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  1. 1. UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA4386 – TRATORES E MOTORES AGRÍCOLASPROF. Dr. RENY ADILMAR PRESTES LOPES CIDADE GAÚCHA PARANÁ - BRASIL SETEMBRO – 2009
  2. 2. 11 - INTRODUÇÃO A intensificação do uso de máquinas agrícolas vem exigindo novos investimentosem máquinas com maior grau de confiabilidade no quesito de potência disponível,tecnologia e consumo de combustível, visando atender a demanda nas atividadesagrícolas. A otimização do desempenho de sistemas agrícolas mecanizadosnecessariamente passa por questões de aspectos técnicos e econômicos visando umentendimento adequado entre as relações de potência disponível e custos operacionais.No caso de tratores agrícolas os custos operacionais estão intimamente relacionadoscom a intensidade de utilização da máquina de tração, tendo como composição dessescustos o combustível, os lubrificantes, a manutenção e o salário do operador. O elevado consumo de combustível dos tratores agrícolas asil se deve ao fatodesses ser operados, em sua maioria, com altas rotações e em marchas reduzidascompreendendo na faixa de potência máxima do motor. A redução no consumo de combustível pode ser obtida através de operações emfaixa econômica de rotação do motor, ou de um prévio ajuste no dimensionamento deaquisição do trator utilizando-se da relação rotação, torque e consumo específico decombustível do motor.2 - Conceituação e Normalização das Máquinas Agrícolas A classificação das máquinas agrícolas seguem algumas terminologiassegundo a ABNT - NB-66. • Operação Agrícola: Toda atividade direta e permanentemente relacionada com a execução do trabalho de produção agropecuária. • Máquina Agrícola: Máquina projetada especificamente para realizar integralmente ou coadjuvar a execução da operação agrícola. • Implemento Agrícola: Implemento ou sistema mecânico, com movimento próprio ou induzido, em sua forma mais simples, cujos órgãos componentes não apresentam movimentos relativos. • Ferramenta Agrícola: Implemento, em sua forma mais simples, o qual entra em contato direto com o material trabalhado, acionado por uma fonte de potência qualquer.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  3. 3. 2 • Máquina Combinada ou Conjugada: Máquina que possui, em sua estrutura básica, órgãos ativos que permitem realizar, simultaneamente ou não, várias operações agrícolas. • Acessórios: Órgãos mecânicos ou ativos que, acoplados à máquina agrícola ou implemento, permite tanto aprimoramento do desempenho como execução de operações diferentes para o qual foi projetado.1.a) Classificação das Máquinas Agrícolas As máquinas agrícolas são divididas em grupos, especificados em gruposdistintos. Grupo 1 - Máquinas para o preparo do solo • a.1) Máquinas para o preparo inicial do solo: São responsáveis pela limpeza do solo, ou seja, pela remoção de árvores, cipós e etc. Constituem-se de destocadores, serras, lâminas empurradoras, lâminas niveladoras, escavadeiras e perfuradoras. • a.2) Máquinas para o preparo periódico do solo: São responsáveis pela movimentação ou mobilização do solo (inversão de leiva). Constituem-se de arados de aivecas, arados de discos, subsoladores, enxadas rotativas, sulcadores e outros. Grupo 2 - Máquinas para a semeadura, plantio e transplanteb.1) Semeadoras, plantadoras e transplantadoras.b.2) Cultivo mínimo ou plantio direto (sistema de semeadura direta). Grupo 3 - Máquinas para a aplicação, carregamento e transporte de adubos e corretivosc.1) Adubadoras e carretas Grupo 4 - Máquinas para o cultivo, desbaste e podad.1) Cultivadores de enxadas rotativas, ceifadeiras e roçadoras Grupo 5 - Máquinas aplicadoras de defensivose.1) Pulverizadores, polvilhadoras, microatomizadoras, atomizadoras e fumigadores Grupo 6 - Máquinas para a colheitaProf. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  4. 4. 3f.1) Colhedoras Grupo 7 - Máquinas para transporte, elevação e manuseiog.1) Carroças, carretas e caminhões Grupo 8 - Máquinas para o processamentoh.1) Máquinas beneficiadoras de café, milho, arroz, algodão e canah.2) Máquinas para o tratamento e polimento: secadoras, classificadoras e polidoras Grupo 9 - Máquinas para a conservação do solo, água e irrigação e drenagemi.1) Irrigação: motobombas e aspersoresi.2) Drenagem: retroescavadeiras e valetadeiras Grupo 10 - Máquinas especiaisj.1) Reflorestamento: tratores florestais e filler bush (processador de madeira) Grupo 11 - Máquinas motoras e tratorask.1) Tratores agrícolas, tratores industriais e tratores florestais2 Tratores Agrícolas O trator agrícola é sem dúvida uma das ferramentas mais utilizadas na modernaagricultura. Desde o preparo inicial do solo, até operações de gradagens, roçadas,pulverizações, adubações, podas e, até mesmo, escoamento da produção. Essasmáquinas representam uma grande importância de investimento, superando muitasvezes os bens que o mesmo utiliza para seu próprio lazer. Apesar da complexa mecânicade um trator, medidas simples e preventivas realizadas periodicamente antes ou depoisdas operações de campo, serão importantes na prevenção de defeitos e avarias, queseguramente proporcionarão às máquinas uma vida útil mais longa e um valor residualmaior. Trator é uma máquina autopropelida provida de meios que, além de lhe conferiremapoio estável sobre superfícies impenetráveis, tem capacidade para tracionar, transportare fornecer potência mecânica, para movimentar os órgãos ativos de máquinas eimplementos agrícolas. • Importância: Aumentar a produtividade aliado à maior eficiência das atividades agrícolas, tornando-o menos árduo e mais atraente. Condicionam e exigem avanços tecnológicos constantes.