Photos by Georg Eiermann and Wartsila
Os motores de combustão interna foram concebidos e desenvolvidos no final do século 19 e considera-se uma das mais importantes invenções da humanidade devido à sua aplicação em diversos setores da vida moderna.
Eles competem com os motores elétricos, turbinas a gás e turbinas a vapor em diversas aplicações.
O aumento da eficiência e a diminuição nas emissões constituem a grande evolução tecnológica ocorrida nos últimos 100 anos. Atualmente, motores com 50% de eficiência se encontram disponíveis, sendo as máquinas térmicas mais eficientes encontradas no mercado.
A Tabela 1 apresenta a matriz de tipos de motores de combustão interna conforme o ciclo termodinâmico e o número de tempos.
Nikolaus Otto (1832-1891) inventou o motor de combustão interna utilizando uma mistura de comprimida de combustível e comburente detonada através de centelha com ignição temporizada em 1876. Em decorrência do sucesso dessa invenção, o ciclo termodinâmico que descreve seu funcionamento recebeu o nome de Ciclo Otto.
Os motores que seguem o Ciclo Otto necessitam de uma ação externa para iniciar a combustão. A faísca elétrica permite realizar essa função de forma eficiente, e a vela de ignição dos motores de automóveis se tornou universal.
Porém, outras soluções são possíveis. Por exemplo, pode-se utilizar outro tipo de combustível para iniciar a combustão do combustível principal.
Em 1897, Rudolph Diesel (1858-1913) criou o motor com combustão por compressão, que deu origem ao Ciclo Otto.
Ambos os ciclos podem operar com motores a 2 tempos ou 4 tempos.
Cilindro do motor
A Figura 1 apresenta um cilindro de motor de combustão interna composto por Pistão, Biela e Virabrequim.
O Cilindro possui diâmetro – b – e excursiona ao longo do eixo y entre dois pontos; o Ponto Morto Superior (PMS) e o Ponto Morto Inferior (PMI).
A denominação de ponto morto se originou no fato de que a velocidade do pistão se anula e inverte nesses pontos.
A Biela possui comprimento l e conecta o Pistão ao Virabrequim.
Por sua vez, o Virabrequim possui raio a e transforma o movimento linear do pistão em movimento circular no eixo da máquina. O raio do Virabrequim, denominado de Stroke, determina a distância entre os pontos morto do motor, que equivale à duas vezes o raio do Virabrequim.
O PMS representa a referência zero do ângulo do virabrequim – θ, onde o volume do cilindro atinge o valor mínimo.
Consequentemente, o PMI ocorre com o ângulo θ igual a 180o determinando o volume máximo do cilindro.
A Tabela abaixo apresenta os dados de motor da mesma família do apresentado no vídeo acima.
O Volume de Deslocamento do Motor – Vd – equivale à variação de volume no cilindro vezes o número de cilindros do motor de acordo com a Equação 1.
Onde:
-
- Nc é o número de cilindros;
- Vmax é o volume máximo;
- Vmin é o volume mínimo;
- Ac é a área do cilindro;
- S é o deslocamento do cilindro;
- b é o diâmetro do cilindro.
Expressa-se o Volume de Deslocamento em cm3 ou litros e ele determina o torque do motor. 1
Adicionalmente, define-se a Taxa de Compressão do motor – Tc – como:
A equação 3 determina o trabalho líquido realizado por um cilindro por ciclo de rotação.
Onde:
-
- wliq é o trabalho líquido fornecido por cilindro por ciclo
- Vmax é o volume máximo do cilindro;
- Vmin é o volume mínimo do cilindro;
- v é o volume.
Em função disso, a Equação 4 mostra a potência mecânica fornecida pelo motor.
Onde:
-
- Pt[W] é a potência mecânica fornecida pelo motor;
- Pm[Pa] é a pressão média efetiva no cilindro;
- Vd[m3] é o volume de deslocamento do motor;
- RPM[1/60 s] é a velocidade angular do motor em rotações por minuto;
- nt é o número de tempos do motor.
A análise da Equação 4 mostra que:
-
- motores de dois tempos produzem mais potência do que motores de quatro tempos de mesmas dimensões.
- motores operando em velocidades mais elevadas produzem mais potência do que motores mais lentos de mesmas dimensões.
- motores com maior volume de deslocamento produzem mais potência.
- motores com maiores pressões médias produzem mais potência.
Exemplo #1
Calcule a potência mecânica máxima fornecida pelo motor da tabela abaixo.
Solução
Observa-se que o valor encontrado foi 5,9% maior do que o valor máximo apresentado na Tabela.
A explicação se encontra nas perdas mecânicas inerentes ao funcionamento do motor.
A Equação 4 não considera as perdas por atrito e ventilação do motor nem as perdas de equipamentos auxiliares inerentes ao funcionamento da máquina.
Dados Técnicos - Wärtsilä RT-flex96
Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rtsil%C3%A4-Sulzer_RTA96-C
Tipo 2 tempos
Diâmetro / Bore (mm) 960
Movimento/ Stroke (mm) 2500
Deslocamento (l/cilindro) 1.820
Velocidade (rpm) 22-102
Mean Effective Pressure 1,96 MPa @ 100% carga
1,37 MPa @ 85% carga -eficiência máxima
Velocidade média do pistão (m/s) 8,5
Consumo específico (g/kWh) 171
Potência máx (kW/cilindro) 5.720
Torque máx ( N.m @ 102 rpm) 7.603.850
Densidade de Potência (kW/ton) 29,6 a 34,8
massa de combustível injetada ( g/cilindro/ciclo) 160 g @ plena carga
Questões Propostas
-
- Por que a maioria dos automóveis utiliza motores de quatro tempos?
