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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Motor Eléctrico e Sistemas Alternativos de Propulsão Automóvel
Projecto FEUP
Trabalho orientado por: Prof. Abel Santos.
Trabalho monitorizado por: Miguel Bessa.
Outubro de 2009
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Motor Eléctrico e Sistemas Alternativos de Propulsão Automóvel
Trabalho realizado pelo grupo MMM 503:Alban Monteiro; Henrique Duarte
Nuno Almeida; Sofia Martins
Trabalho orientado por: Prof. Abel Santos.
Trabalho monitorizado por: Miguel Bessa.
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Motor Eléctrico e Sistemas Alternativos de Propulsão Automóvel
Trabalho realizado pelo grupo MMM 503: Duarte; Luís Pinto;
Sofia Martins; Viktor Csaky.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
1
1 Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer ao nosso Professor Abel Santos e monitor Miguel
Bessa pela disponibilidade e pela colaboração prestada na realização deste
trabalho.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
2
2 Índice 1 Agradecimentos .................................................................................................................... 1
2 Índice ..................................................................................................................................... 2
3 Sumário/Objectivos ............................................................................................................... 4
4 Alternativas ao motor de combustão interna ....................................................................... 5
4.1 Motor eléctrico.............................................................................................................. 5
4.1.1 Introdução ............................................................................................................. 5
4.1.2 Na actualidade ....................................................................................................... 8
4.1.3 Motor eléctrico de corrente contínua ................................................................... 9
4.1.4 Análise do funcionamento de um motor eléctrico de corrente contínua .......... 14
4.1.5 Vantagens e desvantagens .................................................................................. 14
4.1.6 Aplicações ............................................................................................................ 15
4.1.7 Adaptação e futuro ............................................................................................. 16
4.1.8 Motor eléctrico de corrente alternada ............................................................... 17
4.2 Motor de ar comprimido ............................................................................................. 21
4.2.1 Introdução ........................................................................................................... 21
4.2.2 Princípio de funcionamento de redes de ar comprimido ................................... 21
4.2.3 Princípio de funcionamento de um motor a ar comprimido .............................. 22
4.2.4 Empresa MDI – Motor Development International ............................................ 24
4.2.5 Frota de veículos da empresa MDI ...................................................................... 28
4.2.6 Exemplo prático de um motor a ar comprimido ................................................. 31
4.2.7 Reabastecimento de carros a ar comprimido ..................................................... 33
4.3 Turbina a gás ............................................................................................................... 35
4.3.1 Introdução ........................................................................................................... 35
4.3.2 História ................................................................................................................ 35
4.3.3 Princípio de funcionamento ................................................................................ 36
4.3.4 Principais Componentes ...................................................................................... 37
4.3.5 Tipos de Motores ................................................................................................ 37
4.3.6 Materiais ............................................................................................................. 38
4.3.7 Avanços Tecnológicos ......................................................................................... 39
4.3.8 Vantagens ............................................................................................................ 40
4.3.9 Desvantagens ...................................................................................................... 40
5 Conclusão ............................................................................................................................ 41
5.1 Motores eléctricos ...................................................................................................... 41
FEUP/DEMec Projecto FEUP
3
5.1.1 De corrente contínua .......................................................................................... 41
5.1.2 De corrente alternada ......................................................................................... 41
5.2 Motor a ar comprimido ............................................................................................... 42
5.3 Turbina a gás ............................................................................................................... 43
6 Referências Bibliográficas ................................................................................................... 44
Ilustração 1 – Primeiro motor trifásico com rotor de gaiola. [50] ................................................ 8
Ilustração 2 – Motor eléctrico de corrente contínua. [51] .......................................................... 10
Ilustração 3 – Baterias de iões de lítio. [52] ................................................................................ 11
Ilustração 4 – Pilha de combustível. [52] .................................................................................... 12
Ilustração 5 – Eco Vinci. [56] ....................................................................................................... 16
Ilustração 6 – Tesla Rodster.[41] ................................................................................................. 20
Ilustração 7 – Motor a ar comprimido desenvolvido pelo mecânico da ES – DEMEC. [3] ........... 24
Ilustração 8 – Guy Nègre no meio de dois dos seus veículos: AirPod. [59] ................................. 27
Ilustração 9 – Veículo AirPod. [5] ................................................................................................ 28
Ilustração 10 – Veículo One Flow Air. [5] .................................................................................... 29
Ilustração 11 – Veículo Mini Flow Air. [5] .................................................................................... 30
Ilustração 12 – Veículo City Flow Air. [5] ..................................................................................... 30
Ilustração 13 – Veículo Multi Flow Air. [5] .................................................................................. 31
Ilustração 14 – O engenheiro Guy Negre, proprietário da MDI. [6] ............................................ 32
Ilustração 15 – Modelo que será usado pela Air France e KLM nos aeroportos de Paris e
Amsterdã. [6] ............................................................................................................................... 32
Ilustração 16 – Fábrica do “AirPod One” no Sul de França. [6] ................................................... 33
Ilustração 21 – Principio de circulação do ar no interior de uma turbina. [57] ........................... 36
Gráfico 1 - Relação entre factor de pressão e consumo de combustível a diferentes
temperaturas. [39] ...................................................................................................................... 39
Esquema 1 - Motor eléctrico em vista explodida. [54] ................................................................ 10
Esquema 2 - Esquema do funcionamento electromagnético de um circuito eléctrico. [54] ....... 13
Esquema 3 - Motor de corrente alternada. [40] ......................................................................... 17
Esquema 4 - Representação da circulação do ar na turbina e compressor de um motor eléctrico.
[2] ................................................................................................................................................ 23
Esquema 5 – Abastecimento de um carro MDI a ar comprimido. [59] ....................................... 34
FEUP/DEMec Projecto FEUP
4
3 Sumário/Objectivos
Com este trabalho pretendemos apresentar alternativas para os motores
de combustão interna, tais como: motor de ar comprimido, motor eléctrico e a
turbina a gás.
Para cada uma destas alternativas iremos apresentar a sua evolução ao
longo do tempo, assim como as suas características e tendências futuras.
Daremos uma introdução, história, sobre o motor em questão e
prosseguiremos com um desenvolvimento baseado no funcionamento deste,
nas características, vantagens, desvantagens, aplicações, manutenção, recursos
usados e o sistema de abastecimento que é usado ou uma possível solução para
implementação.
Para a realização deste trabalho usamos recursos, tais como: sítios de
internet, livros, artigos científicos e notícias sobre novas tecnologias.
Para uma melhor compreensão e maior aproveitamento da matéria
abordada neste trabalho tentaremos usar esquemas de funcionamento de
certos motores e sistemas, imagens e tópicos sucintos e metódicos.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
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4 Alternativas ao motor de combustão interna
Como muito já tem sido falado, a era do motor de combustão interna
tradicional, ou seja, aquele alimentado pelos combustíveis fósseis está a chegar
a um fim. Vivemos numa fundamental etapa de transição. O tempo urge para a
mudança e a maioria das grandes empresas já se prepara para o que há-de vir.
Esta já esperada fase insiste na discussão de muitas ideias e opiniões e na base
de todos estes conflitos aparecem várias propostas, muitas delas pertinentes,
que se candidatam a um lugar de destaque na produção de movimento
automóvel.
Neste trabalho pretendemos apresentar algumas destas ideias,
começando por uma que, sendo a mais usada e evoluída até agora, é a que
imediatamente se afirma perante todos os combustíveis convencionais - o
motor eléctrico. Seguidamente falar-se-á do motor de ar comprimido e da
turbina a gás que muito têm ainda para evoluir se realmente se pretende com
estes acabar com o monopólio petrolífero.
4.1 Motor eléctrico
4.1.1 Introdução
A electricidade estática já tinha sido mencionada na antiguidade, pelo
filósofo grego Tales, em 641 a.C. Tales verificou que, quando friccionava uma
peça de âmbar com um pano, esta adquiria a propriedade de atrair corpos
leves, como pêlos, penas, cinzas, etc., mas não descobriu nenhuma aplicação
prática.
Em 1600, o médico e cientista inglês William Gilbert (1544-1603)
publicou, em Londres, a obra intitulada De Magnete, Magneticisque Corporibus,
et de Magno Magnete Tellure, que descrevia a força de atracção magnética.
