MÁQUINAS TÉRMICAS história características componentes, funcionamento

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1 MÁQUINAS TÉRMICAS história características componentes, funcionamento
MOTORES ALTERNATIVOS, DE COMBUSTÃO INTERNA Aulas 17-18 história características componentes, funcionamento sistemas de injeção de combustível motor turbinado motor Wankel áreas tecnológicas em desenvolvimento Esta aula faz uma introdução ao tema de motores alternativos, de combustão interna. Constitui num “overview” do tema, depois, nas aulas sucessivas, serão aprofundados os aspectos gerais apresentados nesta. É feito um breve histórico do seu desenvolvimento, a partir das primeiras tentativas no século XVIII, até chegar à formulação dos motores tal como são hoje, apresentando o ciclo Otto, o Diesel e os motores de dois tempos e quatro tempos. A través de uma tabela é feita uma classificação dos tipos de motores, desde os de menor porte, para uma cortadeira de grama, por exemplo, até os estacionários de grande porte, para geração de energia elétrica. São mostradas as principais componentes do motor, é explicado o funcionamento dos dois tipos principais de motores: de ignição por centelha e de ignição por compressão, de dois tempos e de quatro tempos. São também mostrados desenvolvimentos mais recentes como o desenho de câmaras de combustão mais eficientes, motores turbinados e o motor Wankel. Finalmente são apresentadas as áreas tecnológicas em desenvolvimento. O objetivo destas aulas é o de dar uma visão geral das características, componentes e funcionamento dos motores de combustão interna. Inicia-se com uma revisão do desenvolvimento histórico da tecnologia, que permite ao mesmo tempo ir introduzindo noções básicas de aspectos importantes de projeto. É mostrada uma classificação dos motores, segundo sua aplicação, sendo também mencionadas as características mais importantes, assim como o princípio de funcionamento dos motores de 4 e 2 tempos, os motores de ignição por centelha (ciclo Otto) e Diesel. É feita uma rápida menção do motor tipo Wankel, de cilindro rotativo. São reportadas também as áreas em desenvolvimento. Prof. Silvia Azucena Nebra

2 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA - Perspectiva Histórica
Lenoir ( ) desenvolveu o primeiro motor a pistão que foi comercializado. Uma característica singular deste motor é que a combustão acontecia dos dois lados do pistão. O controle de entrada e saída dos gases acontecia por meio de válvulas de admissão e exaustão. O princípio de funcionamento deste motor era o seguinte: gás e ar eram introduzidos no pistão durante a primeira metade do deslocamento do mesmo. A carga era então queimada mediante uma faísca, a pressão aumentava e então os gases queimados empurravam o pistão até o fim do curso do mesmo. Na segunda batida do pistão, os gases de exaustão eram expelidos, enquanto uma nova combustão acontecia do outro lado do pistão. O ciclo era completado com uma segunda batida do pistão, de exaustão destes motores foram construídos entre 1860 e 1865, com uma potência de até 6 HP. O melhor valor obtido da eficiência foi em torno de 5%. Foi em 1860 que os motores de combustão interna vieram a ser uma realidade prática. Os primeiros motores comerciais utilizavam misturas de gás de carvão e ar na câmara de combustão, a pressão atmosférica, não havia compressão antes da combustão. Um engenheiro francês, Lenoir ( ), desenvolveu o primeiro motor deste tipo. Em razão da própria combustão, a pressão era aumentada, e os gases quentes impulsionavam um pistão, na corrida de retorno do pistão produzia-se a exaustão, funcionava a menos de 10 revoluções por minuto. Foram construídos 500 motores deste tipo entre os anos de 1860 a 1865, com uma potência de até 6 HP. A melhor eficiência obtida era de 5%. LENOIR, J.J. E. - primeira tentativa - sem compressão prévia da mistura ar + combustível, uns 5000 motores foram fabricados entre , até 6 HP, máxima eficiência 5%

3 1867 - NICOLAUS OTTO e EUGEN LANGEN Alemanha
com compressão da mistura, uns foram fabricados , máxima eficiência11%. Um motor melhor sucedido foi desenvolvido por Nicolaus A Otto ( ) e Eugen Langen ( ), na Alemanha. Foi apresentado na Exposição Industrial de Paris, em 1867. O conceito deste motor era o de “pistão livre”, sendo este pistão impulsionado pela explosão dos gases no cilindro, o pistão estava ligado a um volante através de uma cremalheira e uma engrenagem. No retorno do pistão era produzido trabalho mecânico. O movimento do volante produzia por sua vez a apertura e fechamento de uma válvula de admissão e de ignição. Também neste caso não havia compressão dos gases antes da combustão. Uns motores deste tipo foram construídos, e dominaram o mercado até a introdução do motor Otto de quatro tempos. A eficiência era de 11%.