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  5. 5. 42.1 Evolução das Máquinas A evolução das máquinas agrícolas se deve a dois fatores essenciais: a) Anecessidade do aumento da capacidade de trabalho do homem do campo, face àcrescente escassez de mão-de-obra rural; e b) A migração das populações rurais para aszonas urbanas, devido ao processo de desenvolvimento econômico pelo qual tempassado o nosso país. E evolução promoveu, como conseqüência, modificações profundas nos métodosde trabalho agrícola nos seguintes aspectos: a) Redução sensível da necessidade de tração animal e de trabalho manual e, por conseqüência, diminuição do mercado de trabalho rural, para mão-de-obra não qualificada; b) Crescente exigência do emprego de tecnologia avançada, notadamente das técnicas de descompactação e conservação dos solos, de aplicação de fertilizantes e defensivos, da utilização de sementes selecionadas e de conservação e armazenamento dos produtos colhidos; c) Organização e racionalização do trabalho, através de planejamento agrícola e controle econômico-financeiro, dando às atividades de produção rural um caráter tipicamente empresarial. A evolução do uso de máquinas na agricultura, como método ilustrativos pode servista na figura 1:FIGURA 1. Evolução da participação nos sistemas de produção das várias tecnologias de execução mecanizada das operações agrícolas.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  6. 6. 52.2 Histórico- 1858: Trator à vapor para arar a terra;- 1889: Trator com combustão interna (Henry Ford - Fergusson);- 1911: Ocorreu a primeira mostra de tratores de Nebraska - E.U.A.;- 1920: Surgiram dois tratores agrícolas: Massey Harris - Henri Ford e Fergusson;- 1940: Surgiram tratores equipados com Tomada de Potência (TDP), Barra de Tração (BT) e Sistema de 3 Pontos (1º ponto: inferior esquerdo, 2º ponto: inferior direito e 3º ponto: superior);- Atualmente: Tratores com potência elevadas (potências variando de 180 a 220 cv) e tecnologia avançada (injeção eletrônica) como os das marcas Ford, CASE-New Holland, Massey Fergusson, Caterpillar, Valtra, Muller, John Deere e outros.2.3 Funções Básicasa) Tracionar máquinas e implementos de arrasto tais como arados, grades, adubadoras e carretas, utilizando a barra de tração;b) Acionar máquinas estacionárias, tais como batedoras de cereais e bombas de recalque d’água, através de polia e correia ou da árvore de tomada de potência;c) Tracionar máquinas, simultaneamente com o acionamento de seus mecanismos, tais como colhedoras, pulverizadores, através da barra de tração ou do engate de três pontos e da árvore de tomada de potência;2.4 Constituição Básica dos Tratores Agrícolas:a) Motor: Responsável pela transformação da energia potencial do combustívelem energia mecânica, na forma de potência disponível no eixo de manivelas.Basicamente os motores são classificados quanto: tipo de combustível, númerode cilindros, sistema de injeção, potência, torque, rotação máxima do motor erelação de compressão.b) Embreagem: Órgão receptor da potência do motor e responsável pela suatransmissão à caixa de mudança de marchas, sob o comando de um pedal oualavanca acionável pelo operador (pedal de embreagem).Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  7. 7. 6c) Caixa de mudança de marchas: Órgão mecânico responsável pelatransformação de movimento para o sistema de rodados do trator. É oresponsável pela transformação de torque e velocidade angular do motor, sendocomandada pela alavanca de mudança de marchas.d) Coroa, pinhão e diferencial: Órgãos transformadores e transmissoresdemovimentos responsáveis pela transmissão do movimento da caixa demudança de marchas a cada uma das rodas motrizes; envolvendo uma reduçãoproporcional de velocidade e uma mudança na direção do movimento de umângulo de 90º.e) Redução final: Órgão que transmite os movimentos do diferencial às rodasmotrizes com redução da velocidade angular e aumento do torque.f) Rodados: São os órgãos operadores responsáveis pela sustentação edirecionamento do trator, bem como sua propulsão, desenvolvida através datransformação da potência do motor em potência na barra de tração.g) Tomada de potência (TDP): Órgão responsável pela transformação domovimento do motor para uma árvore de engrenagens, cuja extremidade externaestá localizada na parte traseira do trator, local onde são acoplados sistemasmecânicos rotativos. As tomadas de potência possuem rotações na faixa de 540 a1000 rpm e são normalizadas pela ABNT-PB-83.h) Sistema hidráulico: Órgãos receptores, transformadores e transmissores dapotência do motor através de um fluido sob pressão aos órgãos operadores,representados, principalmente, por cilindros hidráulicos. São normalizados pelaABNT-PB-131.i) Reguladores: Conjunto de órgãos que têm por função regular a velocidadeangular do motor em função das variações das cargas às quais o trator ésubmetido.j) Sistema de engate de três pontos: Responsável pela tração e suspensão deimplementos e máquinas agrícolas. É normalizado pela ABNT-PB-84, categoria I,II (tratores agrícolas) e III (tratores industriais e florestais).k) Barra de tração (BT): Órgão responsável pela tração de máquinas eimplementos. É normalizado pela ABNT-PB-85. Na Figura 2 pode-se visualizar a constituição básica de um trator agrícola.