Educação Tecnológica: Componentes dos Motores Endotérmicos

sexta-feira, 2 de outubro de 2009

Componentes dos Motores Endotérmicos - Parte II

Chamando Atenção:

No artigo passado, foi possível observamos alguns componentes que integram os motores endotérmicos. A nossa intenção é darmos continuidade a esse processo de aprendizagem, enfatizando outros elementos de estudo deste maravilhoso do mundo da tecnologia automotiva.
Prezados alunos, percebam que apesar da complexidade do funcionamento, dos vários nomes de componentes e das grandes relações de torque e potência; os motores endotérmicos ao serem estudados detalhadamente no tocante aos seus subsistemas ou subáreas, tornam-se muito mais fácil de serem mensurados e classificados.
Então, vamos de imediato aprender novos conceitos e funcionamento de novos componentes. Venham comigo:

Motor de Automóvel Lamborghini Gallardo - oito pistões.

Cabeçote:

Num motor de combustão interna, cabeça do motor é a tampa de fechamento da parte superior do bloco de cilindros e consiste numa plataforma perfeitamente usinada (fresa) de modo ajustar-se ao bloco metal a fim de oferecer resistência as explosões. Atualmente a Cabeça do motor é a parte superior da câmara de combustão e onde se localizam as velas e as válvulas de admissão e exaustão.

Além de facilitar a manutenção do motor, a cabeça do motor é a chave para o bom desempenho, por determinar o formato da câmara de combustão, a passagem dos gases de admissão e exaustão, o funcionamento das válvulas e seu comando. Pode se elaborar um motor totalmente diferente em desempenho apenas alterando o cabeçote.

Usualmente é manufaturada no mesmo material do restante do bloco, ferro fundido ou, em motores de alto desempenho, ligas de alumínio. Como o restante do bloco, contém dutos separados para passagem de lubrificante e água da refrigeração.

Cabeçote de oito válvulas

Válvulas:

A válvula de um motor de combustão interna é um dispositivo que visa permitir ou bloquear a entrada ou a saída de gases dos cilindros do motor.

A válvula é constituída por uma cabeça em forma de disco(1), fixa a uma haste cilíndrica (2). A haste desliza dentro de uma guia (7) constituída por metal que provoque reduzida fricção( por. ex. ferro fundido, bronze).

O topo da haste está em contacto mecânico com um impulsor (4) que, accionado pelo excêntrico(5) da árvore de cames, provoca a sua abertura e a consequente entrada ou saída dos gases do motor.

Uma mola (3) assegura que a válvula regressa à sua posição de fecho mal deixe de haver pressão mecânica para a sua abertura. Em alguns motores este regresso da válvula à sua posição de repouso sobre o assento, também chamado "sede", da válvula (6) é conseguido por comandos pneumáticos e não mecânicos.

Cilindrada:

A cilindrada ou volume de deslocamento do motor é definido como o volume varrido pelo deslocamento de uma peça móvel numa câmara hermeticamente fechada durante um movimento unitário. Este conceito aplica-se em diferentes tipos de bombas e motores.

O movimento unitário corresponde a uma ida e volta no caso de um dispositivo linear como um pistão, ou a uma rotação no caso de um dispositivo giratório.

No caso específico dos motores de combustão interna, a cilindrada é o volume varrido por um pistão dentro de um cilindro entre o ponto morto superior (PMS) e o ponto morto inferior (PMI), por conseguinte para uma ida e volta. Exemplo: Um motor de automóvel com uma cilindrada de 2 litros (realmente 2 l/rotação) aspira e expira dois litros de gás por cada volta do virabrequim. Quando o virabrequim faz uma volta, todos os pistões fizeram uma ida e volta. Em duas voltas do virabrequim são aspirados dois litros de gás combustível e expirados outros dois litros de gases de escape, quatro litros no total.

A vermelho o volume correspondente à cilindrada,
durante um ciclo completo de um motor de quatro
cilindros a quatro tempos.

