Motores Alternativos (ENG03342) Material de apoio (parte prática)

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1 Porto Alegre - RS, Slide 1/29 /motores Material de apoio (parte prática) Turma C Porto Alegre - RS Prof. Dr. Alexandre Vagtinski de Paula depaula@ufrgs.br Porto Alegre - RS, Slide 2/29 AULA PRÁTICA 1 Tópicos a serem abordados nesta aula 1. Motor Stirling 1.1. Características 1.2. Vantagens 1.3. Desvantagens 2. Motor Wankel 2.1. Características 2.2. Vantagens 2.3. Desvantagens 1

2 1. Motor Stirling Porto Alegre - RS, Slide 3/ Características - Este motor foi criado no Reino Unido, pelo pastor escocês Robert Stirling, em É um motor de êmbolo alternativo de combustão externa. - Sua eficiência chega até 45%. Robert Stirling ( ). - Como aplicação prática do motor Stirling, temos a bomba de calor (tem por finalidade transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente, através da realização de trabalho). Porto Alegre - RS, Slide 4/29 - Na época de sua concepção competiam com os motores a vapor por 3 motivos: 1) O motor Stirling é mais econômico; 2) É mais eficiente; 3) É mais seguro. - Após a segunda guerra mundial (meados de 1946), voltou a ter interesse neste tipo de motor. - A Philips adquiriu os direitos de produção deste motor (apenas para ar aquecido como fluido de trabalho). Hoje eles trabalham principalmente com hélio ou hidrogênio (que é de difícil armazenamento em tanques devido a vazamentos). - Em 1972, nos EUA, a Ford criou um protótipo para um automóvel de passeio utilizando um motor Stirling. 2

3 Porto Alegre - RS, Slide 5/29 - Outra aplicação foi dada pelos espanhóis, que utilizaram um espelho parabólico para aquecimento solar direto. - Funcionamento: Calor Regenerador Êmbolo deslocador He Calor Manivela Êmbolo Manivela A ABNT não recomenda o uso da palavra pistão, por se tratar de uma tradução do idioma inglês da palavra piston. Funcionamento de um motor Stirling. - Funcionamento: Porto Alegre - RS, Slide 6/29 - Com o êmbolo de deslocamento deslocado na parte superior e o êmbolo no PMI, a parte inferior está resfriada. - O êmbolo de deslocamento permanece parado (na teoria) e o êmbolo sobe para o PMS, o que reduzirá o volume inferior, forçando o fluido de trabalho para cima, mas deixando parte do calor no regenerador. - Em seguida o êmbolo de deslocamento desce e encosta no êmbolo, levando todo o fluido de trabalho para cima. Como todo o fluido de trabalho recebe calor, forçará todo o conjunto para baixo. - Na sequência o êmbolo movimenta-se para o PMI, deixando o êmbolo de deslocamento parado. - Um regenerador é instalado entre as câmaras quente e fria, onde o calor (que seria rejeitado na câmara fria) fica armazenado para a fase seguinte de aquecimento, incrementando a eficiência termodinâmica. 3

4 Porto Alegre - RS, Slide 7/29 - De modo prático, há uma engrenagem para movimento sincronizado entre os êmbolos - Os pistões realizam um movimento rômbico (que tem forma de losango). Assim, o movimento é sincronizado. - Este motor não funciona sem o regenerador, o qual tem a função de armazenar calor. - É uma máquina de ciclo fechado, ou seja, o fluido de trabalho nunca deixa o interior do motor. - Sua principal vantagem é o baixo índice de emissão de gases nocivos ao meio ambiente. - Sua principal desvantagem é a dificuldade de manter constante a taxa de calor transferido ao fluido de trabalho. Porto Alegre - RS, Slide 8/29 - Existem várias configurações: - Ciclos: Motor Stirling em configuração Beta com transmissão rômbica. 9isl/jak_dziala_wibrator.jpg Motor Stirling em configuração Beta com transmissão rômbica. 4

5 Porto Alegre - RS, Slide 9/29 - Como é o aspecto de um motor Stirling comercial? Motor Stirling /06/free-piston-stirling-engine.png Motor Stirling com energia solar. Porto Alegre - RS, Slide 10/29 - Sabemos que o ciclo de Carnot é o ciclo ideal de uma máquina térmica reversível. - As máquinas térmicas possuem um ciclo teórico ideal e um real (que se afastará do primeiro). - Obviamente todos os ciclos reais são irreversíveis. - É a máquina térmica realizável mais eficiente que se conhece, ou seja, é aquela que mais de aproxima do ciclo de Carnot. 5

