CURSO MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA

1. CURSO MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Professor Engº MS Paulo Sérgio AEA- Unip Junho/2009

2. Motor a combustão • Video

3. Máquinas de Leonardo da Vinci (1452-1519) • Máquina voadora

4. Máquinas de Leonardo da Vinci (1452-1519) • Máquina para levantar peso (macaco)

5. Máquinas de Leonardo da Vinci (1452-1519) • Planador

6. Máquinas de Leonardo da Vinci (1452-1519) • Hélice

7. Máquinas de Leonardo da Vinci (1452-1519) • Sistema para andar sob água

8. Máquinas de Thomas Newcomen (1712) • Bomba de drenagem

9. Máquinas de James Watt (1736-1819) • Máquina a vapor

10. Máquinas de James Watt (1736-1819) • Barco a vapor

11. Máquinas de James Watt (1736-1819) • Locomotiva a vapor

12. Máquinas de James Watt (1736-1819) • Controlador centrífugo de rotação (“feedback” )

13. Máquinas de James Watt (1736-1819) • Barco

14. Máquinas de James Watt (1736-1819) • Máquina a vapor

15. Newcomen X Watt • elevar a temperatura do vapor • expansão com resfriamento rápido

16. Horse Power • Como o novo aparelho substituía os cavalos, para dar ao comprador uma idéia de sua capacidade, a potência era expressa pelo número de cavalos que podia substituir. Nasceu desse modo a expressão “Horse Power", que em inglês significa potência de cavalos.

17. HISTÓRICO DO MOTOR DIESEL • Francês Nicolas Leonard S Carnot (1824) • Francês Beau de Rochas (1862) - 4 tempos • Americano Brayton (1872) petróleo bruto • Alemão Nicolas Otto (1876) • Alemão Rodolphe Diesel (1892)

18. Primeiras conquistas • Diesel (1897) 20 HP, 172 RPM, D = 25 mm, s= 400 mm, consumo específico de 247 g/Cvh e rendimento térmico de 26,2%) • valor este, superior aos motores de 4 tempos a gasolina que apresentavam apenas 20% e muito superior ao das máquinas a vapor cujo rendimento térmico era de 10%. • Utilizava injeção de benzina para as primeiras explosões, e petróleo bruto na seqüência.

19. Evolução história do motor a Diesel • L'Orange (1907) - Injeção mecânica direta • Fabricação pela Deutz (1912) • Navios de grande calado (1914-Grande Guerra) • Peugeot, 1921, (automóvel) 2 cilindros potência de 16 C.V a 1200 rpm e sistema de injeção mecânica. Não comercializado. • Veículos pesados (1930) • Mercedes e Peugeot (1945) - Robert Bosch

20. As 4 fases do ciclo Otto 2 tempos • Video • Video

21. As 4 fases do ciclo Otto 4 tempos • Video

22. As 4 fases do ciclo Diesel • Video

23. CICLO CARNOT (TERMODINÂMICA) • Primeiro processo - Compressão isotérmica reversível • Segundo processo - Compressão adiabática reversível • Terceiro processo - Expansão isotérmica reversível • Quarto processo - Expansão adiabática reversível

24. CICLO CARNOT (TERMODINÂMICA)

25. CICLO OTTO (TERMODINÂMICA) • ADMISSÃO: Pistão parte do PMS e vai ao PMI admitindo, com válvula de admissão aberta e com a de escapamento fechada, a mistura ar combustível previamente dosada por um carburador ou por um sistema de injeção • COMPRESSÃO ISOENTRÓPICA (1-2): O pistão parte do PMI e vai ao PMS com as válvula de escapamento e a de admissão fechadas comprimindo a mistura • COMBUSTÃO (2-3): Estando o pistão no ponto morto superior (PMS) ocorre a injeção de uma faísca elétrica proveniente da vela de ignição que inicia a queima propriamente dita, aumentando a pressão da mistura fluídica admitida, forçando o pistão para o ponto morto inferior.

