motores de combustao interna

Motores de Combusto Interna So mquinas trmicas nas quais a energia qumica dos combustveis se

transforma em trabalho mecnico. Podem ser classificadas em: Quanto a propriedade do gs na admisso: ar (Diesel) mistura ar+combustvel (Otto) Quanto ignio: por centelha (ICE) por compresso (ICO) Quanto ao movimento do pisto: alternativo (Otto, Diesel) rotativo (Wankel, Quasiturbine) Quanto ao ciclo de trabalho: 2 tempos 4 tempos Quanto ao nmero de cilindros: monocilndricos policilndricos Quanto disposio dos cilindros: em linha em V Quanto utilizao: estacionrios: geradores, mq. de solda, bombas; industriais: tratores, guindastes, compressores de ar; veiculares: caminhes e nibus; martimos: barcos e mquinas de uso naval. opostos (boxer) em estrela (radial)

Motores de Combusto InternaVantagens:arranque rpido trabalho em rotaes baixas portabilidade fcil manuteno

Desvantagens:limitao de potncia no utilizao de combustveis slidos peso elevado p/ potncia elevado nmero de peas baixa eficincia

DefiniesPonto morto Superior (PMS) e o Ponto Morto Inferior (PMI): posies em que o mbolo muda de sentido de movimento, passando pelo seu mximo ou mnimo.

Figura : Curso de um pisto, de acordo com o P.M.S. e o P.M.I. Cilindrada: o volume total deslocado pelo pisto entre o P.M.I. e o P.M.S., multiplicado pelo nmero de cilindros, em cm3: C= [(D2/4)].curso .N cil. (cm3) (ver exemplo)

Motores de Combusto InternaCmara de compresso ou de combusto, volume morto: o espao livre que fica acima do pisto quando este se encontra no P.M.S.. nele que a mistura ar+combustvel do motor a gasolina ser comprimida e, com a fasca, explodir, expandindo os gases que movimentaro o pisto; A cmara pode estar inserida no cabeote ou na cabea dos pistes Seu volume define a taxa de compresso do motor: quanto < volume, > ser essa relao e melhor ser o rendimento do motor. Todos os componentes que atuam em sua formao, ou ao seu redor, influenciam diretamente em sua eficincia: posio das vlvulas, desenho dos dutos, etc. Octanagem: a capacidade da gasolina resistir detonao, ou a sua capacidade de resistir s exigncias do motor sem entrar em auto-ignio antes do movimento programado. A detonao tambm conhecida como batida de pino Um combustvel de octanagem n se comporta como uma mistura de n% de isoctano e (100-n)% de n-heptano Por conveco: isoctano puro tem octanagem 100 n-heptano puro tem octanagem zero No Brasil, as gasolinas comum e comum-aditivada tm octanagem 86 e a gasolina Premium possui maior octanagem, 91. Comparao entre as propriedades do etanol e da gasolina (ver tabela na apostila).

Taxa de compresso (Relao): relao matemtica que indica quantas vezes a mistura ar/combustvel, ou simplesmente o ar aspirado (Diesel) para dentro dos cilindros pelo pisto comprimido dentro da cmara de combusto antes do incio da queima; Para um motor a gasolina com taxa de compresso 8:1, o volume aspirado para o cilindro foi comprimido 8 vezes antes que a centelha fosse disparada; Termodinamicamente, a taxa de compresso diretamente responsvel pelo rendimento trmico do motor; Quanto maior a taxa de compresso, melhor o aproveitamento energtico do motor;

Motores de Combusto Interna

Figura : Representao esquemtica da taxa de compresso.