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  8. 8. 7FIGURA 2 – Constituição geral de um trator agrícola.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  9. 9. 82.5 Classificação Geral dos Tratores Agrícolas A classificação geral dos tratores leva em consideração dois critérios básicos: otipo de rodado e o tipo de chassi.2.5.1. Tipo de Rodado Confere à máquina importantes características com relação à tração, estabilidadee rendimento operacional. Classificam-se em:a) Tratores de rodas: Os tratores de rodas constituem o tipo predominante para usoagrícola. Caracterizam-se por possuírem, como meio de propulsão, rodas pneumáticas,cujo número e disposição determinam os seguintes subtipos:a.1) Duas rodas;- as rodas são motrizes;- o operador caminha atrás do conjunto;- tobatas ou microtratores.Figura 3 . Esquema de um trator de duas rodasProf. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  10. 10. 9a.2) Triciclos;- possuem duas rodas traseiras motrizes e uma roda na frente;- utilizados como tratores de jardinagem e ceifadores.Figura 4 – Esquema de um trator de três rodas.a.3) Quatro rodas- duas rodas movidas e duas rodas atrás com diâmetro maior às anteriores;- modelos: 4 X 2 (4 rodas, sendo 2 para tração); 4 X 4 (4 rodas, sendo as 4 para tração) e4X2 TDA – (4 rodas para tração - tração dianteira auxiliar).Figura 5 – Esquema de um trator de quatro rodas.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  11. 11. 10b) Tratores de semi – esteiras São tratores de quatro rodas, porém modificadas, de forma a admitirem oemprego de uma esteira sobre as rodas traseiras motrizes.Figura 6. Esquema de um trator de semi – esteiras.c) Tratores de esteiras O rodado desses tratores é constituído, basicamente, por duas rodas motorasdentadas, duas rodas guias movidas e duas correntes sem fim, formadas de elosprovidos de pinos e buchas dispostos transversalmente, denominados esteiras. As rodas dentadas transmitem movimento às esteiras que se deslocam sobre osolo, apoiadas em chapas de aço denominadas sapatas. Uma estrutura de apoio e umconjunto de roletes completam esse tipo de rodado.Figura 7. Esquema de um trator de esteiras.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  12. 12. 112.5.2. Tipo de Chassi O chassi confere características ao trator, com relação ao Peso e Potência,distribuição dos esforços e localização do centro de gravidade. Os tratores quanto ao chassi classificam-se em:a) Tratores industriais São utilizados para transporte e manuseio de ferramentas em parques industriais. Podem ser de rodas, esteiras e de chassi articulado.b) Tratores florestais São tratores utilizados para derrubada e corte de árvores, carregamento,transporte e processamento.c) Tratores agrícolas Segundo seu chassi podem ser de 2, 3 e 4 rodas. São transportadores deimplementos e formam conjuntos combinados.FIGURA 8. Representação esquemática de chassi de trator agrícola.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  13. 13. 123 . Motores Os motores basicamente são de combustão interna, externa e híbridos(configuração mais utilizada é um motor a combustão e outro elétrico, assim o consumode combustível é menor), ambos com suas respectivas vantagens, desvantagens eaplicações. No setor de máquinas agrícola há predominância de motores de combustãointerna.3.1 Motores de Combustão externa Os motores de Combustão externa funcionam com um ciclo termodinâmicocomposto de 4 fases e executado em 2 tempos do pistão: compressão isotérmica(=temperatura constante), aquecimento isométrico (=volume constante), expansãoisotérmica e resfriamento isométrico. Este é o ciclo idealizado (válido para gasesperfeitos), que diverge do ciclo real medido por instrumentos. Não obstante, encontra-semuito próximo do chamado Ciclo de Carnot, que estabelece o limite teórico máximo derendimento das máquinas térmicas. O motor Stirling (Figura 9) é um exemplo clássico de motor de combustãoexterna, surpreende por sua simplicidade, pois consiste de duas câmaras em diferentestemperaturas que aquecem e resfriam um gás de forma alternada, provocando expansãoe contração cíclicas, o que faz movimentar dois êmbolos ligados a um eixo comum. O gás utilizado nos modelos mais simples é o ar (daí a expressão citada acima);hélio ou hidrogênio pressurizado (até 150 kgf cm-2) são empregados nas versões de altapotência e rendimento, por serem gases com condutividade térmica mais elevada emenor