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ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE TECNOLOGIA MARÍTIMA Capítulo IV – Instalações de Motores Diesel ENIDH – 2013/2014 ENIDH – 2013/2014.

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1 ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE TECNOLOGIA MARÍTIMA Capítulo IV – Instalações de Motores Diesel ENIDH – 2013/2014 ENIDH – 2013/2014

2 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 2 Motores Diesel  Sumário  Máquinas alternativas de combustão interna  Componentes principais  Parâmetros e definições  Motores a 4 e 2 tempos (gasolina, diesel)  Alimentação de combustível  Regulação de velocidade  Circuitos auxiliares

3 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 3 Motores Diesel  Máquinas alternativas de combustão interna  Motores de explosão (2 e 4 tempos)  Motores Diesel (2 e 4 tempos)  Motores marítimos: por razões de segurança e de economia, hoje em dia apenas se utilizam motores diesel a dois e quatro tempos  Estes motores permitem satisfazer as necessidades de produção de energia dos navios mercantes

4 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 4 Motores Diesel  Máquinas alternativas de combustão interna  A utilização dos motores de explosão (ou a gasolina) a bordo dos navios, é restringida por questões de segurança  A Convenção para a Salvaguarda da Vida Humana no Mar – SOLAS (Safety of Life at Sea) impede a utilização de combustíveis com pontos de inflamação (flash point) inferiores a 65ºC (caso da gasolina)

5 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 5 Motores Diesel  Retrospectiva histórica  Rudolf Diesel Patente (1893)

6 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 6 Motores Diesel  Primeiro motor Diesel (1897) 1 cilindro, 4 tempos Arrefecido a água Injecção de combustível por ar comprimido Potência: 14.7 kW (20 HP) Veloc. Rotação: 172 rpm Cilindrada: 19.6 litros Diâmetro êmbolo: 250 mm Curso: 400 mm Rendimento: 26.8%

7 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 7 Motores Diesel  Aplicação de motores diesel na marinha mercante de longo curso  O navio mercante dinamarquês de longo curso Selandia de 6,700 dwt, foi o primeiro a utilizar propulsão através de motores Diesel  Foi construído em 1911 nos estaleiros da Burmeister & Wain em Copenhaga  A propulsão era assegurada por dois motores Diesel a 4 tempos de 1250 hp cada

8 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 8 Motores Diesel  Primeiro navio mercante de longo curso com propulsão a diesel (Selandia, 1911)

9 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 9 Motores Diesel  Motor diesel do navio Selandia (1911) Potência: 1250 hp Velocidade de rotação: 140 rpm Construtor: Burmeister & Wain

10 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 10 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 10 Motores Diesel  Instalação propulsora a motor diesel  Actualmente, nos navios de carga de grande porte em que são requeridas elevadas potências, utiliza-se geralmente o sistema de propulsão directa através de motores diesel lentos a dois tempos, com regimes de funcionamento de 70 a 200 rpm  Em geral, estes motores aumentam a sua velocidade de rotação à medida que as potências diminuem

11 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 11 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 11 Turbinas a vapor e gás  Instalação propulsora a motor Diesel Características técnicas da instalação propulsora diesel de um navio- tanque VLCC

12 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 12 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 12 Motores Diesel  Instalação propulsora a motor diesel  Nos navios de média dimensão e também nos navios de pesca, devido aos seus próprios condicionalismos (espaço disponível na casa da máquina), a propulsão efectua-se normalmente através de motores diesel a 4 tempos de média velocidade  Estes motores operam geralmente entre 200 e 600 rpm

13 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 13 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 13 Motores Diesel  Instalação propulsora a motor diesel Características técnicas da instalação propulsora diesel de um ferry

14 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 14 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 14 Motores Diesel  Instalação propulsora a motor diesel  As embarcações do tipo “HIDROFOIL” e “HOVERCRAFT”, que são navios ligeiros de alta velocidade, utilizam em geral motores diesel rápidos a 4 tempos (mais de 600 rpm) para a propulsão  Estes motores são também utilizados em funções auxiliares nos navios mercantes para a produção de energia eléctrica (grupos diesel-geradores)

15 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 15 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 15 Motores Diesel  Instalação propulsora a motor diesel Características técnicas da instalação propulsora diesel de um “hidrofoil”

16 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 16 Motores Diesel Motor diesel marítimo a 2 tempos (baixa rotação)

17 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 17 Motores Diesel Motor de combustão interna de explosão rotativo (Wankel)  Motor de combustão interna rotativo

18 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 18 Motores Diesel  Componentes principais de um motor  BASE (BEDPLATE)

19 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 19 Motores Diesel  ESTRUTURA (ENGINE FRAME) Motor a 4 tempos – cilindros em V

