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FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE CILINDROS MÚLTIPLOS

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FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE CILINDROS MÚLTIPLOS
25/4/2010
DEPARTAMENTO
DE ENGENHARIA
FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE CILINDROS MÚLTIPLOS
IT 154- MOTORES E TRATORES | Carlos Alberto Alves Varella
1
FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE CILINDROS MÚLTIPLOS
Carlos Alberto Alves Varella
1
Os motores de cilindros múltiplos apresentam sempre ordem de ignição. A ordem de
ignição é a sequência das expansões que ocorrem nos cilindros do motor. Tem como objetivo
o equilíbrio térmico e dinâmico do motor. O equilíbrio térmico evita que ocorra uma
concentração de calor em determinada parte do motor. O equilíbrio dinâmico diminui as
vibrações decorrentes das forças das expansões sobre a árvore de manivelas. No Quadro 1 são
apresentadas ordens de ignição usuais para motores de quatro tempos em linha.
Quadro 1. Ordem de ignição para motores 4T em linha
Número
cilindros
2
3
4
6
Ordem de ignição 1
Ordem de ignição 2
Ordem de ignição 3
12
123
1342
153624
21
132
1432
1243
DISPOSIÇÃO DOS CILINDROS
As disposições de cilindros mais usuais em motores de combustão interna são: em
linha, horizontal e V.
Cilindros dispostos em linha
Motores com essa disposição de cilindros apresentam menor número de
componentes, são de mais fácil regulagem e menor preço que os horizontais e V. Contudo essa
disposição é inadequada para motores com mais de seis cilindros, devido que o motor torna-se
muito longo. É o tipo mais utilizado em tratores agrícolas.
Animação 1. Cilindros dispostos em linha.
Fonte: http://www.envenenado.com.br/howwork/tipos/tipos.html. Acessado em abr/2010.
1 Professor. Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, IT-Departamento de Engenharia, BR 465 km 7
- CEP 23890-000 – Seropédica – RJ. E-mail: [email protected]
2
QUADRO DE SEQÜÊNCIA DAS EXPANSÕES
Neste quadro podemos visualizar a seqüência das expansões e a posição de cada
pistão em relação ao ponto morto superior ou inferior. Os parâmetros utilizados para a
construção do quadro são: ângulo para o motor completar o ciclo (α), ângulo de freqüência
das expansões (β) e o ângulo correspondente a cada coluna deste quadro (θ).
Ciclo do motor (α)
Este ângulo é de 360º para motores 2T e 720o para motores 4T.
e
Frequência das expansões (β)
É o ângulo correspondente a cada expansão, isto é, de quantos em quantos graus de
giro da árvore de manivelas ocorrem expansões. Depende do tipo de ciclo (2T ou 4T) e do
número de cilindros do motor (Equação 1).
Equação 1. Frequência das expansões
em que,
β= ângulo de frequência das expansões, graus;
α= ângulo correspondente ao ciclo, graus;
n= número de cilindros do motor.
Fase do ciclo (γ)
Este ângulo é 180o para motores de quatro tempos e 90o para motores de dois tempos,
porque os motores 4T realizam o ciclo em 720o, cada curso correspondente a uma das fases do
ciclo. Os motores 2T realizam o ciclo em 360o, e cada curso corresponde a duas fases do ciclo.
Coluna do quadro (θ)
É obtido calculando-se o maior divisor comum de β e  (Equação 2). Representa o
ângulo de rotação da árvore de manivelas corresponde a cada coluna do quadro de seqüência
das expansões.
Equação 2. Coluna do quadro.
Exemplo 1- Calcular o ângulo de rotação da árvore de manivelas correspondente a cada coluna
do quadro de sequência das expansões. Motor de quatro tempos, três cilindros em linha e que
apresenta ordem de ignição 132.
Solução:
a) O ângulo α é 720o porque o motor é de quatro tempos:
3
b) O ângulo β é 240o porque o motor é 4T e o número de cilindros é igual a três.
1ª Expansão no cilindro 1 =
2ª Expansão no cilindro 3 =
3ª Expansão no cilindro 2 = 48
c) O ângulo θ é o
conforme cálculo no Quadro 2.