26. CICLO OTTO (TERMODINÂMICA) • EXPANSÃO (3-4): O produto pressão vezes área gera uma força atuante na cabeça do pistão que acaba disponibilizando torque e potência. Neste movimento, ambas as válvulas permanecem fechadas. • ESCAPAMENTO (4-1): O pistão parte do PMI volta ao PMS com a válvula de escapamento aberta lançando os gases queimados para a atmosfera e

27. Diagramas do ciclo Otto Diagrama temperatura X volume específico Diagrama pressão X volume específico

28. CICLO OTTO DE 2 X 4 TEMPOS

29. CICLO DIESEL • Primeira fase - Compressão adiabática (1-2) - O ar puro aspirado do meio ambiente é comprimido até atingir a temperatura de auto ignição do combustível injetado. Nesta fase, a válvula de admissão e de escapamento estão fechadas • Segunda fase - Expansão isobárica (2-3) - Devido a expansão, a pressão deveria diminuir, porém nesta fase, o combustível é injetado e a combustão ocorre elevando a pressão. Estes dois fatos são controlados de tal sorte que a expansão resultante se dá a pressão constante. Nesta fase, a válvula de admissão e a de escapamento está fechada • Terceira fase - Expansão adiabática (3–4) - A expansão prossegue sem “nenhuma” troca de calor. As válvulas permanecem fechadas. • Quarta fase- Expansão a volume constante (4–1) - A abertura repentina da válvula de escapamento produz uma queda muito rápida da pressão e no final desta fase o pistão encontra-se no ponto morto inferior.

30. Diagramas do ciclo diesel temperatura x entropia pressão X volume específico

31. DIFERENÇAS ENTRE O CICLOOTTO E O CICLO DIESEL • Sob o ponto de vista mecânico: Não existem grandes diferenças entre esses dois tipos de motores. excetuado a resistência mecânica dos componentes que é bem maior nos motores a Diesel pois estão expostos a maiores esforços • Sob o ponto de vista termodinâmico: • Ciclo Otto: a mistura é introduzida na fase de admissão na correta proporção ar combustível x admissão somente de ar • Ciclo Otto, o início da combustão se dá pela injeção de uma faísca de alta tensão lançada pela vela de ignição, x injeção do combustível finamente pulverizado • Ciclo Otto: Taxa de compressão varia de 8 a 12 X 14 a 23 • Ciclo Otto :Mais leve que o Diesel para uma mesma potência, • Ciclo Otto: Maiores rotação que o Diesel .A introdução do combustível no final da compressão, não disponibiliza tempo suficiente para a ocorrência de uma combustão completa

32. MOTORES ROTATIVOS • CICLO BRAYTON • Video

33. Ciclo Brayton processos termodinâmicos • Compressão Isoentrópica (1-2) pressão volume especifico temperatura x entropia • Expansão isobárica (2-3) • Expansão isentrópica (3-4) • Compressão isobárica (4-1)

34. Rotativo X AlternativoAspectos termodinâmicos • Contínua produção de potência, X alternância entre tempos motor e tempo não motor • Turbina a gás: elevado consumo de combustível • Turbina a gás: elevada potência com baixo peso de equipamento

35. Rotativo X Alternativo Aspectos Mecânicos Vantagens • Poucos mancais de apoio a serem lubrificados • Poucas peças móveis • Menores dimensões do que as de um motor a pistão de igual potência • Pouca vibração permitindo trabalhar em rotações elevadas algo em torno de 10000 rpm. Desvantagens • Partida demorada • Variação lenta de rotação • Não funciona bem em baixas rotações • Custo e consumo de combustível elevado

36. Rotativo Curiosidades • Turbina aciona o compressor, acessórios, hélice (motor turbo hélice) e fans (motores turbo fan). Cerca de 1/4 energia cinética contida nos gases de escapamento é utilizada para acionar o compressor • As palhetas estão sujeitas a elevadas tensões térmicas e mecânicas sendo construídas com materiais muito nobres. Podem ser ocas possibilitando a refrigeração por parte do ar desviado do compressor. • A área formada pelos bocais do estator é a parte mais critica em uma turbina. Se for grande a turbina não funcionará com boa eficiência, e se pequena os bocais ficam facilmente bloqueados e haverá perda de tração nas condições máximas de operação do motor. • A saída dos gases de escapamento no motor a reação é de muita importância para a melhor performance do motor, especialmente no motor turbo jato, em que a velocidade dos mesmos é uma variável importante no valor do empuxo produzido.

37. Rotativo Curiosidades • A temperatura dos gases que chegam ao sistema de escapamento varia entre 550º C a 850º C conforme o tipo de motor. Os motores turbo hélice e turbofan são os que têm temperaturas mais baixas nos gases de escapamento. Nos motores com queimador posterior (afterburner), a temperatura dos gases chega a atingir valores superiores a 1.200º C. • Um motor equipado com duto do tipo convergente-divergente produz mais empuxo do que o mesmo motor com duto somente convergente, pois o primeiro consegue lançar os gases de escapamento na atmosfera a maiores velocidades. • As fontes principais de ruído dos motores a jato são: admissão de ar; turbilhonamento do ar no compressor e a saída dos gases de escapamento, sendo este o de maior efeito. Os níveis de ruído acima de 120 dB são responsáveis por danos físicos nos homens.

