Motor de combustão interna - Internal combustion engine

Diagrama de um cilindro, conforme encontrado em motores a gasolina de 4 tempos de came superior:
Diagrama que descreve o ciclo de combustão ideal por Carnot

Um motor de combustão interna ( ICE ) é um motor térmico em que a combustão de um combustível ocorre com um oxidante (geralmente ar) em uma câmara de combustão que é parte integrante do circuito de fluxo do fluido de trabalho . Em um motor de combustão interna, a expansão dos gases de alta temperatura e alta pressão produzidos pela combustão aplica força direta a algum componente do motor. A força é aplicada tipicamente a pistões , lâminas de turbina , um rotor ou um bico . Essa força move o componente à distância, transformando energia química em energia cinética útil e é usada para impulsionar, mover ou fornecer energia a qualquer coisa a que o motor esteja conectado. Isso substituiu o motor de combustão externa para aplicações onde o peso ou o tamanho do motor são importantes.

O primeiro motor de combustão interna com sucesso comercial foi criado por Étienne Lenoir por volta de 1860 e o primeiro motor de combustão interna moderno foi criado em 1876 por Nicolaus Otto (ver motor Otto ).

O termo motor de combustão interna geralmente se refere a um motor em que a combustão é intermitente , como os motores de pistão mais familiares de quatro e dois tempos , juntamente com variantes, como o motor de pistão de seis tempos e o motor rotativo Wankel . Uma segunda classe de motores de combustão interna usa combustão contínua: turbinas a gás , motores a jato e a maioria dos motores de foguete , cada um dos quais são motores de combustão interna com o mesmo princípio descrito anteriormente. As armas de fogo também são uma forma de motor de combustão interna, embora sejam de um tipo tão especializado que normalmente são tratadas como uma categoria separada.

Em contraste, em motores de combustão externa , como motores a vapor ou Stirling , a energia é fornecida a um fluido de trabalho que não é constituído de, misturado ou contaminado por produtos de combustão. Os fluidos de trabalho para motores de combustão externa incluem ar, água quente, água pressurizada ou mesmo sódio líquido, aquecido em caldeira .

Os ICEs são geralmente alimentados por combustíveis com alta densidade energética, como gasolina ou óleo diesel , líquidos derivados de combustíveis fósseis . Embora existam muitas aplicações estacionárias, a maioria dos ICEs são usados ​​em aplicações móveis e são a fonte de alimentação dominante para veículos como carros, aeronaves e barcos.

Os ICEs são normalmente alimentados por combustíveis fósseis, como gás natural ou produtos de petróleo , como gasolina , óleo diesel ou óleo combustível . Combustíveis renováveis como o biodiesel são usados ​​em motores de ignição por compressão (CI) e bioetanol ou ETBE (éter etil-terc-butílico) produzido a partir de bioetanol em motores de ignição por centelha (SI). Combustíveis renováveis ​​são comumente misturados com combustíveis fósseis. O hidrogênio , que raramente é usado, pode ser obtido tanto de combustíveis fósseis quanto de energia renovável.

História

Vários cientistas e engenheiros contribuíram para o desenvolvimento de motores de combustão interna. Em 1791, John Barber desenvolveu a turbina a gás . Em 1794, Thomas Mead patenteou um motor a gás . Também em 1794, Robert Street patenteou um motor de combustão interna, que também foi o primeiro a usar combustível líquido , e construiu um motor nessa época. Em 1798, John Stevens construiu o primeiro motor de combustão interna americano. Em 1807, os engenheiros franceses Nicéphore Niépce (que passou a inventar a fotografia ) e Claude Niépce operaram um protótipo de motor de combustão interna, usando explosões de poeira controladas, o Pyréolophore , que foi patenteado por Napoleão Bonaparte . Este motor movia um barco no rio Saône , na França. No mesmo ano, o engenheiro suíço François Isaac de Rivaz inventou um motor de combustão interna à base de hidrogênio e acionou o motor por faísca elétrica. Em 1808, De Rivaz adaptou sua invenção a um veículo de trabalho primitivo - "o primeiro automóvel movido a combustão interna do mundo". Em 1823, Samuel Brown patenteou o primeiro motor de combustão interna a ser aplicado industrialmente.

Em 1854, no Reino Unido, os inventores italianos Eugenio Barsanti e Felice Matteucci obtiveram a certificação: "Obtenção de força motriz pela explosão de gases". Em 1857, o Great Seal Patent Office concedeu-lhes a patente No.1655 para a invenção de um "Aparelho Melhorado para Obter Força Motriz de Gases". Barsanti e Matteucci obtiveram outras patentes para a mesma invenção na França, Bélgica e Piemonte entre 1857 e 1859. Em 1860, o belga Jean Joseph Etienne Lenoir produziu um motor de combustão interna a gás. Em 1864, Nicolaus Otto patenteou o primeiro motor a gás atmosférico. Em 1872, o americano George Brayton inventou o primeiro motor comercial de combustão interna a combustível líquido. Em 1876, Nicolaus Otto , trabalhando com Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach , patenteou o motor de quatro tempos de carga comprimida. Em 1879, Karl Benz patenteou um confiável motor a gasolina de dois tempos . Mais tarde, em 1886, Benz iniciou a primeira produção comercial de veículos motorizados com motor de combustão interna, no qual um motor de três rodas, quatro ciclados e chassis formavam uma única unidade. Em 1892, Rudolf Diesel desenvolveu a primeira carga comprimida, o motor de ignição por compressão. Em 1926, Robert Goddard lançou o primeiro foguete movido a combustível líquido. Em 1939, o Heinkel He 178 tornou-se o primeiro avião a jato do mundo .

Etimologia

Em certa época, a palavra motor (via francês arcaico , do latim ingenium , "habilidade") significava qualquer peça de máquina - um sentido que persiste em expressões como máquina de cerco . Um "motor" (do latim motor , "mover") é qualquer máquina que produz energia mecânica . Tradicionalmente, os motores elétricos não são chamados de "motores"; no entanto, os motores de combustão são freqüentemente chamados de "motores". (Um motor elétrico se refere a uma locomotiva operada por eletricidade.)

Na navegação, um motor de combustão interna instalado no casco é chamado de motor, mas os motores que ficam no gio são chamados de motores.

Formulários

Motor alternativo de um carro
Gerador a diesel para energia de reserva

Os motores de pistão alternativo são, de longe, a fonte de energia mais comum para veículos terrestres e aquáticos , incluindo automóveis , motocicletas , navios e, em menor medida, locomotivas (algumas são elétricas, mas a maioria usa motores diesel). Os motores rotativos do projeto Wankel são usados ​​em alguns automóveis, aeronaves e motocicletas. Estes são conhecidos coletivamente como veículos com motor de combustão interna (ICEV).

Onde altas relações peso-potência são necessárias, os motores de combustão interna aparecem na forma de turbinas de combustão ou motores Wankel. Aeronave motorizada normalmente usa um ICE que pode ser um motor alternativo. Em vez disso, os aviões podem usar motores a jato e os helicópteros podem usar turboshafts ; ambos são tipos de turbinas. Além de fornecer propulsão, os aviões comerciais podem empregar um ICE separado como uma unidade de energia auxiliar . Os motores Wankel são instalados em muitos veículos aéreos não tripulados .

Os ICEs conduzem grandes geradores elétricos que alimentam as redes elétricas. Eles são encontrados na forma de turbinas de combustão com uma potência elétrica típica na faixa de cerca de 100 MW. Usinas de energia de ciclo combinado usam exaustão de alta temperatura para ferver e superaquecer o vapor de água para operar uma turbina a vapor . Assim, a eficiência é maior porque mais energia é extraída do combustível do que poderia ser extraída apenas pelo motor de combustão. As usinas de energia de ciclo combinado alcançam eficiências na faixa de 50% a 60%. Em uma escala menor, motores estacionários como motores a gasolina ou geradores a diesel são usados ​​para backup ou para fornecer energia elétrica a áreas não conectadas a uma rede elétrica .

Os motores pequenos (normalmente dois tempos motores a gasolina / gasolina) são uma fonte de alimentação comum para os cortadores de relva , máquinas de aparar corda , serras de cadeia , leafblowers , arruelas de pressão , motos de neve , jet-skis , motores fora de borda , ciclomotores , e motocicletas .

Classificação

Existem várias maneiras possíveis de classificar os motores de combustão interna.

