindro
Êmbolo
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PMI
PMS
Volume da câmara do cilindro: volume deslocado
pelo êmbolo + volume da câmara de compressão.
VOLUME
DESLOCADO
PELO ÊMBOLO
VOLUME DA
CÂMARA DE
COMPRESSÃO
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RAZÃO DE COMPRESSÃO: VOL. DESLOCADO PELO ÊMBOLO + VOL. DA CÂMARA DE COMPRESSÃO VOLUME DA CÂMARA DE OMPRESSÃO
OU SEJA: R = VOLUME INICIAL / VOLUME FINAL VOLUME
FINAL
VOLUME
INICIAL
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Calcular a razão de compressão de um motor com cilindrada de 3784 cc, com 4 cilindros e volume da câmara de compressão de 59 cm³.
Cálculo da pressão exercida no Êmbolo - Exemplo
RAZÃO DE COMPRESSÃO: VOL. DESLOCADO PELO ÊMBOLO + VOL. DA CÂMARA DE COMPRESSÃO VOLUME DA CÂMARA DE OMPRESSÃO
OU SEJA: R = VOLUME INICIAL / VOLUME FINAL
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Calcular a razão de compressão de um motor com cilindrada de 3784 cc, com 4 cilindros e volume da câmara de compressão de 59 cm³.
Volume inicial = (3784 / 4 ) + 59 = 946 + 59 = 1005 cm³
Volume final = 59 cm³
Razão = Vinicial / Vfinal = 1005 / 59 = 17,03
Cálculo da pressão exercida no Êmbolo - Exemplo
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