Motor Alternativo ou de Combustão Interna

Os Motores de Combustão Interna (MCI) são máquinas térmicas alternativas que se destinam essencialmente à produção de energia mecânica e que surgiram há mais de dois séculos. Este tipo de propulsor é usualmente dividido em dois tipos, denominados por motores de explosão e motores de compressão, sendo que a principal diferenciação entre ambos reside no modo como é efetuada a ignição do combustível. Ambos os motores possuem os mesmos parâmetros de funcionamento que, resumidamente, são [6]:

• Ponto Morto Superior (PMS): Corresponde à posição extrema do pistão localizada na parte superior do cilindro e que caracteriza o volume mínimo do cilindro.

• Ponto Morto Inferior (PMI): Corresponde à posição extrema do pistão localizada na parte inferior do cilindro e que caracteriza o volume máximo do cilindro.

• Tempo do Motor: Corresponde ao deslocamento do êmbolo, do PMS ao PMI, em resultado da expansão dos gases de combustão.

• Volume da Admissão: Corresponde ao volume existente entre o PMS e o PMI.

• Volume da Câmara de Combustão: Corresponde ao volume que é ocupado pela mistura ar/combustível quando o pistão se encontra no PMS.

• Taxa de Compressão: Corresponde à relação volumétrica existente no cilindro antes e de- pois da compressão.

Os motores de explosão, também denominados por motores de ignição por faísca, surgiram em 1876 pelas mãos do engenheiro alemão Nikolaus August Otto. A câmara de combustão deste tipo de motorização, tal como se pode ver na figura2.13, é composta por um cilindro, uma válvula de entrada, uma válvula de exaustão e uma vela de ignição. No interior do cilindro existe um pistão (ou êmbolo) acoplado a uma biela que se encontra articulada com a cambota, sendo esta última responsável pela transformação do movimento retilíneo do conjunto pistão-biela num movimento rotativo. [6,9,30]

Figura 2.13: Constituição da câmara de combustão de um motor de combustão interna. [22] Na generalidade dos casos os motores de explosão têm um princípio de funcionamento que pode ser subdividido em quatro tempos distintos denominados por admissão, compressão, expan- são e escape e que se encontram demonstrados através da figura2.14.

Figura 2.14: Quatro tempos de um funcionamento do ciclo de Otto. Adaptado de [19]. O primeiro tempo, denominado por admissão, tem início quando o êmbolo se encontra no PMS. Abrindo-se a válvula de admissão e mantendo a válvula de escape fechada o pistão desloca- se até ao PMI permitindo desta forma a entrada da mistura ar/combustível. Nesta fase a cambota roda meia volta.

Assim que o êmbolo atinge o PMI a válvula de admissão é fechada e passa-se ao segundo tempo que é conhecido como compressão. Neste, mantendo-se a válvula de escape fechada a mistura é comprimida aquando do deslocamento ascendente do pistão do PMI para o PMS. Ins- tantes antes de o pistão atingir o PMS a vela provoca uma faísca que marca o início da combustão. Durante a compressão a cambota roda mais meia volta, perfazendo uma volta completa.

Depois da vela de ignição lançar a faísca e o êmbolo atingir novamente o PMS, a mistura de ar e combustível que havia sido comprimida incendeia-se e explode marcando assim o terceiro dos quatro tempos. A referida explosão faz com que o pistão desça e se desloque do PMS até ao PMI e com que a cambota rode mais meia volta. Durante esta terceira fase, conhecida como explosão, quer a válvula de admissão, quer a válvula de escape se mantêm fechadas.

Finalmente, o quarto tempo é conhecido como exaustão ou escape e, após a abertura da válvula de escape, o pistão desloca-se do PMI até ao PMS empurrando desta forma para o exterior os gases resultantes da queima do combustível. Nesta etapa a cambota realiza mais meia volta, realizando assim duas voltas que caracterizam um ciclo de trabalho. Após esta quarta e última etapa, o motor retorna às condições iniciais permitindo assim que o ciclo se repita. [6,7,22,30]