viscosidade, isto é, transportam energia térmica (calor) mais rapidamente e têmmenor resistência ao escoamento, o que implica menos perdas por atrito. Ao contráriodos motores de combustão interna, o fluido de trabalho nunca deixa o interior do motor;trata-se portanto de uma máquina de ciclo fechado. Teoricamente, o motor Stirling é a máquina térmica mais eficiente possível.Alguns protótipos construídos pela empresa holandesa Phillips nos anos 50 e 60chegaram a índices de 45%, superando facilmente os motores a gasolina, diesel e asmáquinas a vapor (eficiência entre 20% e 30%). A fim de diminuir as perdas térmicas, geralmente é instalado um "regenerador"entre as câmaras quente e fria, onde o calor (que seria rejeitado na câmara fria) ficaarmazenado para o fase seguinte de aquecimento, incrementando sobremaneira aeficiência termodinâmica .Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  14. 14. 13FIGURA 9. Visualização esquemática de um motor Stirling de combustão externa3.2 Motores de Combustão interna O motor é a fonte de potência de veículos. A potência do veículo lhe dámovimentação, e lhe permite o transporte de cargas (pessoas ou materiais). Portanto, omotor é a fonte de força e movimento de veículos. Quanto maior for a potência do motor,maior será a sua capacidade de carga, e maiores velocidades poderá proporcionar aoveículo. Assim, se é dito que um motor é mais potente que um outro, quer dizer que oprimeiro proporciona ao veículo uma capacidade de transportar uma quantidade maior decarga, ou de atingir velocidades mais elevadas. Por exemplo, motores de caminhões eônibus são feitos mais potentes que os de automóveis de modelo popular, poisnecessitam de uma maior capacidade de carga. Por outro lado, motores de automóveisesportivos também são mais potentes que os de modelos populares. Motores deautomóveis esportivos têm por objetivo atingir maiores velocidades. O emprego da potência de motores para uma maior capacidade de carga ou paraa obtenção de velocidades mais elevadas é obtido através do projeto adequado de umsistema de transmissão (grupo de peças e equipamentos que transfere a potência domotor para as rodas.). Para seu funcionamento, o motor necessita de uma fonte deenergia, combustível, os quais podem ser líquidos ou gasosos. Os combustíveis mais popularmente utilizados são: gasolina, o álcool e o óleodiesel, todos líquidos. O gás natural vem sendo ultimamente empregado como uma fontede energia alternativa. Fatores econômicos, requerimentos de potência ou deatendimento a legislações ambientais determinam o tipo de combustível a ser utilizado. Ocombustível pode ser definido como sendo o alimento dos motores.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  15. 15. 14 Nos motores de combustão interna, o combustível é comprimido por umpistão dentro de um cilindro, juntamente com ar aspirado do ambiente. A misturaformada entre o combustível e o ar é queimada, produzindo pressões elevadas, eentão se expande. A expansão da mistura queimada gera o movimento do pistão,que é transmitido para as rodas do veículo. A transmissão do movimento do pistão às rodas do veículo pode sercomparado à transmissão do movimento de um pedal à roda traseira de umabicicleta, conforme mostra a Figura 10. O movimento das pernas de um ciclistaexerce efeito similar ao movimento do pistão de um motor de combustão interna.FIGURA 10. Visualização de eixo de manivelas e conversão de movimentos do pistão em movimento rotatório com transmissão para as rodas.3.3 Classificação dos Motores de Combustão Interna Os motores de combustão interna são classificados de acordo com o modo dequeima do combustível em motores com ignição por centelha (otto) e motores comignição por compressão. Estes últimos também são também conhecidos por motoresdiesel. Motores movidos a gasolina ou a álcool são exemplos de motores com ignição porcentelha. Neste caso, a queima de combustível é iniciada com uma centelha fornecidapela vela de ignição, que é um componente instalado na superfície superior do cilindro,na parte chamada cabeçote do cilindro.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  16. 16. 15 Motores diesel normalmente utilizam o óleo diesel como combustível. Nestesmotores a ignição é iniciada pela injeção de combustível no cilindro através de bicosinjetores. A combustão em motores diesel se dá de maneira espontânea, estimulada porelevadas pressão e temperatura da mistura ar/combustível no cilindro. Os motores também podem ser classificados como de quatro tempos ou doistempos. Durante seu funcionamento, um motor continuamente admite uma quantidadede ar e combustível, comprime e queima a mistura e a deixa expandir antes de expulsá-lado cilindro. Quando este ciclo é feito ao tempo em que o pistão executa quatromovimentos, dois para cima e dois para baixo, o motor é chamado de quatro tempos.Quando o pistão realiza somente dois movimentos durante o ciclo, um para cima e umpara baixo, o motor é chamado de dois tempos. O esquema de motores de quatro tempos de um motor a gasolina são mostradosem detalhes na Figura 11. Admissão Compressão Expansão ExaustãoFIGURA 11 . Ciclo de quatro tempos de um motor com ignição por centelha3.3.1 Princípio de Funcionamento de Motor de 4 tempos Na admissão, o motor atrai uma quantidade de ar e combustível para o interior docilindro. Neste processo, a válvula de admissão permanece aberta, e a válvula deexaustão fechada. A válvula de admissão é um componente que abre ou fecha apassagem de mistura ar-combustível para o interior do cilindro. A válvula de exaustão, também conhecida como válvula de descarga ouválvula de escape, abre ou fecha a passagem de mistura queimada do cilindro para oexterior. O pistão realiza um movimento para baixo, e o volume do cilindro é preenchidopor ar e combustível.