Funcionamento dos Motores a Combustão Interna

O potencial de energia do petróleo é muito elevado. A energia nele concentrada pode liberar-se instantaneamente como na pólvora, produzindo uma explosão, com grande efeito mecânico.

Para que isso aconteça é necessário que ele seja queimado em uma mistura apropriada com certa porcentagem de oxigênio.

Idealizou-se, então, um sistema carburador, isto é um sistema para pulverizar o combustível líquido, ou melhor, transformá-lo em uma mistura de gotículas com o ar, a qual é introduzida diretamente num cilindro, onde será comprimida e receberá uma faísca elétrica, que produz a combustão explosiva.

A explosão impele o êmbolo ou o pistão, o qual no fim de seu curso, abre a válvula de escape, eliminando os gases e retorna à situação inicial para a admissão de nova carga de ar e combustível.

A gasolina é uma mistura de compostos formados essencialmente de átomos de carbono (C) e hidrogênio (H). O composto principal é o isooctano, cuja estrutura é representada pela estrutura ao lado.

Fonte: www.eciencia.usp.br

Funcionamento dos Motores a Combustão Interna

As máquinas térmicas são aquelas máquinas que transformam a energia química dos hidrocarbonetos em energia térmica. Mas os motores de combustão interna, de um modo específico, transformam a energia térmica em energia mecânica.

Eles podem ser classificados segundo seus ciclos de operação: ciclo Otto, para os que utilizam álcool e gasolina; e ciclo Diesel para motores movidos a óleo diesel. Os carros movidos a Gás Natural Veicular (GNV) podem operar nos dois ciclos, entretanto são mais usuais para os motores Otto.

Os Motores de combustão interna podem se dividir, também, em motores de dois tempos e motores de quatro tempos. Os motores dois tempos caíram em desuso por serem mais poluentes.

3.2 – Componentes de um motor de combustão interna

Para entender como o motor funciona é preciso conhecer suas partes integrantes. Os capítulos anteriores deram subsídio a este tópico, uma vez que muitos elementos dos motores transformam movimentos de translação em movimentos de rotação, ou movimentos de rotação em movimentos de translação (movimentos alternados).

A figura abaixo mostra um esquema mais simplificado dos acionamentos de um motor de combustão interna.

Figura 02 – acionamentos dos pistões e das válvulas

O princípio de funcionamento dos motores é o mesmo, embora haja variações quanto às disposições de seus acionamentos, ou seja, muitos motores vêm com a árvore de comando de válvulas atuando diretamente sobre elas, ao invés de usar balancins e hastes (como na figura acima); outros motores mais modernos não possuem carburador, mas um sistema de injeção eletrônica de combustível; etc.

3.3 – Motor Quatro Tempos

Os motores de quatro tempos funcionam segundo o esquema mostrado pelas figuras abaixo:

Figura 03 – esquema de um motor quatro tempos

1º Tempo – Admissão

Durante o 1º tempo, ou seja, a admissão, a válvula de admissão se abre, e a mistura ar-combustível entra na câmara de combustão enquanto ela se expande, indo do ponto morto superior (PMS) ao ponto morto inferior (PMI). A árvore de manivela gira 180º.

Nota: No PMS, a câmara de combustão, formada pelo pistão e sua camisa, possui o menor volume. No PMI ela possui o seu maior volume. Portanto, a taxa de compressão de um motor é a razão entre os volumes no PMI e no PMS. Para um motor a gasolina ela é em torno de 10:1 e para os motores a álcool ela é de 14:1. Em outras palavras, o álcool sofre uma compressão maior que a gasolina, durante o momento da compressão. O óleo diesel sofre uma compressão ainda maior, 20:1.

2º Tempo – Compressão

Neste instante a válvula de admissão se fecha, vedando a câmara de combustão, e o êmbolo desloca-se do PMI para o PMS, comprimindo a mistura ar-combustível. A pressão de compressão varia de 60 a 80 kgf/cm² e a temperatura aumenta.

3º Tempo – Trabalho (expansão)

Neste instante, a vela solta uma centelha inflamando a mistura, produzindo uma onda de calor muito forte, aumentando a pressão e fazendo retornar o cilindro para o PMI: é a realização do trabalho. As duas válvulas estão fechadas.

4º Tempo – Escapamento

Neste instante, a válvula de escapamento se abre, enquanto o êmbolo vai do PMI para o PMS, expulsando os gases da combustão. Com isto completa-se um ciclo.

3.4 – Ciclo Otto teórico

O ciclo Otto compreende duas transformações adiabáticas e duas isotérmicas, como mostra o diagrama abaixo:

Figura 04 – Dagrama ciclo Otto

 

A-B – compressão adiabática (sem troca de calor)

B-C – ignição (isotérmica)

C-D – expansão (adiabática): realizando trabalho

D-A – expansão (abertura da válvula de escapamento- isotérmica)

A linha horizontal da esquerda para a direita é admissão, caso contrário, escapamento dos gases.

