história das máquinas térmicas

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História das Máquinas Térmicas

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AULA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA - UFBA

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Histria das Mquinas Trmicas

Histria das Mquinas TrmicasMotor de Huygens

1508 Leonardo da Vince (chama e vcuo); - Christiaan Huygens : poos de carvo e gua;Baixo PCI da plvora (2,9 MJ/kg);

No necessita de ar (usada em submarinos em 1823;

Formao de SO2;

Rendimento terico mximo de 15%.VcuoElevar um peso por meio de fogoDa Vince:Imagine que o pisto elevado veda bem o cilindro.1-) Aps a expanso devido a queima da plvora o pisto desce.2-) O pisto ento succionado para cima realizando o trabalho de levantar o peso (balde de gua ou carvo).Huygens:1-) O pisto pesado, dentro do cilindro, era elevado por meio da exploso da plvora;2-) A corda era amarrada a um balde de gua ou carvo que subia conforme os gases quentes esfriavam.(motor muito utilizado nas minas de carvo)A plvora possui nitrato de potssio (KNO3) que prove o oxignio para a reao.

2Diagrama PV para os motor de HuygensPVAumento de presso para elevar o pistoElevao do pistoResfriamento dos gasesDescida do pistoRendimento terico mximo de aproximadamente 15%.3ExerccioUm motor monocilndrico vertical com dimetro do pisto de 1,2 m e massa do pisto de 2700 kg utilizado para levantar uma massa. A presso no cilindro aps o resfriamento de 22 kPa enquanto a presso ambiente de 101 kPa.Que massa pode ser levantada se o pisto se move para cima?Que massa pode ser levantada se o pisto se move para baixo?M =?VcuoM =?VcuoRespostas

A = pi.D2/4F = (Patm-P).1000.APpisto = m. 9,81

(F-Ppisto)/9,81a) (F+Ppisto)/9,81

5Mquina a Vapor (combusto externa)

Denis Papin (ajudante de Huygens);Thomas Savery;Thomas Newcomen;James Watt (1760); - REVOLUO INDUSTRIAL 0,3-3,5% de rendimento !Vcuo do vapor !Usava-se vapor no lugar da plvora para encher o cilindro que se condensava e criava vcuo (os trs primeiros inventores).James Watt (Escocs) inventou um condensador que injetava gua dentro do cilindro, para que houvesse uma rpida condensao.Alm disso Watt decidiu usar a sobre-presso do vapor e causou a revoluo industrial, explodiu muitas caldeiras e matou muita gente (1769 sec. XVIII).6Outros motores (combusto interna)Motores a ar:Henry Hood 1759;George Caley 1807;Robert Stirling 1816;John Ericsson 1826.

Motores a gua (1824):Usar pilhas galvnicas;Sadi Carnot, 1824 !Michael Faraday (motor eltrico), 1821 !

John Barber (tubina a gs), 1791Motores a ar: ar seria o fluido de trabalho;

Motores a gua: eletricidade transformaria a gua em hidrognio e oxignio que queimariam (no processo reverso, formariam gua (novamente, condensariam e gerariam vcuo;Processo de eletrlise pouco eficiente (50%);A combusto se d a uma temperatura muito elevada (problema de dissociao e com materiais).

7Motores atmosfricos

Isaac Rivaz (1805)Gs de carvo;Ao indireta;Rpida subida do pisto (adiabtica) e lenta descida durante o arrefecimento;Motor de pisto livre de ao indireta. 8IgnioIgnitor de revoluo de Barnett (1838):Cilindro

CombustvelSe colocava a chama e contato com o combustvel, que logo aps a combusto, se apagava pelo contato com os gases expandidos queimados. Foi criado ento o ignitor de revoluo de Barnett no qual um cilindro rotativo interno fechava a janela da chama e abria a janela para o cilindro motor. 9Capito do Exrcito Americano Morey (1826)Patenteou um motor com:Arrefecimento a gua;Carburador de superfcie;Sistema de distribuio composto por cames, balancin e vlvulas tulipas.Antigo capito do exrcito americanoCarburador de superfcie: o combustvel fica em um recipiente aquecido pelos gases exaustos. O ar a ser admitido passa por cima do recipiente e carrega os vapores. 10Lenoir (1861)- Motores atmosfricos Produziu e comercializou os primeiro motores de combusto interna (500 unidades);PV12345Rendimentos tericos ~ 30%Rendimentos reais ~ 10%Relao potncia/peso 2 t 1kW (1,36 cv)AdmissoCombustoExpansoEscapeLenoir duplo efeitoMotor de dupla ao (duas cmaras de combusto, uma de cada lado do pisto).O pisto desce do PMS admitindo a mistura ar combustvel (vlvula antiretorno);Centelha no ponto 2 e uma combusto instantnea;De 3-4 o pisto expandido at o PMINo ponto 4 a vlvula de exausto se abre e os gases so expulsos pela subida do pisto (4-5-1);

