Motores de Combustão Interna
Os motores de combustão interna foram concebidos e desenvolvidos no final do século 19 e são considerados uma das mais importantes invenções da humanidade devido à sua aplicação em diversos setores da vida moderna.
Eles competem com os motores elétricos, turbinas a gás e turbinas a vapor em diversas aplicações.
A grande evolução tecnológica ocorrida nos últimos 100 anos foi o aumento da eficiência e a diminuição nas emissões. Atualmente, é possível encontrar motores com 50% de eficiência, sendo as máquinas térmicas mais eficientes encontradas no mercado.
Os motores de combustão interna podem ser classificados de acordo com a Tabela abaixo e podem utilizar combustíveis líquidos ou gasosos.
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Ciclo |
Tempos |
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2 |
4 |
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Otto |
x |
x |
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Diesel |
x |
x |
O ciclo Otto foi desenvolvido por Nikolaus Otto (1832-1891), que inventou o motor com combustão por ignição em 1876.
Normalmente, o motor que utiliza este ciclo emprega um vela para gerar a centelha necessária para iniciar a combustão - SG. No entanto, o papel da vela de ignição pode ser feito por meio de outro combustível piloto. Este tipo de motor, chamado de DF, é bicombustível por ter a capacidade de operar com combustíveis líquidos ou gasosos.
O ciclo Diesel foi desenvolvido por Rudolph Diesel (1858-1913) que criou, em 1897, o motor com combustão por compressão. Quando este motor opera com combustíveis gasosos ele é chamado de Gás Diesel - GD.
Diesel GD Otto DF
Ambos os ciclos podem operar com motores a 2 tempos ou 4 tempos.
O motor de 2 tempos funciona com uma explosão a cada revolução do eixo enquanto o motor de 4 tempos funciona com uma explosão a cada duas voltas do eixo.
Os motores de 2 tempos são menores do que os motores de 4 tempos de mesma potência e velocidade. No entanto, como a admissão de combustível é feita simultaneamente com a exaustão dos gases de combustão, suas emissões são mais elevadas. Por isso, os motores de 2 tempos não são mais utilizados em automóveis.
Contudo, grandes motores de 2 tempos ainda são utilizados na propulsão de navios onde sua baixa rotação é ideal para acoplamento direto com os hélices.
Devido às questões de emissões, os motores de 4 tempos dominam praticamente todo o mercado de geração de energia elétrica. Contudo, motores de 2 tempos ainda podem ser encontrados em geração de energia em regiões onde a questão das emissões ainda não está sendo considerada.
Finalmente, os motores de combustão interna também são classificados de acordo com a velocidade.
| Tipo | Rotação |
| Baixa Rotação | <300 rpm |
| Média Rotação | 300 <> 1000 rpm |
| Alta Rotação | >1000 rpm |
Os motores de baixa rotação são normalmente de 2 tempos e os outros são normalmente de 4 tempos.
O princípio básico de funcionamento dos motores de combustão interna pode ser
visto na Figura abaixo.
Onde:
b- Diâmetro do pistão (Bore);
l - Comprimento da biela ( Connecting rod);
a- raio do virabrequim (crankshaft);
s - Comprimento (Stroke);
Tdc - Ponto Morto Superior (Top Dead center);
Bdc - Ponto Morto Inferior (Bottom Dead Center);
θ - é o ângulo do virabrequim.
As características do motor de combustão interna são determinadas parâmetros termodinâmicos e geométricos.
O Stroke - S - é duas vezes o raio do virabrequim - a.
O Ponto Morto Superior representa a referência zero para o ângulo do virabrequim e, nesta posição, o volume no cilindro atinge seu valor mínimo, denominado de volume de folga ( Clearance Volume - Vc).
O Ponto Morto Inferior representa o ângulo de virabrequim de 180° e o volume máximo do cilindro - V1.
A taxa de compressão - r - é definida como sendo a relação entre o volume máximo e mínimo da seguinte maneira:
É importante observar que a taxa de compressão dos motores é uma relação de volume enquanto nas turbinas a gás a taxa de compressão é uma relação de pressões.
O volume de deslocamento do motor - Vd- é a variação de volume do cilindro vezes o número de cilindros do motor - nc. Este volume é normalmente expresso em litros ou cm3 e está diretamente relacionado com o torque da máquina.
O trabalho realizado pelo pistão é dado pelo produto do volume de deslocamento pela pressão média efetiva do ciclo (mean effective pressure) - Pmep.
Outro parâmetro de projeto importante do motor é a velocidade média do pistão. Como o pistão percorre duas vezes a distância s por volta, a velocidade média será dada por:
A potência do motor será dada pelo produto do torque vezes a velocidade.
Onde nt é o número de tempos do motor as constantes finais são apenas para converter as unidades.
A eficiência do Ciclo Otto depende da taxa de compressão do motor e da relação de calor específico e é dada por;