3.5 – Ciclo Diesel

O chamado motor de ciclo Diesel foi criado por um alemão com esse sobrenome, Jean. Rudolf Diesel, que conseguiu patentear seu projeto em 22 de fevereiro de 1893, mas a apresentação oficial do motor só ocorreu em 1898. Desenvolvia apenas 10 cv de potência e logo passou a ser fabricado em toda a Alemanha. Suas primeiras aplicações foram em fábricas geradoras de energia.

Os motores do ciclo Diesel de 4 tempos são utilizados em menor escala no automobilismo, do que os de ciclo Otto. O ciclo Diesel tem maior emprego nos motores de grandes  potências e dimensões como: embarcações marítimas, locomotivas, caminhões, geradores, etc.

Quanto ao regime de funcionamento eles podem ser classificados como:

Diesel Lento – trabalham a uma rotação de 400 a 800 RPM. Estes motores por possuírem grandes dimensões são empregados onde a relação peso potência, não é importante, como nas embarcações marítimas, motores estacionários, etc. O combustível utilizado é o do tipo A.P.F..

Diesel normal – São os motores cujas rotações de trabalho variam de 800 a 2000 RPM.

Diesel veloz – Motores de rotações maiores que 2000 RPM. Este tipo de motor vem sendo ultimamente muito utilizado nos automóveis de passeio.

Os motores do ciclo diesel, são alimentados por meio de injeções diretas que podem ser por por injeção mecânica, utilizando bombas mecânicas para injetar o combustível na câmara de combustão. Estas bombas podem ser unitárias por motor ou múltiplas, onde cada cilindro ou conjunto de cilindros possui uma bomba independente. A injeção eletrônica torna mais eficiente o controle da injeção de combustível, cuja quantidade depende da rotação e do torque em cada instante de funcionamento do motor.

Pela elevada taxa de compressão e pelas características do combustível, o motor a diesel obtém rendimento muito elevado, o que se reflete no seu baixo consumo. Entretanto, a alta taxa de compressão exige que seus componentes sejam mais reforçados – daí seu maior peso e menor potência que um motor do ciclo Otto de tamanho equivalente. O nível de ruído e vibrações também é mais elevado, embora este inconveniente venha se reduzindo bastante nos projetos mais modernos.

Os motores a diesel representam grande economia, pois consomem menos (percorrem mais quilômetros com um litro) e o combustível é sensivelmente mais barato que o álcool ou a gasolina. Também são mais duráveis e têm manutenção simplificada.

3.5.1 – Fases dos motores do ciclo Diesel de 4 tempos

As fases dos motores do ciclo Diesel, como princípio de funcionamento, são semelhantes ao do ciclo Otto. Os tempos ou fases são:

1º Tempo : Aspiração

Na fase de aspiração o pistão desloca do ponto morto superior, PMS, ao ponto  morto inferior, PMI, aspirando o ar (e não a mistura ar-combustível) através da válvula de aspiração.

2 º Tempo: Compressão

Nesta fase o pistão desloca do PMI ao PMS. No início do deslocamento a válvula de aspiração se fecha e o pistão começa a comprimir o ar na câmara de combustão. O ar quando sujeito a esta compressão sofre um aumento de temperatura que será tanto maior quanto for a percentagem comprimida (taxa de compressão).

3º Tempo: Combustão (expansão)

Um pouco antes de o pistão atingir o PMS, o ar comprimido atinge uma pressão de 65 a 130 kgf/cm2; e uma temperatura de 600 a 800ºC. Por meio do injetor, o combustível é fortemente comprimido e pulverizado para o interior da câmara. Este combustível ao encontrar o ar, que se encontra na pressão e temperatura supra-citados incendeia-se espontaneamente, empurrando energeticamente o pistão em direção ao PMI.

4º Tempo : Descarga

Um pouco antes do pistão atingir o PMI, de onde iniciará o quarto tempo, a válvula de descarga se abre, permitindo a saída de uma parte dos gases de combustão que se encontram em alta pressão. Ao deslocar para o PMS expulsa o resto dos gases.

A figura abaixo representa os quatro tempos de um motor do ciclo Diesel.

Figura 05 – Tempos do ciclo Diesel

Para melhor ilustrar essa diferença, a tabela abaixo faz um paralelo do funcionamento dos motores nos quatro tempos de funcionamento:

Ciclos de funcionamento	Ciclo Otto (gasolina ou álcool)	Ciclo Diesel
1 – admissão	aspiração da mistura ar-combustível	aspiração e enchimento dos cilindros apenas com ar
2 – compressão	compressão da mistura numa taxa em torno de 9:1 (gasolina) ou 14:1 (álcool)	compressão do ar puro, numa taxa acima de 20:1
3 – combustão	ignição por centelha da vela e explosão da mistura	injeção de óleo diesel; auto-inflamação pelo calor da compressão; combustão à medida que é injetado
4 – escapamento	saída dos gases queimados	saída dos gases queimados

3.5.2 – Ciclo Teórico Diesel

O ciclo Diesel é composto de duas transformações adiabáticas alternadas, uma isobárica e outra isotérmica, como mosta o diagrama abaixo.