4 1862 - ALPHONSE BEAU DE ROCHAS, patente francesa
de um motor de quatro tempos NICOLAUS OTTO motor de quatro tempos, reduz 1/3 o peso do motor e 1/16 o curso do pistão, a eficiência aumenta para 14% . As características básicas deste motor são as mesmas dos motores de hoje. Nestes primeiros tipos de motor não havia uma uma compressão prévia da carga de combustível +ar, embora diversos pesquisadores viessem colocando a vantagem de introduzir esta etapa no processo (Lebon, Francês, em 1799; Barnett, inglês, em 1838; Schmidt, alemão, em 1861). Na França, em 1862, Beau de Rochas ( ), listou as condições sob as quais, um melhor desempenho do motor poderia ser obtido: - Menor relação superfície/volume para o cilindro do pistão (cilindro com um diâmetro da mesma ordem de grandeza que seu comprimento) - Processo de expansão o mais rápido possível - Máxima expansão possível - Máxima pressão possível no começo do processo de expansão dos gases dentro do cilindro. As duas primeiras condições visavam reduzir as perdas de calor a uma mínimo, conservando a exergia nos gases de combustão. A terceira e quarta visavam obter o máximo de potência possível. Beau de Rochas também indicou o método de operação desejável num motor de combustão interna: 1.- Admissão durante o deslocamento do pistão “para fora” . 2.- Compressão durante o movimento do pistão “para dentro”. 3.- Ignição da carga de combustível + ar no ponto morto superior do pistão, seguida por expansão durante o deslocamento seguinte do pistão, para fora. 4.- Exaustão durante a corrida seguinte do pistão, para dentro. Este processo é o que é utilizado até hoje. Beau de Rochas patenteou o principio do motor de 4 tempos, em 1862, mas não o desenvolveu comercialmente. Em 1876, o alemão Nicolas Otto, construiu um motor de quatro cilindros, que funcionava com os princípios estabelecidos por Beau de Rochas em Este motor era bem mais leve e compacto que o anterior, fabricado por Otto e Langen, tinha também uma eficiência maior, 14%. Em 1890 tinham sido construídos uns motores deste tipo na Europa e os Estados Unidos.

5 1880 - DUGALD CLERK e JAMES ROBSON (ingleses)
KARL BENZ (alemão), desenvolvem o motor de dois tempos RUDOLF DIESEL - data da patente, motor de ignição por compressão demora 5 anos para desenvolver um protótipo comercial Em 1880, vários engenheiros, (Dugald Clerk, e James Robson, , na Inglaterra e Karl Benz, , na Alemanha) desenvolveram com sucesso o motor de dois tempos, que tinha a vantagem de produzir potência em cada corrida do pistão. Os motores de dois tempos, menores e mais simples, são indicados para pequenas potências. Embora, este tipo de motor também é utilizado em máquinas de grande porte. Em 1885, James Atkinson, na Inglaterra, construiu um motor com uma corrida do pistão menor para os processos de admissão e compressão e maior para os de expansão e exaustão. Isto levava a uma eficiência maior, mas o motor era mecanicamente mais frágil. Na década foram feitos avanços nos sistemas de ignição e de carburação. A razão de compressão dos motores não podia ser muito elevada à época, em razão da qualidade dos combustíveis, para uma relação de pressões maior que 4, aconteciam detonações no processo de combustão. No final da década estavam disponíveis os primeiros motores a gasolina para automóveis. Na década de forma construídos grandes motores de 6 cilindros, de 1,3 m de diâmetro, que utilizavam gás de alto forno como combustível, tinham 600 hp e 90 rev/min. Na Inglaterra foram feitas restrições à utilização de gás de baixo poder calorífico, pelo que começou a ser utilizado querosene. Em 1892, o engenheiro alemão Rudolf Diesel ( ) registrou a patente do motor que leva seu nome até hoje. A característica fundamental deste motor é que o combustível é injetado dentro da câmara de combustão, que já contem o ar aquecido e pressurizado, a combustão da mistura se produz por compressão (combustão espontânea, devido às condições combinadas de pressão e temperatura) e não por uma centelha como no caso do motor de ciclo Otto. Para que a combustão aconteça são necessárias pressões mais altas que no motor Otto. Levaram 5 anos para conseguir o desenvolvimento de um protótipo comercial. Felix Wankel desenvolveu o motor de pistão rotativo, que funcionou com sucesso pela primeira vez em Mais adiante é descrito o princípio de funcionamento deste motor. WANKEL, FELIX - primeiro teste bem sucedido do motor rotativo