Cálculo da Cilindrada:

O cálculo da cilindrada parte de dois dados normalmente conhecidos num motor a pistões: o diâmetro e o curso. A partir da fórmula da área do circulo em função do raio obtém-se a mesma em função do diâmetro:

$S = \pi \times R^2 = \pi \times \frac {D^2}{4}\,$

Para determinar o volume do cilindro percorrido pelo pistão, também chamado volume deslocado ou cilindrada unitária, basta multiplicar a área do pistão pelo respectivo curso(C).

$VD_{Volume Deslocado} = (\pi \times \frac {D^2}{4}) \times C$

A cilindrada do motor resulta do produto da cilindrada unitária pelo número de cilindros do motor(N)

$V_{cilindrada} = N \times ((\pi \times \frac {D^2}{4}) \times C)$

Ex: Motor de seis cilindros com diâmetro x curso de 84,0mm x 89,6mm (8,4cm x 8,96cm):

$V_{cilindrada} = 6 \times ((\pi \times \frac {84^2}{4}) \times 89,6)=2979cm3$

Um comentário:

Educação Tecnológica2 de outubro de 2009 às 17:01
Professor Felisberto.

Gostei do blog. Parabéns pela iniciativa e criatividade. Precisamos de mais professores como o senhor, que pensa no aluno e na aprendizagem deles. Estou trabalhando na área de automóveis e entro todos os dias para ver as novidades.
Um forte abraço do seu eterno aluno.

Alexandre.
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Como Funcionam os Motores Flex

Introdução

O carro flexível em combustível, ou simplesmente flex, nasceu nos Estados Unidos bem no começo dos anos 1990. O motivo de os americanos partirem para essa solução, a de poderem abastecer seus carros com etanol (álcool etílico) em vez de gasolina, é a enorme dependência do petróleo produzido pelos países-membros da Organização dos Países Exportadores de Petróleo (Opep), como Arábia Saudita, Irã, Iraque e Kwait, todos na conturbada região do Golfo Pérsico. Essa dependência, que hoje já passa de 50%, é uma situação nada confortável para um país que nunca sofreu ameaças de qualquer espécie e que consome mais de 550 bilhões de litros de gasolina por ano.
Os principais fabricantes de lá passaram a oferecer veículos que chamaram de flexible-fuel vehicles (FFV), capazes de rodar tanto com gasolina quanto com etanol contendo 15% de gasolina. Esse etanol é comercializado com o nome de E85, justamente por ser composto de 85% de etanol e 15% de gasolina. O motorista poder abastecer com gasolina ou com E85.
O grande problema do E85 é não estar disponível nacionalmente nos EUA e o número de postos que vendem o combustível ser ainda muito pequeno, mal passando de 1.000, um número ínfimo se comparado aos 170.000 postos daquele país. Por essa razão, a única saída tinha mesmo de ter sido a criação do automóvel que pudesse usar gasolina e álcool, para que os mais interessados em usar o combustível alternativo não fossem prejudicados ao não encontrá-lo.
No final de 2006 já havia mais de 6 milhões de veículos flex nos Estados Unidos, embora boa parte dos seus donos não se dão conta dessa particularidade e continuam a abastecer só com gasolina.
Mais recentemente, a questão do aquecimento global pelo efeito estufa, em que uma das causas mais prováveis é o excesso de produção de dióxido de carbono (CO2), um dos gases responsáveis pelo efeito e que são oriundos da queima de combustíveis de origem fóssil, deu novo impulso ao etanol. Um motor que queima gasolina, se alimentado com etanol e devidamente ajustado, produz cerca de 10% de CO2 a menos.
A matéria-prima básica do etanol americano é o milho, cuja maior produção está na região do Meio-Oeste daquele país, que compreende os estados de Indiana, Iowa, Minnesota, Missouri, Ohio e Wisconsin.
Carros flex não devem ser chamados de "bicombustívels", como se ouve bastante, uma vez que tanto a gasolina quanto o E85 são colocados no mesmo tanque. Só é bicombustível, por exemplo, um automóvel alimentado por gasolina e por gás natural veicular, em que cada combustível tem seu próprio reservatório de armazenamento no veículo.