Recíproco

Por número de golpes:

Por tipo de ignição:

Por ciclo mecânico / termodinâmico (esses 2 ciclos não abrangem todos os motores alternativos e são raramente usados):

Rotativo

Combustão contínua

  • Motor de turbina a gás
    • Turbojato , através de um bocal de propulsão
    • Turbofan , através de um duto-ventilador
    • Turboélice , através de uma hélice sem duto, geralmente com passo variável
    • Turboshaft , uma turbina a gás otimizada para produzir torque mecânico em vez de empuxo
  • Ramjet , semelhante a um turbojato, mas usa a velocidade do veículo para comprimir (bater) o ar em vez de um compressor.
  • Scramjet , uma variante do ramjet que usa combustão supersônica.
  • Motor de foguete

Motores recíprocos

Estrutura

Bloco de cilindros desencapado de um motor V8
Pistão, anel de pistão, pino de encaixe e biela

A base de um motor de combustão interna alternativo é o bloco do motor , que normalmente é feito de ferro fundido (devido à sua boa resistência ao desgaste e baixo custo) ou alumínio . Neste último caso, as camisas dos cilindros são feitas de ferro fundido ou aço, ou um revestimento como nikasil ou alusil . O bloco do motor contém os cilindros . Em motores com mais de um cilindro, eles são geralmente dispostos em 1 linha ( motor em linha reta ) ou 2 linhas ( motor boxer ou motor em V ); 3 filas são usadas ocasionalmente ( motor W ) em motores contemporâneos, e outras configurações de motor são possíveis e têm sido usadas. Motores monocilíndricos são comuns em motocicletas e em pequenos motores de máquinas. No lado externo do cilindro, as passagens que contêm fluido de resfriamento são injetadas no bloco do motor, ao passo que, em alguns motores de serviço pesado, as passagens são os tipos de luvas de cilindro removíveis que podem ser substituídas. Os motores resfriados a água contêm passagens no bloco do motor onde o fluido de resfriamento circula (a camisa d'água ). Alguns motores pequenos são resfriados a ar e, em vez de ter uma camisa de água, o bloco de cilindros tem aletas projetando-se para fora dele para resfriar, transferindo calor diretamente para o ar. As paredes do cilindro geralmente são acabadas com brunimento para obter uma hachura , que é mais capaz de reter o óleo. Uma superfície muito áspera prejudicaria rapidamente o motor pelo desgaste excessivo do pistão.

Os pistões são peças cilíndricas curtas que vedam uma extremidade do cilindro da alta pressão do ar comprimido e dos produtos de combustão e deslizam continuamente dentro dele enquanto o motor está em operação. Em motores menores, os pistões são feitos de alumínio, enquanto são feitos de ferro fundido em motores maiores. A parede superior do pistão é chamada de coroa e é normalmente plana ou côncava. Alguns motores de dois tempos usam pistões com cabeça defletora . Os pistões são abertos na parte inferior e ocos, exceto por uma estrutura de reforço integral (a alma do pistão). Quando um motor está funcionando, a pressão do gás na câmara de combustão exerce uma força sobre a coroa do pistão, que é transferida através de sua rede para um pino de encaixe . Cada pistão tem anéis colocados em torno de sua circunferência que evitam principalmente que os gases vazem para o cárter ou o óleo para a câmara de combustão. Um sistema de ventilação conduz a pequena quantidade de gás que escapa pelos pistões durante a operação normal (os gases blow-by) para fora do cárter para que não se acumule, contaminando o óleo e criando corrosão. Nos motores a gasolina de dois tempos, o cárter faz parte do percurso ar-combustível e, devido ao fluxo contínuo dele, eles não precisam de um sistema de ventilação do cárter separado.

Trem de válvulas acima de uma cabeça de cilindro de motor diesel. Este motor usa balancins, mas sem pushrods.

A cabeça do cilindro é presa ao bloco do motor por vários parafusos ou prisioneiros . Possui várias funções. A cabeça do cilindro veda os cilindros do lado oposto aos pistões; ele contém dutos curtos (as portas ) para admissão e exaustão e as válvulas de admissão associadas que se abrem para permitir que o cilindro seja preenchido com ar fresco e válvulas de exaustão que se abrem para permitir que os gases de combustão escapem. No entanto, os motores eliminados do cárter de 2 tempos conectam as portas de gás diretamente à parede do cilindro, sem válvulas de gatilho; o pistão controla sua abertura e oclusão. A cabeça do cilindro também contém a vela de ignição no caso de motores de ignição por centelha e o injetor para motores que usam injeção direta. Todos os motores CI usam injeção de combustível, geralmente injeção direta, mas alguns motores usam injeção indireta . Os motores SI podem usar um carburador ou injeção de combustível como porta de injeção ou injeção direta . A maioria dos motores SI tem uma única vela de ignição por cilindro, mas alguns têm 2 . Uma junta do cabeçote evita que o gás vaze entre o cabeçote do cilindro e o bloco do motor. A abertura e o fechamento das válvulas são controlados por um ou vários eixos de comando e molas - ou em alguns motores - um mecanismo desmodrômico que não usa molas. A árvore de cames pode pressionar diretamente a haste da válvula ou pode atuar sobre um balancim , novamente, diretamente ou por meio de uma haste .

Bloco do motor visto de baixo. Os cilindros, bico de pulverização de óleo e metade dos rolamentos principais são claramente visíveis.

O cárter é vedado na parte inferior com um reservatório que coleta o óleo que cai durante a operação normal para ser ciclado novamente. A cavidade criada entre o bloco de cilindros e o reservatório abriga um virabrequim que converte o movimento alternativo dos pistões em movimento de rotação. O virabrequim é mantido no lugar em relação ao bloco do motor por rolamentos principais , que permitem sua rotação. Anteparos no cárter formam a metade de cada rolamento principal; a outra metade é uma tampa destacável. Em alguns casos, uma única plataforma de rolamento principal é usada em vez de várias tampas menores. Uma haste de ligação está ligado a compensar secções da cambota (os crankpins ) em uma das extremidades e para o pistão na outra extremidade por meio da cavilha e, assim, transfere a força e traduz o movimento de vaivém dos pistões para o movimento circular do veio de manivelas . A extremidade da biela presa ao pino do gobião é chamada de extremidade menor, e a outra extremidade, onde é conectada ao virabrequim, de extremidade grande. A extremidade grande tem uma metade destacável para permitir a montagem ao redor do virabrequim. Ele é mantido junto à biela por parafusos removíveis.

A cabeça do cilindro tem um coletor de admissão e um coletor de escape conectado às portas correspondentes. O coletor de admissão se conecta diretamente ao filtro de ar ou a um carburador, quando houver, que é conectado ao filtro de ar . Ele distribui o ar que entra desses dispositivos para os cilindros individuais. O coletor de escapamento é o primeiro componente do sistema de escapamento . Ele coleta os gases de exaustão dos cilindros e os direciona para o próximo componente do caminho. O sistema de exaustão de um ICE também pode incluir um conversor catalítico e silencioso . A seção final no caminho dos gases de escapamento é o tubo de escape .

Motores 4 tempos

Diagrama mostrando a operação de um motor SI de 4 tempos. Etiquetas:
1 - Indução
2 - Compressão
3 - Força
4 - Escape

O ponto morto superior (TDC) de um pistão é a posição mais próxima das válvulas; O ponto morto inferior (BDC) é a posição oposta onde está mais distante deles. Um curso é o movimento de um pistão do TDC para o BDC ou vice-versa, junto com o processo associado. Enquanto um motor está em operação, o virabrequim gira continuamente a uma velocidade quase constante . Em um ICE de 4 tempos, cada pistão experimenta 2 cursos por rotação do virabrequim na seguinte ordem. Iniciando a descrição no TDC, são:

  1. Admissão , indução ou sucção : As válvulas de admissão são abertas como resultado da pressão do ressalto na haste da válvula. O pistão se move para baixo aumentando o volume da câmara de combustão e permitindo a entrada de ar no caso de um motor CI ou de uma mistura de ar-combustível no caso de motores SI que não usam injeção direta . O ar ou a mistura ar-combustível é chamada de carga em qualquer caso.
  2. Compressão : Neste curso, ambas as válvulas são fechadas e o pistão se move para cima, reduzindo o volume da câmara de combustão que atinge seu mínimo quando o pistão está em TDC. O pistão realiza trabalho na carga à medida que está sendo comprimido; como resultado, sua pressão, temperatura e densidade aumentam; uma aproximação a esse comportamento é fornecida pela lei dos gases ideais . Pouco antes de o pistão atingir o PMS, a ignição começa. No caso de um motor SI, a vela recebe um pulso de alta tensão que gera a faísca que lhe dá o nome e acende a carga. No caso de um motor CI, o injetor de combustível injeta rapidamente o combustível na câmara de combustão como um spray; o combustível inflama devido à alta temperatura.
  3. Força ou curso de trabalho : a pressão dos gases de combustão empurra o pistão para baixo, gerando mais energia cinética do que a necessária para comprimir a carga. Complementarmente ao curso de compressão, os gases de combustão se expandem e, como resultado, sua temperatura, pressão e densidade diminuem. Quando o pistão está próximo ao BDC, a válvula de escape abre. Os gases de combustão se expandem irreversivelmente devido à pressão residual - em excesso da contrapressão , a pressão manométrica na porta de exaustão -; isso é chamado de purga .
  4. Escape : A válvula de escape permanece aberta enquanto o pistão se move para cima, expelindo os gases de combustão. Para motores de aspiração natural, uma pequena parte dos gases de combustão pode permanecer no cilindro durante a operação normal porque o pistão não fecha completamente a câmara de combustão; esses gases se dissolvem na próxima carga. No final desse curso, a válvula de escape se fecha, a válvula de admissão se abre e a sequência se repete no próximo ciclo. A válvula de admissão pode abrir antes que a válvula de escape feche para permitir uma melhor limpeza.