Por isso os motores a Diesel consomem menos que os similares a gasolina: com taxas de compresso altssimas (17:1 nos turbodiesel e 22:1 nos diesel aspirados), geram a mesma potncia consumindo menos combustvel;

Limitaes: dificuldade de minsculas cmaras de combusto propriedades do combustvel

TC=(cilindrada do motor + vol. da cmara de combusto)/vol. da cmara de combusto

TC= (V+v)/v (ver exemplo)

Auto-ignio: Pode ocorrer devido a altas temperaturas na cmara de combusto ou octanagem incorreta do combustvel para a taxa de compresso do motor; Pontos quentes no interior da cmara podem fazer o papel da vela de ignio; Vela com grau trmico muito alto para a situao requerida pelo motor pode tambm ser o motivo da auto-ignio; Causa perda de potncia com risco de superaquecimento ainda maior; Pode levar destruio da cmara de combusto e furos na cabea dos pistes ou mesmo sua fuso com o cilindro;


Figura : Peas danificadas por pr-ignio. Efeitos idnticos ao de motor com ponto de ignio muito adiantado; Geralmente o maior responsvel pela auto-ignio a carbonizao da cabea dos pistes e das cmaras de combusto;Outras definies e Nomenclatura: na apostila

Princpio de funcionamento dos motores alternativos Para qualquer motor alternativo: introduz-se o combustvel no cilindro; comprime-se o combustvel, consumindo trabalho; queima-se o combustvel; expanso dos gases resultantes da combusto, gerando trabalho; exausto dos gases

Nos motores a pisto, este ciclo pode completar-se de 2 maneiras: ciclo de trabalho a 4 tempos ciclo de trabalho a 2 tempos

Motores de Combusto InternaMotor a 4 tempos: o ciclo se completa a cada 4 cursos do mbolo; um ciclo de trabalho estende-se por 2 rotaes da rvore de manivelas, ou seja, 4 cursos do pisto; Durante os 4 tempos (2 rotaes), transmitiu-se trabalho ao pisto s uma vez, os outros 3 tempos so passivos absorvem energia.

Figura : Motor alternativo ciclo Otto de 4 tempos. Motor a 2 tempos combinam em 2 cursos do mbolo as funes dos motores de 4 tempos; h um curso motor para cada volta do virabrequim; motores normalmente sem vlvulas; crter tem dimenses reduzidas e recebe a mistura ar/combustvel e o leo de lubrificao

Figura : Motor alternativo de 2 tempos..

Motores de Combusto InternaMotor Wankel Vantagens: eliminao do sistema biela-manivela, com reduo dos problemas de compensao de foras e momentos e vibraes; menor nmero de peas mveis construo + simples e menor custo; maior concentrao de potncia menor volume e peso;

Problemas: alta rotao: 1 verso 17.000 rpm atual em torno de 4.000 rpm problemas de vedao entre o pisto e o cilindro; problemas de lubrificao. O motor consta de apenas 1 cilindro, de 2 partes rotativas, rvore com excntrico, volantes, massas de compensao e o pisto rotativo; Consiste essencialmente em uma cmara cujo formato interno se aproxima da forma de um 8. Dentro dela, um rotor + ou - triangular (pisto) gira excentricamente com relao ao virabrequim ou eixo principal do motor As formas destes elementos so tais que enquanto os cantos do pisto esto sempre eqidistantes das paredes da cmara (formando inclusive uma vedao), eles sucessivamente aumentam e diminuem o espao entre os lados convexos do tringulo (rotor) e as paredes da cmara; Uma mistura injetada numa das cmaras, quando est aumentando de tamanho, ser comprimida na reduo subseqente de volume, enquanto o rotor gira. O ciclo clssico de 4 tempos reproduzido e as 3 fases do rotor esto em 3 fases diferentes do ciclo, ao mesmo tempo.

sanados


Figura : Esquema de funcionamento de motor Wankel. Motor Quasiturbine Caractersticas: muita potncia e menores vibrao, consumo e peso; motor rotativo ainda em desenvolvimento no Canad; turbinas geram energia de forma contnua, sem interrupo (360); O QT gera energia durante 328; um motor normal, de 4 tempos, gera energia apenas 1 vez a cada 2 rotaes, e mesmo assim, no mximo por 90 graus; no Wankel h 1 exploso a cada volta do eixo e no QT h 4; por isso oferece maior uniformidade de torque; sem virabrequim : eliminao dos problemas de vibraes; sem vlvulas de admisso ou escapamento: nmero de peas mveis;

torque quase constante rapidez na acelerao, dispensando o volante peso; no necessita de um crter de leo montagem em qualquer posio.