6 - Diagrama: p 3 Porto Alegre - RS, Slide 11/ Este motor possui 4 fases, que são: 1-2) Compressão a temperatura constante 2-3) Aquecimento a volume constante 3-4) Expansão a temperatura constante 4-1) Resfriamento a volume constante - Este motor possui 2 tempos do pistão. 1 v p Porto Alegre - RS, Slide 12/ Logo, no ciclo Stirling, a compressão e a expansão não são adiabáticos, mas sim isotérmicas! 2 4 p 3 1 v 4 - Como o êmbolo deslocador se move, o ciclo real ficará: 2 1 v 6

7 Porto Alegre - RS, Slide 13/ Vantagens gerais do motor Stirling a) É um motor silencioso; b) Possui baixo índice de emissões de gases nocivos ao meio ambiente; c) Permite a utilização de múltiplos combustíveis; d) Possui consumo específico de combustível (consumo/potência gerada, geralmente dado em g/(cvh) ou g/(kwh)) similar a um motor de ciclo Diesel com sistema de injeção indireta (injeção na pré-câmara ou antecâmara); e) Tem baixa vibração; f) Possui alto rendimento. Porto Alegre - RS, Slide 14/ Desvantagens gerais do motor Stirling a) Tem um alto custo de fabricação; b) Alta pressão do fluido de trabalho (50 a 200 bar). Assim, este tipo de motor emprega paredes bem espessas; c) Há vazamentos do fluido de trabalho; d) Difícil controle da taxa de calor entregue ao fluido de trabalho; e) Sua velocidade de rotação varia rapidamente; f) Grandes áreas de troca de calor (principalmente para ar aquecido); g) Necessita de ventiladores grandes e potentes; h) É necessário dar a partida. 7

8 Porto Alegre - RS, Slide 15/29 2. Motor Wankel 2.1. Características - Foi criado pelo alemão Felix Heinrich Wankel. - Teve sua primeira patente para o motor em 1929, com um protótipo funcional em É um motor rotativo com êmbolo triangular. - CURIOSIDADE: Na década de 1970, todas as montadoras tinham a licença para produção deste tipo de motor. Felix Heinrich Wankel. US/blogs/motoramic/wankel.jpg Porto Alegre - RS, Slide 16/29 - Curva epitrocoide (epitrocoidal), cujo achatamento depende da excentricidade. Epitrocoide de duplos pontos Epicicloide Epitrocoide Circunferência geratriz Circunferência base /10/Immagine_03.png?x26723 Girar a circunferência geratriz sobre a de base, sem escorregar 8

9 Porto Alegre - RS, Slide 17/29 - Outras formas construtivas são possíveis, mas não foram exploradas pelos desenvolvedores destes tipos de motores. Tipo A: estator com perfil epitrocoide. Tipo B: estator com perfil hipotrocoide. Porto Alegre - RS, Slide 18/29 - Os principais componentes do motor Wankel são: 1) Admissão 2) Escape 3) Estator 4) Câmaras de combustão 5) Engrenagens fixas 6) Rotor 7) Engrenagens móveis 8) Eixo excêntrico 9) Velas de ignição Componentes de um motor Wankel. 9

10 Porto Alegre - RS, Slide 19/29 - Funcionamento: Admissão Compressão Exaustão Combustão Funcionamento de um motor Wankel. ankel_cycle_%28vector%29.svg-thumb-900x png - Funcionamento: Porto Alegre - RS, Slide 20/29 Composição e montagem de um motor Wankel. Funcionamento de um motor Wankel. 10

11 Porto Alegre - RS, Slide 21/29 - Os volumes máximo e mínimo neste tipo de motor são ilustrados abaixo. Volume máximo Volume mínimo - Mais tarde serão vistos estes conceitos e a importância de sua utilização. Porto Alegre - RS, Slide 22/29 - A diferença entre o centro do êmbolo rotor e do centro do eixo do motor (excentricidade) é que produzirá o movimento de giro quando após a combustão dos gases. Centro do eixo do motor Excentricidade Centro do êmbolo rotor Excentricidade do motor Wankel. 11