6 Componentes do motor Motor FIAT Cabeçote do motor : válvulas, velas,
Balancim (controla a apertura das válvulas), dutos de admisão e escapamento câmaras de explosão Componentes do motor Motor FIAT Correia de transmissão Bloco do motor: cilindros, êmbolos, bielas dutos para água de resfriamento, dutos para o sistema de lubrificação A figura mostra um motor alternativo, de quatro cilindros, em corte. De fabricação FIAT. Possui um sistema de ignição por velas. Os cilindros estão contidos no bloco do motor. O bloco é tradicionalmente feito em ferro fundido, devido a sua resistência e baixo custo. As passagens para água de resfriamento se encontram também no bloco. O carter, na base, contém a árvore de manivelas, que assenta nos apoios (mancais). Os êmbolos dos cilindros estão ligados à arvore por meio das bielas. O cabeçote do motor contém as válvulas de admissão e exaustão, o mecanismo para abri-las e as molas para fechá-las, assim como os condutos de admissão e escapamento, e normalmente, também as câmaras de combustão. O controle de apertura e fechamento das válvulas é feito através de um balancim. Este balancim, por sua vez é controlado pela árvore de comando de válvulas. A árvore de comando de válvulas têm seu movimento sincronizado com a árvore de manivelas através de uma correia que une as duas. Conjunto de árvores de manivelas, os pistões estão ligados à árvore por meio das bielas, a árvore está apoiada na base do bloco do motor

7 Dependendo do enfoque, os motores podem ser classificados segundo suas características. A tabela anexa mostra uma classificação segundo a sua aplicação. Mas outros critérios podem ser utilizados: Projeto básico: motores alternativos (com diferentes arranjos dos cilindros: em linha, em V, radiais, opostos), motores de cilindro rotativo (tipo Wankel). Ciclo de funcionamento: de 4 tempos: naturalmente aspirado (admissão: ar a pressão atmosférica); supercarregados (admissão: mistura ar+ combustível previamente comprimida); turbo carregados ( admissão: mistura ar+combustível comprimida num compressor movido por uma turbina, por sua vez movida pelos gases de exaustão do próprio motor). De 2 tempos: pode também ser supercarregado ou turbo carregado. Combustível: gasolina, óleo Diesel, gás natural, gás liquefeito de petróleo, metanol, etanol, hidrogênio, duais (pode trabalhar com dois combustíveis). Método de preparação da mistura ar+combustível: carburação, injeção de combustível na janela ou no duto de admissão, ou diretamente nos cilindros do motor. Métodos de ignição: ignição por centelha, (em motores convencionais, onde a mistura ar+combustível é uniforme ou em motores “de carga estratificada”, onde a mistura não é uniforme), ignição por compressão (motores Diesel convencionais, e também em motores a gás, quando utiliza a injeção piloto de outro combustível). Projeto da câmara de combustão: câmara aberta (tipos diversos: hemisférica, triangular ou em cunha, em “banheira”, “bowl-in-piston” ou seja a parte superior da cabeça do pistão têm a forma de uma concavidade, etc.), câmara dividida (pequenas e grandes câmaras auxiliares, de tipos diversos, de “swirl”, tais que produzem um movimento rotacional da carga, pré-câmaras, etc.) Método de controle da carga: estrangulamento do fluxo de ar e combustível conjuntamente, de modo que a composição da mistura não muda, controle do fluxo de combustível somente, ou uma combinação de ambos. Método de resfriamento: resfriamento por água, por ar, ou resfriamento somente por convecção e radiação naturais. Dentre estas características, o método de ignição é um aspecto fundamental para definir o projeto de um motor, assim como o ciclo de operação, de 4 tempos ou 2 tempos e o tipo de resfriamento. A partir dali segue a definição de outras, pela ordem: características do combustível a ser utilizado, método de preparação da mistura ar+combustível, projeto da câmara de combustão, método de controle da carga, detalhes do processo de combustão, emissões.

8 Carburador princípio de funcionamento
Nos motores de ignição por centelha o ar e o combustível são misturados antes de entrar no cilindro, a mistura é feita no sistema de injeção. O sistema de injeção também controla que a relação combustível/ar seja mantida num nível adequado ao tipo de motor. O tipo mais antigo de sistema de injeção é o constituído pelo carburador (ainda em uso nos carros antigos em circulação). Neste, o ar entra a través de um Venturi, na garganta do Venturi acontece uma diminuição da pressão que “chupa” o combustível da cuba do carburador, o próprio movimento do ar pulveriza o combustível e o transporta. A vazão da corrente de ar é por sua vez controlada pela borboleta, acionada pelo acelerador. Quando a borboleta se encontra pouco aberta, o sistema de admissão praticamente não consegue funcionar, é necessário um outro sistema, chamado “de marcha lenta” , o combustível passa a ser admitido pela parte inferior, já que com a borboleta quase fechada, se produz vácuo nesta região.