Motores de Combusto InternaFuncionamento: baixa rotao (5.000 rpm); para uma mesma potncia 30% menos espao que um motor a pisto; pode usar vrios tipos de combustvel: do leo hidrognio; funciona a vapor, ar comprimido e pode ser usado como compressor; centro vazio pode-se acoplar um gerador eltrico aplicaes hbridas; quando alimentado por um compressor, pode ser convertido de 4 para 2 tempos, duplicando sua potncia;

Figura : Esquema de funcionamento do motor Quasiturbine.

Veculos hbridos Utiliza 2 fontes de energia para se movimentar: uma baseada em um motor eltrico e outra baseada em um motor trmico (turbina, motor diesel, gasolina, etc). Vantagens devido a origem eltrica do movimento frenagem regenerativa; motor eltrico menor; diminuio do consumo de at 50%. diminuio das emisses, com motor trmico de eficincia; emprego de combustveis alternativos, devido a grande variedade de motores trmicos que se pode usar.

Motores de Combusto InternaClula de combustvel Patente + vivel foi depositada em 1998 pela Ballard Power Systems (canadense); Princpio: extrair as molculas de hidrognio dos combustveis e canalizar somente os eltrons; Na prtica: carro abastecido c/ gasolina, lcool, metano ou diesel; combustvel admitido na clula; eltrons so canalizados e, acumulados, provocam uma descarga eltrica; esta descarga alimenta o(s) motor(es) do automvel; Desafios: custo da membrana que permite a troca de eltrons (PEM); a reformao do combustvel deve ocorrer a temperaturas para otimizar o processo de obteno de energia eltrica (atualmente Z 20C); peso do veculo; peso dos conjuntos propulsores;

Saindo do papel: A DAIMLER-CHRYSLER projetaram um veculo (Necar 5) capaz de rodar 500 ou 600Km com 50 l de metanol armazenados num tanque comum da classe A; A empresa promete uma verso fuel cell para uso urbano em coletivos para 2004; A Ford apresentou uma verso para o Focus FCV, que pretende por venda em 2004.

Figura: Seqncia de filtragem dos eltrons em uma clula combustvel. A PEM permite a passagem dos prtons, acumulando eltrons.

Motores de Combusto Interna Ciclos de Potncia Pot Ciclo de Carnot No pode ser objeto de nenhuma realizao prtica; Pode ser descrito teoricamente da seguinte forma: 1 fase: COMPRESSO ISOTRMICA Uma massa gasosa introduzida no cilindro, comprimida temperatura constante, esfriando o cilindro durante esta fase; 2 fase: COMPRESSO ADIABTICA Interrompido o resfriamento do cilindro, continua-se a compresso rapidamente, de modo que no haja troca de calor entre o gs e o cilindro; 3 fase: EXPANSO ISOTRMICA Durante a expanso isotrmica o cilindro exige aquecimento p/ tornar a temperatura constante; 4 fase: EXPANSO ADIABTICA Continuando o repouso, cessa-se o reaquecimento do cilindro para que essa fase se efetue sem troca de calor com o cilindro e que a massa gasosa retome o volume e a presso originais.

Figura : Diagrama p-v para um ciclo de potncia de Carnot executado por um gs.

Motores de Combusto InternaO rendimento do ciclo de Carnot depende somente das temperaturas nas quais o calor fornecido ou rejeitado:

t = 1 - (TL/TH), sendo TH = Temp. da fonte quente em KelvinTL = Temp. da fonte fria em Kelvin Tambm pode ser expressa em funo da presso, ou taxa de compresso, durante os processos isoentrpicos

t = 1 - rPS(1-K)/K = 1 - rVS(1-K)Ciclo Otto (volume constante) Considerando que o enchimento e o esvaziamento ocorrem com a presso atmosfrica, teremos:

1 fase: COMPRESSO ADIABTICA A compresso adiabtica leva os gases a uma certa temperatura, contudo insuficiente para provocar a inflamao; 2 fase: TRANSFORMAO ISOVOLUMTRICA Introduz-se uma fonte quente para elevar instantaneamente a presso dos gases (fasca), sem que o pisto tenha tempo de deslocar-se durante essa transformao de volume constante; 3 fase: EXPANSO ADIABTICA Terminada a inflamao, a massa gasosa distende-se de maneira adiabtica; O fim dessa distenso corresponde a uma baixa sensvel de presso; 4 fase: EXPANSO ISOCRICA A abertura do escapamento provoca uma baixa brutal de presso, que leva o inferior do cilindro presso atmosfrica para o pisto na posio de ponto morto (v = cte).