Em 1663, o investigador alemão Otto von Guericke (1602-1686),
construiu a primeira máquina electrostática. Era constituída por uma esfera de
enxofre que podia ser girada em torno de um eixo enquanto era friccionada
com sua mão. O atrito fazia a esfera acumular electricidade estática, que podia
ser descarregada na forma de faíscas. Esta, mais tarde, foi aperfeiçoada pelo
suíço Martin Planta.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
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Em 1820, o físico e químico dinamarquês Hans Christian Ørsted (1777-
1851), ao fazer experiências com correntes eléctricas, verificou que a agulha
magnética de uma bússola era desviada de sua posição norte-sul quando esta
passava perto de um condutor no qual circulava corrente eléctrica. Esta
observação permitiu a Ørsted reconhecer a relação directa entre electricidade e
magnetismo, provando que a corrente eléctrica produz um campo magnético à
medida que flui através de um fio. Estava descoberto o electromagnetismo. O
físico francês André-Marie Ampere (1775-1836), após tomar conhecimento das
experiências do dinamarquês, começou a formular uma lei do
electromagnetismo, chegando à conclusão de que as linhas de força criadas
pelo fio electrizado - o campo magnético - são circulares, ou seja, formam uma
espécie de cilindro invisível em volta do condutor. Até então, pensava-se que o
campo magnético caminhava apenas em linha recta, de um íman para outro.
Em 1821, o físico e químico inglês Michael Faraday (1791-1867)
desenvolveu os primeiros motores eléctricos, usando uma definição ampla de
motor no sentido de qualquer aparelho que converte energia eléctrica em
movimento. Faraday encheu com mercúrio duas taças especialmente
desenhadas, de modo a ter um fio eléctrico saindo do fundo. Numa delas fixou
verticalmente uma barra magnetizada. Na outra, deixou frouxo outro magneto.
Na primeira taça, quando um fio eléctrico pendurado acima da taça tocava o
mercúrio, fechando o circuito, esta girava em volta do íman. Na outra taça,
onde o fio estava frouxo, quando ligado à corrente o íman girava em torno do
fio central. Este foi o primeiro motor eléctrico, o autêntico ancestral das
máquinas de hoje.
Em 1825, o físico e inventor inglês William Sturgeon (1783-1850),
baseando-se na descoberta de Ørsted, constatou que um núcleo de ferro
envolto por um fio condutor eléctrico se transformava num íman quando se
aplicava uma corrente eléctrica. Observou também que a força do íman cessava
mal a corrente fosse interrompida. Inventou assim o primeiro electroíman
regulável, que estaria na base da construção de máquinas eléctricas giratórias.
Ainda hoje a maioria de motores magnéticos são giratórios, mas também há
alguns de tipo linear.
Em 1828, o engenheiro e físico húngaro Ányos Jedlik (1800-1895)
apresentou o primeiro dispositivo que continha os três principais componentes
dos motores de corrente contínua actuais: o estator, o rotor e o comutador.
Tanto as partes fixas como as giratórias eram electromagnéticas, logo não
FEUP/DEMec Projecto FEUP
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empregavam ímanes permanentes. Contudo, os dispositivos não tiveram
nenhuma aplicação prática. Num motor giratório, a parte giratória (geralmente
no interior) é chamada rotor, e a parte imóvel é chamada o estator.
Em 1832, o cientista italiano Salvatore Dal Negro da Universidade de
Pádua construiu a primeira máquina de corrente alternada com movimento de
vaivém, um gerador eléctrico em que um íman permanente era empurrado e
puxado para dar o movimento necessário.
Em 1833, o inglês William Ritchie inventou o comutador construindo um
pequeno motor eléctrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de
um íman permanente. Para dar uma volta completa, a polaridade do
electroíman era alternada a cada meia volta através do comutador.
Em 1837, o ferreiro americano Thomas Davenport (1802-1851) inventou,
na sequência dos trabalhos de Sturgeon, o primeiro tipo de comutador de
motor eléctrico de corrente contínua feito com a intenção de uso comercial. Os
seus motores funcionavam em até 600 rotações por minuto, e eram utilizados
em ferramentas mecânicas e uma máquina de imprensa. Contudo, devido ao
alto custo dos eléctrodos de zinco exigidos pela bateria principal, os motores
foram um fracasso comercial e Davenport faliu.
Em 1838, o motor eléctrico desenvolvido pelo arquitecto e professor de
física russo Moritz Hermann von Jacobi (1801-1874) foi aplicado com sucesso a
um barco de poucos passageiros. Alimentado por células de baterias, o barco
transportou 14 passageiros e navegou a uma velocidade de 4,8 quilómetros por
hora. Contudo, toda a energia provinha de baterias, que eram caras e de uso
restrito. A preocupação, então, voltou-se à geração de energia eléctrica de
baixo custo.
Em 1873, motor de corrente contínua moderno foi inventado por
acidente, quando o engenheiro belga Zénobe Gramme (1826-1901) ligou o
dínamo que tinha inventado em 1869 a uma segunda unidade semelhante,
conduzindo-o como um motor. Era um motor que também se comportava como
gerador - a máquina inversa. Ou seja, quando ligada a uma corrente eléctrica,
produzia energia motora. Por consequência, quando movida por uma força
motora, produzia energia eléctrica. A invenção foi chamada de máquina
Gramme, e apresentada em Viena em 1873. A máquina Gramme foi o primeiro
motor eléctrico que foi bem sucedido na indústria.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
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Em 1883, o físico e engenheiro jugoslavo Nikola Tesla (1856-1943)
apresentou o primeiro gerador de corrente alternada. A partir de então, a
corrente passou a ser gerada de forma alternada, como as que hoje chegam às
nossas tomadas. A seguir, inventou o motor eléctrico sem comutador. No
entanto, a corrente alternada não causou o
impacto esperado por Tesla na comunidade
científica europeia da época. Isso forçou o
pesquisador a procurar novas
oportunidades nos Estados Unidos, onde
chegou em 1884. No mesmo ano, vendeu
os direitos de patente das invenções a um
certo George Westinghouse, dono de uma
companhia eléctrica com o seu nome.
Em 1886, o alemão Ernst Werner von
Siemens (1816-1892) construiu um gerador sem a utilização de um íman
permanente, provando que a tensão necessária para o magnetismo poderia ser
retirado do próprio enrolamento do rotor, isto é, inventou o primeiro gerador
de corrente contínua auto-induzido.
Em 1889, o engenheiro electrotécnico Mikhail Dolivo-Dobrovolsky (1862-
1919), entrou com o pedido de patente de um motor trifásico com rotor de
gaiola. O motor apresentado tinha uma potência de 80 watts, um rendimento
aproximado de 80% em relação a potência consumida e um excelente
conjugado de partida. Ficaram definitivamente provadas as vantagens do motor
de corrente alternada para o motor de corrente contínua:
• Construção mais simples.
• Silencioso.
• Menos manutenção e alta segurança em operação.
Assim, Dobrowolsky desenvolveu a primeira fabricação em série de motores
assíncronos, nas potências de 0,4 a 7,5 kW.
4.1.2 Na actualidade
Nos últimos 15 anos, a investigação tem incidido na procura de métodos
alternativos de produção ao tradicional processo de fabricação do elemento
magnético do motor eléctrico.
Ilustração 1 – Primeiro motor trifásico com
rotor de gaiola. [50]
FEUP/DEMec Projecto FEUP
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A construção da maioria dos motores eléctricos utiliza como elemento
magnético uma série de placas metálicas montadas umas sobre as outras, com
bobinas de fios de cobre enroladas à sua volta. A montagem dessa estrutura é
tecnicamente simples, mas muito trabalhosa. Note-se que o processo de
fabricação de um motor eléctrico possui cerca de 60 etapas.
Em 2007, a equipa do engenheiro Mats Alküla, pesquisador da
Universidade de Lund, na Suécia, desenvolveu um novo tipo de material
magnético, composto pela mistura de uma liga de ferro em pó com um
polímero, e então testou-o.
Assim, mantendo as dimensões dos motores e substituindo as
tradicionais bobinas enroladas sobre chapas metálicas pelo novo material,
aumentou o rendimento do motor a mais do dobro. Outras vantagens
marcantes consistem em: 1. poder ser moldado em qualquer formato, 2.
Eliminar a necessidade da montagem das placas e enrolamento dos fios, 3.
Reduzir o processo de fabricação de um motor para poucas etapas.
Alküla considera este material excelente para ventiladores, bombas, aplicações
domésticas e automóveis. Contudo, esta técnica não é adequada para motores
de alto desempenho.
4.1.3 Motor eléctrico de corrente contínua
4.1.3.1 Vários tipos de motores eléctricos de corrente contínua
Existem vários tipos de motores eléctricos de corrente contínua, tais
como o motor eléctrico de íman permanente, que podem ter escovas ou não (as
escovas transportam a corrente contínua para o circuito). O íman permanente
cria um campo magnético permanente e, ao se fornecer corrente ao rotor, cria-
se outro campo magnético que interage com o campo permanente – desta
maneira, o rotor começa a girar por acção dos ímanes.