20 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 20 Motores Diesel  Componentes principais Elementos de um motor diesel a 2 tempos: - Estrutura - Coluna - Bloco de cilindros

21 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 21 Motores Diesel  CAMISAS (LINERS)

22 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 22 Motores Diesel  Bloco de camisas do motor (cylinder jackets)

23 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 23 Motores Diesel  VEIO DE MANIVELAS (CRANKSHAFT) Volante Virador Moente da manivela Moente de apoio

24 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 24 Motores Diesel  Componentes principais  VOLANTE (FLYWHEEL)  Disco com elevado momento de inércia utilizado para armazenar energia de rotação  Permite que o veio de manivelas mantenha uma velocidade angular constante, quando lhe é aplicado um binário flutuante (caso dos motores alternativos de combustão interna)

25 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 25 Motores Diesel  Componentes principais  VOLANTE (FLYWHEEL)  O volante serve também para absorver vibrações e manter estável (ou seja evitar oscilações) a marcha do motor em funcionamento lento  Em certos motores (rápidos), podem utilizar-se dois volantes de modo a diminui o seu tamanho

26 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 26 Motores Diesel  Componentes principais  VOLANTE (FLYWHEEL)

27 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 27 Motores Diesel  ÊMBOLOS (PISTONS)

28 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 28 Motores Diesel  ÊMBOLOS (PISTONS)

29 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 29 Motores Diesel  Componentes principais  TIRANTE (CONNECTING ROD)

30 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 30 Motores Diesel  Componentes principais  TIRANTE, HASTE E CRUZETA (CONNECTING ROD, PISTON ROD AND CROSSHEAD)

31 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 31 Motores Diesel  Componentes principais CRUZETA TIRANTE

32 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 32 Motores Diesel  Componentes principais  VÁLVULAS (VALVES)

33 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 33 Motores Diesel  Componentes principais  CABEÇA DO MOTOR (ENGINE HEAD)

34 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 34 Motores Diesel  Veio de ressaltos (CAMSHAFT)  Nos motores a 4 tempos, o veio de ressaltos roda com um velocidade de rotação que é metade da do veio de manivelas  Nos motores a 2 tempos, o veio de ressaltos roda com a mesma velocidade de rotação do veio de manivelas

35 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 35 Motores Diesel  Distribuição (accion. das válvulas) O veio de ressaltos acciona as válvulas através de tacos de impulso e balanceiros Accionamento do veio de ressaltos através de corrente

36 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 36 Motores Diesel  Distribuição (accion. das válvulas) Accionamento do veio de ressaltos através de rodas dentadas (timing gears)

37 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 37 Motores Diesel  Abertura das válvulas Accionamento directo das válvulas através de dois veios de ressaltos - motores rápidos a 4 tempos (DOHC – Double Over Head Cam)

38 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 38 Motores Diesel  Abertura das válvulas (Mot. 4 tempos)  É efectuada através do veio de ressaltos  A recuperação (fecho) e efectuada através de molas

39 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 39 Motores Diesel  Accionamento hidráulico das válvulas Válvula de evacuação com abertura por acção hidráulica e recuperação (fecho) por ar comprimido (motor diesel marítimo lento a 2 tempos)

40 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 40 Motores Diesel  Motor diesel marítimo a dois tempos Motor a 2 tempos com accionamento hidráulico das válvulas de evacuação (MAN-B&W)

41 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 41 Motores Diesel  Parâmetros e definições  DIÂMETRO (D) - Refere ‑ se ao diâmetro interior do cilindro  PONTOS MORTOS (PM) - São as posições extremas que o êmbolo pode ocupar durante o seu movimento no interior do cilindro  É nessas posições que inverte o sentido do seu movimento rectilíneo e consequentemente a sua velocidade se anula

42 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 42 Motores Diesel  Parâmetros e definições  PONTO MORTO SUPERIOR (PMS) - É a posição mais próxima da cabeça do cilindro, que o êmbolo pode ocupar, durante o seu movimento  PONTO MORTO INFERIOR (PMI) - É a posição mais afastada da cabeça do cilindro, que o êmbolo pode ocupar, durante o seu movimento

43 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 43 Motores Diesel  Parâmetros e definições

44 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 44 Motores Diesel  Parâmetros e definições  CURSO OU PASSEIO (L) - É a distância percorrida pelo êmbolo quando se desloca de um ponto para o outro  Dado que cada deslocamento do êmbolo de um ponto morto para o outro implica meia rotação do veio de manivelas, é óbvio que o curso é igual ao dobro do raio da manivela, ou seja:  L = 2.r em que r representa o raio da manivela