9 Sistema de Injeção eletrônica de combustível - Bosch
Sistemas eletrônicos de injeção de combustível foram definitivamente incorporados a todo tipo de veículo na década passada. O da figura é os sistema da Bosch, denominado L-Jetronic. A válvula de injeção de combustível se encontra no tubo de admissão, antes da válvula de admissão no cilindro, depois da entrada de ar. No sistema da figura podem ser observadas as variáveis que são medidas e cujo sinal é levado ao sistema de controle: pressão, fluxo de ar, temperaturas, este sistema por sua vez envia o sinal que controla a apertura da válvula de admissão de combustível. O sistema de injeção trabalha em consonância com o sistema de ignição dos cilindros, também monitorado eletronicamente.

10 Sistema de injeção (Bosch) Motor Diesel
Válvulas que controlam a liberação de combustível O sistema de injeção Diesel consiste numa bomba de injeção, tubulações e bicos injetores de combustível. Um tipo de sistema é o apresentado na figura. A bomba de combustível o envia ao sistema de válvulas, passando antes por um filtro. Este sistema possui uma válvula para cada cilindro. A entrada de combustível é controlada por uma mola, as válvulas operam por diferença de pressão.

11 No misturador é efetuada a mistura do combustível com o ar.
Sistema de alimentação de gás da Rodagás O sistema mostrado na figura é o da Rodagás Equipamentos Automotivos a G.L.P. Ltda, e as informações que seguem foram tiradas do site da empresa: . O sistema consiste num tanque provido de uma válvula que garante sua segurança, de uma válvula de abastecimento, de um redutor, um atuador e um misturador. Este sistema é vendido com um módulo eletrônico de controle. O cilindro é fabricado segundo as normas ISSO-4705, NBR – DOT 3AA, o gás nele transportado têm uma pressão de 200 bar. Este cilindro é provido de uma válvula de segurança e uma caixa estanque. O redutor tem a importante função de reduzir (e estabilizar) a pressão do gás de 200 bares para 1 bar. Suporta uma vazão máxima de 30 Nm3/h. No misturador é efetuada a mistura do combustível com o ar. O atuador, controlado por um sistema eletrônico, monitora a mistura ar/combustível.

12 Princípio de funcionamento do motor Diesel
. Esta figura, quando em movimento, mostra o princípio de funcionamento de um motor Diesel , (colocar em modo “apresentação de slides”). A “alma” de um motor são os seus cilindros+ sistema viela-manivela. O movimento do pistão dentro do cilindro determina o funcionamento do motor. Quando o pistão sobe, ele não alcança o topo do cilindro, senão que deixa um espaço, este espaço virá a constituir a câmara de combustão (câmara aberta). O volume varrido pelo pistão no seu movimento é denominado “cilindrada”. A maior parte dos motores alternativos têm um ciclo de 4 tempos, que implica em duas idas e voltas do pistão, e duas voltas do sistema viela-manivela, para completar o ciclo termodinâmico. Tanto os motores de ignição por centelha quanto os Diesel tem um ciclo de 4 tempos, constituído pelos processos: 1.- admissão: o pistão se movimenta do topo à base, permitindo a entrada de ar, a válvula de admissão abre-se um pouco antes do pistão iniciar seu movimento e fecha-se justo antes de terminar. 2.- compressão: o pistão se movimenta da base ao topo, comprimindo a mistura fresca ou somente o ar. 3 – Injeção do combustível. 4 – Ignição do combustível. 5 .- Expansão motora: os gases de combustão se expandem, realizando trabalho sobre o pistão, que se movimenta do topo à base. As válvulas de admissão e escape estão fechadas. 6.- Escape: o pistão retorna ao topo, abre-se a válvula de exaustão, os gases de combustão saem, seja diretamente ao sistema de escapamento, ou passando previamente por uma turbina de acionamento do sistema de supercarregamento.