A rotação do motor pode causar curto-circuitos, embora a probabilidade
disso acontecer seja muito reduzida. Tal poderá acontecer entre as escovas e os
comutadores (que giram à velocidade do rotor), quando estes invertem o
sentido da corrente.
Sendo assim, a ausência de escovas apenas é vantajosa nesta variante de
motor, pois não existem interferências electromagnéticas, ou seja, a
FEUP/DEMec Projecto FEUP
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probabilidade de ocorrer um curto-circuito no motor é nula. Por outro lado, os
motores sem escovas, designadas de “brushless”, não têm um reóstato,
aparelho que varia a potência do motor.
Outras variantes deste tipo de motor são os motores em série (universais) ou
em paralelo (shunt). A
diferença reside apenas na
potência que estes podem
gerir, e na disposição dos
ímanes no circuito (em série
ou em paralelo).
Também existe o
motor eléctrico composto. Tal
como a palavra indica, é uma
composição do motor em
série com o motor em paralelo. Neste motor aproveitam-se as vantagens de
ambos os subtipos de motor.
Ilustração 2 – Motor eléctrico de corrente contínua. [51]
Esquema 1 - Motor eléctrico em vista explodida. [54]
FEUP/DEMec Projecto FEUP
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4.1.3.2 Motor eléctrico de corrente contínua de íman permanente sem e
Nesta parte do trabalho, vamos desenvolver o motor eléctrico de
corrente contínua de íman permanente sem escovas, uma vez que é a mais
usada na actualidade e tem vindo a ser desenvolvida duma forma exponencial.
Na ilustração acima encontram-se as principais componentes do motor
de corrente contínua, das quais destacamos:
• O rotor – parte giratória do motor que está sobre o eixo de rotação. É
constituída por ferro fundido, o que traz duas vantagens: a de que o
ferro é um bom condutor eléctrico e pode ser magnetizado.
• As bobinas – que estão encaixadas no rotor. São feitas em cobre, um
material com maior condutividade eléctrica que o ferro. Este material
também pode ser magnetizado.
• As escovas – através das quais a corrente é transmitida ao circuito.
Podem ser feitas de vários materiais, como o cobre e o grafite. O grafite
tem grande resistência para se evitar os curto-circuitos.
• Comutadores – são os responsáveis pela inversão de corrente eléctrica
no circuito. Giram à medida que o rotor gira, e as suas placas curvas
trocam contactos com as escovas, só assim a corrente inverte o sentido.
São feitas em cobre, alumínio ou zinco, todas elas boas condutoras
eléctricas.
À volta do rotor está o estator, parte envolvente que além de proteger o
interior do motor, gera o campo
magnético permanente. Sendo a sua
constituição baseada em materiais ferro-
magnéticos, é óptimo para a criação do
campo magnético permanente que
actuará para a rotação do rotor.
Como constatamos, os materiais
constituintes são ferro-magnéticos, pelas
razões já explicadas: boa condutividade
eléctrica e criação dum campo magnético
forte para um melhor e mais eficiente
funcionamento do motor.
Ilustração 3 – Baterias de iões de lítio. [52]
FEUP/DEMec Projecto FEUP
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Caso os materiais não fossem estes, o campo magnético no interior do
motor seria pouco intenso, o que resultava num atrito desvantajoso aquando de
mudança de velocidade de rotação. Os campos magnéticos também não podem
ser demasiado fortes, senão seria preciso uma grande força para se arrancar o
motor e para continuar a girar. A força aplicada para o arranque do motor
chama-se “torque”. Esta força terá de ser maior que a resistência do eixo no
momento inicial, e menor que a resistência quando em funcionamento.
Portanto, há que haver um equilíbrio entre campo magnético e a resistência do
eixo do motor para um funcionamento estável e óptimo, sem atritos
desvantajosos.
Para o rotor girar, é preciso que haja uma fonte de alimentação. No caso de
um automóvel movido a um motor eléctrico, o melhor exemplo é a bateria, de
níquel ou de lítio.
As baterias têm tido uma grande procura mundial para o desenvolvimento
dos automóveis eléctricos. Houve necessidade de criar baterias mais potentes e
de rápido recarregamento. Nos últimos anos, as baterias de níquel têm sido
trocadas pelas baterias de lítio pelas seguintes razões:
• As baterias de iões de lítio acumulam maior densidade de potência.
• Têm maior autonomia.
• São mais leves (os iões lítio são menos pesados que os de níquel).
• Pode ser recarregados sempre que for preciso, sem ter de efectuar ciclos
de carga ou descargas completas (os iões níquel formam cristais nas
baterias, o que impede o carregamento total da bateria, caso as baterias
não sejam totalmente
descarregadas antes do
recarregamento).
As baterias podem ser recarregadas
através de tomadas, de painéis
fotovoltaicos ou pela corrente
alternada gerida pelo próprio
automóvel. A bateria, ao receber
corrente alternada proveniente de
qualquer fonte, rectifica-a em
corrente contínua.
Ilustração 4 – Pilha de combustível. [52]
FEUP/DEMec Projecto FEUP
13
Outra fonte de alimentação do motor pode ser a pilha de combustível.
Estas pilhas são semelhantes a uma bateria, apenas diferem no princípio de
funcionamento. As pilhas de combustível geram electricidade a partir do
hidrogénio e oxigénio, através de um processo electroquímico sem ocorrência
de combustão.
As pilhas de combustível
são vantajosas em comparação a
uma bateria pois não se esgotam
nem requerem uma recarga.
Desde que sejam alimentadas em
hidrogénio e oxigénio, as pilhas
produzem a sua própria energia
sob a forma de electricidade e de
calor, sendo a única desvantagem
a formação de água (reacção entre
o hidrogénio e o oxigénio).
A obtenção de hidrogénio é
um processo delicado e dispendioso. Usa-se, sobretudo, o método da electrólise
da água, o que envolve um elevado consumo de energia eléctrica. A electrólise
consiste em decompor compostos químicos em elementos simples com o uso
da electricidade.
O custo de fabricação das componentes das pilhas de combustível são
muito caras, portanto não compensa usar este tipo de fonte de alimentação em
automóveis movidos a energia eléctrica.
No caso das baterias, o uso de energia eléctrica só traz vantagens. É uma
energia limpa, que pode ser obtida através de fonte inesgotáveis (energia
eólica, solar, hídrica, entre outras) ou através de combustíveis fósseis. Por
exemplo, as centrais que produzem energia eléctrica, usam combustíveis fósseis
(carvão e/ou petróleo), portanto parte da poluição é feita na produção de
electricidade para o automóvel.
Como já referido, é preciso que o automóvel tenha uma fonte de
alimentação para operar o motor eléctrico. Com a apresentação breve do motor
Esquema 2 - Esquema do funcionamento
electromagnético de um circuito eléctrico. [54]
FEUP/DEMec Projecto FEUP
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eléctrico de corrente contínua de íman permanente sem escovas, os seus
constituintes e materiais, estamos aptos para analisar o seu funcionamento.
4.1.4 Análise do funcionamento de um motor eléctrico de corrente contínua
Na figura ao lado, estão representados os componentes do circuito
eléctrico do motor: a fonte de alimentação (Fonte C.C – corrente contínua), as
escovas e os comutadores (duas placas curvas), os ímanes permanentes e o
íman do rotor (forma cilíndrica).
Ao conectar à bobina uma corrente eléctrica contínua, gera-se um campo
magnético no rotor (os pólos desse íman estão no cilindro) que interage com o
campo magnético dos ímanes permanentes. Esta interacção provoca a rotação
do rotor sobre si mesma.
Surge um problema: o que acontece quando um dos pólos do íman
permanente atrai o pólo oposto do íman do rotor? Acontece que o rotor pára
de girar, e é preciso fazer algo para que o seu movimento não pare a cada meia-
volta. Para tal existem os comutadores, que giram em simultâneo com o rotor.
Nos instantes antes dos ímanes entrarem em equilíbrio (pólos opostos
atraídos), as placas dos comutadores trocaram de posições e contactos com as
escovas e, portanto, a corrente eléctrica é invertida. Assim, o campo magnético
do rotor muda de sentido, e o rotor continua a girar. Este procedimento é
repetido sempre que o rotor dá meia volta.
4.1.5 Vantagens e desvantagens
É vantajoso usar-se uma construção simples como a do motor eléctrico,
por duas razões: não precisam de muitos materiais, logo não é tão caro como,
por exemplo, um motor de combustão interna (que é muito complexa na sua
constituição) e, assim, os custos de manutenção baixam. Na prática, só é preciso
fazer revisões para mudanças de óleo. O atrito entre as suas peças é muito
baixo, portanto as suas peças têm grande durabilidade relativamente ao motor
de combustão interna (a sua maior complexidade faz com que desgaste entre as
peças seja maior).
