MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA JONEY CAPELASSO-TLJH GE-OPE/OAE-UTE-LCP/O&M

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1 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA JONEY CAPELASSO-TLJH GE-OPE/OAE-UTE-LCP/O&M

2 Histórico O princípio de funcionamento das máquinas motoras de combustão interna é conhecido a cerca de mais de 300 anos. - Huygens, Hautefeuille e Papin na segunda metade do século XVII foram os primeiros a concretizar a idéia de utilização do poder expansivo dos gases provenientes da combustão de pólvora a fim de executar algum trabalho; Lenoir construía o primeiro motor de combustão interna utilizando gás como combustível;

3 Beaus de Rochas imaginou e patenteou o processo pelo qual deveria funcionar o motor de combustão interna de êmbolos de quatro tempos; Nikolaus A. Otto baseado nas proposições de Rocha construiu o primeiro motor de combustão interna de quatro tempos segundo os princípios que até hoje regem o funcionamento dos motores de quatro tempo a gasolina; Rudolf Diesel descrevia um novo tipo de motor de combustão interna diferente do motor de Otto, utilizando como combustível o óleo diesel.

4 PRINCÍPIOS TIPOS CICLO OTTO CICLO DIESEL CICLO BRAYTON MOTOGERADORES SISTEMAS COMPLEMENTARES JONEY CAPELASSO-TLJH UTE-LCP

5 PRINCÍPIOS São máquinas térmicas, que transformam a energia proveniente de uma reação química (energia térmica) em energia mecânica. O processo de conversão se dá através de ciclos que envolvem expansão, compressão e mudança de temperatura de gases.

6 . PRINCÍPIOS Nos motores de combustão interna, ou endotérmicos, o combustível misturado ao ar é queimado no interior de uma câmara de combustão ou cilindro motor. Os motores a gasolina, a gasóleo, a metano e a gás pertencem a esta categoria.

7 PRINCÍPIOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA COMBUSTÃO Combustão de um combustível é a combinação química, a altas temperaturas, de elementos combustíveis presentes no combustível, com o oxigênio, sendo a energia térmica liberada durante o processo

8 Combustão Estequiométrica : É a reação de oxidação teórica que determina a quantidade exata de moléculas de oxigênio necessárias para efetuar a completa oxidação de um combustível

9 Combustão Completa: É a reação de combustão em que todos os elementos oxidáveis constituintes do combustível se combinam com o oxigênio, particularmente o carbono e o hidrogênio (H2), que se convertem integralmente em dióxido de carbono(co2) e água(h2o) independentemente da existência de excesso de oxigênio(o2) para a reação.

10 Combustão Incompleta ou Parcial: Nesta reação aparecem produtos intermediários da combustão, especialmente o monóxido de carbono(co) e o hidrogênio, resultado da oxidação incompleta dos elementos do combustível. Ela pode ser induzida pela limitação na quantidade de oxigênio oferecido para a reação, pelo resfriamento ou sopragem da chama, no caso de combustão atmosférica.

11 Ar Teórico: As reações de combustão são normalmente realizadas com o oxigênio contido no ar atmosférico. A composição do ar atmosférico é, aproximadamente, 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio (N2). O ar teórico é a quantidade de ar atmosférico que fornece a quantidade exata de moléculas de oxigênio necessárias para efetuar a combustão estequiométrica.

12 Relação Ar/Combustível: É uma relação entre a quantidade de ar e a quantidade de combustível utilizadas na reação de combustão. Para combustíveis sólidos e líquidos a relação é entre as massas, para combustíveis gasosos a relação é calculada entre os volumes envolvidos

13 PRINCÍPIOS O ar tem de ser bem misturado com o combustível, e a quantidade de combustível a ser queimado depende da quantidade de ar suprido. Para cada combustível existe uma determinada relação ar/combustível ideal para a melhor eficiência de queima.