Motores de Combusto InternaCiclo 4 tempos, Ciclo Otto Segue os mesmos passos descritos anteriormente, mas no 1 tempo admite-se uma mistura ar/combustvel A combusto iniciada por uma centelha A mistura ar-combustvel, feita no carburador ou pela injeo eletrnica, preparada nas seguintes propores: 14,8 : 1 - de ar/gasolina (taxa de compresso 9:1) 9,0 : 1 - de ar/lcool (taxa de compresso 12:1)

Ciclo 2 tempos, Ciclo Otto Utilizados principalmente em motocicletas; Motores mais simples, com 70-90% de potncia a mais que um motor 4 tempos de mesma cilindrada; So mais poluentes por causa da queima de leo lubrificante que misturado ao combustvel no crter durante a pr-compresso; Terminologia de Motores Para descrever o desempenho de motores alternativos a pisto usa-se como parmetro a presso mdia efetiva (pme); PME a presso constante terica que, se atuasse no pisto durante o curso de potncia, produziria o mesmo trabalho lquido que o realmente produzido em um ciclo; PME = (trabalho lquido p/ um ciclo)/(vol. de deslocamento) Para 2 motores que apresentam o mesmo volume de deslocamento, o de maior PME produziria maior trabalho lquido e, para os motores funcionando na mesma velocidade, maior potncia; Um estudo detalhado do desempenho de um motor de combusto interna alternativo levaria em conta muitos aspectos; Devido a esta complexidade, a modelagem precisa desses motores normalmente envolve uma simulao computacional;

Motores de Combusto Interna Uma simplificao considervel necessria para conduzir anlises termodinmicas elementares de M.C .I.; Um procedimento consiste em empregar uma anlise de ar-padro c/ os seguintes elementos: (1) uma quantidade fixa de ar modelado como gs ideal o fluido de trabalho; (2) o processo de combusto substitudo por uma transferncia de calor de uma fonte externa; (3) no existem os processos de admisso e descarga como no motor real; (4) todos os processos so internamente reversveis; Alm disso, para uma anlise de ar-padro frio, os calores especficos so considerados constantes nos seus valores para temperatura ambiente; Com a anlise de ar-padro evitamos lidar com a complexidade do processo de combusto e com a mudana de composio durante a combusto; Devido a todas essas simplificaes, a anlise de ar-padro permite que os M.C.I. sejam examinados apenas qualitativamente; Ainda assim, noes sobre o desempenho real podem ser obtidos.

Ciclo de Ar-Padro Otto Trata-se de um ciclo ideal que considera a adio de calor ocorrendo instantaneamente enquanto o pisto encontra-se no ponto morto superior; Uma vez que o ciclo ar-padro Otto composto de processos internamente reversveis, as reas nos diagramas T-s e p-v podem ser interpretados como calor e trabalho, respectivamente.

Anlise do ciclo O ciclo consiste de 2 processos nos quais h trabalho, mas no h transferncia de calor (processos 1-2 e 3-4) e em 2 processos nos quais h transferncia de calor, mas no h trabalho (processos 2-3 e 4-1).


Figura : Diagramas p-v e T-s do ciclo de ar-padro Otto. Simplificando o balano de energia do sistema fechado atravs da considerao de que as variaes de energia cintica e potencial podem ser ignoradas, temos: W12/m=u2-u1, Q23/m=u3-u1, W34/m=u3-u4 Q41/m=u4-u1 ou

