mestrado integrado em engenharia mecânica motor eléctrico...

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



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.



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.


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


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


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.


5

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.


6

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


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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.


8

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]


9

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


10

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]


11

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]


12

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]


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]


14

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


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.


16

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]


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]


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.


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


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]


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


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


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.


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.


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


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


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.


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


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



Número de lugares 3



Preço (€) 9200 €


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



Número de lugares 3



Preço (€) 13000 €

Ilustração 12 – Veículo City Flow Air. [5]


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.


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]


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


34

Esquema 5 – Abastecimento de um carro MDI a ar comprimido. [59]


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.



reduzia o seu rendimento.



com um total de 800 turbinas.

Actualmente, a turbina a gás é também utilizada em comboios e até



Princípio de funcionamento


se num extremo do motor, e é basicamente um cilindro em



quantidade constante de combustível (querosene, propano ou gás natural). Na

outra extremidade do motor, encontra-se a turbina. Esta está ligada ao


conjunto numa única direcção.

Termodinamicamente, a turbina a gás e descrita pelo cic




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





comboios e até




se num extremo do motor, e é basicamente um cilindro em



pano ou gás natural). Na

se a turbina. Esta está ligada ao


Termodinamicamente, a turbina a gás e descrita pelo ciclo de Brayton.




primido, e este e mais problemas levam à

Principio de circulação do ar no interior de uma turbina. [57]


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


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.


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.


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.


41

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.


42

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.


43

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.


44

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