O funcionamento do motor eléctrico é silencioso comparado aos
automóveis a gasolina ou a diesel. A sua constituição simples resulta na
abstracção de várias peças do automóvel de combustão interna (por exemplo, o
FEUP/DEMec Projecto FEUP
15
tubo de escape ou a grande quantidade de engrenagens, que são fonte de
grande poluição sonora). Daqui resulta uma condução mais cómoda: não é
necessário o automóvel ter embraiagem, logo não é preciso ter em atenção a
caixa de velocidades.
Em geral, os rendimentos do motor eléctrico alcançam os 85-95%, ao
contrário dum motor de combustão interna que alcança entre 20-30% de
rendimento, sendo a restante dissipada sob a forma de calor e nos sistemas de
travagem, entre outras dissipações.
Os automóveis eléctricos recorrem também a alguns truques que lhes
permitem poupar energia; alguns desses truques são, por exemplo, desligar o
motor quando o automóvel está parado. Eles utilizam também a travagem
regenerativa, em que quando os automóveis estão a abrandar, o motor
eléctrico funciona como um gerador, recarregando as baterias.
Todas estas vantagens contribuem para a menor emissão de dióxido de
carbono para a atmosfera, o que resulta na redução das taxas de imposto
automóvel. Para o caso dum automóvel eléctrico, os impostos rondam os 30%
do actual imposto automóvel.
Por outro lado, a maior desvantagem do motor eléctrico reside no encaixe
das bobinas sob o rotor. Este procedimento envolve um trabalho manual
delicado e demorado.
4.1.6 Aplicações
Este grande desenvolvimento do motor eléctrico fez com que as suas
aplicações fossem mais abrangentes e versáteis. Os motores eléctricos de
corrente contínua passaram a ser usados, sobretudo, em brinquedos e
electrodomésticos.
A aplicação do motor eléctrico no automóvel foi a de maior sucesso, entre
todas as suas aplicações. Os carros tornaram-se mais leves, mais eficientes,
menos poluentes e mais silenciosos, e a sua condução manteve-se igual ao dum
automóvel de combustão interna.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
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4.1.7 Adaptação e futuro
Num futuro breve, prevê-se que os carros eléctricos sejam produzidos
em série, e com isso, os seus preços baixem. Espera-se que, deste modo, as
pessoas comecem a usar o carro eléctrico como alternativa ao carro a
combustível, pelas vantagens já referidas.
Em Portugal, os primeiros carros eléctricos produzidos em série vão
começar a circular em 2010. Está previsto que esse automóvel tenha autonomia
para perfazer 200 km com a
bateria carregada. Quanto
ao tempo de carregamento,
serão precisas 6 horas para
carregar totalmente uma
bateria, e de apenas 10
minutos para carregar 80%
das baterias.
A produção dos
primeiros automóveis
eléctricos em Portugal
começou neste ano, com a
produção do Eco Vinci, pela empresa Retroconcept. A empresa ficou conhecida
pelo lançamento dos Vinci GT e Vinci Sport.
Contudo, prevê-se que as emissões de dióxido de carbono para a
atmosfera não diminuam pois, como referido, grande parte da electricidade
gerada provém dos combustíveis fósseis.
Em suma, será preciso apostar nas energias renováveis como fonte de energia
eléctrica para as baterias dos automóveis. Em Portugal, a energia solar e hídrica
serão as melhores alternativas para a produção de energia eléctrica.
Ilustração 5 – Eco Vinci. [56]
FEUP/DEMec Projecto FEUP
17
4.1.8 Motor eléctrico de corrente alternada
O motor de corrente alternada ou motor AC, ao contrário do de corrente
contínua é posto a funcionar com a geração de uma corrente que consiste num
crescimento muito rápido até uma certa voltagem num sentido, que depois cai
a zero e imediatamente começa a crescer com a polaridade inversa.
Este motor, como acontece com o de corrente contínua anteriormente
apresentado, é constituído por duas partes básicas: um estator fixo exterior que
produz um campo magnético rotativo e um rotor interno que gira conforme o
campo magnético.
Amplamente utilizado, este tipo de motor é o mais comum na maioria
dos aparelhos eléctricos, não só por ser mais rentável mas também pela sua
praticabilidade.
Esquema 3 - Motor de corrente alternada. [40]
FEUP/DEMec Projecto FEUP
18
4.1.8.1 Tipos de motor de corrente alternada
• Motor síncrono.
Este motor, como o nome indica, opera com uma velocidade de
rotação constante sincronizada com a frequência da tensão eléctrica
alternada aplicada nos seus terminais.
4.1.8.2 Princípios de funcionamento
Com a aplicação de uma tensão alternada e trifásica neste motor,
será produzida uma corrente que também varia no tempo. Devido à disposição
espacial dos enrolamentos do estator, cria-se um campo magnético que gira
com velocidade angular proporcional à frequência da tensão aplicada. Assim,
surgirá no rotor um binário de forças que gerará um torque de forma a que este
gire e mantenha os campos do enrolamento de campo do rotor e o campo
girante do estator alinhados.
• Motor assíncrono
No motor assíncrono a velocidade de rotação não é proporcional à
frequência da sua alimentação.
Há dois tipos deste motor: O Gaiola de Esquilo e o Bobinado
4.1.8.3 Princípios de funcionamento
Quando o estator é sujeito a uma corrente alternada, gera-se nele
um campo magnético que, por consequência vai fazer surgir no rotor
uma força electromotriz induzida devido ao fluxo magnético variável que
atravessa o mesmo. Esta força dá origem a uma corrente induzida no
rotor que tende a opor-se à causa que lhe deu origem, criando assim um
movimento giratório no rotor.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
19
4.1.8.4 Vantagens em relação ao motor de corrente contínua
• A relação custo benefício tem levado as indústrias a trocarem os motores
de corrente contínua por corrente alternada por estes terem um custo de
compra superior e um custo de manutenção muito elevado.
• Corrente eléctrica em geral é alternada porque o seu transporte desde as
centrais até às cidades fica assim mais barato.
• Há uma facilidade técnica com este tipo de corrente que é o facto de se
poder alterar sem problemas a sua diferença de potencial com os
chamados transformadores.
• É mais simples obter corrente contínua a partir de corrente alternada do
que seria o inverso.
• É um motor de construção mais simples e mais silencioso.
4.1.8.5 Desvantagens em relação ao motor de corrente contínua
4.1.8.6
• Os motores contínuos mantêm um torque melhor e mais eficiente com
motores menores, isto é, para produzir um mesmo torque com um
motor AC, é preciso adquirir um motor mais robusto, ou de potência
superior, o que geralmente é feito.
4.1.8.7 Veículos movidos a motor eléctrico
Para além da grande contribuição por parte de grandes empresas como a
Toyota, Fiat e Mitsubishi que muito têm feito para introduzir o motor eléctrico
no quotidiano dos transportes, importa salientar uma outra que sem dúvida deu
o passo mais ousado no sentido de definitivamente fixar este tipo de motor – a
Tesla Motors.
Os motores de combustão interna convencionais, além de serem
poluentes, são tecnicamente ineficientes quando comparados com os motores
eléctricos. De toda energia potencial do combustível que será queimado, menos
da metade é transformada em força mecânica. A maior parte da energia gerada
FEUP/DEMec Projecto FEUP
20
na combustão é dissipada em calor, que é eliminado para o ambiente. Algo
tinha que ser feito.
O Tesla Rodster é o primeiro carro eléctrico do tipo desportivo, capaz de
rodar tranquilamente em velocidades de auto-estrada e é também o pioneiro
da sua categoria a ser vendido ao público na sua própria rede de vendas. Este
carro pode andar até 220 milhas (350 km) num único carregamento da sua
bateria lithium-ion e acelera dos 0 aos 60 mph (97 km/h) em 3,9 segundos.
Chega a atingir os 210 km/h deitando assim por terra o mito de que os carros
eléctricos não andam depressa. O seu único inconveniente por enquanto é o
preço que ronda os US$100.000,00, mas tudo está no bom caminho para a
mudança. A sua produção em série começou no início de 2008.
Com esta inovação abrir-se-á caminho para que outros o sigam e assim
para que o público em geral possa usufruir desta tipo de motor.