Motores 2 tempos

A característica definidora desse tipo de motor é que cada pistão completa um ciclo a cada revolução do virabrequim. Os 4 processos de aspiração, compressão, potência e escape realizam-se em apenas 2 golpes, pelo que não é possível dedicar um golpe exclusivamente a cada um deles. Começando no TDC, o ciclo consiste em:

  1. Potência : Enquanto o pistão desce, os gases de combustão trabalham nele, como em um motor a 4 tempos. As mesmas considerações termodinâmicas sobre a expansão se aplicam.
  2. Limpeza : Cerca de 75 ° da rotação do virabrequim antes do BDC, a válvula de exaustão ou porta se abre e ocorre a purga. Pouco depois, a válvula de admissão ou porta de transferência se abre. A carga de entrada desloca os gases de combustão restantes para o sistema de exaustão e uma parte da carga pode entrar no sistema de exaustão também. O pistão atinge BDC e inverte a direção. Após o pistão percorrer uma curta distância para cima no cilindro, a válvula de escape ou porta fecha; logo a válvula de admissão ou porta de transferência fecha também.
  3. Compressão : Com a entrada e a exaustão fechadas, o pistão continua se movendo para cima, comprimindo a carga e realizando um trabalho nela. Como no caso de um motor de 4 tempos, a ignição começa pouco antes de o pistão atingir o ponto morto final e a mesma consideração sobre a termodinâmica da compressão na carga.

Enquanto um motor de 4 tempos usa o pistão como uma bomba de deslocamento positivo para realizar a eliminação em 2 dos 4 tempos, um motor de 2 tempos usa a última parte do curso de potência e a primeira parte do curso de compressão para admissão e escapamento combinados . O trabalho necessário para deslocar a carga e os gases de exaustão vem do cárter ou de um soprador separado. Para eliminação, expulsão do gás queimado e entrada de mistura fresca, duas abordagens principais são descritas: Eliminação de loop e eliminação de Uniflow. Notícias SAE publicadas na década de 2010 que 'Loop Scavenging' é melhor em qualquer circunstância do que Uniflow Scavenging.

Cárter eliminado

Diagrama de um motor de 2 tempos recuperado do cárter em operação

Alguns motores SI são eliminados do cárter e não usam válvulas de gatilho. Em vez disso, o cárter e a parte do cilindro abaixo do pistão são usados ​​como bomba. A porta de admissão é conectada ao cárter por meio de uma válvula de palheta ou uma válvula de disco rotativo acionada pelo motor. Para cada cilindro, uma porta de transferência se conecta em uma extremidade ao cárter e na outra extremidade à parede do cilindro. A porta de exaustão é conectada diretamente à parede do cilindro. A porta de transferência e exaustão é aberta e fechada pelo pistão. A válvula reed abre quando a pressão do cárter está ligeiramente abaixo da pressão de admissão, para permitir que seja preenchida com uma nova carga; isso acontece quando o pistão está se movendo para cima. Quando o pistão está se movendo para baixo, a pressão no cárter aumenta e a válvula de palheta fecha imediatamente, então a carga no cárter é comprimida. Quando o pistão está se movendo para cima, ele descobre a porta de escape e a porta de transferência e a pressão mais alta da carga no cárter o faz entrar no cilindro pela porta de transferência, soprando os gases de escapamento. A lubrificação é realizada adicionando óleo de 2 tempos ao combustível em pequenas proporções. Petroil refere-se à mistura da gasolina com o óleo citado. Este tipo de motor de 2 tempos tem uma eficiência menor do que os motores de 4 tempos comparáveis ​​e libera gases de escapamento mais poluentes nas seguintes condições:

  • Eles usam um sistema de lubrificação de perda total : todo o óleo lubrificante é eventualmente queimado junto com o combustível.
  • Existem requisitos conflitantes para a eliminação: por um lado, uma carga nova suficiente precisa ser introduzida em cada ciclo para deslocar quase todos os gases de combustão, mas a introdução em excesso significa que uma parte dela vai para o escapamento.
  • Eles devem usar a (s) porta (s) de transferência como um bico cuidadosamente projetado e colocado de modo que uma corrente de gás seja criada de uma forma que varra todo o cilindro antes de chegar à porta de exaustão para expelir os gases de combustão, mas minimizar a quantidade de carga esgotada. Os motores de 4 tempos têm a vantagem de expulsar à força quase todos os gases de combustão porque durante a exaustão a câmara de combustão é reduzida ao seu volume mínimo. Em motores de 2 tempos com limpeza do cárter, a exaustão e a admissão são realizadas principalmente ao mesmo tempo e com a câmara de combustão em seu volume máximo.

A principal vantagem dos motores de 2 tempos deste tipo é a simplicidade mecânica e uma relação potência / peso mais elevada do que os seus homólogos de 4 tempos. Apesar de ter o dobro de cursos de potência por ciclo, menos de duas vezes a potência de um motor de 4 tempos comparável é possível na prática.

Nos Estados Unidos, os motores de 2 tempos foram proibidos para veículos rodoviários devido à poluição. As motocicletas somente off-road ainda costumam ser de 2 tempos, mas raramente são permitidas nas estradas. No entanto, muitos milhares de motores de manutenção de gramado de 2 tempos estão em uso.

Soprador eliminado

Diagrama de eliminação uniflow

O uso de um soprador separado evita muitas das deficiências da limpeza do cárter, às custas do aumento da complexidade, o que significa um custo mais alto e um aumento na necessidade de manutenção. Um motor deste tipo usa portas ou válvulas para admissão e válvulas para exaustão, exceto motores de pistão oposto , que também podem usar portas para exaustão. O soprador é geralmente do tipo Roots, mas também foram usados ​​outros tipos. Esse design é comum em motores CI e tem sido usado ocasionalmente em motores SI.

Os motores de CI que usam um soprador geralmente usam limpeza uniflow . Neste projeto, a parede do cilindro contém várias portas de entrada colocadas uniformemente espaçadas ao longo da circunferência logo acima da posição que a coroa do pistão atinge quando em BDC. É usada uma válvula de escape ou várias como as dos motores de 4 tempos. A parte final do coletor de admissão é uma manga de ar que alimenta as portas de admissão. As portas de entrada são colocadas em um ângulo horizontal com a parede do cilindro (ou seja: elas estão no plano da coroa do pistão) para dar um redemoinho à carga de entrada para melhorar a combustão. Os maiores CIs alternativos são os motores CI de baixa velocidade deste tipo; eles são usados ​​para propulsão marítima (ver motor diesel marítimo ) ou geração de energia elétrica e alcançam as mais altas eficiências térmicas entre motores de combustão interna de qualquer tipo. Alguns motores de locomotivas diesel-elétricas operam no ciclo de 2 tempos. Os mais potentes deles têm uma potência de frenagem em torno de 4,5  MW ou 6.000  HP . A classe de locomotivas EMD SD90MAC é um exemplo disso. A classe comparável GE AC6000CW, cujo motor principal tem quase a mesma potência de frenagem, usa um motor de 4 tempos.

Um exemplo desse tipo de motor é o Wärtsilä-Sulzer RT-flex96-C turbo Diesel 2 tempos, usado em grandes navios porta-contêineres. É o motor alternativo de combustão interna mais eficiente e potente do mundo, com eficiência térmica superior a 50%. Para efeito de comparação, os motores pequenos de quatro tempos mais eficientes têm cerca de 43% de eficiência térmica (SAE 900648); o tamanho é uma vantagem para a eficiência devido ao aumento na proporção entre o volume e a área de superfície.

Veja os links externos para um vídeo de combustão no cilindro em um motor de motocicleta de 2 tempos opticamente acessível.

Desenho histórico

Dugald Clerk desenvolveu o primeiro motor de dois tempos em 1879. Ele usava um cilindro separado que funcionava como uma bomba para transferir a mistura de combustível para o cilindro.