45 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 45 Motores Diesel  Parâmetros e definições  CÂMARA DE COMPRESSÃO OU CÂMARA DE COMBUSTÃO (Vc) - É o volume compreendido entre a cabeça do cilindro e a cabeça do êmbolo, quando este se encontra no PMS  A distância entre o topo superior do êmbolo e a superfície interna da cabeça é designada por “liberdade do êmbolo”

46 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 46 Motores Diesel  Parâmetros e definições  VOLUME DESLOCADO PELO ÊMBOLO - É o volume deslocado, varrido ou gerado pelo êmbolo quando se desloca do PMS para o PMI  Este parâmetro (Vd), pode ainda ter as seguintes designações:  volume varrido pelo êmbolo  volume gerado pelo êmbolo  cilindrada unitária  embolada

47 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 47 Motores Diesel  Parâmetros e definições  VOLUME DESLOCADO PELO ÊMBOLO (Vd) - O seu valor é obtido através da seguinte expressão:

48 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 48 Motores Diesel  Parâmetros e definições  CILINDRADA TOTAL (Vt) - É o volume correspondente ao produto do número de cilindros do motor pela cilindrada unitária, ou seja: Vt = Vd. i em que i é o número total de cilindros  VOLUME TOTAL DO CILINDRO (Va) - É o volume do cilindro correspondente à soma do volume da câmara de combustão com o volume deslocado pelo êmbolo (Va = Vc + Vd)

49 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 49 Motores Diesel  Parâmetros e definições  RELAÇÃO DE COMPRESSÃO OU RELAÇÃO VOLUMÉTRICA – É a relação entre o volume total do cilindro e o volume de câmara de combustão, ou seja:

50 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 50 Motores Diesel  Parâmetros e definições  Deve notar-se que quanto maior for a relação de compressão ou relação volumétrica de um motor, maior será o seu rendimento  Fluido operante, fluido motor ou fluido de trabalho – Mistura ar/combustível que evolui no interior dos cilindros do motor

51 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 51 Motores Diesel  Parâmetros e definições  CICLO DE FUNCIONAMENTO – Define ‑ se como sendo a série de transformações químicas e físicas a que o fluido motor é submetido quando da sua passagem através do motor, as quais se repetem segundo uma lei periódica  DIAGRAMAS – São representações gráficas apropriadas que nos permitem exprimir através de uma curva, as variações de uma grandeza em função de uma outra (Ex: P em função de V)

52 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 52 Motores Diesel  Parâmetros e definições  DIAGRAMAS - É possível representar as variações de pressão de um fluido gasoso contido num cilindro, em função do seu volume  Quando o ar é comprimido através de um êmbolo, a pressão e a temperatura aumentam em simultâneo à medida que se processa a diminuição do volume

53 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 53 Motores Diesel  Parâmetros e definições  Evolução de um fluido no interior do cilindro

54 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 54 Motores Diesel  Classificação das máquinas de combustão interna  Motor de explosão (Otto) - A mistura ar- combustível é admitida no motor que a comprime  A mistura inflama-se devido à acção de um arco eléctrico (faísca produzida por uma vela)

55 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 55 Motores Diesel  Classificação das máquinas de combustão interna  Motor diesel - o ar é comprimido no cilindro e apenas quando o êmbolo se encontra perto do PMS (ponto morto superior) é que o combustível é injectado no seio do ar comprimido  A temperatura a que o ar se encontra é responsável pela inflamação expontânea da mistura ar-combustível

56 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 56 Motores Diesel  Classificação das máquinas de combustão interna  A relação de compressão de um motor de explosão é de 6:1 a 12:1, enquanto que num motor diesel a relação vai de 14:1 até 25:1 (valores indicativos)  Em geral, pode dizer-se que quanto maior for a relação de compressão do motor diesel, maior será a sua eficiência

57 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 57 Motores Diesel  Ciclo a volume constante  Nos motores de explosão mais antigos, a entrada da mistura ar/combustível é efectuada no colector de admissão através de um dispositivo designado por carburador, no qual é efectuada a mistura  Actualmente, utiliza-se um sistema que injecta o combustível no colector de admissão (injecção indirecta) ou directamente no interior do cilindro (injecção directa)

58 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 58 Motores Diesel  Ciclo a volume constante  O seu ciclo de funcionamento baseia-se num ciclo teórico segundo o qual a combustão realiza-se instantaneamente  Deste modo, verifica ‑ se um aumento brusco de pressão da massa gasosa contida no cilindro sem variação de volume  Este ciclo teórico foi inventado em 1862 por Beau de Rochas e experimentado pela primeira vez em 1878 por Nikolaus Otto