12 Porto Alegre - RS, Slide 23/29 - Tem que haver uma folga entre o estator e o rotor (± 2 mm) para a dilatação do motor quando houver o seu aquecimento. - Neste afastamento, já não se mantém a curva epitrocoide do rotor. - Assim, são utilizadas palhetas na vedação destes motores, geralmente de uma liga de Cobre-Berílio (Cu-Be). - É um ponto crítico de desgaste! Vedação de um motor Wankel. 11/336665d apex-seals-why-thickness-matters-2mm_seals.jpg Porto Alegre - RS, Slide 24/29 - Neste tipo de motor, o rotor é quem controla a entrada e saída de ar e combustível e os gases da combustão. - Contudo, necessita de lubrificante no combustível. - Não tem válvulas (é mais simples que um motor Otto). - Tem 3 admissões por giro do eixo. - O formato do rotor depende da relação do diâmetros das circunferências (base e geratriz), de 3 para 4. - Os motores Wankel podem atingir rotações de a rpm, sendo muito utilizados em automóveis de competição, aeromodelos e bombas d água. - Contudo, devido aos níveis elevados de emissão, os veículos de passeio que utilizam estes motores não estão mais sendo homologados para tráfego em vários países. 12

13 Porto Alegre - RS, Slide 25/ Vantagens do motor Wankel a) Menor quantidade de peças; b) Poucas peças excêntricas (é um motor mais equilibrado) Desvantagens do motor Wankel a) Câmara de combustão alongada (baixo rendimento do processo de combustão); b) Alto índice de emissões nocivas ao meio ambiente; c) Vedação insuficiente; d) Maior consumo específico de combustível comparado com os motores alternativos; e) A temperatura dos gases de escape é cerca de 100 a 200ºC acima daquela encontrada nos motores alternativos. Porto Alegre - RS, Slide 26/29 - Exemplo: Mercedes-Benz C-111, produzidas 16 unidades em Caption-orig-Der-4-Scheiben--Wankelmotor-des-Mercedes-Benz-C-111II-im- Querschnitt-1970.jpg 13

14 Porto Alegre - RS, Slide 27/29 - Exemplo: Mazda RX-7, produzido de 1978 a cd810b c0c4e439451_XL.jpg uploads/2012/12/mazda-rotary-engine-1024x768.jpg - Sugestão de leitura: Why Mazda decided to cancel the RX-8 successor: goodbye Wankel engine! 2/ _mazda-rx7_r_rear.jpg - O seu sucessor, o Mazda RX-8, foi produzido de 2003 a Porto Alegre - RS, Slide 28/29 - Referências: Heywood, J. B. Internal Combustion Engine - Fundamentals, Mcgraw- Hill, New York, 960 p., 1988 (ISBN: ). Taylor, C.F. Análise dos Motores de Combustão Interna, Vol. 1, Editora Edgard Blucher, São Paulo, 558 p., Taylor, C.F. Análise dos Motores de Combustão Interna, Vol. 2, Editora Edgard Blucher, São Paulo, 531 p., Giacosa, D. Motores Endotérmicos, Ediciones Omega, Barcelona, 876 p., 1988 (ISBN: ). Bosch, Manual de Tecnologia Automotiva, Editora Blucher, São Paulo, 1232 p., 2006 (ISBN: ). Bosch, Automotive Electric/Electronic Systems, SAE International, 347 p., 1988 (ISBN: ). William, B. R. e Mansour, N. P. Understanding Automotive Electronics, Newnes, Indiana, 470 p., 2003 (ISBN: ). 14

15 Porto Alegre - RS, Slide 29/29 - Referências: Guibet J. C., Fuels and Engines, Vol. 1, Editions Technip, Paris, 456 p., 1999 (ISBN: ). Guibet J. C., Fuels and Engines, Vol. 2, Editions Technip, Paris, 448 p., 1999 (ISBN: ). Owen, K, Coley, T. e Weaver, C. S. Automotive Fuels Reference Book, SAE International, Warrendale, 976 p., 1995, (ISBN: ). Lenz, H. P. Mixture Formation in Spark-Ignition Engines, Springer- Verlag, New York, 400 p., 1992 (ISBN: ). Plint, M. J e Martyr, T. Engine Testing: Theory and Practice, 3 rd Edition, SAE International, Burlington, 464 p., 2007 (ISBN: ). Brunetti, F. Motores de Combustão Interna, Vol. 1, Editora Blucher, São Paulo, 553 p., 2012 (ISBN: ). Brunetti, F. Motores de Combustão Interna, Vol. 2, Editora Blucher, São Paulo, 486 p., 2012 (ISBN: ). 15