Ilustração 6 – Tesla Rodster.[41]
FEUP/DEMec Projecto FEUP
21
4.2 Motor de ar comprimido
4.2.1 Introdução
O ar comprimido será, provavelmente, uma das mais antigas formas de
energia, pressupondo já, no seu aparecimento, um considerável
desenvolvimento intelectual do homem, nada comparável ao que possuía
quando aprendeu a servir-se do fogo.
A pneumática, do grego “pneuma” (respiração), trata do emprego do ar
comprimido como fonte produtora de trabalho.
O primeiro homem que sabemos ter-se interessado pela pneumática foi
o grego Ktesibios que, há cerca de 2000 anos, construiu uma catapulta
funcionando a ar comprimido. O emprego de compressores a nível industrial
apareceu quando o homem necessitou de fundir e trabalhar os metais
(forjagem) e, mais tarde, foi um valioso auxiliar de ventilação em minas; só em
1760 surgiu o primeiro “cilindro soprador”
Embora a base da pneumática faça parte do conhecimento humano há
bastante tempo, foi necessário aguardar-se pelo século XIX para que,
assentando numa base científica sólida complementada pela experimentação,
se tornasse numa importante ferramenta para a engenharia e o seu estudo se
tornasse sistemático. A primeira aplicação e grande escala do ar comprimido,
como veículo transmissor de energia e produtor de trabalho, foi realizada entre
1861 e 1863, na perfuração de um túnel sobre os Alpes Suíços, que durou 2
anos em vez dos 25 inicialmente previstos.
4.2.2 Princípio de funcionamento de redes de ar comprimido
Para que o ar comprimido possa fornecer energia, é necessário, portanto,
comprimi-lo (aumentar a sua pressão) através de um processo conveniente,
fornecendo-lhe trabalho para aumentar a sua energia interna, de modo a que
esta se possa transformar em energia mecânica.
A rede de ar comprimido engloba um conjunto de elementos que
permitem a produção, o condicionamento, o tratamento (retirar água
condensada, impurezas, etc., em função da área de aplicação: médica,
alimentar, fabri, mecânica, etc.) e a distribuição do ar comprimido para os
FEUP/DEMec Projecto FEUP
22
postos de trabalho/tomadas. O compressor será o órgão fundamental da rede.
Normalmente, o compressor injecta o ar sob pressão para um reservatório até
ser atingida a pressão nominal da rede. Esta solução poupa bastante o
compressor, uma vez que, possuindo o reservatório uma capacidade apreciável,
será necessário um consumo relativamente elevado de ar para que a pressão
desça a um nível que origine a reentrada em serviço do compressor. As funções
de um reservatório devem ser as seguintes: armazenar o ar comprimido;
aumentar o arrefecimento (e portanto serve também para recolher a água
condensada); igualizar as pressões ao longo da rede; amortecer as pulsações
resultantes do funcionamento alternativo do compressor.
Posta esta introdução histórica e também ao principio de funcionamento
de um sistema a ar comprimido, apresentamos em seguida uma ideia inovadora
que já está em fase avançada de testes, que é o motor a ar comprimido.
4.2.3 Princípio de funcionamento de um motor a ar comprimido
Motor a ar comprimido obtém trabalho a partir da energia interna de um
gás, ou seja, fazer o ar comprimido expandir-se dentro do pistão, produzindo
trabalho. Neste processo, o motor recolhe o ar do meio ambiente e comprime-o
numa câmara a uma pressão de 20 bar, onde a temperatura chega a
aproximadamente 400ºC, neste momento o ar expande-se, gerando a energia
necessária para mover os pistões que fazem o motor funcionar.
Neste processo, o ar arrefece rapidamente e é expelido a uma
temperatura de 10 graus negativos. Como o ar expelido está a uma temperatura
mais fria que a temperatura ambiente pode ser utilizado como refrigeração do
carro e até para o ar condicionado. Além disto, o motor capta ar quente e
poluído e devolve ar frio e filtrado para a atmosfera.
O motor a ar comprimido reaproveita cerca de 75% do ar utilizado para
gerar o movimento do pistão. Isto ocorre porque enquanto um pistão desce, o
outro sobe, ou seja, o pistão comprime o ar contido dentro da câmara de
combustão e de seguida envia-o para dentro do cilindro novamente.
Como não queima combustíveis fósseis no seu funcionamento, é livre de
poluição e o combustível é barato. O óleo lubrificante também tem um
rendimento superior, podendo durar até quatro anos, pois não se contamina
FEUP/DEMec Projecto FEUP
23
com resíduos da combustão. Outra opção seria usar nitrogénio líquido, que gera
uma expansão muito maior.
Há diversas formas de encher os cilindros de ar. Uma, é através de postos
especializados que contêm uma bomba específica para este tipo de processo.
Outra forma é adaptar um compressor de ar, que comprime o ar e armazena-o
dentro do cilindro. Este motor não é tão silencioso quanto o motor eléctrico,
mas emite muito menos ruídos do que o motor a combustão convencional.
Esquema 4 - Representação da circulação do ar na turbina e compressor de um motor eléctrico. [2]
Já existem empresas e instituições dedicadas ao desenvolvimento e
aperfeiçoamento deste tipo de motores alimentados a ar, tais como:
• Empresa coreana “Energine”.
• Mecânico do ES – DEMEC.
• MDI – Motor Development International.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
24
Ilustração 7 – Motor a ar comprimido desenvolvido pelo mecânico da ES – DEMEC. [3]
Destas 3 empresas, a mais avançada neste segmento é a MDI que já
possui uma frota de veículos a funcionar a ar comprimido. Iremos expô-los de
seguida.
4.2.4 Empresa MDI – Motor Development International
4.2.4.1 Características de um motor a ar comprimido
Principais características de um carro movido por um motor Mdi:
• Aproximadamente €1,4 por cada 200/300km;
• Como não tem combustão não tem contaminação;
• A autonomia no primeiro protótipo finalizado é duas vezes superior a
autonomia do carro eléctrico mais sofisticado (entre 200 e 300km, ou 10
horas de funcionamento), no qual é favorável no mercado onde 80% dos
motoristas conduzem menos de 60km ao dia;
• Velocidade máxima 130km/h;
• Devido à ausência de combustão e resíduos, a troca de óleo (1 litro de
óleo vegetal) ocorre a cada 50.000km;
• A temperatura do ar purificado que sai do escape está entre 0ºC e –
30ºC. Permitindo assim a utilização para o próprio ar condicionado do
carro.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
25
4.2.4.2 Ciclo do motor MDI
O motor MDI tem um sistema inovador muito importante: uma biela
articulada. Esta técnica permite que, quando o pistão alcança o final do seu
ciclo, a expansão produz-se num volume constante. Esta patente poderá ser
aplicada a motores de combustão convencionais.
As três fases do seu funcionamento são:
• Fase de compressão: no motor o ar atmosférico é comprimido até
uma pressão de 20 bars com o pistão, e fica transformado em ar
quente de 400 ºC;
• Fase de injecção de ar: assim que o pistão pára, o ar comprimido
dos cilindros é injectado no espaço do motor onde está o ar
quente;
• Fase de expansão: o ar é injectado, criando uma maior pressão e
fazendo a activação do motor.
A técnica é tão simples quanto o ovo de Colombo: o primeiro pistão
absorve e comprime o ar atmosférico. O ar desloca-se para a câmara esférica
onde é injectado com alta pressão pelos cilindros. A expansão da mistura do ar
atmosférico com o ar comprimido move o pistão que gera a energia para o
veículo andar.
4.2.4.3 Zero Poluição
O motor MDI é ideal para o armazenamento de energia gerada por
sistemas de “Zero Poluição”, como sistemas solares, eólicos e, também,
sistemas hidroeléctricos. Até ao momento o armazenamento de energia
dependia de baterias o que tornava o sistema bastante problemático. O sistema
MDI, representa, nesse sentido, um grande avanço por se transformar num
sistema muito eficiente de armazenamento e transformação de energia.
O carro deve a sua autonomia aos tanques de ar comprimido que têm
uma capacidade de 90 m3 a 300 bars. O ar que sai do cano de escape é ainda
mais limpo do que aquele que entrou, pois é filtrado na hora da compressão. O
sistema de ar condicionado está baseado na reciclagem do ar.
O carro é simples e ligeiro. A sua estrutura externa é feita de fibra de
vidro, como nos carros mais modernos (Renault Espace), ao contrário dos carros
FEUP/DEMec Projecto FEUP
26
habituais que são metálicos. O chassi é tubular, como nos carros de corrida e
nas motos; com isso se obtém rigidez máxima e redução de peso. Por outro
lado, as peças não estão soldadas e sim coladas, como na tecnologia
aeroespacial, reduzindo significativamente o tempo de montagem.
