MOTORES ALTERNATIVOS. Francisco Luís Rodrigues Fontinha Engenharia Mecânica 2º Ano 4466 JUNHO/07

Transcrição

1 MOTORES ALTERNATIVOS Francisco Luís Rodrigues Fontinha Engenharia Mecânica 2º Ano 4466 JUNHO/07

2 2 Índice - Motores Alternativos, Pag. 3 - Motor de Explosão, Pag. 3 - Ciclo de OTTO, Pag. 4 - Motor a dois tempos, Pag. 5 - Motor a quatro tempos, Pag. 6 - Ciclo Diesel, Pag. 7 - Ciclos do Motor Diesel, Pag. 9 - Bibliografia, Pag. 10

3 Motores Alternativos 3 Existem dois tipos de motores alternativos: de explosão (ignição por faísca), Ciclo de OTTO, que usam normalmente como combustível o gás natural, embora também possam recorrer ao propano ou à gasolina, e de ignição por compressão que operam com gasóleo (Diesel), Ciclo Diesel. Os motores de explosão são mais usados em instalações de cogeração, uma vez que possuem várias fontes de recuperação de calor: gases de exaustão e circuitos de refrigeração do óleo e do motor. 1 Motor de explosão A câmara de combustão contém um cilindro, duas válvulas (uma de admissão e outra de escape) e uma vela de ignição. O pistão que se move no interior do cilindro é acoplado à biela que se articula com a cambota. A cambota transforma o movimento de vaivém num movimento rotativo. Este tipo de motor designa-se por motor a quatro tempos, porque o seu funcionamento se faz numa sequência de quatro etapas: 1 Primeiro tempo: a válvula de admissão é aberta e uma mistura de combustível e ar é injectada no cilindro através da válvula de admissão; a cambota ao rodar empurra o pistão para baixo. 2 Segundo tempo: a válvula de admissão fecha-se; a mistura é comprimida (a uma taxa de 10:1) à medida que o pistão se eleva e, antes que este chegue à parte superior, a vela provoca uma faísca. 3 Terceiro tempo: a mistura incendeia-se e explode; os gases quentes que se expandem, formados na explosão, produzem uma força que faz com que o pistão desça, movimentando a cambota através da biela. 4 Quarto tempo: a válvula de escape abre-se e os gases são expulsos pelo pistão que se eleva. O ciclo de OTTO descreve o funcionamento do motor de explosão.

4 4 a) Ciclo Teórico b) Ciclo Real 2 Ciclo de OTTO É formado de duas transformações isentrópicas e duas isométricas, constituindo quatro estados termodinâmicos. Inicia o estado 1 pela admissão da mistura ar-combustível no cilindro do motor. Segue para o estado 2 pela compressão isentrópica 1-2 da mistura no cilindro, esta mistura ar-combustível ainda não queima nesta transformação, porque a compressão ainda é baixa. Continua para o estado 3, quando o pistão se aproxima do ponto morto superior, produz-se uma centelha e ocorre a combustão isométrica 2-3 da mistura da mistura na câmara de combustão, formando gases de elevada temperatura. Chega ao estado 4 pela expansão isentrópica 3-4 dos gases quentes dentro do cilindro, realizando trabalho no eixo de manivelas do motor. Retoma ao estado 1 pela exaustão isométrica 4-1 dos gases quentes, cedendo calor ao exterior e resfriando o motor. Estas quatro transformações acontecem durante uma rotação (motores de dois tempos), ou em quatro rotações (motores de quatro tempos). Os motores do ciclo de OTTO tem baixa razão de compressão; são mais indicados para operar com combustíveis de elevado número de octanas, sistema de ignição por centelha. Assim, tais motores podem queimar combustíveis não misturados, ou seja, que tenham 100% de gasolina, 100% de gás natural, 100% de GPL e 100% de álcool. Porém, é evidente que ao fazer-se a troca de um tipo de combustível para outro tipo de combustível, mesmo nos motores de ciclo OTTO, tais motores deveram ser modificados, por causa das características diferentes entre estes combustíveis. Em geral, os motores são instalados para operar com determinado tipo de combustível, mas pode existir uma conjuntura (elevação dos preços de combustível, racionamento, etc.) que justifiquem fazer um elaborado estudo de engenharia para realizar as modificações necessárias, tais como: sistema de ignição, razão de compressão, ângulo de abertura e fechamento das válvulas, câmara de combustão, anéis de segmento, sistema de lubrificação, sistema de água de arrefecimento das camisas, sistema de alimentação de combustível.

