3.5 Parâmetros e conceitos básicos
3.5.1 Motor de Combustão interna
Segundo Brunetti (2012), Pulkrabek (1997) e Heywood (1988) motor de combustão interna (MCI) é uma máquina térmica que permite transformar calor em trabalho, sendo que o calor é obtido da energia química de um combustível que é convertida em energia térmica
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através da combustão com o ar dentro do motor, cujo objetivo é a produção de trabalho mecânico.
Costa (2007) afirma que a energia útil, em um MCI, é obtida através de um fluido de trabalho, em que ocorre queima de combustível nas fronteiras do sistema, e há mudança na composição do fluido de trabalho de uma mistura de ar-combustível para produtos da combustão. São divididos em: motores de ignição por compressão e motores de ignição por centelha. Nos motores de ciclo Diesel, o ar é comprimido em pressões e temperaturas nas quais um combustível, que facilmente entra em ignição, é ignitado espontaneamente quando injetado e queima progressivamente depois da ignição.
Segundo Costa (2007) os motores de ignição por centelha, motores de ciclo Otto, a mistura de ar e combustível gasoso é comprimida até que a temperatura obtida nesta compressão fique ligeiramente abaixo do ponto de ignição da mistura. Esta mistura sob estas condições é então incendiada por uma vela de ignição, em um instante pré-estabelecido por um sistema de controle de ignição.
Segundo Heywood (1988) os MCI podem ser classificados quanto: aplicação (automóveis, caminhões, locomotivas, aviões leves, navios, geração de energia e portáteis),
aspecto básico do motor (motores alternativos subdivididos de acordo com o arranjo de
cilindros: em linha, em V, radial e em oposição e motores rotativos como o wankel e outras geometrias), ciclo de trabalho (ciclo de 4 tempos sendo: aspiração natural (admissão de ar atmosférico), sobrealimentado (admissão de mistura fresca pré-comprimida) e turboalimentado (admissão de mistura fresca comprimida em um compressor acionado por uma turbina de exaustão), ciclo de 2 tempos sendo: sem cárter, sobrealimentado e turboalimentado), combustível (gasolina, óleo combustível (óleo diesel), gás natural, petróleo líquido, álcoois (metanol, etanol), hidrogênio, dual combustível), método de preparação da
mistura (carburação, injeção de combustível na entrada de admissão ou no coletor de
admissão, injeção de combustível no cilindro do motor), método de ignição (ignição por centelha (em motores convencionais onde a mistura é uniforme e em motores de carga estratificada onde a mistura não é uniforme), ignição por compressão (em diesel convencional e em ignição de motores a gás com injeção piloto de óleo combustível), desenho da câmara
de combustão (câmara aberta, câmara dividida), método de controle de carga
(estrangulamento do fluxo de ar e combustível em conjunto sem alteração da composição da mistura; controle do fluxo de combustível apenas ou uma combinação dos dois), método de
resfriamento (arrefecimento por água, refrigerado por ar, não refrigerado exceto por radiação
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Brunetti (2012), Martinelli Junior (2008), Costa (2007), Ferguson (2001), Pulkrabek (1997) e Heywood (1988) afirmam que os MCI, podem ser divididos quanto à propriedade
do gás na admissão: ar (Diesel) e mistura ar-combustível (Otto); quanto ao movimento do pistão: alternativo (Otto e Diesel) e rotativo (Wankel e Quasiturbine); quanto ao ciclo de trabalho (2 e 4 tempos); quanto ao número de cilindros (monocilindros e multicilindros); quanto à disposição dos cilindros (boxer, radial, em linha, em V e etc); quanto a utilização
(estacionários, industriais, veiculares, marítimos, aeronáuticos e etc). Os MCI são classificados também segundo os vários sistemas que os compõem, por exemplo: Admissão de combustível (motores com carburação e motores com injeção).
Ramos (2009) afirma que o MCI tipo alternativo (cilindro-pistão), aproveita o aumento de pressão resultante da combustão da mistura ar-combustível para imprimir um movimento de rotação ao eixo virabrequim. Através do giro do eixo virabrequim, os pistões sobem e descem em diversos cilindros. Para evitar que o motor não pare quando o pistão estiver comprimindo ar nos cilindros, ou para que não tenha um andamento muito irregular, uma extremidade do virabrequim possui um dispositivo chamado de volante de inércia, que tem a função de acumular energia cinética.