59 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 59 Motores Diesel  Ciclo a volume constante  O diagrama a seguir indicado representa o ciclo termodinâmico e não um ciclo mecânico  Permite a sua análise e a determinação do resultado de certos efeitos sem ter que entrar nos detalhes e na complexidade inerente a um motor real  O desenvolvimento do ciclo termodinâ- mico pressupõe que sejam assumidas determinadas simplificações

60 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 60 Motores Diesel  Simplificações na análise dos ciclos  O fluido de trabalho é o ar e que possui massa constante  Isto significa que o ar nunca abandona o cilindro, nele permanecendo durante todo o ciclo  Considera-se que, em lugar de existir a combustão de um combustível, verifica- se um processo de adição de calor e que em vez de haver um processo de evacuação, o calor é rejeitado do cilindro

61 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 61 Motores Diesel  Ciclo a volume constante (ciclo Otto)

62 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 62 Motores Diesel  Ciclo a pressão constante (Diesel)  O seu ciclo de funcionamento baseia-se num ciclo teórico, segundo o qual, a combustão se efectua gradualmente, mantendo ‑ se constante a pressão  São por vezes designadas por “Máquinas de Combustão Gradual ou de Combustão Lenta”

63 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 63 Motores Diesel  Diagrama do ciclo teórico a pressão constante (Diesel)

64 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 64 Motores Diesel  Diagrama do ciclo teórico a pressão constante (diesel)  A área a tracejado, limitada pelas linhas correspondentes às transformações corresponde ao trabalho útil produzido  Para cada rotação do veio de manivelas, dá-se um ciclo completo  A determinação do trabalho útil (W), é importante para o conhecimento do comportamento do ciclo

65 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 65 Motores Diesel  Pressão média efectiva (pme / mep) A área a tracejado, limitada pelas linhas correspondentes às transformações, corresponde ao trabalho útil (W) produzido pelo ciclo

66 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 66 Motores Diesel  Pressão média efectiva (pme)  A área rectangular possui um compri- mento igual a Vd = V1 – V2, e uma altura igual à pressão média efectiva (pme). O trabalho W é igual em ambas as formas representadas  Da análise do gráfico, conclui-se que:

67 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 67 Motores Diesel  Pressão média efectiva  A pressão média ou mep (mean effective pressure), é um parâmetro muito importante para caracterizar o desempenho de motores  Permite comparar o desempenho de dois motores com cilindradas diferentes  A pme tem vindo a aumentar, devido nomeadamente à introdução da sobrealimentação nos motores

68 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 68 Motores Diesel  Pressão média efectiva  No caso dos motores diesel, os valores mais usuais são os seguintes:  Motor diesel a 4 tempos (atmosférico) : 8 a 10 bar  Motor diesel a 4 tempos (sobrealimentado) : 20 a 23 bar  Motor diesel a 2 tempos (sobrealimentado): 18 a 22 bar

69 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 69 Motores Diesel  Ciclo teórico misto  Tendo em conta as simplificações assumidas anteriormente, o diagrama P- V de um motor não corresponde exactamente ao diagrama anteriormente analisado, devido fundamentalmente à “adição” de calor (injecção) antes e após o PMS.  A adição de calor ocorre tanto a volume constante como a pressão constante

70 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 70 Motores Diesel  Diagrama do ciclo teórico misto Adição de calor a volume constante (2-3) e pressão constante (3-4)

71 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 71 Motores Diesel  Ciclo real Comparação entre o ciclo teórico misto (a tracejado) e real (a vermelho) de um motor Diesel

72 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 72 Motores Diesel  Classificação quanto ao número de cilindros  Monocilíndricos ou policilíndricos  O número de cilindros que equipam os motores é função de:  Dimensões dos locais onde são instalados;  Custo comparativo para a mesma potência;  Facilidade de acesso aos diferentes órgãos para efeitos de reparação, manutenção, etc;  Assistência em mão-de-obra especializada e sobressalentes.

73 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 73 Motores Diesel  Classificação quanto à arquitectura do motor  Motor com cilindros em linha

74 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 74 Motores Diesel  Outras arquitecturas de motores  Motores em V e de cilindros opostos

75 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 75 Motores Diesel  Velocidade de funcionamento  Máquinas lentas ou de baixa rotação (até 250 rpm)  Máquinas de média rotação (250 a 800 rpm)  Máquinas de alta rotação (800 a 1500 rpm)  Máquinas de altíssima rotação (mais de 1500 rpm)

76 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 76 Motores Diesel  Classificação quanto ao combustível utilizado pelo motor  Motores a gasolina e a petróleo  Motores a gás  Motores a óleos pesados  Motores “dual-fuel”  Motores “bi-fuel”  Motores “multi-fuel” (Ex: tri-fuel)