14 PRINCÍPIOS Um excesso calculado de ar acima da quantidade teórica mínima, isto é, aquela quantidade que viabiliza a combustão completa, é sempre necessária, dependendo do projeto da câmara de combustão e das condições sob as quais o combustível é queimado. Se houver uma insuficiência na admissão de ar, a combustão não será completa, e uma das indicações será a geração de fumaça preta.

15 PRINCÍPIOS Da mesma forma, se uma quantidade de ar maior do que a necessária for administrada a energia térmica irá ser perdida. Em ambos os casos há perda de eficiência do processo

16 PRINCÍPIOS A combustão das misturas ar/combustível dentro do cilindro motor é um dos processos que controlam a potência do motor, eficiência e emissões.

17 Combustão de Combustíveis Gasosos Em virtude do estado físico destes compostos, em alguns casos, a combustão utilizando combustíveis gasosos apresenta algumas diferenças em relação à combustão realizada a partir dos combustíveis líquidos convencionais.

18 Combustão de Combustíveis Gasosos Estes processos são utilizados nos queimadores a jato e nos motores a jato, onde a combustão é realizada após compressão do ar e injeção do gás a alta pressão diretamente na câmara de combustão (até 20 bar). O motor a explosão utiliza uma pré-mistura gás/ar e um sistema de ignição após a compressão da mistura assim como nos combustíveis líquidos.

19 Vale ressaltar dois conceito importantes utilizados neste tipo de combustão Temperatura de ignição ou de inflamação Limites de Inflamabilidade

20 Limites de Inflamabilidade : Uma mistura de gás inflamável é aquela em que a chama se propaga, sendo que a iniciação da chama é realizada por uma fonte externa. Este conceito é equivalente ao índice λ (lambda), que se utiliza para combustíveis líquidos. Valores muito altos ou muito baixos de λ, bem como do limite de inflamabilidade, inviabilizam a combustão.

21 Propriedades do gás Metano.

22 Fatores que Influenciam os Limites de Inflamabilidade: 1- Temperatura da Mistura Uma elevação da temperatura inicial da mistura gás combustível/ar amplia os limites de inflamabilidade, ou seja, o limite inferior se reduz e o limite superior se eleva.

23 2-Pressão da Mistura O valores tabelados dos limites de inflamabilidade são obtidos para a pressão atmosférica. Próximo da pressão atmosférica os valores não variam de forma significativa. Em pressões inferiores a atmosférica a tendência geral é de contração da faixa de inflamabilidade, com elevação do limite inferior e redução do limite superior. Em pressões superiores à atmosférica o limite inferior tende a permanecer estável enquanto o limite superior apresenta um crescimento

24 Temperatura de ignição ou de inflamação: É a menor temperatura na qual o calor é gerado pela combustão em velocidade superior ao calor dissipado para a vizinhança, dando à mistura condições de se auto-propagar. Abaixo desta temperatura a combustão da mistura ar gás só ocorrerá continuamente mediante o fornecimento ininterrupto de calor externo.

25 A temperatura de ignição de muitas substâncias combustíveis se reduz com o aumento da pressão, o que representa um importante fator para a operação dos motores alternativos e turbinas a gás. O excesso de ar, a taxa de diluição do gás na mistura, a concentração de oxigênio no ar de combustão, a composição do gás combustível, a velocidade da mistura ar gás, leis do escoamento dos fluidos, fontes de ignição e gradientes de temperatura são fatores que também influenciam na temperatura de ignição de forma considerável.

26 PRINCÍPIOS Eficiência térmica A energia química que um combustível pode fornecer pode ser determinada pelo produto entre o poder calórico inferior e a vazão de combustível (Kg/s). Usualmente o poder calorífico inferior é a energia armazenada na forma de um combustível. Como energia é múltiplo do trabalho, sua unidade também é Joule [J]. PCI: Energia liberada em forma de calor por 1Kg de combustível em Kcal.

27 Eficiência térmica A eficiência térmica é uma medida determinada pela energia de saída dividida pela energia de entrada em um sistema. Em um motor, a energia de entrada está armazenada nas ligações químicas de um combustível de hidrocarbonetos. A energia de saída para o cálculo da eficiência térmica de um motor não é o calor, mas mecânica de trabalho.