4.2.4.4 Sistema Computorizado
O veículo não tem os habituais contadores de velocidade analógicos; no
lugar destes dispõe de um pequeno computador que repassa as informações
permanentemente.
Permite efectuar adaptações para sistemas de telecomunicações e de
posicionamento por satélite (GPS), ou de programas personalizados para frotas
de autocarros, por exemplo, ou mesmo para os sistemas de segurança e
automatização de funções.
Os cintos de segurança têm uma grande diferença em relação a modelos
existentes: os pontos de fixação estão integrados no piso. Em caso de acidentes,
os passageiros e o condutor ficam absolutamente firmes e protegidos nos
bancos.
O sistema eléctrico do automóvel é sumamente avançado. Guy Nègre
patenteou um sistema eléctrico que reduziu toda a cablagem para um único
cabo. O truque é um sistema com transmissão de dados pelo cabo que indica,
via computador, as funções eléctricas a serem activadas ou desligadas. Por
exemplo: faróis, sinais de mudança de direcção, alarme, etc. Com esta técnica
conseguiu-se reduzir em 20 kg o peso do sistema, sendo a sua manutenção
bastante simples. Esta inovação também foi adaptada para a segurança e o
funcionamento do carro é activado mediante uma chave eléctrica digital.
4.2.4.5 Guy Nègre
Guy Nègre, já antes de criar o motor mono-energia de ar comprimido,
não era um desconhecido na indústria automobilística. Nos anos 80 trabalhou
com motores de aviação. Em seguida, com muito sucesso e prémios, deu
grandes contribuições para os motores dos carros da Fórmula 1. Com o apoio do
Instituto Francês da Indústria Petrolífera, desenvolveu um motor de 12 cilindros
em W, para carros de competição. Esse motor, porém, não despertou suficiente
FEUP/DEMec Projecto FEUP
27
interesse para ser produzido; Guy Nègre, não se deu por vencido e continuou a
desenvolver outras soluções.
Ilustração 8 – Guy Nègre no meio de dois dos seus veículos: AirPod. [59]
Voltou com outra invenção: o motor bi-energia: gasolina e ar
comprimido. Desta vez o sucesso foi total.
Para desenvolver o motor mono-energia de ar comprimido, Guy Nègre
fundou outra empresa especializada em pesquisas de novas energias
alternativas: a firma CQFD de soluções à base de ar. Ao longo dos últimos cinco
anos liderou uma equipa de 30 engenheiros, entre os quais seu filho Cyril Nègre;
antes de trabalhar com seu pai, ele esteve empregado na indústria
automobilística italiana Bugatti, desenvolvendo sistemas de tecnologia de
ponta.
O Grupo MDI incorporou várias inovações e sistemas inéditos, não
somente como uma ideia básica (energia em forma de ar comprimido), mas
pelos materiais utilizados (fibra de vidro como estrutura e uso de óleo vegetal)
bem como pelo planeamento técnico.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
28
4.2.5 Frota de veículos da empresa MDI
Esta empresa foi mais além e até já possui uma lista vasta de automóveis
para várias aplicações.
Desde carros citadinos pequenos e para pequenos percursos, passando
para carros de 5 lugares cuja autonomia chega a atingir os 1500 Km (de notar
que estes são de dupla energia (Dual-ennergy), ou seja, têm 2 motores a
trabalhar em conjunto: um a gasolina ou gasóleo. Também se pode optar
apenas por um único motor a ar comprimido, mas este terá menor autonomia)
e até em carros de transportes públicos, portanto, auto-carros para grande
lotação de passageiros e muito eficientes.
4.2.5.1 AirPod
Característica Técnicas AIRPod AIRPod Cargo
Autonomia (Km) 220 Km
Potência máxima (CV) 5.45 CV aos 18 bars
Velocidade máxima (Km/h) 70 Km/h
Número de lugares 3-4 1
Tempo de recarga (Minutos) 1.5 Minutos
Custo por cada 100 Km (€) 0.5 €
Preço (€)
Ilustração 9 – Veículo AirPod. [5]
4.2.5.2 One Flow Air
FEUP/DEMec Projecto FEUP
29
Característica Técnicas Basic Standard
Autonomia (Km) 900 Km (Dual-energy) – 100 Km (Mono-energy)
Potência máxima (CV) 15 CV 25 CV
Velocidade máxima (Km/h) 90 Km/h 110 Km/h
Número de lugares 3-5
Tempo de recarga (Minutos) ND
Custo por cada 100 Km (€) ND
Preço (€) 3500 € 5300 €
Ilustração 10 – Veículo One Flow Air. [5]
4.2.5.3 Mini Flow Air
Característica Técnicas Mono-energy Dual-energy
Autonomia (Km) ND 1500 Km/h
Potência máxima (CV) 25 CV 50 CV
Velocidade máxima (Km/h) 110 Km/h 130 Km/h
Número de lugares 3
Tempo de recarga (Minutos) ND
Custo por cada 100 Km (€) ND
Preço (€) 9200 €
FEUP/DEMec Projecto FEUP
30
Ilustração 11 – Veículo Mini Flow Air. [5]
4.2.5.4 City Flow Air
Característica Técnicas Mono-energy Dual-energy
Autonomia (Km) ND 1500 Km/h
Potência máxima (CV) 25 CV 50 CV
Velocidade máxima (Km/h) 110 Km/h 130 Km/h
Número de lugares 3
Tempo de recarga (Minutos) ND
Custo por cada 100 Km (€) ND
Preço (€) 13000 €
Ilustração 12 – Veículo City Flow Air. [5]
FEUP/DEMec Projecto FEUP
31
4.2.5.5 Multi Flow Air
Este veículo pretende ser uma alternativa aos autocarros usados nos
transportes públicos dos dias de hoje. As vantagens são as seguintes:
• Poluição zero.
• Adaptável ao número de passageiros que vai transportar.
• Económico.
• Custo baixo na compra.
• Não precisa de infra-estruturas caras.
• Ágil em circulação.
Ilustração 13 – Veículo Multi Flow Air. [5]
4.2.6 Exemplo prático de um motor a ar comprimido
Pensando na melhoria da qualidade do ar e do meio ambiente, as
empresas aéreas Air France e KLM irão utilizar a partir de junho de 2009 o
AirPod One, modelo movido a ar comprimido, em transportes de passageiros e
cargas leves nos aeroportos Charles de Gaulle, em Paris, e Schiphol, em
Amsterdã.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
32
Ilustração 14 – O engenheiro Guy Negre, proprietário da MDI. [6]
O modelo é resultado de mais de dez anos de pesquisa da empresa MID
(Motor Development International), que se especializou em carros movidos a ar
comprimido, localizada na cidade de Nice, sul da França.
Comandado por meio de um joystick, o carrinho leva até três pessoas e
possui dois cilindros de fibra de carbono, que armazenam o ar que serve de
combustível. A autonomia é de 210 quilômetros e a velocidade máxima é de
aproximadamente 65 km/h.
Ilustração 15 – Modelo que será usado pela Air France e KLM nos aeroportos de Paris e Amsterdã. [6]
FEUP/DEMec Projecto FEUP
33
O engenheiro francês Guy Negre, proprietário da MDI, tem vasta
experiência profissional e, inclusive, já trabalhou em equipes da F1. Negre
pretende comercializar em breve os modelos que são totalmente amigáveis ao
meio-ambiente.
Em 2007, a empresa fechou um contrato de 40 milhões de euros com o
grupo indiano Tata Motors, para o fornecimento da inovadora tecnologia em
futuros modelos da fabricadora.
Ilustração 16 – Fábrica do “AirPod One” no Sul de França. [6]
4.2.7 Reabastecimento de carros a ar comprimido
Estes carros são reabastecidos quando ligados à corrente eléctrica. Deste
modo, a electricidade vai fazer trabalhar um compressor que por sua vez, ao
comprimir o ar, vai enchendo o depósito de ar comprimido. O carro poderá ser
reabastecido em postos de abastecimento comuns, que também tenham a
possibilidade de abastecer os caros de ar comprimido. No caso de se abastecer
num destes postos, o tempo pode ser de apenas 3 minutos para recarregar o
depósito todo, dadas as bombas de alta pressão que estes irão ter. Por outro
lado, se este for reabastecido em casa com uma bomba de baixa pressão,
poderá demorar até 4 horas até ficar completamente reabastecido
FEUP/DEMec Projecto FEUP
35
4.3 Turbina a gás
4.3.1 Introdução
A turbina a gás é um motor que produz uma grande quantidade de
energia para o seu tamanho e peso. Os seus principais componentes são o
compressor, a câmara de combustão e a turbina. A energia do motor é obtida
queimando ar com combustível. Esta mistura aumenta em volume, temperatura
e velocidade que, ao ser direccionada para as pás da turbina, a faz girar e,
consequentemente, girar o compressor.