77 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 77 Motores Diesel  Classificação quanto à relação de compressão do motor  Motores de baixa compressão – são os motores de explosão em que a relação de compressão varia normalmente entre 6 e 10 podendo no entanto em casos especiais como é o caso dos motores destinados à competição atingir valores mais elevados (Ex: 14)  Motores de alta compressão – são os motores diesel nos quais a relação de compressão varia entre 14 e 25

78 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 78 Motores Diesel  Funcionamento do motor a 4 tempos  O ciclo a quatro tempos (4 T) é um ciclo mecânico em que se verificam duas rotações completas do veio de manivelas por cada ciclo de trabalho  Numa rotação verifica-se a admissão e a compressão, enquanto na outra se verificam as fases de expansão (trabalho) e de evacuação

79 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 79 Motores Diesel  Funcionamento do motor a 4 tempos  O ciclo completo de um motor de explosão a quatro tempos, compreende:  Admissão da mistura ar+combustível  Compressão da mistura  Ignição do combustível, imediatamente seguida da sua combustão e consequente expansão dos gases queimados  Evacuação dos gases da combustão

80 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 80 Motores Diesel  Funcionamento do motor a 4 tempos  O ciclo completo de um motor diesel a quatro tempos, compreende:  Admissão do ar  Compressão do ar  Injecção do combustível, imediatamen- te seguida da sua combustão e consequente expansão dos gases queimados  Evacuação dos gases da combustão

81 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 81 Motores Diesel  Funcionamento do motor a 4 tempos (explosão) 1 – Admissão 2 - Compressão 3 – Expansão 4 - Evacuação

82 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 82 Motores Diesel  Funcionamento do motor a 4 T- diesel

83 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 83 Motores Diesel  Diagrama de funcionamento do motor a 4 tempos Período de cruzamento de válvulas: válv. de admissão e evacuação abertas em simultâneo (melhora a remoção dos gases da combustão)

84 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 84 Motores Diesel  Funcionamento do motor a 2 tempos (Diesel)  Este ciclo de funcionamento completa- se em apenas uma volta completa do veio de manivelas, ou seja, em dois cursos do êmbolo  Os motores a 2 tempos realizam, portanto, as mesmas fases dos motores que funcionam a quatro tempos, em apenas uma volta completa do veio de manivelas

85 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 85 Motores Diesel  Funcionamento do motor a 2 tempos (Diesel)  Nestes motores, não existe uma separação nítida entre os cursos de admissão e evacuação  Assim, é necessário utilizar outros métodos para remover os gases queimados e encher os cilindros com ar fresco

86 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 86 Motores Diesel  Funcionamento do motor a 2 tempos (Diesel)  O ar utilizado para a limpeza dos gases e enchimento dos cilindros é designado por ar de lavagem  É geralmente, fornecido por uma bomba ou compressor accionados mecanicamente através do próprio motor ou através da energia cinética dos gases de evacuação (sobrealimentador)

87 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 87 Motores Diesel  Funcionamento do motor Diesel a 2 tempos (janelas de admissão/evac.)

88 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 88 Motores Diesel  Funcionamento do motor Diesel a 2 tempos (com válvula de evacuação)

89 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 89 Motores Diesel  Funcionamento do motor a 2 tempos

90 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 90 Motores Diesel  Ciclo do motor diesel a dois tempos Válvula de evacuação e janelas de admissão abertas em simultâneo (Lavagem do cilindro)

91 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 91 Motores Diesel  Lavagem dos cilindros nos motores diesel a dois tempos  Nos motores diesel marítimos antigos a 2 tempos, utilizava-se o sistema de lavagem transversal e em laço através de janelas existentes nas camisas  Actualmente apenas se fabricam motores diesel marítimos a dois tempos com sistema de lavagem longitudinal (utilizam válvulas de evacuação)

92 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 92 Motores Diesel  Lavagem dos cilindros nos motores diesel a dois tempos  Lavagem longitudinal - Este tipo de lavagem também designada lavagem equicorrente, unifluxo e unidireccional é o único que se utiliza nos modernos motores diesel marítimos a dois tempos (motores com elevada relação L/D), por ser aquele que permite atingir um melhor desempenho

93 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 93 Motores Diesel  Lavagem dos cilindros nos motores diesel A sobrealimentação permite aumentar a eficiência da lavagem dos cilindros – melhora o rendimento

94 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 94 Motores Diesel  Características do motor a 2 tempos  Nas instalações de grande dimensão, os motores de dois tempos possuem uma potência cerca de 1,8 vezes superior aos motores de quatro tempos de peso idêntico.  Nos motores mais pequenos (ex: motores de camiões) esta diferença diminui e a potência efectiva para motores de dimensões semelhantes é sensivelmente idêntica nos motores de dois e quatro tempos