28 Combustão - princípios Combustão normal A combustão normal num motor é aquela que produz uma queima controlada da mistura ar/combustivel, e que gasta de 1 a 4 milesimos de segundo do inicio ao termino da mesma.

29 Combustões Anormais A combustão anormal revela-se de diversas maneiras, os dois fenômenos principais são: a autoignição e a superfície de ignição. Estes fenômenos anormais de combustão são preocupantes, pois: quando severos, podem causar graves danos ao motor.

30 Ignição espontânea ou detonação Ocorre a partir de uma porção do "end-gas" região que contém gases residuais e mistura arcombustível, ainda não-queimada, à frente da frente de chama. Quando este processo anormal de combustão acontece, ocorre um desprendimento rápido de energia química no end-gas, causando altas pressões localizadas e a propagação de ondas de pressão de amplitude substancial ao longo da câmara de combustão.

31 Superfície de ignição ou pré-ignição É a ignição da mistura ar-combustível causada por um ponto quente na parede da câmara de combustão, por uma válvula de exaustão superaquecida, vela de ignição ou algum resíduo incandescente incrustado; enfim, por qualquer meio que não a centelha da vela. Uma chama turbulenta se desenvolve a partir de cada ponto de ignição e se propaga ao longo da câmara, de maneira análoga ao que ocorre na ignição por centelhamento.

32 De todos os fenômenos causados por pontos quentes, a pré-ignição é potencialmente o mais danoso. Qualquer processo que antecipe o início da combustão do ponto (avanço de ignição) que produz torque máximo, causará maior rejeição de calor, resultando em um aumento das pressões e das temperaturas da mistura queimada.

33 As maiores rejeições de calor aumentam ainda mais a temperatura dos componentes, os quais, reciprocamente, podem cada vez mais adiantar o ponto de pré-ignição até a falha dos componentes e colapso do sistema.

34 Pressão no cilindro pelo ângulo do virabrequim. (a) Combustão normal, (b) Knock de intensidade suave e (c) Knock severo. Motor de um cilindro com 381 cm3 de cilindrada, operando a 4000RPM

35 Torque Corresponde à força de giro exercida em determinado braço de alavanca. Ele é a medida da capacidade que o veículo tem de desenvolver força. O torque máximo, ou máxima capacidade do veículo tracionar uma carga, sempre ocorre numa rotação inferior à máxima.

36 Potência É a medida do trabalho realizado numa unidade de tempo. Ela é a medida da capacidade do veículo de desenvolver velocidade. Quanto maior a potência, maior é a capacidade de atingir maiores velocidades. O motor oferece maior potência à medida em que a rotação aumenta. A potência máxima está disponível na rotação máxima.

37 Potencia x Torque

38 Cilindrada A cilindrada refere-se ao volume dos cilindros, de modo que é preciso utilizar a medida cúbica, da mesma forma que, para medir a área de uma casa, é utilizado metro quadrado. Como não teria sentido dizer que um motor tem 50 centímetros ou 10 polegadas, foi escolhida a cilindrada (1000 cc = 1 litro). Para isso basta saber qual o curso dos pistões, o diâmetro dos cilindros e o número destes últimos para calcular o porte do propulsor.

39 Cilindrada = volume útil do cilindro x nº de cilindros

40 Cilindrada não é potência. Motores com mesma cilindrada tem potências diferentes. Além da configuração construtiva a que se destinam, também influenciam nestas características sistema de injeção, taxas de compressão entre outros fatores.

41 Taxa de compressão (relação de compressão) Corresponde a relação entre: Volume do cilindro + volume da câmara de combustão volume da câmara de combustão Sendo V o volume de um cilindro e v o volume da câmara de combustão de um cilindro, temos: Taxa de compressão TC = V + v v

42 Taxa de compressão Normalmente a taxa de compressão é dada na forma 6:1 ou 7:1, em que se le seis por um ou sete por um. Portanto, no exemplo acima temos 7,2:1, ou seja, sete virgula dois por um.