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  17. 17. 16 O início da compressão é marcado pelo fechamento da válvula de admissão.Ambas as válvulas, de admissão e de exaustão, permanecem fechadas. A mistura ar-combustível é comprimida pelo movimento do pistão para cima, diminuindo o volume docilindro. A pressão da mistura aumenta, preparando-a para ser queimada. Ao final dacompressão, com o pistão próximo à sua posição superior máxima, denominada PontoMorto Superior (PMS), dá-se início ao processo de queima da mistura, a combustão. A combustão em motores a gasolina é iniciada por uma centelha fornecida pelavela de ignição, e, em motores diesel, é iniciada de maneira espontânea, estimuladapelas altas pressão e temperatura da mistura no cilindro. Quando o pistão se encontra noponto morto superior, o volume definido pela geometria do topo do pistão, cilindro e pelocabeçote do cilindro é chamado câmara de combustão. A câmara de combustão éprojetada de maneira a facilitar o processo de combustão, objetivando que a mistura sejarápida e completamente queimada a cada ciclo do motor. A combustão prossegue e é finalizada durante a expansão. Neste processo, emque as válvulas de admissão e exaustão permanecem fechadas, o pistão move-se parasua posição inferior. O volume do cilindro aumenta, e a mistura em seu interior seexpande. É durante a expansão que a potência do motor é gerada, de acordo com aforça exercida sobre o pistão pela energia liberada da combustão. Pouco antes de opistão atingir sua posição mínima, denominada Ponto Morto Inferior (PMI), a válvula deexaustão é aberta, dando início à exaustão. Este processo é caracterizado pela liberaçãoda mistura queimada no cilindro. A mistura é expelida do cilindro à medida em que opistão move-se para cima. Com o pistão próximo ao ponto morto superior, a válvula deadmissão é aberta. A seguir, a válvula de exaustão é fechada e dá-se início a um novociclo.3.3.2 Princípio de Funcionamento de Motor de 2 tempos O ciclo de um motor de dois tempos (Figura 12) se dá com a combustãoda mistura ar/combustível, que acima do pistão produz um rápido aumento napressão e temperatura, empurrando o pistão para baixo, produzindo potência (1).Abaixo do pistão, a janela de admissão induz ar da atmosfera para o cárter,devido ao aumento de volume do cárter reduzir a pressão a um valor inferior àatmosférica. O cárter é isolado ao redor do eixo de manivelas para assegura amáxima depressão em seu interior. A janela de exaustão, então, se abre (2), permitindo a saída do gás deexaustão. A área da janela aumenta com o giro do eixo de manivelas, e a pressãono cilindro se reduz. O processo de exaustão está quase se completando e, comProf. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  18. 18. 17ambas as janelas desobstruídas pelo pistão, o cilindro se conecta diretamente aocárter através do duto de admissão (3). Se a pressão no cárter for superior àpressão no cilindro, então uma mistura fresca entra no cilindro e se inicia osprocessos de admissão e lavagem. O pistão então se aproxima do ponto defechamento da janela de exaustão e o processo de lavagem se completa (4).Após a janela de exaustão estar totalmente fechada, o processo de compressãose inicia até que o processo de combustão novamente ocorra. A distância entre o ponto morto superior e o ponto morto inferior e odiâmetro do cilindro determinam o volume da mistura ar-combustível admitidapelo motor a cada ciclo. Este volume é comumente chamado cilindrada do motor. A cilindrada é medida em litros (L) ou centímetros cúbicos (cc ou cm³).Assim: um motor 1.0 e um motor de 1000cc têm a mesma cilindrada. A cilindrada está intimamente relacionada ao desempenho do motor. Deuma maneira geral, quanto maior for a cilindrada, maior será a potência e oconsumo de combustível. A razão entre o volume da mistura no cilindro com opistão no ponto morto inferior e seu volume com o pistão no ponto morto superioré denominada razão de compressão. Exaustão Admissão 1) 2) Compressão/Admissão Expansão/Exaustão Exaustão Admissão 3) Toca de Gases 4) Fechamento da ExaustãoProf. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  19. 19. 