O trabalho lquido do ciclo expresso por: Wciclo/m = W34/m-W12/m = (u3-u4)-(u2-u1) Wciclo/m = Q23/m-Q41/m = (u3-u2)-(u4-u1) A eficincia trmica a razo entre o trabalho lquido do ciclo e o calor adicionado: = [(u3-u2)-(u4-u1)]/(u3-u2) = 1 - [(u4-u1) / (u3-u2)] Usando dados da tabela de ar, os valores das energias internas especficas podem ser obtidos da tabela A-22 ou A-22E. Para os processos isentrpicos 1-2 e 3-4, temos: vr2=vr1(V2/V1) = vr1/r vr4=vr3(V4/V3) = r vr3 como V 3 = V2 e V4 = V 1 => r = (V1 / V2) = (V4 / V3) O parmetro vr tabelado versus a temperatura p/ o ar nas tabelas A-22 onde, r = taxa de compresso

Motores de Combusto Interna para a anlise do ciclo ar-padro frio, podem ser utilizadas as expresses seguintes para os processos isentrpicos: T2 / T1=(V1 / V2)K-1 = rK-1 T4 / T3 =(V3 / V4)K-1 = 1 / rK-1 Efeito da taxa de compresso no Desempenho No diagrama, pode-se concluir que a eficincia trmica do ciclo Otto aumenta de acordo com o aumento da taxa de compresso; Aumentando a taxa de compresso, o ciclo muda de 1-2-3-4-1 para 1-2-3-4-1, com aumento da temperatura mdia de calor fornecido no ltimo ciclo, logo, com maior eficincia trmica; Para a taxa de compresso em uma base de ar-padro frio, considerando Cy=cte. : = 1 - [Cy (T4 - T1)/ Cy (T3 - T2)] = 1 - (T1/T2)[(T4 / T1)-1/(T3 / T2)-1] = 1 - T1 / T2 j que : ou ainda, = 1-( 1/rK-1 ), K=cte. A eficincia trmica do ciclo ar-padro frio Otto apenas uma funo da taxa de compresso. T4 / T1 = T3 / T2 K=constante

Figura : Eficincia trmica de um ciclo ar-padro frio Otto, com k =1,4.

Motores de Combusto InternaCiclo Diesel 1 fase: compresso adiabtica 2 fase: compresso isobrica (P=cte) 3 fase: expanso adiabtica 4 fase: baixa de presso Este ciclo aplica-se a motores lentos; Dificilmente realizvel em motores de regime elevado: carros leves e veculos industriais; Engenheiros o substituram por um motor de ciclo misto: Diesel + Otto; T = 1 - (QL/ QH) = 1 - [Cy (TD-TA)]/[CP (TC - TB)] = 1 - [TA(TD/TA-1)]/[kTB(TC/TB-1)] A razo de compresso isentrpica > razo de expanso isentrpica; Caractersticas principais: motor aspira e comprime apenas ar um sistema de injeo dosa, distribui e pulveriza o combustvel em direo dos cilindros, que inflama-se ao entrar em contato com o ar fortemente aquecido pela compresso.

Ciclo 2 tempos, ciclo Diesel no trabalha com pr-compresso no crter carregamento forado: compressor volumtrico ou ventoinha, sistema de lubrificao semelhante aos motores de 4 tempos;


Figura : Esquema de funcionamento de motor Diesel de 2 tempos. Ciclo Misto: Aplica-se aos motores Diesel modernos No ciclo misto terico o enchimento e o escapamento efetuam-se presso atmosfricaAB compresso adiabtica BC combusto isovolumtrica (isocrica) CD expanso isobrica DE expanso adiabtica EA queda rpida na presso

Ar-Padro Diesel

Figura : Diagramas p-v e T-s do ciclo de ar-padro Diesel.

Motores de Combusto Interna Observando os diagramas anteriores 1-2: compresso isentrpica: o calor no transferido ao fluido de trabalho a volume constante; 2-3: constitui a 1 parte do ciclo de potncia; 3-4: expanso isentrpica; 4-1: rejeio do calor do ar quando o pisto no P.M.I. No diagrama T- s 2-3-a-b-2: calor fornecido por unidade de massa 1-4-a-b-1: calor rejeitado por unidade de massa

No diagrama p-v:

1-2-a-b-1: trabalho fornecido por unidade de massa durante o processo 2-3-4-b-a-2: trabalho executado por unidade de massa conforme o pisto se move do P.M.S. para o P.M.I.