Em 1899, John Day simplificou o projeto da Clerk no tipo de motor de 2 tempos que é amplamente usado hoje. Os motores de ciclo diurno são eliminados do cárter e cronometrados a bombordo. O cárter e a parte do cilindro abaixo da porta de exaustão são usados ​​como uma bomba. A operação do motor de ciclo diurno começa quando o virabrequim é girado de modo que o pistão se mova do BDC para cima (em direção ao cabeçote) criando um vácuo na área do cárter / cilindro. O carburador então alimenta a mistura de combustível no cárter por meio de uma válvula de palheta ou uma válvula de disco rotativo (acionada pelo motor). Eles são moldados em dutos do cárter para a porta no cilindro para fornecer a admissão e outro da porta de escape para o tubo de escape. A altura da porta em relação ao comprimento do cilindro é chamada de "sincronismo da porta".

No primeiro movimento ascendente do motor, não haveria combustível introduzido no cilindro porque o cárter estava vazio. No curso descendente, o pistão agora comprime a mistura de combustível, que lubrificou o pistão no cilindro e os rolamentos devido à mistura de combustível ter óleo adicionado a ela. Conforme o pistão se move para baixo, primeiro descobre o escapamento, mas no primeiro curso não há combustível queimado para descarregar. Conforme o pistão se move ainda mais para baixo, ele descobre a porta de entrada que tem um duto que segue para o cárter. Como a mistura de combustível no cárter está sob pressão, a mistura se move através do duto e para o cilindro.

Como não há obstrução no cilindro do combustível para se mover diretamente para fora da porta de escapamento antes do pistão subir o suficiente para fechar a porta, os primeiros motores usavam um pistão com cúpula alta para diminuir o fluxo de combustível. Mais tarde, o combustível foi "ressonado" de volta para o cilindro usando um projeto de câmara de expansão. Quando o pistão subiu próximo ao PMS, uma faísca acende o combustível. À medida que o pistão é acionado para baixo com força, ele primeiro descobre a porta de escape onde o combustível queimado é expelido sob alta pressão e, em seguida, a porta de entrada onde o processo foi concluído e continuará se repetindo.

Os motores posteriores usaram um tipo de portabilidade desenvolvido pela empresa Deutz para melhorar o desempenho. Era chamado de sistema de fluxo reverso Schnurle . A DKW licenciou este projeto para todas as suas motocicletas. Seu DKW RT 125 foi um dos primeiros veículos a motor a atingir mais de 100 mpg como resultado.

Ignição

Os motores de combustão interna requerem a ignição da mistura, por ignição por centelha (SI) ou ignição por compressão (CI) . Antes da invenção de métodos elétricos confiáveis, os métodos de tubo quente e chama eram usados. Foram construídos motores experimentais com ignição a laser .

Processo de ignição por faísca

Magneto da Bosch
Pontos e ignição da bobina

O motor de ignição por centelha era um refinamento dos primeiros motores que usavam ignição Hot Tube. Quando a Bosch desenvolveu o magneto, ele se tornou o principal sistema de produção de eletricidade para energizar uma vela de ignição. Muitos motores pequenos ainda usam ignição por magneto. Os motores pequenos são acionados manualmente, usando um motor de arranque de recuo ou manivela. Antes do desenvolvimento de Charles F. Kettering, da Delco, do motor de partida automotivo, todos os automóveis com motor a gasolina usavam uma manivela.

Os motores maiores normalmente alimentam seus motores de partida e sistemas de ignição usando a energia elétrica armazenada em uma bateria de chumbo-ácido . O estado de carga da bateria é mantido por um alternador automotivo ou (anteriormente) um gerador que usa a potência do motor para criar armazenamento de energia elétrica.

A bateria fornece energia elétrica para dar partida quando o motor tem um sistema de motor de partida e fornece energia elétrica quando o motor está desligado. A bateria também fornece energia elétrica durante raras condições de funcionamento em que o alternador não pode manter mais de 13,8 volts (para um sistema elétrico automotivo comum de 12 V). À medida que a tensão do alternador cai abaixo de 13,8 volts, a bateria de armazenamento de chumbo-ácido aumenta cada vez mais a carga elétrica. Durante praticamente todas as condições de funcionamento, incluindo condições normais de marcha lenta, o alternador fornece energia elétrica primária.

Alguns sistemas desativam a alimentação do campo do alternador (rotor) durante as condições de aceleração totalmente aberta. A desativação do campo reduz a carga mecânica da polia do alternador a quase zero, maximizando a potência do virabrequim. Nesse caso, a bateria fornece toda a energia elétrica primária.

Os motores a gasolina absorvem uma mistura de ar e gasolina e a comprimem pelo movimento do pistão do ponto morto inferior para o ponto morto superior quando o combustível está em compressão máxima. A redução no tamanho da área varrida do cilindro e levando em consideração o volume da câmara de combustão é descrita por uma proporção. Os primeiros motores tinham taxas de compressão de 6 para 1. À medida que as taxas de compressão aumentavam, a eficiência do motor também aumentava.

Com os primeiros sistemas de indução e ignição, as taxas de compressão tinham que ser mantidas baixas. Com os avanços na tecnologia de combustível e gerenciamento de combustão, os motores de alto desempenho podem funcionar de forma confiável na proporção de 12: 1. Com o combustível de baixa octanagem, ocorreria um problema à medida que a taxa de compressão aumentasse à medida que o combustível entrava em ignição devido ao aumento de temperatura resultante. Charles Kettering desenvolveu um aditivo de chumbo que permitia taxas de compressão mais altas, que foi progressivamente abandonado para uso automotivo da década de 1970 em diante, em parte devido a preocupações com envenenamento por chumbo .

A mistura de combustível é inflamada em diferentes progressões do pistão no cilindro. Em baixa rotação, a faísca é programada para ocorrer próximo ao pistão, atingindo o ponto morto superior. Para produzir mais potência, à medida que as rpm aumentam, a faísca é avançada mais cedo durante o movimento do pistão. A faísca ocorre enquanto o combustível ainda está sendo comprimido progressivamente mais à medida que a rotação aumenta.

A alta tensão necessária, normalmente 10.000 volts, é fornecida por uma bobina de indução ou transformador. A bobina de indução é um sistema fly-back, que usa a interrupção da corrente do sistema elétrico primário por meio de algum tipo de interruptor sincronizado. O interruptor pode ser pontos de contato ou um transistor de potência. O problema com este tipo de ignição é que à medida que o RPM aumenta, a disponibilidade de energia elétrica diminui. Isso é especialmente um problema, uma vez que a quantidade de energia necessária para inflamar uma mistura de combustível mais densa é maior. O resultado costumava ser uma falha de ignição de alta RPM.

A ignição por descarga do capacitor foi desenvolvida. Ele produz uma tensão crescente que é enviada para a vela de ignição. As tensões do sistema de CD podem chegar a 60.000 volts. As ignições de CD usam transformadores elevadores . O transformador elevador usa energia armazenada em uma capacitância para gerar faísca elétrica . Com qualquer um dos sistemas, um sistema de controle mecânico ou elétrico fornece uma alta tensão cuidadosamente cronometrada para o cilindro apropriado. Essa faísca, por meio da vela de ignição, acende a mistura ar-combustível nos cilindros do motor.

Embora os motores de combustão interna a gasolina sejam muito mais fáceis de dar partida em climas frios do que os motores a diesel, eles ainda podem ter problemas de partida em climas frios sob condições extremas. Durante anos, a solução foi estacionar o carro em áreas aquecidas. Em algumas partes do mundo, o óleo era realmente drenado e aquecido durante a noite e devolvido ao motor para partidas a frio. No início da década de 1950, foi desenvolvida a unidade Gaseificador a gasolina, onde, nas partidas de frio, a gasolina bruta era desviada para a unidade onde parte do combustível era queimada fazendo com que a outra parte se transformasse em vapor quente enviado diretamente para o coletor da válvula de admissão. Esta unidade era bastante popular até que os aquecedores elétricos do bloco do motor se tornassem padrão nos motores a gasolina vendidos em climas frios.

Processo de ignição por compressão

Os motores a diesel, PPC e HCCI dependem exclusivamente do calor e da pressão gerados pelo motor em seu processo de compressão para ignição. O nível de compressão que ocorre geralmente é duas ou mais vezes do que em um motor a gasolina. Os motores a diesel absorvem apenas ar e, pouco antes do pico de compressão, borrifam uma pequena quantidade de óleo diesel no cilindro por meio de um injetor de combustível que permite que o combustível acenda instantaneamente. Os motores do tipo HCCI absorvem ar e combustível, mas continuam a depender de um processo de autocombustão sem auxílio, devido a altas pressões e calor. É também por isso que os motores a diesel e HCCI são mais suscetíveis a problemas de partida a frio, embora funcionem tão bem em climas frios quanto ligados. Motores leves a diesel com injeção indireta em automóveis e caminhões leves utilizam velas incandescentes (ou outro pré-aquecimento: consulte Cummins ISB # 6BT ) que pré-aquecem a câmara de combustão antes de começar a reduzir as condições sem partida em clima frio. A maioria dos motores diesel também possui uma bateria e um sistema de carregamento; no entanto, este sistema é secundário e é adicionado pelos fabricantes como um luxo pela facilidade de partida, ligando e desligando o combustível (o que também pode ser feito por meio de uma chave ou aparelho mecânico) e para o funcionamento de componentes elétricos auxiliares e acessórios. A maioria dos novos motores depende de unidades de controle de motor elétrico e eletrônico (ECU) que também ajustam o processo de combustão para aumentar a eficiência e reduzir as emissões.