18FIGURA 12. Ciclo dos motores de 2 tempos com ignição por centelha3.4 Cilindros de Motores Os motores de combustão interna têm, normalmente, quatro, seis ou oitocilindros. Motores de um, três, cinco, dez e doze cilindros também encontramaplicação, em menor escala. Motores de dez e doze cilindros são, em geral, empregados em veículosde competição. Motores de um único cilindro são comumente utilizados para testes delaboratório, veículos de duas rodas, ou para outros equipamentos, comocortadores de grama. Os cilindros de um motor podem ser arranjados em linha, opostos ouem configuração V (Figuras 13, 14, 15 e 16)Figura 13. Vista do arranjo de cilindros (A- em linha, B- em V, C- opostos).Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  20. 20. 19Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  21. 21. 20Figura 14. Vista em corte de um motor V8 (configuração V - 8 cilindros). Figura 15. Vista em corte de um motor de quatro cilindros em linha. Pistão Câmara Combustão Janela Exaustão Janela Admissão Janela Biela Transferência Gases Cárter Figura 16. Vista em corte de um motor simples de dois tempos.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  22. 22. 213.5 Constituição dos Motores Os Motores de combustão interna são constituídos por vários componentesessenciais. Estes componentes são projetados para tornar o motor eficiente e confiável.Os componentes básicos de um motor de combustão interna de quatro tempos são osseguintes: bloco do motor, eixo de manivelas, bielas, pistões, anéis dos pistões,cabeçote do cilindro e trem de válvulas. O bloco do motor é o maior e principal componente do motor. Praticamentetodas as partes do motor são direta ou indiretamente ligadas ao bloco (Figura 17). Obloco é feito de metal fundido, normalmente uma liga de ferro ou alumínio. Os cilindros são largos furos arredondados feitos através do bloco. Os pistões seajustam nos cilindros. Os cilindros são ligeiramente mais largos que os pistões,permitindo a estes deslizarem livremente para cima e para baixo. Em muitos blocos deliga de alumínio, luvas de aço são colocadas nos cilindros, e os pistões deslizam em suasuperfície. O topo do bloco é usinado plano, sendo unido por parafusos ao cabeçote docilindro. O topo do bloco permite a passagem de óleo, para a lubrificação do motor, e deágua (ou ar), para seu resfriamento. Passagens de fluido de resfriamento são tambémencontradas através de todo o bloco, chamadas camisas de água. Por um furo feito naparte inferior do bloco passa o eixo de manivelas. Um outro furo feito no bloco abriga oeixo de comando das válvulas de admissão e exaustão. O cárter é a parte inferior do bloco. O cárter abriga o eixo de manivelas etambém, em alguns casos, o eixo de comando das válvulas. O cárter também servecomo um reservatório de óleo lubrificante. O eixo de manivelas, também conhecido como virabrequim, é responsável porconverter o movimento vertical do pistão em movimento de rotação. O eixo de manivelasgira no interior do cárter. O eixo de manivelas é projetada de acordo com o número decilindros do motor. O eixo de manivelas (Figura 18 e 19) apresenta partes descentralizadas, onde asbielas são fixadas, que determinam a distância entre o ponto morto superior e o pontomorto inferior. O eixo de manivelas também apresenta contrapesos para evitar o surgimento devibrações. O eixo de manivelas comanda o movimento do eixo de comando das válvulas.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  23. 23. 22 Figura 17. Vista parcial de um bloco do motor. Contra-Peso Conexão Volante Figura 18-.Vista parcial de bloco de um motor e árvore de manivela.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  24. 24. 23 Figura 19. Vista da localização da árvore de manivelas no motor. A biela é a peça que transmite o movimento do pistão e a potência gerada pelacombustão ao eixo de manivelas durante a expansão. A biela também permitemovimento ao pistão durante os processos de exaustão, admissão e compressão. A bielaconsiste de uma haste com dois furos nos extremos. É conectada ao pistão através deum pino que passa através do furo menor. O furo maior é constituído por um mancal fixado por parafusos, que envolve umdos pinos excêntricos do eixo de manivelas (Figura 20). Pistão Pino Biela Movimento da BielaFigura 20. Vista parcial de um pistão e biela de motor.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  25. 25. 24 Os pistões transferem a potência gerada pela combustão para a biela e à ao eixode manivelas. Geralmente, são feitos de ferro fundido ou de ligas de alumínio. Os pistões são unidos às bielas através de pinos, e o contato com a paredelateral do cilindro é feito através de anéis. O topo do pistão é a parte mais exposta ao calor e à pressão da combustão. O formato do topo do pistão combina com a geometria do cabeçote do cilindropara formar a câmara de combustão. O topo do pistão pode ser reto, côncavo, convexo ou apresentar outra geometriadentro de uma variedade, sempre visando facilitar o processo de combustão. Os pistões apresentam ranhuras laterais para abrigar os anéis. Um furo radial é feito para o pino que une o pistão à biela. A parte inferior dopistão é chamada saia do pistão. Em motores de dois tempos, o pistão é de destacável importância no processo delavagem.cujo o objetivo é produzir o processo de lavagem no cilindro com duas ou maisjanelas de admissão direcionadas para o lado do cilindro distante da janela de exaustão,mas através de um pistão com o topo plano (lavagem em “loop”) ou outros arranjos delavagem em “loop” (Figura 21).FIGURA 21. Vista parcial do arranjo de lavagem “loop” de pistões.