Figura 05 – Dagrama ciclo Diesel

 

E-F: compressão adiabática do ar (injeção de óleo e auto-ignição).

F-G: expansão isobárica: início da combustão.

G-H: expansão adiabática.

H-E: escapamento – isotérmica (abertura da válvula de escapamento).

A linha horizontal da esquerda para a direita é admissão, caso contrário, escapamento dos gases.

No ciclo diesel, a combustão é mais lenta do que no motor a gasolina e o trabalho motor é realizado em duas etapas: na transformação FG (isobárica) e na transformação GH (adiabática). Para o ciclo Diesel, a taxa de compressão varia de 15 a 20.

O trabalho útil realizado pelo sistema é igual à diferença entre o trabalho fornecido pelo sistema e o trabalho absorvido. É a diferença entre a área sob o gráfico da linha FGH e a área sob o gráfico da linha EF.  Ou seja é área corresponde a linha poligonal EFGH.

O rendimento térmico de um ciclo Diesel é dado por

 

Onde:

r = v1 / v2

f = v3 / v2, onde v3 corresponde a abscissa do ponto G, na figura 05.

K = Cp / Cv

Os calores específicos são à pressão constante Cp e ao volume constante Cv

3.5.3 – Diferenças entre ciclo Real e Teórico

Os principais fatores responsáveis pela diferença entre o ciclo real e o teórico são:

a) Perdas por bombeamento: No ciclo teórico a aspiração e descarga são feitas à pressão constante, enquanto que no  ciclo real isto não acontece.

b) Perdas pela combustão não instantânea: No ciclo teórico o calor é introduzido instantaneamente e a pressão constante enquanto que no real isto não ocorre.

c) Perdas pela dissociação do combustível: No ciclo teórico não existe dissociação do combustível, enquanto que no real ele se dissocia em elementos tais como CO2, H2, O ,CO e outros compostos, absorvendo calor.

d) Perdas devido à abertura antecipada da válvula de descarga: Na teoria a abertura da válvula de descarga é considerada instantânea, enquanto que no real ela se abre antes do pistão atingir  PMI.

e) Perdas de calor: Na teoria, as perdas de calor são nulas enquanto que no real elas são sensíveis, devido à necessidade de refrigeração dos cilindros.

f) Perdas devido à variação dos calores específicos do fluido: Os calores específicos, a pressão constante Cp e o volume constante Cv de um gás real aumentam com a Temperatura mas a sua diferença é sempre constante, isto é Cp-Cv=R. Porém a relação K=Cp/Cv diminui com o aumento da temperatura. Portanto o valor da pressão e temperatura máxima obtida no ciclo é inferior à obtida quando os calores específicos são constantes com a variação da temperatura.

A – Injeção

B – Perdas devido ao retardo da combustão

C –  Perdas devido  a dissociação do combustível

D –  Perdas devido à combustão não instantânea

E – Perdas devido à troca de calor com o meio ambiente

F – Abertura da válvula de descarga

G – Perdas devido à abertura antecipada da válvula de descarga

H  – Perdas por bombeamento

3.6 – Motor de partida

Deve-se lembrar que para se iniciarem os ciclos de combustão, os motores precisam de uma energia auxiliar para começarem a girar os eixos que acionam os pistões e as válvulas de admissão e escapamento. Isto se consegue através de um motor elétrico de corrente contínua, de alta amperagem, de alta potência em relação ao seu tamanho: é o motor de partida que usa a energia acumulada na bateria.

Conjunto Moto-Gerador

O objetivo deste capítulo foi mostrar os ciclos operacionais mais comuns, utilizados pela indústria, na transformação de energia. O motor de combustão interna ao transformar a energia química dos hidrocarbonetos em energia mecânica entrega ao restante do sistema rotação e torque. Daí para frente esta energia é convertida em outras formas. De um modo mais específico, os geradores, acoplados a motores diesel, transformam aquela energia mecânica em energia elétrica para posterior utilização. Isto é muito comum onde a energia elétrica não está presente, como acontece na área de petróleo, durante a perfuração de poços on-shore e off-shore; durante a operação das plataformas de produção off-shore; em sistemas de emergência (em hospitais, por exemplo) durante os momentos em que há falta energia elétrica, seja por que razão for.

É importante lembrar que toda vez em que ocorre uma transformação de energia, sempre há perdas. Portanto, quanto menor for essa quantidade de transformações entre a fonte produtora e a fonte consumidora, mais energia ter-se-á à disposição da fonte consumidora.

Fonte: ftp.cefetes.br