Lubrificação

Diagrama de um motor usando lubrificação pressurizada

As superfícies em contato e movimento relativo com outras superfícies requerem lubrificação para reduzir o desgaste, o ruído e aumentar a eficiência, reduzindo o desperdício de energia na superação do atrito ou para fazer o mecanismo funcionar. Além disso, o lubrificante usado pode reduzir o excesso de calor e fornecer resfriamento adicional aos componentes. No mínimo, um motor requer lubrificação nas seguintes peças:

  • Entre pistões e cilindros
  • Rolamentos pequenos
  • Rolamentos de ponta grande
  • Rolamentos principais
  • Engrenagem da válvula (os seguintes elementos podem não estar presentes):
    • Tappets
    • Braços de roqueiro
    • Pushrods
    • Corrente ou engrenagens de distribuição. As correias dentadas não requerem lubrificação.

Em motores de limpeza do cárter de 2 tempos, o interior do cárter e, portanto, o virabrequim, a biela e a parte inferior dos pistões são pulverizados pelo óleo de 2 tempos na mistura ar-combustível-óleo que é então queimada junto com o combustível . O trem de válvula pode estar contido em um compartimento inundado com lubrificante de forma que nenhuma bomba de óleo seja necessária.

Em um sistema de lubrificação por respingo, nenhuma bomba de óleo é usada. Em vez disso, o virabrequim mergulha no óleo do reservatório e, devido à sua alta velocidade, espirra no virabrequim, nas bielas e na parte inferior dos pistões. As tampas das extremidades grandes da biela podem ter uma concha anexada para aumentar esse efeito. O trem de válvulas também pode ser vedado em um compartimento inundado ou aberto para o virabrequim de forma que receba óleo respingado e permita que seja drenado de volta para o reservatório. A lubrificação por respingo é comum para motores pequenos de 4 tempos.

Em um sistema de lubrificação forçada (também chamado de pressurizado ) , a lubrificação é realizada em um circuito fechado que transporta o óleo do motor para as superfícies atendidas pelo sistema e, em seguida, retorna o óleo para um reservatório. O equipamento auxiliar de um motor normalmente não é atendido por este circuito; por exemplo, um alternador pode usar rolamentos de esferas vedados com seu próprio lubrificante. O reservatório de óleo geralmente é o cárter e, quando for o caso, é denominado sistema de cárter úmido . Quando há um reservatório de óleo diferente, o cárter ainda o retém, mas é continuamente drenado por uma bomba dedicada; isso é chamado de sistema de cárter seco .

Em seu fundo, o cárter contém uma entrada de óleo coberta por um filtro de malha que é conectado a uma bomba de óleo e depois a um filtro de óleo fora do cárter, de lá é desviado para os mancais principais do virabrequim e o trem de válvulas. O cárter contém pelo menos uma galeria de óleo (um conduíte dentro de uma parede do cárter) para onde o óleo é introduzido do filtro de óleo. Os rolamentos principais contêm uma ranhura em toda ou metade de sua circunferência; o óleo entra nessas ranhuras pelos canais conectados à galeria de óleo. O virabrequim tem perfurações que retiram o óleo dessas ranhuras e o levam para os rolamentos da extremidade maior. Todos os rolamentos big end são lubrificados dessa forma. Um único rolamento principal pode fornecer óleo para 0, 1 ou 2 rolamentos de extremidade grande. Um sistema semelhante pode ser usado para lubrificar o pistão, seu pino de encaixe e a pequena extremidade de sua biela; neste sistema, a big end da biela tem uma ranhura ao redor do virabrequim e uma furação conectada à ranhura que distribui o óleo de lá para o fundo do pistão e daí para o cilindro.

Outros sistemas também são usados ​​para lubrificar o cilindro e o pistão. A biela pode ter um bico para lançar um jato de óleo para o cilindro e a parte inferior do pistão. Esse bico está em movimento em relação ao cilindro que lubrifica, mas sempre apontado para ele ou para o pistão correspondente.

Normalmente, os sistemas de lubrificação forçada têm um fluxo de lubrificante maior do que o necessário para lubrificar de forma satisfatória, a fim de auxiliar no resfriamento. Especificamente, o sistema de lubrificante ajuda a mover o calor das peças quentes do motor para o líquido de refrigeração (em motores refrigerados a água) ou aletas (em motores refrigerados a ar), que então o transferem para o meio ambiente. O lubrificante deve ser projetado para ser quimicamente estável e manter as viscosidades adequadas dentro da faixa de temperatura que encontra no motor.

Configuração do cilindro

As configurações de cilindro comuns incluem a configuração reta ou em linha , a configuração em V mais compacta e a configuração plana ou boxer mais ampla, mas mais suave . Os motores de aeronaves também podem adotar uma configuração radial , o que permite um resfriamento mais eficaz. Configurações mais incomuns, como H , U , X e W também foram usadas.

Algumas configurações de cilindro populares:
a - reto
b - V
c - oposto
d - W

Motores de múltiplos cilindros têm seu trem de válvulas e virabrequim configurados de forma que os pistões fiquem em partes diferentes de seu ciclo. É desejável ter os ciclos dos pistões uniformemente espaçados (isso é chamado de disparo uniforme ), especialmente em motores de indução forçada; isso reduz as pulsações de torque e torna os motores em linha com mais de 3 cilindros estaticamente balanceados em suas forças primárias. No entanto, algumas configurações de motor requerem disparos ímpares para atingir um equilíbrio melhor do que é possível com disparos pares. Por exemplo, um motor I2 de 4 tempos tem melhor equilíbrio quando o ângulo entre os virabrequins é 180 ° porque os pistões se movem em direções opostas e as forças inerciais se cancelam parcialmente, mas isso dá um padrão de disparo estranho onde um cilindro dispara 180 ° de rotação do virabrequim após o outro, nenhum cilindro dispara a 540 °. Com um padrão de disparo uniforme, os pistões se moveriam em uníssono e as forças associadas seriam adicionadas.

Múltiplas configurações de virabrequins não precisam necessariamente de uma cabeça de cilindro , porque elas podem ter um pistão em cada extremidade do cilindro, chamado de projeto de pistão oposto . Como as entradas e saídas de combustível estão posicionadas em extremidades opostas do cilindro, pode-se obter uma limpeza uniflow, que, como no motor de quatro tempos, é eficiente em uma ampla faixa de velocidades do motor. A eficiência térmica é melhorada por causa da falta de cabeçotes de cilindro. Este projeto foi usado no motor a diesel Junkers Jumo 205 , usando dois virabrequins em cada extremidade de um único banco de cilindros, e mais notavelmente nos motores a diesel Napier Deltic . Eles usavam três virabrequins para servir a três bancos de cilindros de duas extremidades dispostos em um triângulo equilátero com os virabrequins nos cantos. Também foi usado em motores de locomotivas de banco único e ainda é usado em motores de propulsão marítima e geradores auxiliares marítimos.

Ciclo diesel

Diagrama PV para o ciclo Diesel ideal. O ciclo segue os números 1–4 no sentido horário.

A maioria dos motores diesel de caminhões e automotivos usa um ciclo que lembra um ciclo de quatro tempos, mas com aquecimento por compressão causando ignição, em vez de precisar de um sistema de ignição separado. Essa variação é chamada de ciclo diesel. No ciclo diesel, o óleo diesel é injetado diretamente no cilindro para que a combustão ocorra a pressão constante, à medida que o pistão se move.

Ciclo otto

O ciclo Otto é o ciclo típico da maioria dos motores de combustão interna dos automóveis, que funcionam a gasolina como combustível. O ciclo Otto é exatamente o mesmo que foi descrito para o motor quatro tempos. Consiste nas mesmas etapas principais: admissão, compressão, ignição, expansão e exaustão.

Motor cinco tempos

Em 1879, Nicolaus Otto fabricou e vendeu um motor de expansão dupla (os princípios de expansão dupla e tripla tinham amplo uso em motores a vapor), com dois pequenos cilindros em ambos os lados de um cilindro maior de baixa pressão, onde uma segunda expansão do gás de escape aconteceu; o proprietário devolveu, alegando mau desempenho. Em 1906, o conceito foi incorporado em um carro construído pela EHV ( Eisenhuth Horseless Vehicle Company ); e no século 21 a Ilmor projetou e testou com sucesso um motor de combustão interna de dupla expansão de 5 tempos, com alta potência e baixo SFC (consumo específico de combustível).