A rea de cada figura o trabalho lquido obtido, que igual ao calor lquido absorvido; Anlise do Ciclo: O processo 2-3 envolve tanto trabalho quanto calor:W23/m =

p.dV = p (V 22

3

3

-V2)

Q23 -W23 = m(u3 -u2)

Substituindo uma equao na outra: Q23/m = (u3 - u2) + p(V3 - V2) = (u3 + pV3) - (u2 - pV2) Q23/m = h3 - h2 O calor rejeitado dado por: Q41/m = u4 - u1 A eficincia trmica a razo entre o trabalho lquido do ciclo e o calor adicionado: = (Wciclo/m)/(Q23/m) = 1 - [(Q41/m)/(Q23/m)] = 1 - [(u4 - u1)/(h3 - h2)]

Motores de Combusto Interna Para uma temperatura T1 e taxa de compresso r, a temperatura no estado 2 dada por: vr2 = (V2/ V1). vr1 = (1/ r). vr1 Para encontrar T3, usa-se a equao de estado de gs ideal, considerando p2=p3: T3 = (V3 / V2). T2 = rC T2 onde: rC = V3 / V2 = razo de corte

Como V4 = V1, a razo volumtrica para o processo isentrpico 3-4 pode ser expressa como: V4 / V3 = (V4 / V2).(V2 / V3) = (V1 / V2).(V2 / V3) = r/ rC onde r = taxa de compresso Usando vr3 e T3, a temperatura T4 pode ser achada por interpolao, uma vez que vr4 seja determinado da relao isentrpica: vr4 = (V4/ V3). vr3 = (r/rc). vr3 Para a anlise de ar-padro frio: T2 / T1=(V1 / V2)K-1 = rK-1 T4 / T3=(V3 / V4)K-1 = (rc/r) K-1 Efeito da taxa de compresso: A eficincia trmica do ciclo Diesel aumenta com o aumento da taxa de compresso: O grfico a seguir exibe uma comparao entre as eficincias trmicas para os ciclos Diesel e Otto. K = constante.

Figura : Eficincia trmica do ciclo de ar-padro frio Diesel, comparada ao ciclo Otto, k = 1,4.

Motores de Combusto InternaCiclo Ar-Padro Dual Diagramas p-v de MCI reais no so bem descritos pelos ciclos Otto e Diesel; Um ciclo que pode representar melhor as variaes de presso o ciclo ar-padro dual; Processo 1 2: compresso isentrpica, como nos ciclos Otto e Diesel Processo 2 3: adio de calor a volume constante; Processo 3 4: adio de calor a presso constante adio de calor primeira parte do ciclo de potncia Processo 4 5: expanso isentrpica Processo 5 1: rejeio de calor a volume constante, como nos ciclos Otto e Diesel

Figura : Diagramas p-v e T-s do ciclo de ar-padro dual. Anlise do ciclo Como composto pelo menos de processos que nos ciclos Otto e Diesel, pode-se escrever as expresses apropriadas para trabalho e transferncia de calor com base nos desenvolvimentos anteriores Logo no processo 1 2 no h transferncia de calor e o trabalho : W12/m = u2 - u1 Para o processo 2 3, equivalente ao ciclo Otto, onde no h trabalho, mas somente adio de calor a volume constante: Q23/m = h3 - h2

Motores de Combusto Interna No trecho com adio de calor presso constante, ou seja, com trabalho e adio de calor, como acontece no ciclo Diesel: W34/m = p(v4 - v3) e Q34/m = u4 - u3 Durante o processo 4-5, de expanso isentrpica, no h transferncia alguma de calor e o trabalho : W45/m = u4 - u5 Finalmente, no processo 5-1 de rejeio de calor a volume constante, que envolve transferncia de calor, mas nenhum trabalho: Q51 = u5 - u1 A eficincia trmica a razo entre o trabalho lquido do ciclo e o calor total adicionado: = (Wciclo/m)/[(Q23/m)+(Q34/m)] = 1 - [(Q51/m)/(Q23/m + Q34/m)] = 1 - (u5 - u1)/[(u3-u2) + (h4-h3)]

motores de combustao interna

Documents