13 Motor de 4 tempos com injeção de combustível no cilindro:
ciclo de funcionamento A “alma” de um motor são os seus cilindros+ sistema viela-manivela. O movimento do pistão dentro do cilindro determina o funcionamento do motor. Quando o pistão sobe, ele não alcança o topo do cilindro, senão que deixa um espaço, este espaço virá a constituir a câmara de combustão (câmara aberta). O volume varrido pelo pistão no seu movimento é denominado “cilindrada”. A maior parte dos motores alternativos têm um ciclo de 4 tempos, que implica em duas idas e voltas do pistão, e duas voltas do sistema viela-manivela, para completar o ciclo termodinâmico. Tanto os motores de ignição por centelha quanto os Diesel tem um ciclo de 4 tempos, constituído pelos processos: 1.- admissão: o pistão se movimenta do topo à base, permitindo a entrada de uma mistura “fresca” de ar+ combustível , ou somente ar, a válvula de admissão abre-se um pouco antes do pistão iniciar seu movimento e fecha-se justo antes de terminar. 2.- compressão: o pistão se movimenta da base ao topo, comprimindo a mistura fresca ou somente o ar. - Combustão: nos motores em que o combustível é injetado diretamente no cilindro (motores Diesel), a injeção de combustível acontece neste ponto. No caso de motores de ignição por centelha, a ignição acontece também quase no final da compressão. Em qualquer caso, a combustão inicia-se no final do processo de compressão. 3.- Expansão motora: os gases de combustão se expandem, realizando trabalho sobre o pistão, que se movimenta do topo à base. As válvulas de admissão e escape estão fechadas. 4.- Escape: o pistão retorna ao topo, abre-se a válvula de exaustão, os gases de combustão saem, seja diretamente ao sistema de escapamento, ou passando previamente por uma turbina de acionamento do sistema de supercarregamento. 2 1 3 4 Injeção do combustível Admissão Compressão Expansão Escape

14 A “alma” de um motor são os seus cilindros+ sistema viela-manivela
A “alma” de um motor são os seus cilindros+ sistema viela-manivela. O movimento do pistão dentro do cilindro determina o funcionamento do motor. Quando o pistão sobe, ele não alcança o topo do cilindro, senão que deixa um espaço, este espaço virá a constituir a câmara de combustão (câmara aberta). O volume varrido pelo pistão no seu movimento é denominado “cilindrada”. A maior parte dos motores alternativos têm um ciclo de 4 tempos, que implica em duas idas e voltas do pistão, e duas voltas do sistema viela-manivela, para completar o ciclo termodinâmico. Tanto os motores de ignição por centelha quanto os Diesel tem um ciclo de 4 tempos, constituído pelos processos: 1.- admissão: o pistão se movimenta do topo à base, permitindo a entrada de uma mistura “fresca” de ar+ combustível , ou somente ar, a válvula de admissão abre-se um pouco antes do pistão iniciar seu movimento e fecha-se justo antes de terminar. 2.- compressão: o pistão se movimenta da base ao topo, comprimindo a mistura fresca ou somente o ar. - Combustão: nos motores em que o combustível é injetado diretamente no cilindro (motores Diesel), a injeção de combustível acontece neste ponto. No caso de motores de ignição por centelha, a ignição acontece também quase no final da compressão. Em qualquer caso, a combustão inicia-se no final do processo de compressão. 3.- Expansão motora: os gases de combustão se expandem, realizando trabalho sobre o pistão, que se movimenta do topo à base. As válvulas de admissão e escape estão fechadas. 4.- Escape: o pistão retorna ao topo, abre-se a válvula de exaustão, os gases de combustão saem, seja diretamente ao sistema de escapamento, ou passando previamente por uma turbina de acionamento do sistema de supercarregamento.

15 Neste desenho pode ser apreciado o mecanismo básico de acionamento de um motor, o cilindro, onde acontece a queima do combustível, acionado pela própria queima realiza um movimento vertical. Através de um braço está ligado ao virabrequim. O virabrequim tem a importante função de transformar o movimento vertical num movimento rotativo.

16 Acionamento das válvulas
Nesta figura, quando em movimento, pode ser apreciado como é efetuado o acionamento das válvulas do motor. Acionamento ligado ao virabrequim. (Colocar em modo “apresentação de slides)

17 Motor de 2 tempos , ciclo de funcionamento
aspirado, sem válvulas de aspiração e escape, de ignição por centelha No motor de 2 tempos, o ciclo completo é cumprido com apenas dois deslocamentos do pistão, um do topo para a base e outro em sentido contrário. No motor da figura observamos que a admissão e exaustão é feita por “janelas”, que são abertas devido ao deslocamento do próprio pistão. Começando pela primeira figura da esquerda, pode observar-se que a combustão acabou de acontecer, tendo iniciado o período de expansão dos gases, com o deslocamento do pistão em direção à base, ao mesmo tempo, pela janela inferior esquerda está sendo admitida a mistura fresca de ar+combustível, na câmara inferior. Na segunda figura pode ver-se que quando o pistão está perto da base, libera a janela da esquerda, acima, para a exaustão dos gases. Na terceira figura pode observar-se que quando o pistão chega na base, libera a janela da direita, C, para entrada da mistura fresca no pistão. Na quarta figura o pistão está retornando ao topo. Logo depois que a janela C for fechada, estando o pistão perto do topo, atuará a ignição, acendendo a mistura e produzindo a combustão. Observe-se que neste tipo de motor, a admissão da mistura “fresca” coincide com o final da exaustão, devido a isto acontece uma mistura da mistura fresca com os gases de combustão, o que diminui o desempenho dele. Um porém deste motor é que o combustível passa pelo sistema viela – manivela. 2 1 Aspiração e Compressão Combustão e Escape