95 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 95 Motores Diesel  Características do motor a 2 tempos  As baixas velocidades de rotação – abaixo de 100 rpm – dos grandes motores diesel utilizados na propulsão marítima, têm as seguintes principais vantagens:  Permitem a utilização eficiente de combustíveis pesados (HFO - Heavy Fuel Oil) com a consequente redução de custos

96 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 96 Motores Diesel  Características do motor a 2 tempos  Podem ser acoplados directamente ao veio do hélice, eliminando a necessidade de utilização de caixas redutoras  Evitam-se assim elevadas rotações do hélice, que teriam baixa eficiência devido ao fenómeno da cavitação  Possuem uma arquitectura mais simples, dado que não utilizam válvulas de admissão o que reduz a possibilidade de ocorrência de avarias

97 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 97 Motores Diesel  Motores atmosféricos ou de aspiração natural  São motores nos quais o ar é introduzido nos cilindros apenas devido à depressão provocada pelo deslocamento dos êmbolos no interior daqueles (motores a 4 tempos)  Motores nos quais o ar é introduzido devido à acção desenvolvida pelas bombas de ar de lavagem (motores a 2 tempos)

98 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 98 Motores Diesel  Motores atmosféricos ou de aspiração natural  A designação de motores atmosféricos pode induzir em erro, uma vez que nos motores a 4 tempos, a pressão do ar que entra nos cilindros é inferior à pressão atmosférica  Isto deve-se ao facto de os êmbolos ao aspirarem o ar provocarem uma depressão no colector de aspiração

99 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 99 Motores Diesel  Motores sobrealimentados (supercharged engines)  Nos motores sobrealimentados, o peso do ar introduzido nos cilindros por cada ciclo de funcionamento é superior ao que seria introduzido se o motor fosse de aspiração natural  Esta característica permite aumentar a potência específica do motor, devido ao facto de poder queimar-se mais combustível por ciclo

100 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 100 Motores Diesel  Motores sobrealimentados  Estes motores dispõem para o efeito de sobrealimentadores (também designados por turbocompressores)  Estes aspiram o ar do exterior e em seguida comprimem-no para um colector ligado aos cilindros por forma a ser introduzido no seu interior, na altura oportuna, a uma pressão superior à que se verificaria no caso da aspiração atmosférica

101 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 101 Motores Diesel  Motores sobrealimentados  Os gases de evacuação do motor são canalizados para o sobrealimentador, actuando sobre a roda da turbina, onde a sua energia cinética é convertida em movimento de rotação da turbina.  A turbina encontra-se montada num veio a que também se encontra ligada a roda do compressor de ar

102 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 102 Motores Diesel  Motores sobrealimentados  O compressor aspira o ar do exterior e comprime-o para a admissão do motor  Para aumentar a massa específica do ar de admissão, utilza-se geralmente um refrigerador de ar (Intercooler)  Este permutador é colocado entre a saída do compressor e o colector de admissão do motor  Utiliza-se com fluido de arrefecimento o ar ou a água

103 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 103 Motores Diesel  Motor Diesel sobrealimentado

104 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 104 Motores Diesel  Aspecto típico de um sobrealimentador Compressor Turbina de gases

105 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 105 Motores Diesel  Esquema de motor sobrealimentado Colector de evacuação Refrigerador de ar de lavagem Colector de ar de lavagem Sobrealimentador

106 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 106 Motores Diesel  Sobrealimentador de um motor Diesel marítimo a dois tempos

107 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 107 Motores Diesel  Sobrealimentador auxiliar eléctrico Utiliza-se quando o motor estiver a funcionar a baixa rotação (Ex: em manobras)

108 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 108 Motores Diesel  Motor atmosférico vs sobrealimentado  A sobrealimentação permite aumentar a potência, o binário e reduzir o consumo específico de combustível (sfc – g/kWh)  No caso dos motores a dois tempos, o aumento de potência pode ser da ordem dos 35 a 50%  Nos motores a quatro tempos essa potência pode aumentar até valores superiores a 100% relativamente aos motores de aspiração natural

109 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 109 Motores Diesel  Curvas características de um motor Diesel (binário, potência e consumo específico de combustível - sfc)

110 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 110 Motores Diesel  Motor atmosférico vs sobrealimentado Curvas características de motores diesel (de aspiração natural versus sobrealimentado)

111 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 111 Motores Diesel  Relação ar/combustível  Conforme já vimos anteriormente, uma mistura rica produz, em geral, um consumo demasiado elevado de combustível e a formação de CO (monóxido de carbono) ou de fuligem  Nos motores de explosão, o valor de λ situa-se normalmente entre 0,9 e 1,1  Nos motores Diesel, o valor de λ situa-se sempre acima de 1, ou seja estes motores trabalham sempre com excesso de ar (λ > 1)