Segundo Brunetti (2012) e Ramos (2009) o ponto mais alto que o pistão pode atingir dentro do cilindro chama-se PMS, ponto morto superior, e o ponto mais baixo PMI, ponto morto inferior. A distância percorrida pelo pistão entre estes dois pontos chama-se curso (C). Nos motores alternativos, o raio do eixo virabrequim é igual à metade o curso do pistão. Nestes tipos de motores o diâmetro interno do cilindro é designado por (D) e tem função muito importante no dimensionamento do motor. O curso (C) pode ser maior ou menor do que o diâmetro do cilindro. Mantendo o volume do cilindro, pode-se aumentar o diâmetro e diminuir o curso e vice-versa. Diminuindo o curso, reduz-se a velocidade linear do pistão se o motor mantiver a mesma rotação. Por estas razões há grande interesse em se reduzir o curso, chegando a valores iguais ao diâmetro, os chamados motores quadrados. Por outro lado, quando o diâmetro é menor do que o curso o motor recebe o nome de motor sub-quadrado e quando o diâmetro é maior do que o curso, motor super-quadrado. O inconveniente destes motores é que as perdas por compressão são proporcionais ao perímetro dos pistões e câmaras de combustão de elevado diâmetro não queimam bem e tem elevadas perdas térmicas.
Costa (2007) mostra o esquema de um MCI alternativo, figura 3.14, operando em um ciclo de quatro tempos: admissão, compressão, expansão e exaustão. Os quatro tempos do motor ocorrem dentro do limite do cilindro que está compreendido entre o PMS e o PMI.
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Dentro destes limites, a chamada cilindrada, corresponde ao volume varrido pelo pistão no seu deslocamento do PMS até o PMI.
Figura 3.14- Ilustração do cilindro-pistão de um motor de combustão interna. Fonte: (Costa,
2007).
Segundo Ramos (2009) e Martinelli Junior (2008) quando o pistão desce desde PMS até PMI, ele desloca um volume correspondente a um cilindro cuja base é a sua seção e altura o curso do pistão, chamada de cilindrada. A soma de todos os volumes chama-se cilindrada do motor. Se um motor tiver um número (n) de cilindros de diâmetro (D) e curso (C), sua cilindrada (V) será dada pela equação 1 e é indicada em milímetros cúbicos (mm³).
n C D V 4 2
(1) Onde: V: cilindrada do motor (mm3) D: diâmetro do cilindro (mm) C: curso do pistão (mm)
n: número de cilindros do motor
Ramos (2009) e Martinelli Junior (2008) afirmam que a câmara de combustão de um MCI é o espaço livre localizado acima do pistão, quando este estiver no PMS. Na câmara de combustão, a mistura ar-combustível de um motor a gasolina, será comprimida e após a centelha emitida pela vela haverá combustão e expansão dos gases, movimentando o pistão do motor. O volume da câmara de combustão (vcc) define a razão volumétrica de compressão
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(RC) do motor, quanto menor o volume da câmara de combustão, maior será a RC e maior o rendimento do motor, sendo que este depende também de outros parâmetros como posição de válvulas e geometria dos dutos de admissão de combustível e ar.
Segundo Martinelli Junior (2008) a RC indica quantas vezes a mistura ar-combustível ou apenas ar aspirado, no caso do motor de ciclo Diesel, é comprimida pelo pistão para dentro da câmara de combustão antes que se inicie a combustão. A RC está diretamente ligada ao rendimento térmico do motor, quanto maior a RC, maior será o aproveitamento energético em relação ao combustível consumido. Isto justifica o fato de motores a óleo diesel consumirem menos combustível em relação aos motores à gasolina, pois possuem RC muito superior comparados aos motores à gasolina (ciclo Otto). A RC pode ser expressa pela equação 2.
