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;

MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA- 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

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

COMBUSTÃOCombustão 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

•Limites de Inflamabilidade

•Temperatura de ignição ou de inflamação

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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 MisturaUma 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.

MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNAPRINCÍPIOS

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 térmicaA 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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A combustão anormal revela-se de diversas maneiras, os dois fenômenos principais são: a auto-ignição e a superfície de ignição. Estes fenômenos anormais de combustão são preocupantes, pois: quando severos, podem causar graves danos ao motor.

•Combustões Anormais

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Ignição espontânea ou detonação Ocorre a partir de uma porção do "end-gas" – região que contém gases residuais e mistura ar-combustível, 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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TorqueCorresponde 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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PotênciaÉ 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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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 volumeda 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.