A eletrônica cuida de tudo

O que tornou possível a criação do motor flex foi o advento do gerenciamento eletrônico do motor, um processo lento iniciado na segunda metade dos anos 1970 que se aperfeiçoaria e se consagraria a dez anos depois. A formação da mistura ar-combustível não obedecia mais a princípios físicos do funcionamento do carburador, mas mediante um volume de combustível injetado segundo a determinação de um computador chamado módulo de controle eletrônico (ECM, a sigla em inglês).
O ECM se vale de diversas informações acerca do funcionamento do motor para calcular o combustível a ser injetado respeitando a relação ar-combustível ideal, ou relação estequiométrica, em que o combustível é aproveitado da melhor maneira possível por não haver falta nem excesso de ar. A relação estequiométrica da gasolina é de 14,7 partes de ar para 1 parte de combustível e escreve 14,7:1; a do etanol, 9:1, por este conter uma molécula de oxigênio (fórmula molecular C2H5OH; a da gasolina é C8H18).
Entre essas informações estão o quanto o acelerador está aberto, as rotações por minuto do motor (rpm), a pressão no coletor de admissão, a temperatura do ar que o motor admite e a do líquido arrefecedor, todas obtidas mediante sensores específicos.
Para o motor flex, outro sensor precisou ser adicionado: o de tipo de combustível no tanque. Valendo-se da condutividade elétrica diferente da gasolina e do álcool, um ohmímetro estrategicamente colocado no interior do tanque passa o valor da resistência à passagem de corrente ao ECM, que desse modo passa a saber com que combustível está lidando.

A evolução

O sistema de identificação de combustível até então, tinha um problema que atormentava os engenheiros: era muito lento. O veículo chegava a andar um ou dois quilômetros "errado", até que a relação ar-combustível fosse finalmente corrigida. Além do incômodo de o carro funcionar mal nesse ínterim, isso fazia aumentar as emissões pelo escapamento.
No começo dos anos 2000, a indústria de autopeças brasileira fornecedora da indústria automobilística, desenvolveu uma maneira mais eficaz de determinar o combustível que está no tanque. Aproveitando o mesmo sensor de oxigênio existente no escapamento, um item usado há praticamente duas décadas para informar ao ECM desvios na relação estequiométrica para que esta efetuasse a correção necessária, sua função foi ampliada para a circunstância nova de haver álcool no tanque também, não apenas gasolina.
A finalidade do sensor de oxigênio (que se localiza bem antes do catalisador) e que também é conhecido por sonda lambda (λ, a 11ª letra do alfabeto grego, utilizada para representar a relação estequiométrica, representado por λ = 1) é manter essa relação tanto com gasolina quanto com álcool. Desse modo, o sensor de oxigênio "lê" a mistura ar-combustível que está sendo queimada em função da maior ou menor presença de oxigênio, passa a informação ao ECM e este providencia o ajuste necessário. Tudo em poucos segundos.
Faz parte do sistema de identificação de combustível um sinal elétrico da bóia do medidor de combustível, informando ao ECM que houve variação do nível resultante de um reabastecimento, para que esse fique de sobreaviso sobre possível mudança de leitura do sensor de oxigênio. Esse processo serve para acelerar o processo de identificação e correção.