4.3.2 História
A turbina a gás e a turbina a vapor foram concebidas simultaneamente.
Em 1791, a patente da turbina a vapor de John Barber descrevia outros fluidos
ou gases como potenciais fontes de energia. A turbina de Barber produzia gás
através do aquecimento de carvão, que misturado com ar, era comprimido e
queimado, o que gerava um jacto de ar que passava pelas pás da turbina a alta
velocidade, fazendo-as girar.
Estas ideias não foram postas em prática até finais do século XIX, quando
Charles de Laval e outros começaram a produzir turbinas a gás funcionais. Estas
utilizaram tecnologia proveniente das turbinas a vapor, largamente utilizadas
até então.
Em 1905, foi instalada na refinaria Marcus Hook da Sun Oil Company em
Filadélfia, uma turbina a gás capaz de gerar 5300kW de potência (cerca de 7100
cavalos). Uma parte dessa energia era disponibilizada em forma de gás quente e
pressurizado, outra em forma de electricidade.
Em 1939, a primeira turbina a gás para produção de electricidade foi
instalada em Neuchatel, Suíça, com uma potência de 4000kW (cerca de 5360
cavalos). Nesse mesmo ano, foi realizado o primeiro voo de um avião
propulsionado por uma turbina a gás.
Durante a Segunda Guerra Mundial, o design das turbinas mudou, no que
diz respeito à utilização de diferentes tipos de componentes em diferentes
combinações. Estas mudanças aumentaram a qualidade e rendimento destes
motores. Um exemplo é a taxa de compressão, que em 1900 era de 2,5:1 e
actualmente se aproxima de 40:1.
Em 1967, um carro equipado com uma turbina a gás correu em
Indianápolis e liderou a maior parte da corrida, desistindo a voltas do final
FEUP/DEMec
devido a problemas na caixa de velocidades. A partir dessa corrida, as regras
impostas para a entrada na corrida obrigaram a reduzir a área de entrada de ar
para a turbina, o que reduzia o seu rendimento.
A marinha americana começou a aplicar a turbina a gás nos seus barcos
de guerra. No inicio da década de 1990, estava munida de cerca de 330 barcos
com um total de 800 turbinas.
Actualmente, a turbina a gás é também utilizada em
tanques, como por exemplo o M1 Abrams do exército americano, que apesar de
ter 63 toneladas de peso, consegue atingir velocidades de 65km/h.
4.3.3 Princípio de funcionamento
Numa turbina a gás, o ar é sugado para dentro do motor pelo
compressor. Situa-se num extremo do motor, e é basicamente um cilindro em
forma de cone com pás de ventoinhas dispostas em filas. O ar comprimido e
acelerado entra na câmara de combustão onde injectores libertam uma
quantidade constante de combustível (querosene, pro
outra extremidade do motor, encontra
compressor através de um veio. São os gases de escape que fazem rodar este
conjunto numa única direcção.
Termodinamicamente, a turbina a gás e descrita pelo cic
Idealmente, o ar é comprimido isentropicamente, a combustão ocorre com
pressão constante, e a expansão do gás através da turbina ocorre
isentropicamente de novo à pressão inicial. No entanto, o atrito aumenta a
temperatura do ar quando é com
redução da eficiência do motor.
Ilustração 17 – Principio de circulação do ar no interior de uma turbina.
devido a problemas na caixa de velocidades. A partir dessa corrida, as regras
impostas para a entrada na corrida obrigaram a reduzir a área de entrada de ar
reduzia o seu rendimento.
A marinha americana começou a aplicar a turbina a gás nos seus barcos
de guerra. No inicio da década de 1990, estava munida de cerca de 330 barcos
com um total de 800 turbinas.
Actualmente, a turbina a gás é também utilizada em comboios e até
tanques, como por exemplo o M1 Abrams do exército americano, que apesar de
ter 63 toneladas de peso, consegue atingir velocidades de 65km/h.
Princípio de funcionamento
Numa turbina a gás, o ar é sugado para dentro do motor pelo
se num extremo do motor, e é basicamente um cilindro em
forma de cone com pás de ventoinhas dispostas em filas. O ar comprimido e
acelerado entra na câmara de combustão onde injectores libertam uma
quantidade constante de combustível (querosene, propano ou gás natural). Na
outra extremidade do motor, encontra-se a turbina. Esta está ligada ao
compressor através de um veio. São os gases de escape que fazem rodar este
conjunto numa única direcção.
Termodinamicamente, a turbina a gás e descrita pelo cic
Idealmente, o ar é comprimido isentropicamente, a combustão ocorre com
pressão constante, e a expansão do gás através da turbina ocorre
isentropicamente de novo à pressão inicial. No entanto, o atrito aumenta a
temperatura do ar quando é comprimido, e este e mais problemas levam à
redução da eficiência do motor.
Principio de circulação do ar no interior de uma turbina.
Projecto FEUP
36
devido a problemas na caixa de velocidades. A partir dessa corrida, as regras
impostas para a entrada na corrida obrigaram a reduzir a área de entrada de ar
A marinha americana começou a aplicar a turbina a gás nos seus barcos
de guerra. No inicio da década de 1990, estava munida de cerca de 330 barcos
comboios e até
tanques, como por exemplo o M1 Abrams do exército americano, que apesar de
ter 63 toneladas de peso, consegue atingir velocidades de 65km/h.
Numa turbina a gás, o ar é sugado para dentro do motor pelo
se num extremo do motor, e é basicamente um cilindro em
forma de cone com pás de ventoinhas dispostas em filas. O ar comprimido e
acelerado entra na câmara de combustão onde injectores libertam uma
pano ou gás natural). Na
se a turbina. Esta está ligada ao
compressor através de um veio. São os gases de escape que fazem rodar este
Termodinamicamente, a turbina a gás e descrita pelo ciclo de Brayton.
Idealmente, o ar é comprimido isentropicamente, a combustão ocorre com
pressão constante, e a expansão do gás através da turbina ocorre
isentropicamente de novo à pressão inicial. No entanto, o atrito aumenta a
primido, e este e mais problemas levam à
Principio de circulação do ar no interior de uma turbina. [57]
FEUP/DEMec Projecto FEUP
37
4.3.4 Principais Componentes
4.3.4.1 Compressor
O compressor é um dispositivo que comprime um fluido.
Maioritariamente, há três tipos de compressores, diferenciados pelas suas
características e usos.
A eficiência isentrópica do compressor tem vindo a aumentar
consideravelmente, o que é muito importante, pois este consome 55% a 60% da
energia gerada pela turbina.
4.3.4.2 Câmara de Combustão
Todas as câmaras de combustão cumprem a mesma função:
aumentar a temperatura do gás pressurizado. Apenas uma pequena parte deste
ar (cerca de 10%) é aquecido na câmara. O restante é utilizado para
arrefecimento.
O ar que entra na câmara de combustão tem de ser desacelerado
(até cerca de 15 m/s) para que este não apague a chama dentro da câmara.
Depois da combustão, o ar é acelerado até cerca de 150m/s. Há três tipos
principais de câmaras de combustão: tubulares, anelares e externas.
4.3.4.3 Turbina
A turbina é o componente que extrai energia dos gases aquecidos
na câmara de combustão. Estes atravessam-na a grande velocidade, o que a faz
girar. Normalmente, a turbina está ligada ao compressor através de um veio. No
entanto, há configurações em que a turbina incorpora um conjunto adicional de
pás para, por exemplo, ligar a um veio de saída (usado em helicópteros e
tanques), ou ligar a uma grande ventoinha na frente do motor (usado em quase
todos os aviões, actualmente).
4.3.5 Tipos de Motores
4.3.5.1 “Jet Engine”
Um veio liga um segmento da turbina que gira livremente a uma
ventoinha na frente do motor, que aumenta drasticamente o ar que passa por
este. Este ar é chamado de “bypass air” pois passa pelo exterior do compressor,
apenas aumentando a propulsão. É usado principalmente na aviação, e tem
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38
como vantagens: simplicidade dos sistemas auxiliares, necessidade de pouca
energia para ligar o motor, funcionamento sem necessidade de arrefecimento a
água e fácil manutenção.
4.3.5.2 “Turboshaft”
Nestes motores, o mais importante não é a propulsão gerada
pelos gases de escape, mas sim energia fornecida através da rotação de um
veio. Este veio está ligado a uma porção da turbina que gira livremente. Este
tipo de motores é utilizado em aplicações que requerem grande fiabilidade e
potência e baixo peso e tamanho, como por exemplo, helicópteros, tanques,
barcos e equipamento estacionário.