Quadro 2. Cálculo do mdc de β e  pela decomposição em fatores primos
Decomposição
2
2
2
2
3
5
240
120
60
30
15
5
1
180
90
45
15
5
1
Decomposição
2
2
3
3
5
Número de colunas do quadro (C)
Depende do ciclo do motor (α) e da coluna do quadro (θ), Equação 3.
Equação 3. Número de colunas do quadro
em que,
C= número de colunas do quadro;
α= ciclo do motor, graus;
θ= coluna do quadro, graus.
Número de linhas do quadro (L)
O número de linhas é igual ao número n de cilindros do motor. Então a matriz do
quadro de sequência das expansões possui dimensões L x C.
⁄
⁄
Quadro de seqüência das expansões, motor 4T, ordem de ignição 132, 3 cilindros em linha
Cil
1
2
3
Ângulo de giro da árvore de manivelas, graus
60
120 180 240 300 360 420 480 540 600
EXP
DESC
ADM
DESC
ADM
COMP
EXP
ADM
COMP
EXP
DESC
4
660
720
COMP
DESC
ADM
CÁLCULO DO NÚMERO DE EXPANSÕES POR MINUTO
O número de expansões por minuto é calculado em função do ângulo β e da rotação
da árvore de manivelas (Equação 4).
Equação 4. Número de expansões por minuto
em que,
EXP= número de expansões por minuto;
β= frequências das expansões, graus;
N= rotação da árvore de manivelas, rpm.
ESQUEMA DA ÁRVORE DE MANIVELAS
O esquema da árvore de manivelas é construído a partir de informações obtidas no
quadro de sequências das expansões. Símbolos são usados para esquematizar árvores de
manivelas, de modo que é possível representar o ângulo de giro de cada manivela em relação
ao PMS do primeiro cilindro do motor.
Árvore de manivelas para motores 4T, dois cilindros em linha
Neste caso o ângulo α é igual a 720o, e sendo o número de cilindros igual a dois, temos
que:
A frequência das expansões é 360°. Observe que enquanto o cilindro um faz expansão,
o cilindro dois faz admissão (Figura 1).
Figura 1. Árvore de manivelas simultâneas para motores 4T, dois cilindros em linha.
Quadro 3. das expansões para 2 cilindros 4T em linha com ordem de ignição 12
CIL
0-180
180-360
360-540
540-720
1
2
EXP
ADM
DESC
COMP
ADM
EXP
COMP
DESC
Árvore de manivelas para motores de 2 cilindros 4 tempos horizontal
O motor horizontal apresenta disposição oposta dos cilindros e as expansões ocorrem
a cada 360° de giro da árvore de manivelas (Figura 2).
5
Figura 2. Árvore de manivelas opostas para motores de 2 cilindros 4T horizontal.
Quadro 4. Sequência das expansões motor 4T, ordem de ignição 12 , 2 cilindros horizontal
Cil
0-180
180-360
360-540
540-720
1
EXP
DESC
ADM
COMP
2
ADM
COMP
EXP
DESC
Árvore de manivelas para motores de 2 cilindros 2 tempos
Nos motores de 2 tempos quando o primeiro cilindro faz expansão, admissão no
cilindro e descarga, o segundo cilindro faz compressão e admissão no cárter; as expansões
devem ocorrer a cada 180º de giro da árvore de manivelas. Para atender a essas condições o
eixo é composto por duas manivelas opostas entre si de 180º (Figura 3).
Figura 3. Árvore de manivelas opostas para motores de 2 cilindros 2T em linha.
Quadro 5. Sequência das expansões motores 2T, ordem de ignição 12 2 cilindros em linha
CIL
0-180
180-360
1
2
EXP-DES
ADM-COM
ADM-COM
EXP-DES
Árvore de manivelas para motores de 4 cilindros 4 tempos
Os motores de 4 cilindros de 4 tempos são os mais utilizados tanto em automóveis
como em tratores agrícolas. Nesses motores ocorre uma expansão a cada 180º de giro da
árvore de manivelas, e dessa forma o motor não fica sem expansões. Quando termina a
expansão em um cilindro já se inicia uma outra expansão em um dos outros três cilindros do
motor. Existem duas disposições diferentes das manivelas no eixo conforme a ordem de
ignição do motor. As ordens de ignição para motores de quatro cilindros são: 1243,1342 e
1432 e (Figuras 4 e 5).