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  26. 26. 25 A vantagem deste tipo de lavagem é a disponibilidade de uma câmara decombustão compacta acima do pistão de topo plano, que permite um processo decombustão rápido e eficiente (Figura 22).FIGURA 22. Vista parcial de pistões de lavagem transversal (esquerda e centro) e de lavagem “loop” (direita). O processo original de lavagem é o transversal. Um projeto de um defletormoderno (Figura 23) apresenta boas características de lavagem em cargasparciais e tende a fornecer boas características a baixas velocidades e baixaspotências. Sob cargas plenas a eficiência de lavagem não é boa e, combinada comuma câmara de combustão não compacta preenchida com protuberânciasdefletoras expostas, o motor apresenta uma potência específica baixa e elevadoconsumo de combustível. Um projeto de motores com lavagem transversal (Figura 23) que nãoapresenta desvantagens de lavagem em plena carga (Figura 24). Contudo, o cilindro não apresenta a mesma simplicidade de manufaturadaquele do pistão convencional (centro da Figura 22).Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  27. 27. 26Figura 23. Vista parcial de pistão defletor de motor com lavagem transversal. Exaustão Admissão Arranjo Plano da JanelaFigura 24. Vista parcial de um pistão defletor não convencional de motor com lavagem transversal.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  28. 28. 27 O processo de lavagem com escoamento unidirecional é o mais eficientepara motores de dois tempos. O esquema básico é mostrado na Figura 25 e,fundamentalmente a metodologia é iniciar preenchendo o cilindro com misturafresca em uma extremidade e remover o gás de exaustão da outra extremidade. O movimento rotacional do ar é efetivo em promover boa combustão emuma configuração diesel. Sua aplicação para motores com ignição por centelhaenvolve complexidades mecânicas, não sendo vantajosa devido aos elevadoscustos. Cames Cames Válvulas Admissão Exaustão ’FIGURA 25 Vista parcial de dois métodos de lavagem unidirecional em motores de dois tempos.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  29. 29. 28 Existem projetos de motores de dois tempos em que a lavagem não emprega ocárter como uma bomba de ar, mas um equipamento externo como um soprador do tipoRoots ou um soprador centrífugo acionado pelo eixo de manivelas. Neste caso, autilização conjunta de um turbocompressor é mais eficiente termodinamicamente, onde aenergia de exaustão dos gases de saída das turbinas são disponíveis para acionar ocompressor de ar. A Figura 26 mostra um arranjo em que o motor apresenta um soprador e umaturbina. O soprador é utilizado como auxiliar na partida e para suplementar ar sob baixascargas e velocidades, e a turbina empregada como a principal unidade de suplemento dear sob elevados níveis de torque e potência em qualquer velocidade. Este motordemonstra economia de combustível e baixos níveis de emissões de hidrocarbonetos nãoqueimados, monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio, em comparação com um motorequivalente de quatro tempos. FIGURA 26. Motor de dois tempos com supercompressor e turbocompressor. Os anéis do pistão, também denominados anéis de segmento, são fixados emranhuras feitas nas laterais dos pistões, na parte superior. Os pistões geralmenteapresentam três segmentos de anéis. Os dois anéis superiores têm a incumbência deevitar perdas da potência gerada na combustão e impedir a passagem da mistura ar-combustível para o cárter através do espaçamento entre o pistão e o cilindro. O terceiroanel tem a tarefa de selar a passagem de óleo do cárter para a câmara de combustão.Os anéis apresentam uma separação, que permite sua montagem no pistão e lhes dáProf. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  30. 30. 29uma tendência a se abrirem, pressionando-os contra a parede do cilindro e melhorando avedação (Figura 27). O cabeçote do cilindro é parte do motor que cobre o bloco. Na superfície inferiordo cabeçote do cilindro são encontradas cavidades na direção dos cilindros que formamcom o topo dos pistões as câmaras de combustão. No cabeçote também se localizamas velas de ignição, para o caso de motores a gasolina, e os bicos injetores decombustível, para o caso de motores diesel. O cabeçote também contém aberturaschamadas janelas de admissão e janelas de exaustão. Através das janelas deadmissão a mistura ar-combustível, para motores a gasolina, ou ar simplesmente, paramotores diesel, é admitido para o cilindro. A mistura queimada deixa o cilindro através dajanela de exaustão. No cabeçote do cilindro também se encontram furos destinados aguiar o movimento das válvulas de admissão e exaustão. As superfícies das janelas deadmissão e exaustão são usinadas de maneira a assentar as válvulas, garantindo que apassagem de mistura seja lacrada quando as válvulas estão fechadas. Anéis de Compressão Anéis de Anéis de Vedação Compressão de óleo PistãoFigura 27. Vista parcial de anéis de segmentos de compressão e vedação de óleo. Uma placa fina de metal, chamada gaxeta, é colocada na junção entre o cabeçotedo cilindro e o bloco do motor para fins de vedação. Gaxetas são também utilizadas nasjunções entre o cabeçote do cilindro e as tubulações de admissão e escapamento.Através da tubulação de admissão o ar, para o caso de motores diesel, ou a mistura ar-combustível, para o caso de motores a gasolina, tem acesso ao cilindro. A misturaqueimada deixa o cilindro através da tubulação de escape. O trem de válvulas consiste das partes que compõem o mecanismo de operaçãodas válvulas de admissão e exaustão.