Conhecimentos de Base Recomendados
Unidades curriculares de Termodinâmica, Mecânica de Fluidos e Transferência de Calor.
Métodos de Ensino
a) Teóricas: Exposição pelo docente.
b) Teórico – práticas: Para além da resolução de exercícios de cálculo teórico-prático, são descritos equipamentos e sistemas de motores, incluindo alguns protótipos em corte;
c) Trabalhos práticos em laboratório: Aulas laboratoriais de experiências com motores e hardware de teste. Estes incluem: Testes de compressão e estanquidade. Controlo elétrico/eletrónico de sistemas de injeção e ignição. Motor de arranque. Oscilogramas. Equilíbrio de potência. Gases de escape. Determinação de curvas características. Balanço Térmico.
Resultados de Aprendizagem
Objetivos: 1-Compreender os pormenores construtivos e os princípios de funcionamento; capacidade para instalar, operar e saber intervir, através de projetos simples na gestão de potência, consumos e impactos ambientais; saber responder às necessidades de manutenção e reparação; selecionar os diferentes componentes e sistemas; saber acompanhar as evoluções tecnológicas. 2-Saber desenvolver experiências de controlo de desempenho de motores e interpretar dados recolhidos em ensaios. Competências: 1-Conhecer, compreender o funcionamento, saber operar e saber selecionar diferentes tipos de motores. 2-Saber efetuar medições, instrumentar e controlar o desempenho de motores. 3-Ter capacidade para instalar, operar e efetuar a manutenção de motores. 4-Saber aplicar técnicas de deteção de avarias em motores. 5-Realização de trabalhos laboratoriais: a)Ensaios de compressão e de estanquidade. b) Ensaios e diagnóstico de avarias em motores. c) Ensaio de motor em freio dinamométrico.
Programa
PARTE I – TEORIA DE MOTORES
1.Função, funcionamento e conceção de motores térmicos. Evolução, classificação e nomenclatura de motores.
2.Ciclos teóricos de motores de combustão interna: Princípios fundamentais de sistemas termodinâmicos fechados e abertos. Equação da energia para sistemas abertos. Trabalho realizado por um sistema. Fluxos de calor e de energia associados ao funcionamento de um motor de combustão interna. Ciclos teóricos e ciclos reais. Rendimento térmico. Pressão média. Ciclo generalizado. Ciclo Otto teórico. Ciclo Diesel teórico. Ciclo misto de Sabatté. Análise e comparação dos ciclos teóricos. Ciclo de ar.
3.Combustíveis, combustão, fluido operante e emissões: Tipos de combustíveis. Química de um combustível. Química da combustão com a respetiva libertação de calor. Formação da mistura em motores de ignição comandada (SI) e em motores de ignição por compressão (CI). Números característicos de um combustível e dos seus aditivos. Número de octano. Número de cetano. Massa específica e poder calorífico. Outras características de um combustível. Especificações ambientais para a gasolina. Especificações ambientais e aditivos do gasóleo. Desempenho dos combustíveis no veículo. Fluido operante. Composição e transformações. Ar atmosférico. Combustão estequiométrica. Relação estequiométrica e relação real ar – combustível. Combustão com ar em excesso. Dissociação com formação de monóxido de carbono. Reações elementares de combustão e respetivos produtos de combustão.
4.Atrito no motor, lubrificação e arrefecimento: Mecanismos principais de geração de fluxo de calor. Métodos de cálculo de transferência de calor e de tensões térmicas. Componentes sob atrito. Lubrificação limite e hidrodinâmica. Óleos lubrificantes. Propriedades e classificações de óleos lubrificantes. Viscosidade e índice de viscosidade. Aditivos de óleo. Seleção e utilização de lubrificantes. Layout de sistemas de lubrificação e respetivos componentes. Arrefecimento de um motor. Layout de sistemas de arrefecimento e respetivos componentes.
5.Ciclos reais e Diagramas de pressão: Caracterização dos processos que integram o ciclo real. Ciclo indicado e pressão média indicada. Diagnóstico de avarias com base no exame do diagrama indicado. Diagrama de pressões no interior do cilindro em função do deslocamento angular da cambota para motores a 2 e 4 tempos. Ciclo indicado previsto.
6.Características geométricas e de desempenho de um motor / Balanço de energia do motor: Conceção de motores alternativos de combustão interna a quatro tempos e a dois tempos. Motor Wankel. Cinemática de motores de combustão interna. Mecanismo biela – manivela. Forças alternativas de inércia e sua influência no binário. Diagrama das forças resultantes. Balanço de energia e rendimentos envolvendo os fatores termodinâmicos e mecânicos. Parâmetros indicados, perdas mecânicas por atrito, potência absorvida por sistemas auxiliares. Parâmetros efetivos ou no freio. Curvas características. Consumos em motores SI e CI. Análise de perdas de energia. Princípio da vedação dos pistões com segmentos. Influência das alterações de carga, rendimento volumétrico e da sobrealimentação nos mapas de desempenho dos motores. Regras e índices de similaridade tendo em vista a definição de um layout de um motor e a estimação dos seus limites de potência mecânica. Diagrama de distribuição. Alterações de portas e válvulas. Tipos de distribuição de motores. Variadores de fase. Estabilidade no funcionamento do motor. Recirculação de gases de escape (EGR). Balanço de energia do motor.