Flex no Brasil

O primeiro carro flexível no Brasil foi o Volkswagen Gol Total Flex, lançado em março de 2003. De lá para cá a produção dessas versões flex aumentou vertiginosamente - hoje representam 86,2% das vendas de automóveis e comerciais leves no mercado interno. Em junho de 2007 as vendas totais já acumulavam 3,2 milhões de veículos flex, conforme os dados da Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores (Anfavea). Hoje dificilmente é possível comprar um carro nacional que não seja flex. É raro um fabricante oferecer versões a gasolina e flex, como faz a Honda.
Como curiosidade, enquanto nos EUA houve um motivo claro para ser criado o carro flexível em combustível, no Brasil ele surgiu do nada, pode-se assim dizer. Ocorre que o Brasil tem toda a gasolina de que precisa, refinada de petróleo próprio, não dependendo de importação, e tem também uma gigantesca produção de etanol produzido a partir da cana-de-açúcar. Desse modo, tanto do ponto de vista estratégico quanto do econômico, não haveria nenhuma necessidade de adotar o carro flexível no Brasil. Único país do mundo, diga-se, que tem abundância absoluta de gasolina e álcool obtidos no próprio território.
O Brasil já viveu a era do álcool na década de 1980 e parte da de 1990, quando a venda de carros a esse combustível chegou a 90%. Motivos diversos levaram à queda do álcool, entre eles a chegada dos carros com motores de baixa cilindrada, que não tiveram versão a álcool logo de início, e o preço mundial do petróleo em grande baixa na segunda metade da década de 1990. Quando pouco depois da virada do milênio o álcool voltou a se tornar interessante quando comparado à gasolina, esperava-se a volta do motor a álcool. Mas no seu lugar surgiu o flex.
O mito da crise de abastecimentoA falta de álcool no terceiro trimestre de 1989 não parece ter afetado tanto a credibilidade dos motores a álcool como se comenta. Nos anos seguintes a produção de carros a álcool subiu fortemente. Em 1990, 1991, 1992 e 1993 foram vendidos 70.250, 129.139, 164.240, 227.289 veículos, respectivamente. A partir daí, com a chegada do carro de 1-litro, começou a queda, com 119.203 carros a álcool produzidos em 1994 - e, daí para frente, despencou.
Como o motor não pode ser otimizado para funcionar com álcool sob risco de tornar inviável o uso de gasolina, a solução do carro flex para o país tem interesse duvidoso, na opinião de muitos. Motores modernos exclusivamente a álcool, muitos pensam, teria sido uma decisão mais acertada.
Uma diferença entre o E85 dos Estados Unidos e o que começa ser disponível também na Europa, e o nosso etanol, é que aqui ele não contém gasolina (teoricamente, pois é colocado 1% de gasolina para descaracterizá-lo como álcool, que em caso contrário poderia ser ingerido como bebida). Assim, para efeito de diferenciação, o nosso álcool é E100, além de ser do tipo hidratado, com 7% de água que resulta do processo de destilação.

As diferenças do carro flex

O carro flex é, na realidade, o mesmo carro a gasolina com algumas mudanças. Além do software do módulo de controle eletrônico para maior capacidade de processamento e de parâmetros diferenciados para atender a cada combustível, seja na relação estequiométrica, seja no avanço de ignição, o motor recebe alterações nos materiais das válvulas e de suas sedes, uma vez que o álcool não tem as mesmas propriedades lubrificantes da gasolina.
A bomba de combustível, que fica imersa no combustível do tanque, é projetada para ficar em contato com o álcool. Em alguns casos, como nos Ford Fiesta e EcoSport, a válvula termostática é elétrica e tem funcionamento diferenciado segundo o combustível (motor deve funcionar mais quente com álcool, para melhor aproveitamento da energia do combustível).
Devido à menor evaporação do álcool em relação à gasolina, a partida do motor frio, com álcool no tanque, em temperatura ambiente inferior a 14° C, é difícil ou mesmo impossível. Por esse motivo, a exemplo dos carros só a álcool que existiam antes, há um sistema para tornar possível ligar o motor nessas condições. Ele consiste num pequeno reservatório de gasolina no compartimento do motor e uma bomba elétrica. Quando a temperatura baixa de 14° C e o motor está frio, uma pequena quantidade de gasolina é introduzida automaticamente no coletor de admissão, e o motor pode ser posto em funcionamento normalmente.
Alguns avanços vêm sendo feitos nesse campo, e a temperatura-limite de 14° C tende a deixar de ser um paradigma. Recentemente, em junho de 2007, a General Motors lançou o Corsa 2008 de motor 1,4 litro flex em que a partida a frio sem o uso de gasolina pode ser feita até 8° C graças uma operação especial do acelerador eletrônico, independente da operação do motorista.
Foi esse o motivo de os americanos, sabiamente, terem adotado o E85 e não o E100: o motor pegar frio sem necessidade de suprimento adicional de gasolina como aqui no Brasil. Inclusive, nos meses mais frios na região norte de lá, o etanol fornecido nos postos é E70: 70% de etanol e 30% de gasolina.
Nos EUA o álcool é o anidro, com 0,5% de água. Álcool anidro também é usado no Brasil, mas para misturar com a gasolina somente, à razão de 20% a 25%, por força de lei (só no Brasil a gasolina contém tanto álcool, que é no máximo de 10% no resto do mundo, isso quando tem).
Isso significa que o nosso carro a álcool ou flex pode rodar lá fora, mas não o contrário.