112 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 112 Motores Diesel  Excesso de ar nos motores diesel  Teoricamente, os motores diesel podem funcionar com uma relação de λ próxima de 1 (relação estequiométrica)  Na prática, para limitar a emissão de gases poluentes de modo a que fiquem dentro dos parâmetros estabelecidos pelas normas de emissões, funcionam com elevado excesso de ar ou seja com um valor de λ de 1,5 a 2 (em plena carga)

113 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 113 Motores Diesel  Alimentação de combustível  Tanto em motores diesel, como em motores de explosão de injecção directa de combustível nos cilindros, a mistura ar/combustível é efectuada no interior dos próprios cilindros  Para o efeito, utilizam-se válvulas injectoras de combustível, geralmente designadas por injectores

114 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 114 Motores Diesel  Alimentação de combustível (motor diesel)

115 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 115 Motores Diesel  Alimentação de combustível (motor Diesel)  Os sistemas de injecção podem ser de diversos tipos  O sistema mais utilizado, representado na figura anterior, possui uma bomba injectora por cada cilindro  As bombas podem ser constituídas por corpos individuais separados ou serem instaladas num único bloco

116 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 116 Motores Diesel  Alimentação de combustível (motor Diesel)  Uma bomba injectora funciona da seguinte forma: 1.Recebe movimento a partir do veio de ressaltos do motor 2.Comprime o combustível a alta pressão para os injectores instalados em cada cilindro

117 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 117 Motores Diesel  Bomba injectora tipo BOSCH  Esta bomba é constituída por um junço (êmbolo), que trabalha no interior de uma camisa  O combustível, após ter sido admitido na bomba através de orifícios laterais existentes na camisa, é comprimido pelo junço, saindo pela abertura superior da camisa

118 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 118 Motores Diesel  Bomba injectora tipo BOSCH  A variação do débito da bomba é conseguida através da rotação do junço, mantendo-se constante o seu curso.  A rotação é efectuada por uma régua ou cremalheira que actua sobre o extremo inferior do junço  A cremalheira é accionada pelo regulador de velocidade do motor

119 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 119 Motores Diesel  Bomba injectora do tipo BOSCH

120 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 120 Motores Diesel  Bomba do tipo BOSCH – modo de funcionamento (I)

121 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 121 Motores Diesel  Bomba BOSCH – funcionamento (II)

122 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 122 Motores Diesel  Bomba BOSCH – resumo acerca do modo de funcionamento

123 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 123 Motores Diesel  Injectores de combustível  O combustível a alta pressão proveniente da bomba é enviado para a válvula de injecção que o pulveriza no interior do cilindro  Devido às elevadas temperaturas que se verificam na zona da cabeça do cilindro, as válvulas de injecção são providas de canais onde circula um fluido de arrefecimento (água ou combustível).

124 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 124 Motores Diesel  Injectores de combustível Uma falha no circuito de arrefecimento pode dar origem à prisão da agulha (obturador) da válvula de injecção, com a consequente entrada descontrolada de combustível no cilindro

125 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 125 Motores Diesel  Injecção através de rampa comum (common-rail)  Este sistema possui uma bomba de alta pressão que mantém uma pressão sensivelmente constante num colector (rampa) onde se encontram ligados os encanamentos de combustível para cada injector (válvula de injecção)  A injecção é efectuada através de válvulas electromagnéticas controladas por computador

126 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 126 Motores Diesel  Injecção directa “common-rail “ de motor diesel marítimo (Wartsila)

127 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 127 Motores Diesel  Sistema “common-rail” - diagrama de controlo da injecção A injecção de combustível é calculada pelo computador em função da carga e da velocidade de rotação do motor

128 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 128 Motores Diesel  Videos sobre motores diesel marítimos a 2 tempos com sistema “common-rail”  MAN-B&W  U&feature=related U&feature=related  Wartsila/Sulzer  wp8&feature=related wp8&feature=related

129 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 129 Motores Diesel  Tabela comparativa entre motores diesel

130 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 130 Motores Diesel  Regulação de velocidade  Nos motores de explosão, a velocidade de rotação controla-se através da regulação do caudal de ar que entra nos cilindros (através de uma borboleta montada no colector de admissão)  Nos motores diesel esse dispositivo não existe, pelo que é necessário utilizar um sistema de regulação de velocidade, dado que, para uma variação de carga, o motor poderia aumentar a velocidade de rotação até se destruir

131 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 131 Motores Diesel  Regulação de velocidade  De modo a manter constante a velocidade de rotação quando se varia a carga, os motores diesel são equipados com sistemas automáticos de regulação de velocidade  Estes reguladores podem ser de diversos tipos (mecânicos, hidráulicos, e electrónicos) e de maior ou menor complexidade