- Por que grandes navios utilizam motores de dois tempos?
- Por que a geração de emergência utiliza motores de alta velocidade?
- Por que a geração de energia utiliza motores de média velocidade e de quatro tempos?
- Por que a propulsão de navios utiliza motores de baixa velocidade?
A tabela abaixo apresenta as três categorias de motores em função da velocidade de operação.
A Equação 4 mostra que motores de alta rotação produzem mais potência do que motores de mesmas dimensões, mas de velocidades menores.
Portanto, motores de alta velocidade deveriam dominar o mercado por serem mais baratos. 2
Contudo, como altas rotações produzem mais perdas de atrito e ventilação, a vida útil dos motores diminui com a velocidade.
Por isso, os motores de alta rotação dominam o mercado de geração de emergência enquanto os de média rotação dominam a geração intermediária, e os de baixa rotação destinam-se à propulsão de navios.
Categorias de Motores
| wdt_ID | Tipo | Velocidade |
|---|---|---|
| 1 | Baixa rotação | < 300 rpm |
| 2 | Média Rotação | 300 - 1000 rpm |
| 3 | Alta Rotação | > 1000 rpm |
Além disso, como motores de dois tempos produzem teoricamente o dobro da potência de motores de quatro tempos, os motores gigantescos ou pequenos são de dois tempos, e os demais de quatro tempos.
Ciclo Otto
A Figura 2 mostra o diagrama P-V do Ciclo Otto, o ciclo termodinâmico ideal que aproxima o funcionamento de motores de combustão interna que utilizam sistemas de ignição externos.
O ponto 1 representa o início do processo de compressão, quando o cilindro se encontra no ponto morto inferior.
O ponto 2 representa o fim do processo de compressão do ar no cilindro, que ocorre de forma isentrópica. Nesse processo, o pistão se desloca do ponto morto inferior até o ponto morto superior, representando o primeiro tempo do motor. 3 Durante esse tempo o pistão retira a energia necessária para a compressão do eixo do motor.
A transição entre os pontos 2 e 3 representa o processo de combustão da mistura ar-combustível (injeção de energia térmica no sistema), que ocorre com o pistão parado no ponto morto superior. Durante esse segundo tempo, a pressão no cilindro aumenta rapidamente, mas o volume permanece constante porque o pistão permanece imóvel. Durante esse tempo, a energia do combustível se transforma em energia térmica no cilindro.
O terceiro tempo começa após alguns instantes, quando a força da explosão provoca o deslocamento do pistão do PMS- ponto 3- para o PMI – ponto 4. Durante esse processo isentrópico, o volume dos gases aumenta, a temperatura diminui e o pistão converte parte da energia da combustão em trabalho mecânico.
Finalmente, no quarto tempo entre os pontos 4 e 1, o volume de gases resultantes da queima do combustível após a expansão é expelido para a atmosfera através do movimento do pistão, representando a transferência de calor para a fonte fria. Verifica-se que o pistão retira a energia necessária para realizar esse trabalho mecânico do eixo do motor, o volume permanece constante, e a pressão diminui para o valor da pressão atmosférica.
Portanto, o motor produz trabalho mecânico apenas em um tempo, absorve energia em outros dois, e durante a explosão do combustível não gera nem absorve trabalho mecânico.
Em decorrência disso, os engenheiros criaram o motor de dois tempos para reduzir a absorção de trabalho mecânico no funcionamento do motor.
A Equação 5 apresenta o rendimento do ciclo Otto. Observa-se que os gases resultantes da combustão produzem ambos os fluxos de calor e, em decorrência disso, o calor específico na equação desaparece. Porém, essa simplificação requer que o calor específico independa da temperatura. 4
Colocando T1 e T2 em evidência na Equação 5, obtem-se a seguinte expressão:
A relação de temperaturas se relaciona com a relação de volume em gases da seguinte maneira:
Define-se a Taxa de Compressão – r – em motores de combustão interna da seguinte maneira:
Deve-se observar que a taxa de compressão de motores é uma relação entre volumes, enquanto a taxa de compressão em turbinas é uma relação de pressões.
Substituindo as Equações 8 e 7 na Equação 6, obtêm-se o rendimento teórico do ciclo Otto.
Onde:
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- r é a taxa de compressão do motor;
- k é a relação de calor específico do ar 5;
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Portanto, o rendimento dos motores a explosão funcionado de acordo com o Ciclo Otto depende apenas da taxa de compressão.
O aumento da taxa de compressão nos motores de combustão interna melhora o rendimento, mas a detonação espontânea do combustível pela pressão6 limita o rendimento prático dessas máquinas.
Observa-se que a expressão do rendimento do ciclo Otto parece com a expressão do rendimento do ciclo Brayton, mas as taxas de compressão são distintas assim como o expoente.
Ciclo Diesel
A Figura 3 mostra o Ciclo Diesel, onde o combustível é detonado por pressão. Por isso, a transferência de calor nesse ciclo ocorre a pressão constante, ao contrário do ciclo Otto onde ocorre a volume constante.
Observa-se que a área delimitada pelas linhas azuis é menor do que no caso do Ciclo Otto, o que significa menor rendimento no ciclo diesel.
Isso explica a utilização do ciclo Otto em automóveis e o ciclo diesel em caminhões, sendo o preço do diesel menor do que o da gasolina.
No caso de geração de energia, utiliza-se motores de Ciclo Otto quando operando a gás natural e Ciclo Diesel com Óleo Combustível.
A Equação 10 apresenta o rendimento do ciclo Diesel.