Utilização do carro flex

Desde que surgiu, o carro flex é alvo de muitas lendas a respeito de sua utilização. Fala-se, por exemplo, que no carro novo deve-se andar os dois primeiros tanques com gasolina e depois, aí sim, o álcool pode ser usado. Tudo tolice. O carro flexível em combustível funciona sem nenhum problema com qualquer dos combustíveis desde zero-quilômetro. Ou com gasolina e álcool misturados em qualquer proporção.
Como os motores normalmente são mais potentes com álcool, pode-se usar esse combustível quando se desejar maior desempenho. Mas como o consumo com o combustível alternativo é maior em relação à gasolina: ao se procurar a maior autonomia possível, a gasolina é mais atraente.
Um cuidado deve ser dispensado à gasolina do reservatório que, se ficar sem uso, acaba envelhecendo (oxidando), tornando-se imprestável e a goma resultante pode entupir o sistema. É por isso que há carros em que a cada partida é introduzida gasolina, seja ou não necessário, a fim de que a gasolina do reservatório seja consumida e nunca chegue a ficar velha. É assim nos Honda. Por outro lado, nem todos os carros possuem luz de aviso de que o nível do reservatório de gasolina está baixo: é preciso inspeção visual para evitar surpresas.
O proprietário de carro flex, dependendo da região e da época do ano (o preço do álcool costuma variar bastante entre a safra e a entressafra de cana-de-açúcar), pode abastecer com álcool e obter economia para rodar, mesmo que com o combustível alternativo o consumo seja maior. É que o preço por litro na bomba é sempre bem menor do que o da gasolina e isso muitas vezes mais do que compensa o maior volume gasto.
Por exemplo, em São Paulo gasolina e o álcool custam, típica e especificamente, R$ 2,40 e R$ 1,40. A quilometragem percorrida usando álcool é em média 30% menor do que com gasolina por conta do seu menor poder calorífico em relação à gasolina (26,8 megajoules/kg contra 42,7 MJ por kg). Se o consumo médio com gasolina é de 10 km/l, com álcool será de 7 km/l, para exemplificar.
Com base nesses números, o custo por quilômetro rodado com gasolina será de 2,40 / 10 = R$ 0,24/km. Com álcool, 1,40 / 7 = R$ 0,20/km. Portanto, a economia por rodar com álcool será de R$ 0,04/km. Quem roda 15.000 km/ano (média brasileira), terá economizado R$ 600,00 ao fim de um ano, mantidos inalteráveis os preços da gasolina e do álcool.
Por isso, o dono de carro flex interessado em gastar o menos possível pode fazer um pequeno cálculo antes de escolher o combustível no posto. É multiplicar o preço do litro da gasolina por 0,7. Se o resultado der um valor menor que o preço do litro do álcool, abastecer com gasolina; se maior, álcool é a melhor opção.
Se, no exemplo acima, o álcool custasse R$ 1,80 o litro em vez de R$ 1,40, a multiplicação 2,40 x 0,7 daria 1,68, a escolha recairia sobre a gasolina. De fato o custo por quilômetro para rodar a álcool seria 1,80 / 7 = R$ 0,26, dois centavos de real por quilômetro a mais do que se o carro fosse reabastecido com gasolina.

sexta-feira, 2 de outubro de 2009

Componentes dos Motores Endotérmicos - Parte II

Cálculo da Cilindrada:

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