11Motores com compresso prvia (Barnett)PV12345612 Combusto a volume constante;23 Meia expanso;34 Abre vlvula de escape e a presso baixa;45 Abre vlvula de admisso;56 Abre vlvula de escape;61 Compresso;Sai combustvel pelo escape !Sempre h gases exaustos no cilindro !Otto foi pioneiro da compresso prvia, 1876, mas sua patente foi quebrada devido ao trabalho de Barnett, 1838. A localizao das vlvulas de escape e de admisso so de extrema importncia. J muito prximo do ciclo OTTO ;Briga Beau de Rochas e OTTO por patente;12Sistemas auxiliaresCarburao:Carburador de superfcie;Carburador de torcida; Carburador de spray/jato (Venturi);Alguns motores j possuam injeo direta de gasolina dentro do cilindro

Ignio:O motor de Lenoir j possua ignio eltrica por vela usando um interruptor que abria e fechava um circuito que induzia a tenso no secundrio de uma bobina.Robert Boch (1902) desenvolveu o sistema de alta tenso;

Carburador de superfcie: Ar conduzido na superfcie de um tanque ou borbulhando nele (corrente de gases de exausto aquecendo o combustvel);Possuem nvel constante mas somente os mais compostos mais leves evapora;Carburador de torcida:Capilaridade;Lamparina de petrleo;Carburador de spray/jato (venturi):- Sem problemas com os componentes pesados da gasolina

13Os primeiros motores queimando leo (Diesel) foram desenvolvidos por Priestman/ Stuart utilizavam velas incandescentes e no queimavam a presso constante;

1892 Diesel patenteou seu motor com expanso a temperatura constante;

1893 Diesel patenteou seu motor com expanso a presso constante;

Motores DieselProttipo com 26,2% de eficincia em 1897Semi-Dieselmotor trmico racionalRudolf Diesel inventou seu motor teoricamente a partir dos ensinamentos de termodinmica de Carnot, e conseguiu provar que seu motor trabalharia antes que uma nica pea fosse fabricada.

14Evoluo do motor clssicoDcada de 30: confiabilidadeEntupimento de carburadores;Carburadores desregulados;Ignio e arrefecimento defeituosos;leo degradado.Dcada de 70: Crises petrolferasQuestes ambientaisEficincia e reduo das emissesJ no incio do sec. XX os MCI j funcionavam de forma bem parecida com os MCI atuais. 30 Problemas de arrefecimento, carburao, ignio... (durante 3 dcadas)70 ltimas 4 dcadas (at fase atual)15Evoluo da taxa de compressoCrescimento at 9,5 no final dos anos 60;

Reduo para 8,3 na dcada de 70 (EUA); (reduo do IO de 95 para 87)

Atualmente superiores a 10 (IO de 87- 95).

Proibio do chumbo tetraetila !Os slides a seguir so relativos as melhorias obtidas a partir da dcada de 70.

Chumbo tetraetila:Envenena os catalisadores do escapamento;Se acumula no corpo humano.O processo de craqueamento cataltico fluidizado (FCC) produz gasolina de alta octanagem;Adio de lcool aumenta a octanagem;Controle da combusto (sistema da injeo de combustvel) e ignio;16Relao curso/dimetroDiminui at valores prximos a 1;Eleva a rotao dos motores;Aumenta a potncia;Aumenta o espao para as vlvulas;Uma diminuio adicional causa:Aumento da rea de transferncia de calor;Cmaras de combusto pouco compactas.