18 Desde os anos 20, tem sido feitos esforços no sentido de desenvolver motores híbridos que combinassem as melhores características dos motores de ignição por centelha (ciclo Otto) e os Diesel. O objetivo maior era operar numa razão de compressão alta, que garante maior eficiência (na faixa de 12 a 15). As propostas incluíam: - injeção do combustível diretamente na câmara de combustão, no final do processo de compressão (Isto não dá para fazer com gás natural) - ignição do combustível no momento em que ele mistura com o ar, através de uma válvula de ignição. - controle do nível de potência do motor através do controle da quantidade de combustível injetado (mantendo as entradas de ar abertas) Motores mais eficientes no seu projeto facilitam também a adaptação para funcionar com múltiplos combustíveis. Um inconveniente dos combustíveis gasosos é que ocupam muito espaço no cilindro na admissão, por este motivo é que normalmente um motor adatado apresenta um torque menor. Mas o gás natural é um bom combustível, de alta octanagem, pelo que estão sendo desenvolvidas pesquisas para o desenvolvimento de motores próprios para gás. Os motores Diesel convertidos para gás natural precisam continuar queimando óleo Diesel numa proporção de no mínimo 15 a 20 %.

19 motor de carga estratificada de injeção direta
Câmara de combustão : motor de carga estratificada de injeção direta Os motores que trabalham com as premissas antes mencionadas são chamados de carga estratificada. As câmaras de combustão destes motores (parte superior do pistão) têm um projeto apropriado, na forma de um ou dois lóbulos que produzem correntes recirculantes, para facilitar a mistura do ar e do combustível.

20 Q Supercarregamento mecânico motor Motor turbinado Q motor
Gases de escape compressor resfriador Supercarregamento mecânico motor Na admissão ar por injeção Gases de escape Combustível compressor turbina Motor turbinado Está se tornando cada vez mais “popular” a utilização de motores com supercarregamento, na figura são apresentados os dois tipos de dispositivos utilizados a este fim. O carregamento consiste basicamente na compressão prévia do ar antes de ser introduzido no motor. Com este recurso, se aumenta a “carga” (ar+combustível) do motor em cada golpe de pistão, por conseqüência aumenta-se sua potência, porém, sem mudança das dimensões dos cilindros, ou do número deles. Nas figuras são mostradas as duas possibilidades básicas de efetuar a compressão do ar no motor. O supercarregamento consiste num compressor acionado pelo próprio motor. No segundo sistema, o compressor é acionado por uma turbina. A turbina por sua vez é acionada pelos gases de escape do próprio motor. Neste segundo caso pode ter-se um sistema mais complexo, sendo que a compressão pode acontecer em dois estágios, a turbina também pode incluir dois estágios, os dois com resfriamento intermediário, além de um resfriamento depois do compressor. No dois casos é conveniente resfriar o ar que sai do compressor, devido a que este se aquece na compressão e conseqüentemente sua densidade cai, com o que perderia eficiência para atingir o objetivo perseguido. No primeiro caso, o sistema de exaustão do motor é convencional, com os gases saindo a uma pressão levemente superior (aproximadamente 10%) à pressão atmosférica. No segundo caso os gases devem sair do motor num nível de pressão mais alto para ainda dar conta de movimentar a turbina. Nos dois casos o motor passa a trabalhar a temperaturas mais altas, já que tendo admitido maior carga no cilindro, depois da combustão, a mistura de gases queimados atingirá uma temperatura maior. É possível ter também sistemas combinando os dois anteriores, incluindo duas etapas de compressão, uma acionada pelo motor e outra por uma turbina. Com resfriamento intermediário no compressor. Q resfriador ar Combustível motor