4.3.5.3 Micro-turbinas
Normalmente referem-se a unidades com menos de 350kW de
potência. Para terem sucesso, devem ser pequenos, ter baixos custos de
produção, alta eficiência, operação silenciosa e emissões mínimas. No fundo,
estes motores são uma aplacação da tecnologia existente. O desafio é tornar o
uso destas tecnologias económico.
4.3.6 Materiais
As altas temperaturas são o factor mais condicionante para a eficiência
da turbina a gás. O gráfico 1 mostra a relação entre o factor de pressão no
compressor e o consumo de combustível, para diferentes temperaturas do ar
dentro da turbina. O gráfico mostra que o nivel de consumo de combustivel
baixe consideravelmente com o aumento da temperatura. Para além das
temperaturas, os materiais de uma turbina também sofrem altos níveis de
stress e corrosão.
As lâminas da turbina e o centro da câmara de combustão são os
componentes que mais sofrem desgaste, e por isso a sua concepção e
integração num motor de alta performance são um verdadeiro desafio no que
diz respeito aos materiais a usar.
Para escolher um bom material para o fabrico de turbinas a gás, é preciso
ter em conta vários factores importantes: capacidade limitada de deformação,
resistência à corrosão, baixo coeficiente de expansão térmica e alta
condutividade térmica.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
39
Desde 1950, a capacidade térmica dos materiais utilizados aumentou em
cerca de 470°C. De notar que um aumento de 56°C corresponde a um aumento
de 8% a 13% na potência.
Gráfico 1 - Relação entre factor de pressão e consumo de combustível a diferentes temperaturas. [39]
4.3.7 Avanços Tecnológicos
Nos últimos 20 anos, a tecnologia das turbinas a gás tem evoluído
rapidamente. Os melhores materiais, revestimentos e sistemas de
arrefecimento, acompanhados de um maior factor de pressão no compressor,
fizeram o rendimento destes motores subir de cerca de 15% para mais de 45%.
A tendência é criar motores cada vez mais pequenos. O desenho por
computador e materiais cada vez mais resistentes ajudou a obter maior taxa de
compressão e maior temperatura, mais eficiência de combustão e melhor
arrefecimento dos componentes. Por outro lado, tem-se tentado aumentar a
temperatura à entrada da turbina, reduzindo ao mesmo tempo a temperatura
máxima de ignição para assim reduzir a emissão de NOx. Rolamentos de lâminas
introduzidos nos anos 90, suportam muito mais desgaste, reduzindo a
manutenção.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
40
No futuro, a turbina a gás continuará a ser utilizada, desde que haja um esforço
em reduzir o seu custo de produção, aumentar a sua eficiência e reduzir a
emissão de gases prejudiciais. Uma das possibilidades passa pela utilização de
bio-combustíveis.
4.3.8 Vantagens
• Elevado rácio potencia/peso, comparado com outros tipos de
motores.
• Movem-se apenas numa direcção, com menos vibração e menos
partes em movimento.
• Trabalha a altas velocidades, com baixas pressões e com pouco
custo de manutenção.
• Aceita uma grande variedade de combustíveis, pelo que a sua
utilização em automóveis não causaria um grande impacto nos
meios de abastecimento actuais.
4.3.9 Desvantagens
• Mais caros, devido à necessidade de materiais resistentes.
• Processos de maquinaria mais complexos.
• Menos eficientes, especialmente em relanti.
• Resposta lenta a mudança de velocidade de funcionamento.
Estes factores fazem com que a utilização de turbinas a gás em automóveis não
seja uma opção viável, uma vez que estes são utilizados em estradas por vezes
sinuosas e não lineares, o que obriga a moverem-se a velocidades inconstantes.
O trânsito é também um problema pois a turbina a gás é pouco eficiente em
arranques e paragens repetidos. Talvez no futuro se consigam resolver estes
problemas, e aí a utilização destes motores será viável.
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5 Conclusão
Para uma análise das conclusões mais sucinta e objectiva, decidimos
expô-las, primeiramente, por tópicos:
5.1 Motores eléctricos
5.1.1 De corrente contínua
• O íman permanente com escovas tem vindo a ser cada vez mais usado.
Nos automóveis.
• É simples e eficiente.
• O rendimento será tanto maior quanto maior número de constituintes
ferromagnéticos o motor contiver, devido ao seu funcionamento ser por
forças magnéticas.
• A eficiência deste tipo de motor é 70% maior que a do motor de
combustão interna.
• Taxas de emissão de dióxido de carbono para a atmosfera são nulas.
• O aumento da produção deste tipo de motores obriga a um aumento no
consumo de combustíveis fósseis por parte das fábricas.
• Seria muito mais sensato usar energias renováveis para a produção
destes motores, se bem que esta conclusão serve para qualquer um
destes motores.
5.1.2 De corrente alternada
• O motor de corrente alternada funciona com uma corrente cujo
sentido varia no tempo.
• É o motor mais comum dentro dos eléctricos.
• Há dois tipos deste motor: Síncrono e Assíncrono.
• São mais baratos na compra e na manutenção comparando com os
motores de corrente contínua.
• São mais práticos, simples e silenciosos.
• Taxas de emissão de dióxido de carbono para a atmosfera são nulas.
• Maior facilidade no acesso às infra-estruturas de abastecimento
devido à corrente eléctrica convencional ser alternada.
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5.2 Motor a ar comprimido
• Taxas de emissão de dióxido de carbono para a atmosfera são nulas, caso
seja um motor mono-energético.
• Para comprimir o ar, é necessário fornecer energia eléctrica a um
compressor.
• Apesar de depender da energia eléctrica para comprimir o ar e encher o
depósito, este custo é muito reduzido, 1.3 € na melhor das hipóteses.
• O abastecimento pode ser efectuado em postos de abastecimento com
essa possibilidade ou em casa.
• A duração do reabastecimento do depósito é muito mais reduzido se for
feito num posto de abastecimento, cerca de 3 minutos. Já em casa pode
chegar às 4 horas.
• Existem automóveis com a possibilidade de ter 2 motores (dupla
energia), um a ar comprimido e outra por exemplo a gasóleo (existem
outras possibilidades para a 2ª escolha).
• A autonomia dos automóveis de dupla energia (Dual-ennergy) é
surpreendente. Podem chegar aos 1500 Km.
• Devido à ausência de combustão e resíduos, a troca de óleo (1 litro de
óleo vegetal) ocorre a cada 50.000km.
• A temperatura do ar purificado que sai do escape está entre 0ºC e –
30ºC. Permitindo assim a utilização para o próprio ar condicionado do
carro. Este é ainda mais puro.
• Dada a sua eficiência, já existem aplicações práticas. Como é o exemplo
de carros AIRPod no aeroporto de Charles de Gaulle em Paris, e Schiphol
em Amsterdã.
• Usa-se essencialmente fibra de vidro na construção destes automóveis,
de forma a diminuir o peso e aumentar a eficiência. O que gera uma
maior autonomia.
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5.3 Turbina a gás
• Grande quantidade de energia para o seu tamanho e peso.
• Componentes chave: compressor, câmara de combustão e turbina.
• Ar entra frio, é comprimido, aquecido e expelido a maior velocidade, o
que cria propulsão.
• Pode também gerar energia através de rotação de um veio.
• Mais eficiente a maiores temperaturas – desafio na resistência dos
materiais.
• Flexibilidade nos combustíveis.
• São mais caros, mais complexos no fabrico
• Menos eficientes quando não funcionam a velocidade constante, lentos a
alterar a velocidade.
• São uma péssima solução para a engenharia automóvel.
Com este trabalho podemos concluir que existem propostas de motores
de pouca potência, e portanto, muito pouco poluidores, mas também de alta
potência e de longo alcance em termos de autonomia, muito poluidores
(turbina a gás).
Neste trabalho foi possível verificar o ponto de situação destas novas
tecnologias, em que áreas podem ser utilizadas, as suas características.
Vantagens e desvantagens, manutenções, materiais usados e as possíveis
soluções para a implementação de postos de abastecimento.
O ser humano está cada vez mais dependente dos combustíveis fósseis
mas estes nunca estiveram tão perto de se extinguirem por isso, mais que
nunca, é urgente continuar a aperfeiçoar, melhorar estas novas tecnologias para
que se tornem seguras, acessíveis à comunidade e sobretudo amigas do
ambiente.
Para finalizar, concluímos que as melhores soluções serão os motores
eléctricos e a ar comprimido. Já as turbinas a gás não o são no que toca a
engenharia automóvel.
FEUP/DEMec Projecto FEUP
44
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