Motor seis tempos

O motor de seis tempos foi inventado em 1883. Quatro tipos de seis tempos usam um pistão regular em um cilindro regular (Griffin seis tempos, Bajulaz seis tempos, Velozeta seis tempos e Crower seis tempos), disparando a cada três virabrequins revoluções. Esses sistemas capturam o calor desperdiçado no ciclo Otto de quatro tempos com uma injeção de ar ou água.

Os motores Beare Head e "carregador de pistão" operam como motores de pistão oposto , dois pistões em um único cilindro, disparando a cada duas revoluções, mais como um motor normal de quatro tempos.

Outros ciclos

Os primeiros motores de combustão interna não comprimiam a mistura. A primeira parte do movimento descendente do pistão atraiu uma mistura ar-combustível, então a válvula de admissão se fechou e, no restante do curso descendente, a mistura ar-combustível disparou. A válvula de escape se abriu para o movimento ascendente do pistão. Essas tentativas de imitar o princípio de uma máquina a vapor foram muito ineficientes. Existem várias variações desses ciclos, principalmente os ciclos de Atkinson e Miller . O ciclo do diesel é um pouco diferente.

Os motores de ciclo dividido separam os quatro tempos de admissão, compressão, combustão e escape em dois cilindros separados, mas emparelhados. O primeiro cilindro é usado para admissão e compressão. O ar comprimido é então transferido através de uma passagem cruzada do cilindro de compressão para o segundo cilindro, onde ocorre a combustão e a exaustão. Um motor de ciclo dividido é, na verdade, um compressor de ar de um lado e uma câmara de combustão do outro.

Os motores de ciclo dividido anteriores apresentavam dois problemas principais - respiração deficiente (eficiência volumétrica) e baixa eficiência térmica. No entanto, novos projetos estão sendo introduzidos para tratar desses problemas.

O motor Scuderi resolve o problema respiratório reduzindo a folga entre o pistão e a cabeça do cilindro por meio de várias técnicas de turboalimentação. O projeto Scuderi requer o uso de válvulas de abertura externa que permitem que o pistão se mova muito perto da cabeça do cilindro sem a interferência das válvulas. Scuderi aborda a baixa eficiência térmica por meio de disparo após ponto morto superior (ATDC).

O ATDC de disparo pode ser realizado usando ar de alta pressão na passagem de transferência para criar fluxo sônico e alta turbulência no cilindro de força.

Turbinas de combustão

Motor a jato

Motor turbofan a jato

Os motores a jato usam várias fileiras de pás do ventilador para comprimir o ar, que então entra em um combustor onde é misturado com o combustível (geralmente combustível JP) e depois aceso. A queima do combustível aumenta a temperatura do ar, que é então exaurido do motor, criando empuxo. Um motor turbofan moderno pode operar com eficiência de até 48%.

Existem seis seções para um motor turbofan:

  • Compressor
  • Combustor
  • Turbina
  • Mixer
  • Bocal

Turbinas a gás

Usina de turbina

Uma turbina a gás comprime o ar e o usa para girar uma turbina . É essencialmente um motor a jato que direciona sua produção para um eixo. Existem três estágios para uma turbina: 1) o ar é puxado através de um compressor, onde a temperatura aumenta devido à compressão, 2) o combustível é adicionado no combustor e 3) o ar quente é exaurido através das lâminas da turbina que giram um eixo conectado ao compressor.

Uma turbina a gás é uma máquina rotativa semelhante em princípio a uma turbina a vapor e consiste em três componentes principais: um compressor, uma câmara de combustão e uma turbina. O ar, após ser comprimido no compressor, é aquecido pela queima de combustível nele. O ar aquecido e os produtos da combustão se expandem em uma turbina, produzindo trabalho. Cerca de 23 do trabalho aciona o compressor: o resto (cerca de 13 ) está disponível como saída de trabalho útil.

As turbinas a gás estão entre os motores de combustão interna mais eficientes. As usinas elétricas de ciclo combinado de turbinas 7HA e 9HA da General Electric são classificadas em mais de 61% de eficiência.

Ciclo de brayton

Ciclo de brayton

Uma turbina a gás é uma máquina rotativa um tanto semelhante em princípio a uma turbina a vapor. Consiste em três componentes principais: compressor, câmara de combustão e turbina. O ar é comprimido pelo compressor onde ocorre um aumento de temperatura. O ar comprimido é ainda aquecido pela combustão do combustível injetado na câmara de combustão, que expande o ar. Essa energia gira a turbina que alimenta o compressor por meio de um acoplamento mecânico. Os gases quentes são então exauridos para fornecer impulso.

Os motores de ciclo de turbina a gás empregam um sistema de combustão contínua onde a compressão, a combustão e a expansão ocorrem simultaneamente em diferentes locais do motor - fornecendo potência contínua. Notavelmente, a combustão ocorre em pressão constante, ao invés do ciclo de Otto, volume constante.

Motores Wankel

O ciclo rotativo de Wankel. O eixo gira três vezes para cada rotação do rotor ao redor do lóbulo e uma vez para cada revolução orbital ao redor do eixo excêntrico.

O motor Wankel (motor rotativo) não possui cursos de pistão. Ele opera com a mesma separação de fases que o motor de quatro tempos, com as fases ocorrendo em locais separados no motor. Em termos termodinâmicos , ele segue o ciclo do motor Otto , portanto, pode ser considerado um motor de "quatro fases". Embora seja verdade que normalmente ocorrem três cursos de potência por revolução do rotor, devido à razão de rotação de 3: 1 do rotor para o eixo excêntrico, apenas um curso de potência por rotação do eixo realmente ocorre. O eixo de acionamento (excêntrico) gira uma vez a cada curso de potência em vez de duas vezes (virabrequim), como no ciclo Otto, dando a ele uma relação potência-peso maior do que os motores a pistão. Este tipo de motor foi usado principalmente no Mazda RX-8 , no RX-7 anterior e em outros modelos de veículos. O motor também é usado em veículos aéreos não tripulados, onde o tamanho e o peso pequenos e a alta relação peso / potência são vantajosos.

Indução forçada

A indução forçada é o processo de entrega de ar comprimido à entrada de um motor de combustão interna. Um motor de indução forçada usa um compressor de gás para aumentar a pressão, temperatura e densidade do ar . Um motor sem indução forçada é considerado um motor naturalmente aspirado .

A indução forçada é usada na indústria automotiva e de aviação para aumentar a potência e a eficiência do motor. Ajuda principalmente os motores de aviação, pois precisam operar em grandes altitudes.

A indução forçada é obtida por um supercompressor , onde o compressor é alimentado diretamente do eixo do motor ou, no turboalimentador , de uma turbina alimentada pelo escapamento do motor.

Combustíveis e oxidantes

Todos os motores de combustão interna dependem da combustão de um combustível químico , normalmente com oxigênio do ar (embora seja possível injetar óxido nitroso para fazer mais da mesma coisa e ganhar um aumento de potência). O processo de combustão normalmente resulta na produção de uma grande quantidade de calor, bem como a produção de vapor e dióxido de carbono e outros produtos químicos em temperaturas muito altas; a temperatura atingida é determinada pela composição química do combustível e oxidantes (ver estequiometria ), bem como pela compressão e outros fatores.

Combustíveis

Os combustíveis modernos mais comuns são compostos de hidrocarbonetos e são derivados principalmente de combustíveis fósseis ( petróleo ). Os combustíveis fósseis incluem óleo diesel , gasolina e gás de petróleo , e o uso mais raro de propano . Exceto pelos componentes de fornecimento de combustível, a maioria dos motores de combustão interna projetados para uso com gasolina pode funcionar com gás natural ou gases liquefeitos de petróleo sem grandes modificações. Grandes motores diesel podem funcionar com ar misturado com gases e uma injeção de ignição de combustível diesel piloto. Biocombustíveis líquidos e gasosos , como etanol e biodiesel (uma forma de óleo diesel que é produzida a partir de safras que produzem triglicerídeos , como óleo de soja ), também podem ser usados. Os motores com as modificações apropriadas também podem funcionar com gás hidrogênio , gás de madeira ou gás de carvão vegetal , bem como com o chamado gás de produção feito de outra biomassa conveniente. Experimentos também foram conduzidos usando combustíveis sólidos em pó, como o ciclo de injeção de magnésio .

Atualmente, os combustíveis usados ​​incluem:

Até mesmo pós de metal fluidizado e explosivos tiveram algum uso. Os motores que usam gases como combustível são chamados de motores a gás e os que usam hidrocarbonetos líquidos são chamados de motores a óleo; no entanto, os motores a gasolina também são frequentemente chamados de "motores a gasolina" (" motores a gasolina " fora da América do Norte).