132 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 132 Motores Diesel  Regulador mecânico clássico Regulador de massas (Watt, século XVIII)

133 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 133 Motores Diesel  Regulador mecânico de motor marítimo Regulador mecânico de velocidade de motor diesel marítimo (Woodward)

134 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 134 Motores Diesel  Regulação electrónica de velocidade e carga de um motor diesel marítimo

135 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 135 Motores Diesel  Sistemas de refrigeração  Motores refrigerados por ar – São, normalmente, motores que desenvolvem pequenas potências excepto nos casos da aviação em que podem atingir potências elevadas. Têm uma grande aplicação na aeronáutica sendo igualmente utilizados para equipar veículos automóveis  Motores refrigerados por água – Salvo em casos especiais, a partir de determinadas potências, todos os motores são refrigerados por água

136 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 136 Motores Diesel  Sistemas de refrigeração  De um modo geral, os motores diesel marítimos, podem utilizar água doce tratada como fluido de refrigeração  Em alternativa à utilização de água doce normal, pode utilizar-se água destilada  São adicionados produtos químicos especialmente adequados para minimizar os efeitos corrosivos sobre os circuitos e sobre o próprio motor

137 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 137 Motores Diesel  Sistemas de refrigeração Arrefecimento do êmbolo através de óleo que circula no interior do tirante

138 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 138 Motores Diesel  Sistemas de lubrificação  Sistemas de lubrificação geral por óleo circulante: motores de 4 tempos para lubrificação geral dos seus órgãos, incluindo os cilindros  Sistemas de lubrificação parcial por óleo circulante: motores de 2 tempos com cruzeta, para lubrificação geral dos seus órgãos, excluindo os cilindros  Sistemas independentes de lubrificação dos cilindros: motores de 2 tempos com cruzeta, para lubrificação dos cilindros

139 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 139 Motores Diesel  Lubrificação Circuito típico de lubrificação (motores a 4 tempos)

140 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 140 Motores Diesel  Sistema de lubrificação das camisas Sistema mecânico de lubrificação das camisas e êmbolos – “copos automáticos”

141 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 141 Motores Diesel  Sistema de lubrificação Circuito típico de lubrificação (motores a 2 tempos)

142 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 142 Motores Diesel  Sistema de arranque  Os motores marítimos principais e auxiliares arrancam através de ar comprimido  Exceptuam-se os geradores de emergência que arrancam normalmente através de baterias  Outros motores existentes a bordo de pequena dimensão (motores das baleeiras, bomba de incêndio de emergência, arrancam manualmente.

143 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 143 Motores Diesel  Sistema de ar de arranque  A função do sistema de ar de arranque é introduzir de uma forma sequencial similar à ordem de inflamação do motor, em cada um dos seus cilindros  Utilizam uma válvula auxiliar de ar de arranque, para introduzir a quantidade necessária de ar comprimido a cerca de 30 bar, de modo a obter o impulso que possibilite o arranque do motor

144 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 144 Motores Diesel  Sistema de ar de arranque  Para comandar a abertura das válvulas de ar de arranque instaladas nas cabeças do motor, existe um dispositivo designado por distribuidor de ar de arranque  Este dispositivo quando receber ar da garrafa de ar comprimido, vai canalizar o ar para o cilindro que possibilite o movimento do veio de manivelas (cilindro no PMS)

145 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 145 Motores Diesel  Sistema de ar de arranque (mecânico)

146 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 146 Motores Diesel  Válvula de ar de arranque (MAN)

147 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 147 Motores Diesel  Sistema de inversão de marcha  Nos navios que possuem hélice de passo variável, as pás do hélice podem ser orientadas de modo a possibilitar a marcha a ré do navio, sem necessidade de inverter a rotação da máquina principal  Nos navios que possuem hélice de passo fixo, para o navio poder navegar à ré, a máquina principal tem de parar a marcha a vante e inverter o sentido de rotação

148 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 148 Motores Diesel  Sistema de inversão de marcha  Neste caso, os motores diesel têm obrigatoriamente que efectuar a inversão do sentido de rotação  Esta inversão é efectuada alterando a distribuição do motor  O processo mais comum, consiste em deslocar longitudinalmente o veio de ressaltos

149 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 149 Motores Diesel  Sistema de inversão de marcha  Um sistema hidráulico ou pneumático, actua no extremo do veio fazendo com que este se desloque longitudinalmente  Os ressaltos são ligados entre si por uma espécie de rampa para permitir que os roletes dos impulsores possam deslizar quando o veio de ressaltos se desloca longitudinalmente

150 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 150 Motores Diesel  Sistema de inversão de marcha


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