Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Motores de Combustão
Interna
Aplicação na Propulsão Aeronáutica
Uma Introdução
Eng. João Trincheiras Torres
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Introdução
Avião do Barão Manfred von Richthofen – também
conhecido por Barão Vermelho...
Fokker DR1 – Triplano
Caça de 1ª linha da 1ª Grande Guerra
em 1916/7 e pesava 580 kg
Motor: Oberursel 110 Hp (82 Kw)
Radial Rotativo
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Introdução
Caça Supermarine Spitfire
Anos 40 - WW2
Motor: Rolls-Royce Merlin
1650 Hp
27 litros de cilindrada
916 kg, 12 cilindros em V
Peso total: 2400 Kg
Velocidade Max: 570 km/h
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Introdução
O bem conhecido Lockheed-Martin F-16
Fighting Falcon (General Dynamics)
Peso Max: 12.3 T sem tanques ext.
19.2 T com tanques ext.
Vel. Max: Mach 2 @ 12 200 m
Alcance max (ferry): 3900 km
Combustível: 4000 L
Impulso: 29500 lb = 131.6 kN (em a/b)
(equiparável a uns 18000 kW/25000Cv)
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Notas Históricas
• Século XVII
• 1673 – Máquina de pólvora – Ciclo Atmosférico
(Huygens)
• 1681 – Marmita para cozer alimentos sob pressão
(Papin)
• 1688 – Aperfeiçoamento da máquina de pólvora de Huygens (Papin)
• 1690 – Máquina de Vapor - cilindro e caldeira confundidos (Papin)
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Notas Históricas
• Século XVIII
• 1712 – Máquina de Newcomen – cilindro e caldeira separados, mas
resfriamento por injecção de água no cilindro (Newcomen)
• 1791 – Patente inglesa para motor de combustão interna (J. Barber)
• 1794 – Patente inglesa para motor de combustão interna (R. Street)
(ignição por faísca)
• 1799 – Patente para gás de iluminação
(Philippe Le Bon)
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Notas Históricas
• Século XIX
• 1801 – Patente de motor a gás
(Philippe Le Bon)
• 1806 – Ensaios do pyreolophore
(Irmãos Niepce)
(motor de combustão pulvurento)
• 1807 – Carro de Rivaz, motor de hidrogénio
(Isaac de Rivaz)
• 1823 – Projecto de motor atmosférico, inflamação por queimador no
distribuidor
(Samuel Brown)
• 1826 – Emprego dos combustíveis líquidos
(ideia do carburador)
(Erskine Hazard)
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Notas Históricas
• Século XIX (cont)
• 1838 – Motor de mistura combustível comprimida num reservatório.
(Barnett)
• 1860 – Motor Lenoir – Ciclo de dois tempos sem compressão
(Lenoir)
• 1863 – Automóvel Hippomobile a hidrogénio
(Lenoir)
• 1876 – Motor, ciclo de 4 tempos
(Otto)
• 1883 – Ciclos de 2 tempos com compressão
(Benz)
• 1897 – Motor a combustão a pressão constante
(Diesel)
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Notas Históricas
• Século XX
1903 – Primeiros Voos a motor
The Wright Flyer – Irmãos Wright
(NOTA – IMAGEM aviao e motor e
potencia)
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Os Precursores (combustão externa)
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Os Precursores (combustão Interna)
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Os Precursores (combustão Interna, Otto)
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Possíveis Classificações de Motores Alternativos de
Combustão interna
• Quanto ao ciclo de funcionamento
» Ciclo Otto (motores de explosão)
» Ciclo Diesel (motores de combustão)
• Quanto ao sistema Operativo
» Motores a 4 tempos
» Motores a 2 tempos
• Segundo a actuação do fluido sobre o embolo
» Motores de efeito simples
» Motores de efeito duplo
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Possíveis Classificações de Motores Alternativos
de Combustão interna
• Segundo o tipo de Refrigeração
» Arrefecidos a ar (e ar/óleo)
» Refrigerados por líquido (água e glicol)
» Não refrigerados (adiabáticos)
• Quanto ao numero de cilindros
» Monocilindricos
» Pluricilindricos
(imagem)
(imagem)
• Quanto à disposição dos cilindros
»
»
»
»
»
Em linha
Cilindros Opostos
Pistons Opostos
Em: V, W, H, U
Em estrela (radiais, rotativos)
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Características a avaliar em motores para a
aeronáutica
• Potência Máxima Alcançada
• A Relação Peso/Potência do grupo motopropulsor completo
• O consumo específico de combustível do motor
(normalmente em gramas/kW.hr)
• Outros Consumos do Motor
» Óleo
» Água/Metanol (aumento de potência)
» Água/glicol (refrigerante)
• Peso Total para realizar uma dada missão
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
• Sólidos
• Líquidos
• Gasosos
Combustíveis
Tipos de combustíveis
• Gases líquidos
• Gases permanentes
(criogénicos)
Características de alguns combustíveis líquidos
Combustível
Densidade
Calor específico (MJ/Kg)
Gasolina de aviação
0.720
43.5
Gasóleo
0.815-0.855
42.5
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Características de alguns gases
Gás
Densidade *
(Kg/m3)
Ponto de
Fusão
ºC
Ponto de
Ebulição
ºC
Calor
Específico
(MJ/Kg)
Ar
1.293
-220
-191
--
Propano (C3H8)
2.00
-190
-43
46.3
Metano (CH4)
0.72
-183
-162
50.0
Hidrogénio (H2)
0.09
-259
-253
120
• * Densidade a 0ºC e a 1.013 bar
• Zero absoluto = -273.15ºC
•Propano liquefaz-se a 4-12 bar, dependendo da temperatura
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Detonação nos combustíveis
A detonação aumenta
No motor Diesel
No motor Otto
Com baixa compressão
Com compressão elevada
Com estrangulamento do ar de admissão
Com sobrealimentação
Com cargas baixas
Com cargas elevadas
Com aumento de RPM
Com diminuição de RPM
Com descida da temp. do ar da água de refrigeração e da
temp. da cabeça do motor
Com aumento da temp. do ar, da água de refrigeração e
da temp. da cabeça do motor
Com hidrocarbonetos de cadeia fechada (aromáticos,
nafténicos)
Com hidrocarbonetos de cadeia aberta (parafínicos,
oleofínicos)
Com depressantes de I.O.