vcc vcc V
RC (2) Onde:
RC é a razão volumétrica de compressão V é a cilindrada do motor
vcc é o volume da câmara de combustão
Brunetti (2012) e Heywood (1988) afirmam que a maioria dos motores alternativos executa o ciclo quatro tempos. Cada cilindro requer quatro tempos do pistão, em duas revoluções do eixo virabrequim, para completar a sequência de eventos do ciclo e produzir trabalho. Tanto os motores Otto, quanto os motores Diesel usam este ciclo, que é compreendido por:
Admissão: Começa com o pistão no PMS e termina com o pistão no PMI, aspirando uma mistura ar-combustível nos motores de ignição por centelha e apenas ar nos motores de ignição por compressão para dentro do cilindro. Para aumentar a massa aspirada, a válvula de admissão abre um pouco antes do início do ciclo e fecha após o término da admissão;
Compressão: Quando as válvulas de admissão e exaustão estão fechadas, o pistão desloca-se de PMI em direção a PMS, comprimindo a mistura ar-combustível ou apenas ar, para a câmara de combustão, sendo que ao final do tempo de compressão, tem-se início a combustão e aumentando a pressão dentro do cilindro rapidamente; Expansão: Começa com o pistão no PMS e termina com o pistão no PMI, a alta
temperatura e pressão, sendo que os gases de combustão empurram o pistão para baixo, girando o eixo virabrequim. À medida que o pistão se aproxima de PMI, a válvula de exaustão abre para iniciar a exaustão dos gases de combustão. Nos motores
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de ignição por centelha, uma centelha provoca a ignição da mistura e nos motores de ignição por compressão, o combustível é injetado no ar quente iniciando uma combustão espontânea. Estes são os processos que realizam trabalho em um motor; Exaustão: Os gases da combustão são empurrados para fora do cilindro pelo
movimento do pistão de PMI em direção a PMS. À medida que o pistão se aproxima de PMS a válvula de admissão se abre, apenas após a válvula de exaustão fechar e o ciclo recomeça;
Brunetti (2012) afirma que durante o funcionamento de um MCI alternativo, o chamado fluido ativo (mistura ar-combustível na entrada do volume de controle e produtos da combustão na saída), é submetido a uma série de processos físicos e químicos, que se repetem periodicamente dando origem ao ciclo do motor. Este pode ser visualizado através de um diagrama p-V (pressão-volume), traçado através de um aparelho o „indicador de pressões‟.
Heywood (1988) afirma que as primeiras tentativas de análise usaram ciclos ideais volume-constante e pressão-constante como uma aproximação ao processo real. Atualmente a simulação dos processos dos motores é mais sofisticada e precisa. Todos os estudos, dos modelos simples aos mais complexos, demandam modelos para a composição e propriedades do fluido ativo dentro do motor, bem como modelos para cada um dos processos: admissão, compressão, combustão, expansão e exaustão. A composição do fluido ativo nos MCI alternativos, muda durante o ciclo de operação do motor, como é indicada pela tabela III.15.
Tabela III.15- Constituintes do fluido ativo. Fonte: (Heywood, 1988).
Processo MCI-ignição por centelha MCI-ignição por compressão
Admissão Ar, Combustível, Exaustão reciclada, Gás residual.
Ar, Exaustão reciclada, Gás residual.
Compressão Ar, Vapor de combustível, Exaustão reciclada, Gás residual.
Ar, Exaustão reciclada, Gás residual.
Expansão Produtos da combustão (misturas de N2,
H2O, CO2, CO, H2, O2, NO, OH, O, H,
etc)
Produtos da combustão (misturas de N2, H2O, CO2, CO, H2, O2,
NO, OH, O, H, etc)
Exaustão Produtos da combustão (principalmente N2, CO2, H2O, e também O2(ϕ<1) ou
CO e H2(ϕ>1)
Produtos da combustão
(principalmente N2, CO2, H2O e
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De acordo com Heywood (1988) os modelos usados para avaliar as propriedades termodinâmicas das misturas não queimadas e queimadas, podem ser agrupadas em cinco categorias segundo a tabela III.16. A primeira categoria é útil apenas em caráter ilustrativo uma vez que os calores específicos das misturas não queimadas e queimadas são significativamente distintos. Embora o calor específico do fluido ativo aumente com o aumento da temperatura dentro do intervalo de interesse, um modelo de calor específico constante, segunda categoria, pode ser combinado com dados termodinâmicos em uma faixa de temperatura limitada, fornecendo um modelo analítico simples que pode ser útil quando uma precisão grosseira das previsões for suficiente. A terceira, quarta e quinta categoria admitem que os produtos da combustão, durante a combustão e a expansão, estejam próximos do equilíbrio termodinâmico, caracterizando uma condição constante.
Tabela III.16- Categorias dos modelos de propriedades termodinâmicas. Fonte: (Heywood,
1988).