38. Rotativo Curiosidades • Sistema de reversão dos gases de escapamento, o que significa inversão do seu sentido de escoamento. • Nos motores turbo hélice a reversão é conseguida pela mudança do passo da hélice, mudando o sentido da tração ou então pelo sistema de colocar a hélice em passo chato ou passo de tração nula que aumenta o arrasto do avião. • As conchas defletoras são comandadas por meio de atuadores pneumáticos. Quando as conchas defletoras são abertas, os gases saem por aberturas que os dirigem num ângulo de 45 graus em relação a direção normal de saída. O melhor sentido seria para frente, porem o gás de escapamento seria sugado pelo motor, o que causaria transtornos na operação do mesmo. O empuxo do sistema reversor vale aproximadamente a metade do empuxo normal.

39. Rotativo Curiosidades • O sistema de supressão de ruído nos motores a reação utiliza diferentes sistemas de amortecimento, todos com finalidade de reduzir o volume sonoro dos gases. Uma das técnicas é misturar parte do ar desviado do compressor com os gases queimados. O supressor de ruído tem a função de acelerar a mistura do ar com os gases queimados para reduzir o nível de ruído. • No início do desenvolvimento dos aviões a jato, utilizou-se pára-quedas que se abriam tão logo o avião tocasse no solo, fazendo assim com que a resistência ao avanço aumentasse e a distância de aterrissagem ficasse reduzida. • Os métodos de mudança de direção do fluxo de gases, para produzirem a reversão são vários, sendo o mais usado o que utiliza ejetor retrátil, com conchas defletoras e o tipo conchas defletoras articuláveis.

40. MOTOR WANKEL • Video

41. Wankel Características • Metade do tamanho e ¾ do peso de um motor convencional equivalente. 60% menos peças. Para se ter uma idéia, um motor tradicional de seis cilindros tem mais de 250 componentes, já um Wankel bi-rotor tem cerca de 80 • Baixíssimos níveis de vibração, a baixa relação peso-potência, altas rotações, a curva de torque constante , baixas emissões de óxidos de nitrogênio (NOx) • Difícil hermeticidade do pistão • Consumo de combustível mais elevado 10 a 20% a mais • Maiores taxas de emissão de poluentes, principalmente monóxido de carbono (CO) • Outra dificuldade é relativa a dificuldade de arrefecimento, tanto da carcaça epitrocóide quanto do próprio rotor • As carburação e a ignição, especialmente no sentido de se obter uma marcha lenta uniforme e uma emissão mínima de gases não queimados

42. Wankel Características • Elevado consumo de óleo. Mistura do óleo no combustível, 0,5 litro a 1 litro cada 1000 km acaba gerando uma lubrificação desperdiçada, tal como ocorre nos motores convencionais de dois tempos, além do grande volume da sua câmara de combustão também tende a causar ineficiência termodinâmica, uma vez que a vela de ignição geralmente está em um dos extremos dessa câmara. A Mazda contorna esse problema com o uso de duas ou até três velas de ignição • Dificuldade de partida em clima frio • Pouco torque em baixas rotações

43. Motor Wankel

44. Caso de sucesso • 1993, Mazda HR-X2 • motor de 654 x 2 cm³ com um sistema avançado de injeção direta de hidrogênio (a admissão é apenas de ar). • Potência máxima de 130 C.V. a 6.000 rpm e torque máximo de 170 Nm a 4.000 rpm. Autonomia de 230 km por abastecimento, (velocidade média de 60 km/h)

45. 1964 - NSU Spider 1967 - Mazda Cosmo Sport l l OS 1968 - NSU Ro8O 1969 - Mercedes-Benz Cl l l - protótipo 1970 - Mazda RX 1970 - Citroen M35 - protótipo 1970 - BSA - motocicleta protótipo 1970 - DKW - motocicleta 1972 - Chevrolet Corvefte - protótipo PRINCIPAIS VEÍCULOS EQUIPADOS COM WANKEL

46. 1972 - Yamaha - motocicleta protótipo 1972 - DKW - motocicleta 1973 - Datsun 1200 - protótipo 1973 - Audi 3 - protótipo 1973 - Citroen GS 1973 - Suzuki RE5 - Motocicleta 1978 - Mazda RX-7 1983 - Norton RC588 - motocicleta 1989 - Mazda RX-7 Bi turbo 1991 - Lada - veículo policial 1991 - Mazda 787B Le Mans - carro de competição PRINCIPAIS VEÍCULOS EQUIPADOS COM WANKEL

47. Posições do Pistão

48. Cilindrada unitária

49. Cilindrada do motor

50. Relação de compressão ou taxa de compressão