Motor de Combustão Interna

Os motores de combustão interna foram uma das primeiras tecnologias que usaram combustíveis fósseis na geração de eletricidade e podem ser usados na geração distribuída. Como aplicações diretas nas residências e industrias com valores que vão de 5 kW a 10MW e eficiência de 25% a 45% (GOSWAMI, KREITH, 2007). Eles são classificados em rápidos, médios e lentos de acordo com sua velocidade nominal de operação.

O MCI estudado trabalha num rotação fixa de 1800 rpm e segundo Brunetti (2012) é classificado como um motor rápido, já que tem uma rotação superior a 1500 rpm. O objetivo principal do melhoramento nos motores de combustão interna é a redução de combustível por conta do efeito econômico que isso traz para o consumidor e a redução nas emissões de gases poluentes.

O efeito de menor consumo de combustível está associado também à quantidade de ar nas fases de expansão e compressão nos cilindros do motor em que pode melhorar o desempenho do motor. Quando o motor fornece a melhor potência no seu eixo com diminuição do combutível, teríamos a melhor relação ar e combustivél.

A relação de ar e combustível (AC) acolhida pelo motor segue uma proporção de massas. A equação 2.5 representa essa relação.

�� = _{� �} � � � 2.5

O resultado da fração da equação 2.5 pode ser convencionado de acordo com a tabela 2.10.

Essa máquina tem uma vasta utilização e tecnologia bastante difundida, classificada pelo tipo de combustível utilizado: motor de ciclo Otto e motor de ciclo

Diesel. A figura 2.11 compara os dois ciclos mencionados, considerando as mesmas

condições de entrada e as mesmas taxas de compressão.

Os motores de ciclo Otto são acionados pelo processo de ignição a centelha e os de ciclo Diesel pelo processo de ignição à compressão. Ambos são motores de quatro tempos necessitando de quatro estágios para produzir um ciclo de potência. Os pontos PMS e PMI se referem à posição do pistão quando apresenta menor e maior volume no

cilindro, respectivamente. O traçado do gráfico 6 – 1(5) corresponde ao processo de admissão e o retorno (5)1 – 6 ao de descarga.

Tabela 2.10 Resultados da fração de massa ar / combustível

AC Tipo de mistura

< 1 Rica

= 1 Estequiométrica

>1 Pobre

Melhorias nas tecnologias da ignição por centelha e as reduções das emissões poluentes fazem o motor de combustão interna apresentar tecnologia dominante até 2030. Os gases naturais e os combustíveis alternativos são combustíveis realísticos a curto e médio prazo em substituição aos combustíveis fósseis convencionais (SALES, 2012).

Figura 2.11 Comparação entre os dois ciclos teóricos: Otto e Diesel (Pulkrabek, 2004)

Esses motores a gás natural são aplicados em dois setores da economia, derivativos automotivos e industrial, substituídos pelos de ciclo Otto a gasolina. Nos motores projetados para a indústria, o tempo é superior aos automotivos com velocidade de rotação de 1800 RPM e tempo de manutenção relevantes superiores a 20000h de operação (MELLO JR., 2006).

2.5.2 Gerador Síncrono

As máquinas elétricas são dispositivos que usam o princípio da conservação da energia, mudando apenas de forma, transformando energia mecânica em elétrica ou vice versa. Pelo princípio da primeira lei da termodinâmica, através do sistema considerado isolado e com seus limites definidos, pode-se acompanhar a conversão dessa energia.

O fluxo de energia que entra no sistema a partir dos limites definidos é igual à soma das taxas de energia armazenada no sistema. No caso das máquinas elétricas, o sistema de armazenamento dessa energia é o campo magnético. A equação 2.6 mostra o equacionamento da transferência de energia (Filtzgerald, Kingsley Jr. e Umans, 2006):

� � � � � � � = � � � � � + � � � � � �� � � � �� + � � � � (2.6)

Como essa equação é destinada a ação geradora, os termos de energia elétrica e magnética apresentam valores negativos. A energia convertida em calor decorre do efeito joule nos aquecimentos ôhmicos (fluxo de corrente nos enrolamentos dos terminais elétricos) e atritos mecânicos decorrentes do movimento dos componentes de sistemas que formam os terminais mecânicos.

A segunda coluna da tabela 2.9 apresenta alguns parâmetros elétricos do alternador. Entre esses parâmetros, a potência nominal aparente de geração e o fator de potência de 0,8. Portanto, a potência útil fornecida às cargas é de 80 KW.

A estrutura do gerador aloja uma caixa onde estão localizados os terminais da bobina do estator com o terminal neutro. Dessa caixa, os cabos de potência são ligados ao quadro de comando do GMG. As interligações das bobinas do gerador compostas de três pares de bobinas interligadas no modelo estrela e com o neutro ligado no “centro estrela” produzem energia elétrica no nível de tensão trifásica de 380V, e frequência de 60Hz. A figura 2.12 mostra o esquema de ligação e a vista axial do rotor.

(a) Os terminais 1-4; 2-5; 3-6; 7-10; 8-11 e 9-12 representam as bobinas de fornecimento de energia

(b) Detalhe do rotor e estator do gerador elétrico da fabricante HEIMER

Figura 2.12 Conexão das bobinas do estator em ligação “estrela”; (b) Gerador elétrico.

Os geradores elétricos podem ser acionados por diferentes máquinas primárias. No entanto, a máquina primária determina um projeto específico para o gerador. As máquinas mais usuais são: turbina hidráulica; turbina a vapor e motor de combustão interna.

Os geradores acionados por motores são máquinas com a finalidade de geração de energia ativa. Os níveis de potência estimados são inferiores a 25 MW, operando com velocidade superior a 1500 RPM (MAMEDE, 2013).

O tempo de operação desses geradores pode ser classificado de três tipos:

 Potência Prime: potência contínua por tempo limitada recomendada a 1000h de operação por ano com os tipos de cargas variáveis com limitação de 10% de sobrecarga num período de 1h (intervalo de 12h de operação);

 Potência Standby: potência de emergência que atende a cargas variáveis, não permitindo sobrecarga com o limite de operação de 300h;

 Potência Contínua: conhecida como continuos power, gera em regime permanente, sem interrupção e atende a cargas constantes (não é permitida sobrecargas) com um tempo recomendado de 8400 h de operação no ano.

Outro fator importante na consideração dos geradores é o aterramento do ponto neutro das bobinas do estator. Esse ponto neutro é solidamente aterrado, visando reduzir o valor da corrente de defeito a terra.