Categorias Mistura não queimada Mistura queimada
1 Gás ideal único em todo ciclo operacional com Cv (portanto Cp)
constante
2 Gás ideal, Cv, constante. Gás ideal, Cv, constante.
3 Mistura constante de gases ideais, Cv,i(T)
Mistura constante de gases ideais, Cv, i(T)
4 Mistura constante de gases ideais, Cp,i(T)
Aproximações ajustadas às propriedades termodinâmicas de equilíbrio
5 Mistura constante de gases ideais, Cv, i(T)
Mistura de gases ideais reativos no equilíbrio termodinâmico
Segundo Brunetti (2012) o modelamento completo de todos os processos envolvidos no ciclo do motor é muito complexo, e para facilitar o entendimento dos fenômenos é usual que simplificações sejam feitas, dentro de hipóteses que os afastam mais ou menos da realidade, mas que permitem aplicações numéricas baseadas na teoria da Termodinâmica. O estudo dos ciclos reais torna-se difícil em virtude da complexidade do fluido ativo, cuja composição varia durante os processos e da complexidade dos próprios processos.
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Brunetti (2012) e Pulkrabek (1997) afirmam que para facilitar e tirar conclusões qualitativas e quantitativas associa-se ao ciclo real um ciclo padrão, dentro de hipóteses simplificadoras, como admitiru que o fluido ativo é ar puro, daí o nome ciclo padrão a ar. As demais hipóteses para uma análise básica seriam:
O ar é um gás perfeito, ideal;
Não há admissão nem escape (não há necessidade de se trocar os gases queimados por mistura nova). Esta hipótese permite a utilização da 1ª Lei da Termodinâmica para sistema em lugar da 1ª Lei da Termodinâmica para volume de controle;
Os processos de compressão são isoentrópicos, ou seja, adiabáticos e reversíveis; A combustão é substituída por um fornecimento de calor ao fluido ativo a partir de
uma fonte quente. Esse fornecimento de calor poderá ser em um processo isocórico, isobárico ou em uma combinação destes, dependendo do ciclo;
Para retornar as condições iniciais, o calor é retirado por uma fonte fria, em um processo isocórico;
Todos os processos são considerados reversíveis;
Giacosa (1970) afirma que em função das hipóteses assumidas para o ciclo ideal, é natural que os valores máximos de temperatura e pressão, bem como o trabalho e rendimento calculados, são mais elevados em comparação aos outros ciclos como, por exemplo, o ciclo real. Assim, o ciclo ideal representa o limite máximo, que teoricamente, o motor pode alcançar e permite um estudo matemático em função das leis dos gases perfeitos. Este ciclo é referenciado como ciclo „indicado‟.
Segundo Heywood (1988) um MCI, não é por definição termodinâmica uma máquina térmica, ele não é um sistema fechado. O fluido ativo não executa um ciclo termodinâmico. As mudanças de temperatura que ocorrem entre a variação de volume mínimo e máximo dentro do cilindro, não são diretamente resultantes das transferências de calor.
Heywood (1988) e Giacosa (1970) afirmam que o modelo ideal do processo de um motor, admite que o fluido ativo seja ar e que o mesmo se comporta como um gás perfeito, sendo que os valores dos calores específicos são constantes e iguais aos valores do ar à pressão e temperatura de 1atm e 25°C. Este modelo pode ser representado por um diagrama p-V, pressão (p) por volume (V), podendo ser dividido em: compressão, combustão, expansão, exaustão e admissão. As premissas que simplificam cada um dos processos são mostrados pela figura 3.15 e descritos pela tabela III.17.
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Figura 3.15- Diagrama p-V, (a) volume constante, (b) a pressão constante, (c) pressão
limitada, (d) volume constante reduzido, (e) volume constante superalimentado. Fonte: (Heywood, 1988).
Tabela III.17- Modelo ideal de processo do motor. Fonte: (Heywood, 1988). Processos Premissas
Compressão (1-2) 1- Adiabático e reversível (isentrópico); Combustão (2-3) 1- Adiabático;
2- A combustão ocorre em: (a) Volume constante; (b) Pressão constante;
(c) Em parte a pressão constante e em parte a volume constante (chamado de pressão limitada);
3- Combustão completa (η=1).
Expansão (3-4) 1- Adiabático e reversível (isentrópico); Exaustão (4-5-6) e
Admissão (6-7-1)
1- Adiabático;
2- Não há alterações no volume do cilindro à medida que as diferenças de pressão entre as válvulas caem a zero;
3- Pressão constante na admissão e na exaustão; 4- Os efeitos da velocidade são desprezados;
Brunetti (2012) afirma que os ciclos reais também podem ser representados em diagrama p-V, traçado por indicadores de pressão em função da variação do ângulo do virabrequim ao longo dos 4 tempos do motor, figura 3.16.
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(a) (b)
Figura 3.16- Diagrama p-V (a) e digrama p-α (b) para motor de ciclo Otto de 4 tempos. Fonte: (Brunetti, 2012).