7.Motores de 4 tempos: Motores de ignição comandada e motores de ignição por compressão. Função, classificação e funcionamento. Tipos de câmaras de combustão. Preparação da mistura em motores SI e CI – princípios e controlo. Sistemas de alimentação de combustível. Carburadores. Sistemas de injeção. Motores de carga estratificada de injeção direta. Sistemas de ignição HCCI em motores SI. Sistema eletrónico combinado – injeção / ignição. Motores com processos de combustão híbridos. Sistemas de injeção de motores CI. Sistemas de injeção direta (DI). Sistemas de injeção indireta (IDI). Equipamento de injeção de combustível: injetores, bombas de injeção, sistemas “common rail”.
8.Motores de 2 tempos: Tipos de lavagem. Geometrias e componentes. Compressão de cárter.
9.Sobrealimentação e turbo-alimentação. Justificação. Tipos de compressores. O turbocompressor. Controlo da pressão de alimentação.
10. Parâmetros ecológicos e sistemas anti-poluição: Combustão em motores de combustão interna. Formação de poluentes do ar e seu tratamento e controlo. Emissões poluentes. Formação de NOx. Fontes de hidrocarbonetos não queimados. Formação de fuligem. Combustíveis alternativos. Métodos e tecnologias de redução dos poluentes. Ruído de um motor. Pilhas de combustível.
11. Teste de motores em banco dinamométrico: Meios experimentais utilizados na determinação de curvas características. Potência ao freio e sua medição: Freios de atrito (Prony), freios hidráulicos (Froude), eléctricos e aerodinâmicos.
PARTE II – DESCRIÇÃO DE MOTORES / EXERCÍCIOS TEÓRICO – PRÁTICOS
12.Descrição prática de motores. Estrutura e construção de motores. Sistema biela – manivela e seus defeitos mais comuns: Bloco. Cabeça. Cilindros, pistões e suas dimensões. Número e disposição dos cilindros.
13.Sistema de distribuição do fluido operante: Esquema e funcionamento de diferentes mecanismos de distribuição do fluido operante. Sistema de distribuição: tipos de válvulas, sistemas de atuação nas válvulas, comportamento dinâmico da distribuição. Influência do perfil da cabeça da válvula e do excêntrico nas características de fluxo. Diagrama de distribuição: efeitos do diagrama de distribuição e diagrama de distribuição variável. Projeto dos coletores. Motores de dois tempos. Sistemas de lavagem. Características das portas de passagem do fluxo. EGR. Principais avarias inerentes ao sistema de distribuição.
14.Sistemas de alimentação e ignição de motores SI: Sistemas de alimentação de motores a gasolina. Injeção antes da válvula de admissão e injeção direta. Teorias e princípios de funcionamento de uma bomba de injeção e dos injetores de gasolina. Orifícios dos injetores. Sistemas de controlo. Identificação e função dos componentes que integram um sistema de alimentação a gasolina. Diagnóstico e ajustamento de sistemas de alimentação de motores a gasolina utilizando ferramentas e tecnologias computacionais. Ignição convencional. Ignição eletrónica e transistorizada. Avanços automáticos. Sistemas de controlo. Velas de ignição.
15. Sistema de alimentação de motores CI: Sistemas de alimentação de motores Diesel. Teorias e princípios de funcionamento de uma bomba de injeção e dos injetores de gasóleo. Orifícios dos injetores. Sistemas de controlo. Velas de incandescência. Identificação e função dos componentes que integram um sistema de alimentação Diesel. Diagnóstico e ajustamento de sistemas de alimentação de motores Diesel utilizando ferramentas e tecnologias computacionais.
16.Sistemas complementares em motores de combustão interna; Sistemas de arrefecimento de motores. Avarias do sistema de arrefecimento. Sistemas de lubrificação. Avarias do sistema de lubrificação. Sistemas de arranque e de carga. Métodos de arranque e de carga de um motor. Motor de arranque. Alternador. Avarias do sistema de arranque e de carga de um motor.
17.Resolução de exercícios teórico-práticos: Sequência dos tempos motores para os diferentes cilindros. Cálculo dos pontos principais dos ciclos. Cálculo do rendimento térmico ideal. Cálculo da pressão média do ciclo. Cálculo de cilindrada, câmara de combustão, volume total e taxa de compressão. Cálculo de força do fluido, força de inércia e força resultante no sistema pistão / biela / manivela. Cálculo da força normal, força tangencial e binário motor. Cálculo de distância percorrida pelo pistão, superfície lateral do cilindro, obliquidade da biela, velocidade instantânea do pistão, velocidade média do pistão, aceleração do pistão e força alterna de inércia em função do deslocamento angular da cambota. Selecção de motores. Cálculo de potência efectiva e do binário motor em função da pressão média efectiva. Reparação de um motor. Selecção de novos pistãos e junta da cabeça. Influência na pressão média efectiva e potência efectiva. Cálculos de rendimentos (incluindo volumétrico), caudal mássico de ar, caudal mássico de combustível (consumo) e relação ar / combustível. Balanço térmico.
PARTE III – LABORATÓRIOS DE MOTORES
18. Aulas laboratoriais: 18.1) Testes de compressão e estanquidade; 18.2) Sistemas elétricos e eletrónicos; 18.3) Elaboração de curvas características, balanço térmico e análise de gases de escape; 18.4) Utilização de software de simulação de desempenho de motores.
19. Software de simulação de desempenho de motores.
Docente(s) responsável(eis)
Estágio(s)
NAO
Bibliografia
Bibliografia Recomendada:
Diapositivos e elementos disponibilizados pelo responsável da UC.
MARTINS, J. (2013). Motores de Combustão Interna. Publindústria, 4ª. Edição, ISBN 972-98726-8-6, cotas na biblioteca 4-5-6 e 4-5-176.
HEYWOOD, J. (1998). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw Hill, ISBN: 0-07-100499-8, cotas na biblioteca 4-5-79 e 4-5-62.