21 Esta imagem foi tirada de uma apresentação cedida pela empresa Volkswagen. A apresentação foi feita numa “Semana da Engenharia Mecânica” na Fac. De Eng. Mecânica, UNICAMP, em 31/10/2000. Denominada (por eles) SAE00.1 Na imagem é mostrado o sistema de compressor desenvolvido para o carro GOL 1.0. À direita, acima, se observa o medidor de massa de ar, por onde passa o ar ao entrar ao sistema. Este medidor está ligado ao sistema de controle de admissão de combustível. Depois de passa pelo medidor o ar passa pelo turbocompressor, onde pode ter sua pressão aumentada em até 140 %. Dalí passa pelo resfriador (intercooler), têm sua temperatura medida pelo sensor de temperatura, passa pela borboleta, que controla o fluxo de ar, entra no motor, onde recebe a injeção de combustível, para finalmente entrar no cilindro pela válvula de admissão. Depois que acontece a compressão e ignição, os gases saem, na exaustão, passando na sua saída pelo “outro lado” (turbina) do turbocompressor, saíndo depois para a atmosfera. Na saída dos gases podemos observar dois equipamentos: antes do turbo, a válvula de waste gate, que é uma válvula que permite jogar diretamente para a atmosfera parte dos gases de exaustão, e depois do turbo, tem-se o sensor de oxigênio, que controla as condições em que está acontecendo a queima no motor.

22 Válvula de recirculação
Sensor HFM Corpo de Borboleta Válvula controle do turbo Filtro de ar Sensor de fase Válvula de recirculação Bobinas Comando variável Este desenho, tirado da mesma fonte do slide anterior, dá uma idéia espacial de cada parte do sistema turbocompressor. A vantagem deste sistema é que entrando o ar comprimido e esfriado no cilindro, pode ser admitido mais ar no mesmo. Com o mesmo tamanho de cilindro pode ter-se um motor mais potente. O motor passa a trabalhar a mais alta pressão dentro do cilindro. A exaustão também acontece a uma pressão mais alta para ter energia suficiente para “motorizar” a turbina. Esta imagem foi tirada de uma apresentação cedida pela empresa Volkswagen. A apresentação foi feita numa “Semana da Engenharia Mecânica” na Fac. De Eng. Mecânica, UNICAMP, em 31/10/2000. Denominada (por eles) SAE00.1 Turbo Intercooler

23 Motor turbinado 1 - entrada ar 2 - compressor 3 - interresfriador
4 - carburador 5 - manifold 6 - válvula de entrada 7 - válvula de saída 8 - manifold 9 - turbina 10 - saída dos gases 11 - sistema de controle da saída dos gases 12 - regulador de pressão Este desenho é uma outra versão da mesma idéia apresentada nos slides anteriores. A figura acima ilustra o funcionamento de um tipo de sistema de motor turbinado. O fluxo de ar entra em (1) e passa através do compressor (2) , pelo interresfriador (3) e pelo carburador , ou sistema de injeção, (4), entra no cabeçote do motor (5) e é admitido no cilindro através da válvula (6). Depois do ciclo no cilindro, saem os gases produto da combustão pela válvula (7), passam pelo tubo (8) e entram na turbina (9), acionando ela. Finalmente saem pelo tubo de saída (10), controlados pelo sistema (11), por sua vez controlado pelo regulador de pressão (12).

24 Motor Wankel , de pistão rotativo
Este motor possui duas partes rotativas: o rotor de forma triangular (que faz as vezes de um pistão) e o eixo do mesmo, com o excêntrico. Os diferentes processos dos motores a pistão são produzidos neste nos espaços delimitados entre o rotor e as paredes da câmara de forma epitrocoidal, que o contêm. Estes “espaços” devem ser muito bem vedados, para que os processos aconteçam com os gases dentro deles, durante a rotação do rotor, sem “fugas” de um espaço a outro. Observando a primeira figura à esquerda (em baixo), vê-se que está sendo realizada a admissão no “espaço” dentro dela. O motor continuou seu giro.... Na segunda figura, vê-se que está acontecendo a compressão da mistura fresca, que agora foi levada ao espaço seguinte, no final da compressão acontece a ignição, na quarta figura aparece a expansão, no espaço à esquerda, agora, e finalmente a exaustão quando a “janela” é aberta para esse espaço, pelo próprio deslocamento do pistão. Observar que paralelamente o processo vá acontecendo também nos outros espaços. Este tipo de motor está sendo fabricado pela MAZDA, fábrica japonesa.

25 Motor Wankel Felix Wankel nasceu em Alemanha, na região de Swabia (onde também nasceram Otto, Daimler e Benz), em 1902. Terminou sua educação formal (high school) aos 19 anos. Concebeu a idéia do motor rotativo em Fez solicitação de várias patentes, mas a mais importante foi feita em 1933, relativa a seu motor rotativo, em 1936 recebeu a patente. Wankel foi prisionero dos nazis por um curto período, e depois da II guerra, dos franceses. No intermédio trabalhou no desenvolvimento de bombas rotativas e outras máquinas. Finalmente em 1957 conseguiu construir um motor, o que rodou em julho de 1958, produzindo 21hp. Em 1969 é nomeado Honorary Doctorate from Technische Universität München. Recebeu depois várias outras honrarias em Alemanha e em USA. Morreu em outubro de 1988. Seu motor é atualmente fabricado pela MAZDA, empresa japonesa, que o incluiu num novo modelo apresentado em 2000.