6
Figura 4. Árvore de manivelas motores 4T, ordens de ignição 1243 e 1342, 4 cilindros em linha.
Figura 5. Árvore de manivelas para motores 4T, ordem de ignição 1432, 4 cilindros em linha.
Quadro 6. Sequência das expansões motores 4T, ordem de ignição 1243, 4 cilindros em linha
CIL
0-180
180-360
360-540
540-720
1
2
3
4
EXP
COM
DES
ADM
DES
EXP
ADM
COM
ADM
DES
COM
EXP
COM
ADM
EXP
DES
Quadro 7. Sequência das expansões motores 4T, ordem de ignição 1342, 4 cilindros em linha
CIL
0-180
180-360
360-540
540-720
1
2
3
4
EXP
DES
COM
ADM
DES
ADM
EXP
COM
ADM
COM
DES
EXP
COM
EXP
ADM
DES
Quadro 8. Sequência das expansões motores 4T, ordem de ignição 1432, cilindros em linha
CIL
0-180
180-360
360-540
540-720
1
2
3
4
EXP
DES
ADM
COM
DESC
ADM
COM
EXP
ADM
COM
EXP
DES
COM
EXP
DES
ADM
7
Os motores diesel de quatro cilindros, 4T em linha têm sido os mais utilizados em
tratores agrícolas. É importante observar que os motores de tratores são projetados
especificamente para este fim. No Quadro 1 são apresentas as tendências no projeto dos
motores de tratores em relação ao número de cilindros, rotação de trabalho e tipo de motor,
deste 1916 a 1960 (BARGER, et al., 1966).
Quadro 9. Tendências no projeto dos motores de tratores, em relação ao número de cilindros,
rotação de trabalho e tipo de motor de 1916 a 1960 (BARGER, et al., 1966)
Número de
cilindros
Rotação do
motor (rpm)
Tipo de motor
1
2
3
4
6
8
0-500
501-700
701-900
901-1100
1101-1500
1501-2000
2001-2500
Vertical
Horizontal
1916 (%)
5
25
69
1
0
20
29
39
7
5
65
35
1919 (%)
4
13
80
2
1
11
17
45
21
5
1
76
24
1948 (%)
0
14
2
70
14
0
0
0
2
8
56
34
90
10
1960 (%)
0
0
2
76
22
0
0
0
0
0
8
76
16
100
0
Figura 6. Tendência do número de cilindros para motores de tratores agrícolas. Fonte: Barger,
et al., 1966.
8
Figura 7. Tendência do tipo de motor para tratores agrícolas entre 1916 e 1960. Fonte: Barger,
et al., 1966.
Árvore de manivelas para motores de 6 cilindros 4 tempos em linha
Nesses motores a frequência das expansões 120º de giro da árvore de manivelas.
Segundo BARGER, et al. (1966) existem quatro ordens de ignição possíveis para os motores de
seis cilindros, quatro tempos, em linha: 123654; 124653; 153624; 154623.
Figura 8. Árvore de manivelas para motores 4T, ordem de ignição 153624, 6 cilindros em linha.
Quadro 10. Sequência das expansões motor 4T, ordem de ignição 153624, 6 cilindros em linha
CIL
60120
0-60
1
2
120180
180240
EXP
240300
300360
360420
DES
DES
420480
480540
540600
ADM
ADM
600
660
660720
COM
COM
EXP
DES
3
ADM
COMP
EXP
DES
ADM
4
EXP
DES
ADM
COM
EXP
5
6
COM
ADM
EXP
DESC
COM
ADM
EXP
9
COM
DES
BIBLIOGRAFIA
BARGER, E.L.; LILGEDAHL, J.B.; CARLETON, W.M.; McKIBBEN, E.G. Tratores e seus Motores.
Editora Edgard Blücher Ltda. São Paulo, Brasil, 1966.
10
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