Com aceleradores de ignição
No motor Otto
No motor Diesel
A detonação diminui
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
A pré-ignição e a detonação nos motores
OTTO
•
Uma combustão normal dentro de um cilindro é rápida (frente de chama entre 10m/s
a 50m/s) mas não é instantânea. Contudo, se a temperatura e a pressão da mistura
ar/combustível não queimada alcançar valores críticos, então a combustão dar-se-á
espontaneamente e simultaneamente através de toda a mistura ar/combustível
ainda não queimada. O resultado é uma explosão violenta e súbita da mistura
chamada DETONAÇÂO.
•
Normalmente a DETONAÇÂO é a combustão espontânea da mistura ar/combustível
após ignição.
•
PRÉ-IGNIÇÃO é uma combustão prematura da mistura ar/combustível antes da
ignição normal, com elevadas pressões, e durante o final do tempo da compressão.
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
A pré-ignição e a detonação nos motores
Diesel
No motor Diesel o tempo que decorre entre a injecção do combustível no
cilindro e o tempo em que ocorre a inflamação, chama-se atraso de
inflamação. Se for muito grande, acumula-se muito combustível por
queimar podendo então esta inflamação desenrolar-se de forma repentina,
com elevadas pressões de forma semelhante à detonação nos motores do
Ciclo Otto.
Se um combustível de um motor do ciclo Otto for muito resistente à detonação
é possível desenvolver motores capazes de debitar cerca do dobro da
potencia alcançável utilizando combustíveis clássicos
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Lubrificação
TIPOS DE LUBRIFICANTES
- Sólidos
- Consistentes
- Líquidos
- Gasosos
SISTEMAS DE LUBRIFICAÇÃO
- Por chapinhagem
- Lubrificação forçada
- Por perda total
FUNÇÕES DO ÓLEO DE UM MOTOR
- Lubrificar
- Arrefecer
- Remover impurezas
- Neutralizar produtos de combustão quimicamente activos
- Amortecer vibrações
- Transmitir forças
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Tipos de Arrefecimento de Motores
DIRECTO SOBRE ALETAS
Forçado
Não forçado
INDIRECTO POR MEIO DE UM FLUIDO
Água
Água mais anticongelante
Óleo
Nota: O anticongelante mais utilizado é o etileno-glicol.
Misturado a 50% com água, ferve a 135ºC (1,5bar) e congela a cerca de -40ºC
OUTROS PERMUTADORES DE CALOR
- INTERCOOLERS
- RADIADORES DE ÓLEO
- CONDENSADORES DE AR CONDICIONADO, ETC.
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Como aumentar a potência dos motores
• Com
o aumento do tamanho dos cilindros
• Com o aumento do número dos cilindros
•(ambos estes casos é por aumento de cilindrada do motor)
• Com o aumento das rotações
• Através de sobrealimentação
Sobrealimentação mais vulgar
•Mecânica
Compressor de palhetas
Compressor Roots
Compressores centrífugos
•Accionada por gases de escape
Turbocompressores
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Componentes adicionais nos motores
ESSENCIAIS
Bombas de óleo
Bombas de água (se as houver)
Bombas de combustível
Magnetos
Conta-Rotações
ADICIONAIS (DO MOTOR)
Motor de arranque
Geradores (alternadores)
ADICIONAIS (DA AERONAVE)
Bombas hidráulicas
Bombas de vácuo
Bombas de ar condicionado
OUTROS
A caixa redutora do hélice
O hélice
Instituto Superior Técnico – 13 de Abril de 2005
Pensam que já sabem tudo acerca de motores?!?!? Então
tentem perceber como este motor funciona
Gnome Rotary
Sopwith Pup
~80 Cv
1916