Passando agora para os motores de compressão, estes surgiram mais tarde, mais precisamente no ano de 1892, através do engenheiro alemão Rudolf Diesel. O seu princípio de funcionamento é bastante semelhante ao anteriormente descrito para os motores Otto existindo no entanto algumas pequenas diferenças importantes de serem compreendidas. A primeira distinção pode ser feita logo na admissão, uma vez que nos motores de compressão apenas é admitido ar. Desta forma, a superior taxa de compressão dos motores Diesel pode ser justificada pela compressão apenas de ar, enquanto nos motores Otto é comprimido o ar juntamente com o combustível. Já na segunda fase do ciclo, durante a compressão, devido à maior taxa de compressão destes motores o ar atinge

maiores temperaturas o que faz com que apenas nesta fase seja injetado o combustível e com que, devido às elevadas temperaturas verificadas, seja dispensável a existência de uma vela de ignição uma vez que o combustível inflamará por si só. [6,7,22,30]

Ao nível dos combustíveis deve também ser realçada a diferença existente entre motores Otto e motores Diesel. Quanto aos primeiros, os mesmos apresentam alguma flexibilidade a este nível podendo desta forma funcionar com gasolina, álcool, gás natural, bioetanol ou mesmo biogás [33]. Já quanto aos segundos, o referido tipo de motor apresenta de igual forma alguma flexibilidade ao nível dos combustíveis passíveis de serem queimados, podendo assim funcionar com gasóleo, óleo diesel ou mesmo com biodiesel. [6,7,9]

Ambos os motores foram muito bem-sucedidos no mercado e ainda hoje, devido essencial- mente à sua ampla gama de potências, são aplicados para os mais diversos fins. Acerca destes motores deve ainda ser referida a existência de variantes de dois tempos em ambas as tecnologias. Estas diferem das de quatro tempos essencialmente por terem menos partes móveis, serem menos complexas, pouco volumosas e muito mais leves, o que leva a que se consiga que, para as mesmas dimensões, sejam obtidas potências muito superiores. Assim sendo motores de dois tempos de ciclo Otto tornaram-se populares sobretudo em pequenas motas, motosserras, ou mesmo os pe- quenos geradores elétricos especialmente devido às interessantes potências obtidas com motores simples, leves e de reduzidas dimensões. No entanto, também existem exemplos de aplicações de motores a dois tempos de grande porte sendo que estes têm normalmente por base o ciclo de Diesele se aplicam, por exemplo, na indústria naval. Apesar de todos estes potenciais atrativos a utilização de motores de dois tempos é atualmente bastante reduzida principalmente devido ao facto da sua menor eficiência e dos problemas ambientais que advêm da sua utilização e de que é exemplo a emissão pelo escape dos combustíveis não queimados. [34]

Depois de realizado o enquadramento dos motores de combustão interna e explicadas as tecno- logias existentes bem como as suas variantes importa compreender qual a sua aplicação em siste- mas de cogeração. Atualmente, especialmente devido a questões ambientais, os motores de com- bustão interna com maior taxa de penetração utilizam gás natural como combustível. No entanto, a utilização de motores a gás natural apresenta-se também como sendo uma escolha adequada a vários níveis tais como nos custos iniciais, uma vez que os mesmos são menos onerosos que os de outras tecnologias alternativas, no arranque, dado que o mesmo é expedito, na fiabilidade, na sua adequada capacidade para efetuar seguimento de carga e ainda no seu elevado potencial de recuperação do calor desperdiçado. A este último aspeto da recuperação do calor desperdiçado deve ser dado especial ênfase pois, tipicamente, a energia térmica que está contida nos gases de exaustão pode representar cerca de 60 a 70% do total da energia contida no combustível, energia essa que de outra forma seria desperdiçada. Assim, em sistemas de cogeração este calor pode ser aproveitado para que se produza água quente ou vapor de baixa pressão conseguindo-se desta forma obter rendimentos que, usualmente, se encontram entre 70 e 80%. Acerca dos gases de es- cape importa ainda perceber que estes geralmente se encontram a uma temperatura entre os 300 e os 400oC o que, comparativamente com o que acontece nas turbinas a gás, representa uma tempe- ratura muito mais baixa e que pode condicionar a aplicação do mesmo em determinados processos

ser visto na figura2.15estando o seu princípio de funcionamento dependente do ciclo empregue aquando da sua conceção. Além das vantagens anteriormente referidas para os MCI a Gás Natural (GN), existem outras transversais a todo o leque de combustíveis utilizados. Exemplos disso são, caso seja realizada uma adequada manutenção, a elevada disponibilidade que estes sistemas apresentam, a grande tolerância para arranques e paragens consecutivas e os breves tempos de arranque exibidos. [6,7,9,23]

Figura 2.15: Esquema de um sistema de cogeração baseado na utilização de um motor de com- bustão interna. [20]