As principais limitações dos combustíveis são que devem ser facilmente transportáveis ​​através do sistema de combustível para a câmara de combustão e que o combustível libera energia suficiente na forma de calor durante a combustão para fazer uso prático do motor.

Os motores a diesel são geralmente mais pesados, mais ruidosos e mais potentes em velocidades mais baixas do que os motores a gasolina . Eles também são mais eficientes em termos de combustível na maioria das circunstâncias e são usados ​​em veículos rodoviários pesados, alguns automóveis (cada vez mais por sua maior eficiência de combustível em relação aos motores a gasolina), navios, locomotivas ferroviárias e aeronaves leves . Os motores a gasolina são usados ​​na maioria dos outros veículos rodoviários, incluindo a maioria dos carros, motocicletas e ciclomotores . Observe que, na Europa , carros sofisticados com motor diesel conquistaram cerca de 45% do mercado desde a década de 1990. Existem também motores movidos a hidrogênio , metanol , etanol , gás liquefeito de petróleo (GLP), biodiesel , parafina e óleo de vaporização de trator (TVO).

Hidrogênio

O hidrogênio poderia eventualmente substituir os combustíveis fósseis convencionais em motores de combustão interna tradicionais. Alternativamente, a tecnologia de célula de combustível pode cumprir sua promessa e o uso de motores de combustão interna pode até ser descontinuado.

Embora existam várias maneiras de produzir hidrogênio livre, esses métodos requerem a conversão de moléculas combustíveis em hidrogênio ou o consumo de energia elétrica. A menos que a eletricidade seja produzida a partir de uma fonte renovável - e não seja necessária para outros fins - o hidrogênio não resolve nenhuma crise de energia . Em muitas situações, a desvantagem do hidrogênio, em relação aos combustíveis de carbono, é seu armazenamento . O hidrogênio líquido tem densidade extremamente baixa (14 vezes mais baixa do que a água) e requer amplo isolamento - enquanto o hidrogênio gasoso requer um tanque pesado. Mesmo quando liquefeito, o hidrogênio tem uma energia específica mais alta, mas o armazenamento energético volumétrico ainda é cerca de cinco vezes menor do que a gasolina. No entanto, a densidade de energia do hidrogênio é consideravelmente maior do que a das baterias elétricas, tornando-o um sério candidato como transportador de energia para substituir os combustíveis fósseis. O processo 'Hidrogênio sob Demanda' (veja célula a combustível direta de borohidreto ) cria hidrogênio conforme necessário, mas tem outros problemas, como o alto preço do borohidreto de sódio que é a matéria-prima.

Oxidantes

Motor a gasolina de um cilindro, c.  1910

Como o ar é abundante na superfície da terra, o oxidante é normalmente o oxigênio atmosférico, que tem a vantagem de não ser armazenado dentro do veículo. Isso aumenta as relações potência-peso e potência-volume. Outros materiais são usados ​​para fins especiais, muitas vezes para aumentar a produção de energia ou para permitir a operação debaixo d'água ou no espaço.

  • O ar comprimido tem sido comumente usado em torpedos .
  • Oxigênio comprimido , bem como um pouco de ar comprimido, foi usado no torpedo japonês Tipo 93 . Alguns submarinos transportam oxigênio puro. Foguetes costumam usar oxigênio líquido .
  • O nitrometano é adicionado a alguns combustíveis de corrida e modelo para aumentar a potência e controlar a combustão.
  • O óxido nitroso tem sido usado - com gasolina extra - em aeronaves táticas e em carros especialmente equipados para permitir pequenas explosões de potência adicional de motores que, de outra forma, funcionam com gasolina e ar. Também é usado na nave espacial Burt Rutan.
  • A energia do peróxido de hidrogênio estava sendo desenvolvida para os submarinos alemães da Segunda Guerra Mundial. Pode ter sido usado em alguns submarinos não nucleares e foi usado em alguns motores de foguete (notavelmente o Black Arrow e o caça-foguete Messerschmitt Me 163 ).
  • Outros produtos químicos, como cloro ou flúor, foram usados ​​experimentalmente, mas não foram considerados práticos.

Resfriamento

O resfriamento é necessário para remover o calor excessivo - o superaquecimento pode causar falha do motor, geralmente por desgaste (devido à falha de lubrificação induzida pelo calor), rachaduras ou empenamento. Duas formas mais comuns de arrefecimento do motor são arrefecidos a ar e arrefecido a água . A maioria dos motores automotivos modernos são refrigerados a água e a ar, já que o líquido refrigerante / água é transportado para as aletas e / ou ventiladores refrigerados a ar, enquanto os motores maiores podem ser refrigerados a água, pois são estacionários e têm um suprimento constante de água através de canalizações ou água doce, enquanto a maioria dos motores de ferramentas elétricas e outros motores pequenos são refrigerados a ar. Alguns motores (refrigerados a ar ou água) também possuem um radiador de óleo . Em alguns motores, especialmente para resfriamento das pás do motor de turbina e resfriamento do motor de foguete líquido , o combustível é usado como refrigerante, pois é simultaneamente pré-aquecido antes de ser injetado na câmara de combustão.

Iniciando

Manivela manual de um motor a diesel de barco no Lago Inle ( Mianmar ).
Arranque elétrico como usado em automóveis

Os motores de combustão interna devem ter seus ciclos iniciados. Em motores alternativos, isso é feito girando o virabrequim (Wankel Rotor Shaft), que induz os ciclos de admissão, compressão, combustão e exaustão. Os primeiros motores foram acionados com um giro de seus volantes, enquanto o primeiro veículo (o Daimler Reitwagen) foi acionado com uma manivela. Todos os automóveis com motor ICE foram acionados com manivelas até Charles Kettering desenvolver o motor de arranque elétrico para automóveis. Este método é agora o mais amplamente utilizado, mesmo entre os não automóveis.

À medida que os motores a diesel se tornaram maiores e seus mecanismos mais pesados, os motores de arranque começaram a ser usados. Isso se deve à falta de torque nas partidas elétricas. Os motores de arranque funcionam bombeando ar comprimido para os cilindros de um motor para fazê-lo girar.

Veículos de duas rodas podem ter seus motores ligados de uma das quatro maneiras:

  • Pedalando, como em uma bicicleta
  • Empurrando o veículo e engatando a embreagem, conhecido como "partida com corrida e solavanco"
  • Chutando para baixo em um único pedal, conhecido como "chute inicial"
  • Por uma partida elétrica, como nos carros

Existem também acionadores de partida em que uma mola é comprimida por um movimento de manivela e usada para dar partida no motor.

Alguns motores pequenos usam um mecanismo de corda de tração chamado de "partida de recuo", pois a corda se rebobina depois de ser puxada para dar partida no motor. Este método é comumente usado em cortadores de grama empurrados e outras configurações onde apenas uma pequena quantidade de torque é necessária para ligar o motor.

Os motores de turbina são freqüentemente acionados por um motor elétrico ou por ar comprimido.

Medidas de desempenho do motor

Os tipos de motor variam muito de várias maneiras diferentes:

Eficiência energética

Uma vez inflamados e queimados, os produtos da combustão - gases quentes - têm mais energia térmica disponível do que a mistura original de combustível comprimido-ar (que tinha maior energia química ). A energia disponível se manifesta como alta temperatura e pressão que pode ser traduzida em energia cinética pelo motor. Em um motor alternativo, os gases de alta pressão dentro dos cilindros acionam os pistões do motor.

Uma vez que a energia disponível foi removida, os gases quentes restantes são ventilados (geralmente abrindo uma válvula ou expondo a saída de exaustão) e isso permite que o pistão retorne à sua posição anterior (ponto morto superior ou TDC). O pistão pode então prosseguir para a próxima fase de seu ciclo, que varia entre os motores. Qualquer calor que não seja traduzido em trabalho é normalmente considerado um produto residual e é removido do motor por um sistema de refrigeração a ar ou líquido.

Os motores de combustão interna são motores térmicos e, como tal, sua eficiência teórica pode ser aproximada por ciclos termodinâmicos idealizados . A eficiência térmica de um ciclo teórico não pode exceder a do ciclo de Carnot , cuja eficiência é determinada pela diferença entre as temperaturas de funcionamento inferior e superior do motor. A temperatura operacional superior de um motor é limitada por dois fatores principais; os limites de operação térmica dos materiais e a resistência de autoignição do combustível. Todos os metais e ligas têm um limite operacional térmico, e há pesquisas significativas em materiais cerâmicos que podem ser feitos com maior estabilidade térmica e propriedades estruturais desejáveis. A estabilidade térmica mais alta permite uma maior diferença de temperatura entre as temperaturas de operação inferior (ambiente) e superior, portanto, maior eficiência termodinâmica. Além disso, conforme a temperatura do cilindro aumenta, o motor fica mais sujeito à autoignição. Isso é causado quando a temperatura do cilindro se aproxima do ponto de fulgor da carga. Nesse ponto, a ignição pode ocorrer espontaneamente antes que a vela de ignição seja acionada, causando pressões excessivas no cilindro. A autoignição pode ser mitigada pelo uso de combustíveis com alta resistência de autoignição ( índice de octanagem ), no entanto, ainda coloca um limite superior na temperatura máxima permitida do cilindro.