26 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA : áreas em desenvolvimento
- controle de poluição Caminhões A partir dos anos 40 inicia-se a preocupação com a poluição produzida pelos motores de combustão interna. Em 1952, o Prof. A J Haagen- Smith demonstra que o “smog” é produzido por reações de óxidos de nitrogênio com hidrocarbonetos, na presença de luz solar. Durante a década de houve uma grande alta no preço dos combustíveis, sendo que ao mesmo tempo surgiu a questão da disponibilidade do petróleo a longo prazo. Aconteceram então pressões para o melhoramento dos motores tanto no que diz respeito a sua eficiência quanto à diminuição de emissões. A remoção ou redução da utilização de chumbo como aditivo também foi colocada, isto forçou a redução da razão de pressões nos motores e abriu um grande campo para a utilização de combustíveis alternativos, não baseados em petróleo: gás natural, metanol e etanol (álcoois metílico e etílico); assim como gasolina e óleo diesel sintéticos, obtidos a partir de carvão e também, hidrogênio. No Brasil se usa o etanol como aditivo para aumentar a octanagem do combustível, não se usa chumbo tetraetila. O gás natural tem alta octanagem, não precisa de aditivos. - diminuição do consumo de combustível - novos combustíveis : álcool, gás, biogás, gases pobres, hidrogênio - competitividade no mercado - diminuição de ruído

27 General Motors - Research & Development
Job Openings: Powertrain Systems Research Lab We strongly encourage and promote the generation of creative and innovative concepts, and the transformation of these concepts from exploratory research into practical demonstrations. Core Competencies: engine combustion system synthesis & development transmission system synthesis and control mechatronic system synthesis and development synthesis and development of power transmission devices using smart materials powertrain control synthesis and implementation powertrain system development and integration O texto acima é um exemplo das áreas abertas de pesquisa e desenvolvimento dentro da grande área de motores alternativos. Texto obtido em: General Motors - Research & Development.htm Textos cedidos por Ricardo Wilson Cruz, professor da Universidade Estadual do Amazonas (Manaus, AM).

28 General Motors - Research & Development
Job Title: Thermoscience Engineer Job Description: General Motors Research and Development Center has an open position for a highly motivated and creative analysis engineer interested in conducting cutting-edge research on internal combustion engine systems and other thermofluid devices . The job involves the development and application of advanced thermofluid analysis tools, including computational fluid dynamics, for the development of new engine technologies. Both recent graduates and experienced engineers are invited to apply. Requirements: Ph.D. in Mechanical, Chemical or Aerospace Engineering majoring in the thermoscience disciplines; thorough knowledge of the fundamental processes relevant to engine combustion and performance, e.g., fluid mechanics, turbulence, heat transfer, turbulent combustion, multiphase flows, etc.; detailed knowledge on the application of computational fluid dynamics and related tools to research and develop thermofluid devices. Knowledge of internal combustion engines and after-treatment systems is advantageous. Contact: Sherif El Tahry, Lab Group Manager Powertrain Systems Research Lab GM R&D Center, MC Mound Road, Warren, MI Telephone: (810) Fax: (810)

29 General Motors - Research & Development
Job Title: Engine Combustion Research Engineer Job Description: General Motors Research and Development Center has open positions for highly motivated engineers interested in conducting experimental research on advanced engine combustion systems. The job involves experimental engine research and development leading to increased understanding of advanced combustion systems and the development of innovative engine concepts offering improvements in vehicle fuel economy, emissions, performance and drivability. Both recent graduates and experienced professionals are invited to apply. Requirements: M.S. or Ph.D. in Mechanical Engineering with experience in engines and combustion-related research along with good oral and written communication skills are required. Knowledge of dynamometer systems, computer based data analysis processes, and emissions control technologies is preferred. Contact: Paul Najt Lab Group Manager Powertrain Systems Research Lab GM R&D Center, MC Mound Road, Warren, MI Telephone: (810) Fax: (810)

30 Pesquise no site http://auto.howstuffworks.com/engine.htm
Questão 1 - Pesquise em livros, ou na Internet, novas informações, do seu interesse sobre algum dos aspectos mencionados nesta aula. Questão 2 Pesquise no site Dados relativos aos sistemas de resfriamento de motores, sistemas que não foram abordados nesta aula. Redija um texto de umas duas páginas e entregue ao professor. Pode ser enviado via mail ao endereço: Podem ser incluídos “links” com sites interessantes encontrados na internet. Um site com algumas informações descritivas básicas, sobre todos os aspectos do motor (inclui bom material gráfico, e animações):