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  31. 31. 30 O trem de válvulas (Figura 28) inclui eixo de comando das válvulas, alças,hastes, braços (balancim), molas e válvulas. As partes presentes em um trem deválvulas dependem do seu projeto. FIGURA 28. Vista parcial de um trem de válvulas. O eixo de comando das válvulas tem a função de comandar a abertura e ofechamento das válvulas nos momentos adequados. Consiste de um eixo com partesovais, chamados excêntricos ou cames, com as quais as alças fazem contato. Onúmero de cames no eixo é igual ao número de válvulas. À medida que o eixo gira, oscames deslocam as alças, em um movimento vertical. O movimento das alças étransmitido através das hastes e braços para as válvulas. Quando a parte maisprotuberante do came, chamada lóbulo, faz contato com a alça, esta se encontra em suaposição superior, e a válvula atinge sua abertura máxima. As molas fazem com que as válvulas retornem à sua posição de fechamento. Aposição fechada da válvula corresponde à alça em seu nível inferior, em contato com oprolongamento circular do cames (Figura 29). Figura 29. Vista parcial do movimento do came motor.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  32. 32. 31 O eixo de comando das válvulas (Figura 30) pode estar localizado no bloco domotor ou no cabeçote do cilindro. Quando o eixo de comando das válvulas se localiza nocabeçote do cilindro, o trem de válvulas não apresenta hastes e braços. mostra um eixode comando das válvulas. Figura 30. Vista de um eixo de comando das válvulas. A válvula de admissão abre ou fecha a janela de admissão para a entrada de ar(motores diesel) ou mistura ar-combustível motores a gasolina) no cilindro. A válvula deexaustão abre ou fecha a janela de escape para a saída de mistura queimada do cilindro. Os motores de combustão interna têm, em geral, duas válvulas por cilindro, umade admissão e uma de exaustão. Também é comum motores modernos de potênciaelevada apresentarem quatro válvulas por cilindro, duas de admissão e duas deexaustão. A válvula de admissão é feita em tamanho maior que a válvula de exaustão. NaFigura 31 mostra válvulas de admissão e exaustão do tipo “poppet”, utilizadasprincipalmente em motores de combustão interna de quatro tempos. FIGURA 31. Vista de válvulas de admissão e exaustão.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  33. 33. 32 Em motores de dois tempos, o método mais simples de admitir mistura fresca eexpulsar os gases queimados é pelo movimento do pistão expondo janelas na parede docilindro. Neste caso, todos os eventos de abertura das portas são simétricos em relaçãoao ponto morto superior e ponto morto inferior. É possível produzir eventos de admissãoe exaustão assimétricos pelo uso de válvulas disco, válvulas “reed” (Figura 32) e válvulas“poppet”, permitindo que o fasamento das janelas corresponda mais precisamente aoseventos de pressão no cilindro e no cárter, proporcionando ao projetista maior controlesobre a otimização dos sistemas de admissão e exaustão. As válvulas poppet são de difícil projeto para proporcionar escoamento adequadoa motores de dois tempos e são mais utilizadas em motores de quatro tempos, onde otempo disponível aos processos de admissão e exaustão é o dobro em relação a motoresde dois tempos. FIGURA 32. Vista de válvulas disco e “reed” para controle da admissão.Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  34. 34. 33 Questões de Avaliação • Definições: Tempo de admissão, tempo de compressão, tempo de expansão, tempo de exaustão, combustão, potência, ponto morto superior, ponto morto inferior, bloco do motor, cilindro, virabrequim, cárter, pistão, anéis de segmentos, biela, cabeçote do cilindro, câmara de combustão, janela de admissão, janela de escape, válvula de admissão, válvula de escape, trem de válvulas, eixo de comando das válvulas, came, tubulação de admissão, tubulação de escapamento, gaxeta. • Como se dá o início da combustão em motores a gasolina? • Como se dá o início da combustão em motores diesel? • O que significa ponto morto superior e ponto morto inferior? • Qual a função dos contrapesos na eixo de manivelas? • Explique a função dos anéis de segmentos. • Quais são os principais componentes de um trem de válvulas? • Identifique as partes do motor na figura abaixo indicadas pelas letras:Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas
  35. 35. 34Prof. Dr. Reny Adilmar Prestes Lopes – Tratores e Motores Agrícolas

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