Os limites termodinâmicos assumem que o motor está operando em condições ideais: um mundo sem atrito, gases ideais, isoladores perfeitos e operação por tempo infinito. Os aplicativos do mundo real apresentam complexidades que reduzem a eficiência. Por exemplo, um motor real funciona melhor com uma carga específica, chamada de faixa de potência . O motor de um carro em uma rodovia geralmente está operando significativamente abaixo de sua carga ideal, porque foi projetado para as cargas mais altas necessárias para uma aceleração rápida. Além disso, fatores como a resistência ao vento reduzem a eficiência geral do sistema. A economia de combustível do motor é medida em milhas por galão ou em litros por 100 quilômetros. O volume de hidrocarboneto assume um conteúdo de energia padrão.

A maioria dos motores de ferro tem um limite termodinâmico de 37%. Mesmo quando auxiliado por turboalimentadores e auxiliares de eficiência de estoque, a maioria dos motores mantém uma eficiência média de cerca de 18-20%. No entanto, as tecnologias mais recentes em motores de Fórmula 1 tiveram um aumento na eficiência térmica de mais de 50%. Existem muitas invenções destinadas a aumentar a eficiência dos motores IC. Em geral, os motores práticos são sempre comprometidos por compensações entre propriedades diferentes, como eficiência, peso, potência, calor, resposta, emissões de escapamento ou ruído. Às vezes, a economia também desempenha um papel não apenas no custo de fabricação do motor, mas também na fabricação e distribuição do combustível. Aumentar a eficiência do motor traz melhor economia de combustível, mas apenas se o custo do combustível por conteúdo de energia for o mesmo.

Medidas de eficiência de combustível e eficiência do propelente

Para motores estacionários e de eixo, incluindo motores de hélice, o consumo de combustível é medido pelo cálculo do consumo de combustível específico do freio , que mede a taxa de fluxo de massa do consumo de combustível dividido pela potência produzida.

Para motores de combustão interna na forma de motores a jato, a saída de potência varia drasticamente com a velocidade do ar e uma medida menos variável é usada: consumo de combustível específico de empuxo (TSFC), que é a massa de propelente necessária para gerar impulsos que é medido em qualquer libra força-hora ou os gramas de propelente necessários para gerar um impulso que mede um quilonewton-segundo.

Para foguetes, o TSFC pode ser usado, mas normalmente outras medidas equivalentes são tradicionalmente usadas, como impulso específico e velocidade de exaustão efetiva .

Poluição atmosférica e sonora

Poluição do ar

Os motores de combustão interna, como os motores alternativos de combustão interna, produzem emissões de poluição do ar , devido à combustão incompleta do combustível carbonáceo . Os principais derivados do processo são o dióxido de carbono CO
2
, água e alguma fuligem - também chamada de matéria particulada (PM). Os efeitos da inalação de partículas foram estudados em humanos e animais e incluem asma, câncer de pulmão, problemas cardiovasculares e morte prematura. Existem, no entanto, alguns produtos adicionais do processo de combustão que incluem óxidos de nitrogênio e enxofre e alguns hidrocarbonetos não queimados, dependendo das condições de operação e da razão combustível-ar.

Nem todo o combustível é totalmente consumido no processo de combustão. Uma pequena quantidade de combustível está presente após a combustão e parte dele reage para formar oxigenados, como formaldeído ou acetaldeído , ou hidrocarbonetos não originalmente presentes na mistura de combustível de entrada. A combustão incompleta geralmente resulta de oxigênio insuficiente para atingir a proporção estequiométrica perfeita . A chama é "extinguida" pelas paredes do cilindro relativamente frias, deixando para trás o combustível não reagido que é expelido com o escapamento. Ao operar em velocidades mais baixas, a têmpera é comumente observada em motores a diesel (ignição por compressão) que funcionam com gás natural. A têmpera reduz a eficiência e aumenta a detonação, às vezes fazendo com que o motor pare. A combustão incompleta também leva à produção de monóxido de carbono (CO). Outros produtos químicos liberados são o benzeno e o 1,3-butadieno, que também são poluentes atmosféricos perigosos .

Aumentar a quantidade de ar no motor reduz as emissões de produtos de combustão incompleta, mas também promove a reação entre o oxigênio e o nitrogênio no ar para produzir óxidos de nitrogênio ( NO
x
) NÃO
x
é prejudicial à saúde vegetal e animal e leva à produção de ozônio (O 3 ). O ozônio não é emitido diretamente; em vez disso, é um poluente secundário do ar, produzido na atmosfera pela reação de NO
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e compostos orgânicos voláteis na presença de luz solar. O ozônio ao nível do solo é prejudicial à saúde humana e ao meio ambiente. Embora seja a mesma substância química, o ozônio ao nível do solo não deve ser confundido com o ozônio estratosférico , ou a camada de ozônio , que protege a Terra dos nocivos raios ultravioleta.

Os combustíveis de carbono contêm enxofre e impurezas que eventualmente produzem monóxidos de enxofre (SO) e dióxido de enxofre (SO 2 ) no escapamento, o que promove chuva ácida .

Nos Estados Unidos, óxidos de nitrogênio, PM, monóxido de carbono, dióxido de enxofre e ozônio são regulamentados como poluentes do ar de acordo com a Lei do Ar Limpo em níveis onde a saúde e o bem-estar humanos são protegidos. Outros poluentes, como benzeno e 1,3-butadieno, são regulamentados como poluentes atmosféricos perigosos, cujas emissões devem ser reduzidas o máximo possível, dependendo de considerações práticas e tecnológicas.

NÃO
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, o monóxido de carbono e outros poluentes são freqüentemente controlados por meio da recirculação dos gases de escapamento, que retorna parte do escapamento para a entrada do motor, e conversores catalíticos , que convertem os produtos químicos do escapamento em produtos químicos inofensivos.

Motores não rodoviários

Os padrões de emissão usados ​​por muitos países têm requisitos especiais para motores não rodoviários que são usados ​​por equipamentos e veículos que não são operados nas vias públicas. Os padrões são separados dos veículos rodoviários.

Poluição sonora

Contribuições significativas para a poluição sonora são feitas pelos motores de combustão interna. O tráfego de automóveis e caminhões em rodovias e sistemas viários produz ruído, assim como os voos de aeronaves devido ao ruído dos jatos, principalmente aeronaves com capacidade supersônica. Os motores de foguete criam o ruído mais intenso.

Inativo

Os motores de combustão interna continuam a consumir combustível e a emitir poluentes quando em marcha lenta, por isso é desejável reduzir ao mínimo os períodos de marcha lenta. Muitas empresas de ônibus agora instruem os motoristas a desligar o motor quando o ônibus está esperando em um terminal.

Na Inglaterra, o Road Traffic Vehicle Emissions Fixed Penalty Regulations 2002 ( Statutory Instrument 2002 No. 1808) introduziu o conceito de " delito de marcha lenta estacionária ". Isso significa que um motorista pode ser ordenado " por uma pessoa autorizada ... mediante apresentação de prova de sua autorização, exigir que ele pare o motor desse veículo " e uma " pessoa que não cumprir ... será culpado de ofensa e sujeito à condenação sumária em multa não superior ao nível 3 da escala padrão ”. Apenas algumas autoridades locais implementaram os regulamentos, sendo uma delas a Câmara Municipal de Oxford .

Em muitos países europeus, a marcha lenta é, por padrão, desabilitada por sistemas de partida / parada .

Veja também

Referências

Bibliografia

Leitura adicional

  • Singer, Charles Joseph; Raper, Richard (1978). Charles, Singer; et al. (eds.). A History of Technology: The Internal Combustion Engine . Clarendon Press. pp. 157–176. ISBN 978-0-19-858155-0.
  • Setright, LJK (1975). Alguns motores incomuns . Londres: The Institution of Mechanical Engineers. ISBN 978-0-85298-208-2.
  • Suzuki, Takashi (1997). O romance dos motores . EUA: Society of Automotive Engineers. ISBN 978-1-56091-911-7.
  • Hardenberg, Horst O. (1999). A Idade Média do Motor de Combustão Interna . EUA: Society of Automotive Engineers.
  • Gunston, Bill (1999). Desenvolvimento de motores aeronáuticos de pistão . PSL. ISBN 978-1-85260-619-0.

links externos