MOTORES DE
COMBUSTÃO
INTERNA
JONEY CAPELASSO-TLJH
GE-OPE/OAE-UTE-LCP/O&M
853-3275
MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
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;
- 1860 ® Lenoir construía o primeiro motor de
combustão interna utilizando gás como combustível;
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- 1862 ® Beaus de Rochas imaginou e patenteou o
processo pelo qual deveria funcionar o motor de
combustão interna de êmbolos de quatro tempos;
- 1878 ® 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;
- 1893 ® Rudolf Diesel descrevia um novo tipo de
motor de combustão interna diferente do motor de
Otto, utilizando como combustível o óleo diesel.
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•PRINCÍPIOS
•TIPOS
•CICLO OTTO
•CICLO DIESEL
•CICLO BRAYTON
•MOTOGERADORES
•SISTEMAS COMPLEMENTARES
JONEY CAPELASSO-TLJH
UTE-LCP
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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.
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. 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.
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PRINCÍPIOS
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
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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
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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.
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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 .
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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PRINCÍPIOS
A combustão das misturas
ar/combustível dentro do cilindro motor
é um dos processos que controlam a
potência do motor, eficiência e
emissões.
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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.
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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.
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Vale ressaltar dois conceito importantes utilizados
neste tipo de combustão
•Temperatura de ignição ou de inflamação
•Limites de Inflamabilidade
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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.
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Propriedades do gás Metano.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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•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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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Potencia x Torque
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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.
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Cilindrada = volume útil do cilindro x nº de cilindros
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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.
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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
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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.