5 5 Motor a dois Tempos

6 6 Motor a quatro Tempos

7 7 3 Ciclo Diesel Em 1894, Rudolf Diesel, Engenheiro Alemão, eliminou a necessidade de um circuito eléctrico para iniciar a combustão. Nasceu, assim, o motor diesel em que o combustível o óleo diesel ou gasóleo é queimado por acção do calor libertado quando o ar é comprimido com uma taxa muito elevada. É constituído de duas transformações isentrópicas, uma transformação isobárica e uma transformação isométrica. Inicia o estado 1, onde ocorre admissão do ar no cilindro do motor. Segue para o estado 2, através de uma compressão isentrópica 1-2 do ar no cilindro. No estado 2 é injectado o combustível, quando o pistão se encontra no ponto morto superior e o ar dentro da câmara está a elevada temperatura devido à alta razão de compressão. Continua para o estado 3 pela combustão isobárica 2-3 da mistura ar-combustível, produzindo gases de elevada temperatura. Atinge o estado 4 pela expansão isentrópica 3-4 dos gases quentes dentro do cilindro, realizando trabalho no eixo de manivelas. Retoma ao estado 1 pela exaustão isométrica 4-1 dos gases quentes, cedendo calor ao exterior e arrefecendo o motor. Tais transformações ocorrem numa rotação (motor de dois tempos), ou em duas rotações (motores de quatro tempos). Os motores de ciclo diesel são indicados para queimar combustíveis de elevado número de cetano. Entretanto, podem queimar também misturas de combustível que

8 mantenham o número de cetano ideal para a operação do motor, tais como: mistura de diesel-gás natural (proporção até 10%-90%). Mistura diesel-álcool (proporção até 10%-90%) e mistura de diesel-óleo combustível de baixa viscosidade (proporção até 10%-90%). Está claro que os motores operando com misturas de combustíveis devem estar preparados ou projectados para isso. Caso contrário, o departamento de engenharia deve elaborar um estudo das modificações necessárias, principalmente em relação ao ângulo de abertura e de fechamento das válvulas, câmara de combustão, anéis de segmento, sistema de injecção, sistema de lubrificação, sistema de água de arrefecimento das camisas, sistema de injecção de combustíveis. O ciclo diesel está associado à representação termodinâmica do funcionamento do motor de ignição por compressão Diesel. - Ciclos do motor diesel 1 No primeiro estágio do ciclo de combustão, o ar é aspirado para o interior do cilindro, penetrando nele através da válvula de entrada. 2 Durante o segundo estágio, o pistão sobe e comprime o ar dentro do cilindro, com uma taxa de compressão muito elevada (geralmente entre 14:1 a 25:1); em consequência, a temperatura do ar comprimido eleva-se consideravelmente, ultrapassando os 700ºC. 3 O terceiro estágio caracteriza-se pela injecção, a alta pressão, do combustível no ar comprimido a alta temperatura, entrando em combustão espontânea e forçando o movimento do pistão para baixo. 4 Mo último estágio, os gases que se formaram na fase anterior são expelidos do interior do cilindro pelo movimento ascendente do pistão. O ciclo OTTO e o ciclo Diesel são muito parecidos. A diferença está no processo 2-3 de adição de calor que no ciclo OTTO é isocórico (volume constante) e no ciclo Diesel é isobárico (pressão constante). A taxa de compressão no ciclo Diesel é muito superior à do ciclo OTTO, porque no primeiro, apenas o ar é comprimido, enquanto que, no segundo, é a mistura ar-combustível que é comprimida, o que é especialmente problemático na fase de explosão; daí a necessidade de taxas de compressão sensivelmente mais baixas. 8

9 9 a) b) a) Diagrama P-V b) Diagrama T-S Ciclos do Motor Diesel

10 10 Bibliografia - Clara, Prof. Pires, Sebenta; - Fermi, Enriço, Termodinâmica, Almedina; - J. Moran, Michael N. Shapiro, Howard, Princípios de Termodinâmica para Engenharia, 4ª Edição, LTC Editora - A. Cengel, Yunus, A. Boles, Michael, Termodinâmica, Terceira Edição, MC Graw Hill;

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