Com velocidade fixa do pisto !Knock ! ! !Pot = W. n/xEsta relao diminuiu ao longo do tempo at valores prximos a 1 (no intuito de aumentar a potncia nos motores);Vlvulas maiores adequadas as maiores velocidades do motor;17CilindradaEuropa:Dcada de 50: 500-700 cm3;Dcada de 60: 1200-2000 cm3;Dcada de 70: 1000 cm3;Atual: 1400 1600 cm3;EUA:Antes da crise do petrleo: 4 5L (2 5 km/l) guzzlers;Ps crise do petrleo: 2L ;Penalizaes fiscais se consumo < 10km/l (SUV s entraram em 2004)Enriquecimento da populaoCrise do petrleo 73/7418Preparao da misturaCarburadores (em avies):Funcionamento inadequado a baixas presses;Congelamento;Voo invertido;Sistema de injeo direta (mecnico);Sistema de injeo indireta (mecnico);Sistema de injeo indireta (eletrnico);

Sistema eletrnico de injeo direta !Sistema de injeo foi desenvolvido para motores de avio.Desde de a dcada de 90 que no se fabrica mais carros com carburador (excees so Turquia, ndia e Indonsia)Injeo direta permite um melhor controle da combusto!

19Outras evoluesDcada de 80: motores turbo comprimidos;

Multivlvulas;

Injeo direta;

Emisses: caram para 1% das emisses da dcada de 70.Abandonada no final da dcada de 80!(exceo para motores diesel)Trs, quatro ou cinco vlvulas por pisto !Range ExtendersToyota Prius (1997):Regenerao da frenagem;Auxlio nas aceleraes (2km eletricamente);Ciclos sobre expandido (Miller);Nissan Leaf Mitsubishi i-MiEV (MitsubishiIn-wheel motorElectricVehicle)Opel Ampera (Chevrolet Volt EUA)Possui range extender (MCI ligado somente bateria);Bateria: 130 km e logo tempo para carregarUm grande problema a bateria que armazena pouca energia e pesa muito.Range extenders: - MCI de 2 ou 3 cilindros; - Wankel; - Micro-turbinas.21Matriz Eltrica Nacional

Embora a matriz seja predominantemente hidreltrica a matriz da energia que est sendo adicionada rede no to renovvel. 22Emisso de CO2

Itaipu 4 gCO2/kWhOutros pesquisadores 400 gCO2/kWhGerao concentrada (fcil captura), mas e depois o q fazer? 23Motor DieselRelao curso/dimetro: levemente superior a 1;

O uso de sobrealimentao universal;

4 vlvulas por cilindro;

Turbo compressores de geometria varivel!Reduziu-se ao longo do tempo!Os motores diesel no esto limitados pelo knock/ detonao/ batida de pino e portanto a razo de compresso pode aumentar. Isso no ocorre nos motores a gasolina (Otto);24Cmaras de combustoInjeo direta na cabea do pisto (motores lentos);Em cmara de pr-combusto (motores rpidos);Injeo direta na cabea do pisto (nova tendncia para todos);

25Sistemas de InjeoSimples bombas injetoras da dcada 30;Sistemas eletrnicos que controlam:Injetores bombas;Common-rail;

Necessidade de combusto com incio e fim controlados;Variar a vazo de combustvel ao longo da injeo;Produzir pr e ps-injees;Injeo direta na cmara de combusto sem problemas de no- suavidadeOu gerao de poluentes;

Sistemas eletrnicos de injeo direta a 2000 bar!26Principais EmissesHC: molculas de combustvel que no foram queimadas;CO: produzido por combusto rica ou por baixa homogeneizao;NOx: dissociao do N2 a altas temperaturas formando nitrognio monoatmico (N) que se combina ao O2;SOx: quando h enxofre no combustvel;Material particulado;Fumaa azul: lubrificante;Fumaa branca: gua do radiador na mistura (problema na junta do cabeote) ou condensao da gua dos gases de exausto (dias frios);Fumaa preta: hidrocarboneto no queimado

Eliminao de NOxFormato da injeo;Pr e ps-injees;Desenho da cmara de combusto;Catalizador no escape;

ARLA 32 nos motores Diesel !Eliminao de SOxCombustvel com menos enxofre;Hidrotratamento em refinarias;Motores adiabticosCilindro de material cermico;Sem necessidade de arrefecimento;

Problemas:Baixo rendimento volumtrico;Gases de exausto muito quentes;Lubrificao?

Degradao dos leos lubrificantes;30Bibliografia

Cap. 2