sexta-feira, 19 de novembro de 2010
Maquinas térmicas
O que são máquinas térmicas?
Máquinas térmicas são máquinas que realizam trabalho e lidam com a variação de temperatura. Normalmente, as máquinas térmicas retiram calor da fonte quente e transferem-no para a fonte fria, o que define sua eficiência. Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, transferindo, portanto, menos calor na fonte fria.
As máquinas térmicas utilizam energia na forma de calor (gás ou vapor em expansão térmica) para provocar a realização de um trabalho mecânico. Por isso o cilindro com pistão móvel é um dos principais componentes dessas máquinas: o gás preso dentro do cilindro sob pressão, quando aquecido, expande-se, deslocando o pistão e realizando trabalho.
Apesar dos diferentes tipos de máquinas térmicas, elas obedecem as seguintes características:
• recebem calor de uma fonte quente (reator nuclear, coletor de energia solar, fornalha a combustível, etc);
• rejeitam o calor que não foi usado para um reservatório chamado
fonte fria;
• funcionam por ciclos.
As máquinas térmicas e outros dispositivos que funcionam por ciclos utilizam normalmente um fluido para receber e ceder calor ao qual se dá o nome de fluido de trabalho. O trabalho líquido do sistema é simplesmente a diferença de trabalho da fonte quente e da fonte fria:
(1)
onde: Wt é trabalho líquido ou total da máquina térmica; W2 é o trabalho da fonte quente; W1 é o trabalho da fonte fria.
O trabalho pode ser definido a partir das trocas de calor:
(2)
onde Q2 e Q1 são respectivamente o calor cedido da fonte quente e o calor recebido pela fonte fria.
. Rendimento
O rendimento das máquinas térmicas pode ser, de uma maneira geral, a razão entre o trabalho total e o trabalho (ou calor) necessário para que ela funcione, ou seja, é o que se obtém pelo que se dá de trabalho:
(3)
mas pela equação (2) podemos melhorar a equação (3):
e por fim:
(4)
O rendimento é a eficiência com que uma máquina térmica funciona. Em geral o rendimento das máquinas é baixo:
• motores de automóveis da ordem de 30%;
• motores a diesel da ordem de 50%;
• grandes turbinas a gás da ordem de 80%.
Assim o restante de energia que não é aproveitado pela máquina é expulso para o meio ambiente na forma de energia inútil, "perdida".
.Ciclos Termodinâmicos
Os ciclos termodinâmicos são usados para produzir trabalho (motores, turbinas), aquecimento ou refrigeração.
Ciclos térmicos ideais
os chamados ciclos térmicos ideais são:
• ciclo de Carnot;
• ciclo Otto ou Beau de Rochas;
• Ciclo Diesel;
• ciclo misto ou Sabathé;
• ciclo Brayton;
.Ciclo Carnot
Seja uma máquina térmica primitiva e pouco prática conforme Figura 01: um cilindro com paredes laterais de material perfeitamente isolante com um êmbolo também isolante perfeito. O fundo do cilindro é de material perfeitamente condutor de calor e de massa desprezível. E, naturalmente, uma determinada massa de um gás ideal no interior.
Nessas condições, o gás só pode trocar calor através do fundo do cilindro.
Supõe-se ainda que há 3 discos móveis que podem ser postos em contato com o fundo do cilindro:
• um disco fonte quente com temperatura TQ.
• um disco fonte fria com temperatura TF.
• um disco isolante térmico perfeito.
Inicialmente o gás tem um volume específico v1, como em (1) da Figura 01. Se é usado o disco quente, ele se expande isotermicamente.
Ao atingir o volume específico v2 de (2) da figura, retira-se o disco quente e coloca-se o disco isolante.
Assim, a expansão continua, desta vez de forma adiabática, até atingir um volume específico v3, como em (3) da figura. Nesse ponto, coloca-se o disco frio e o gás deverá sofrer uma contração isotérmica.
Em (4) da figura o gás atinge o volume específico v4, quando se insere o disco isolante e a contração deverá continuar de forma adiabática até o volume inicial v1, reiniciando o ciclo. Há, portanto, seqüências alternadas de transformações isotérmicas e adiabáticas. E o movimento do pistão produz um trabalho.
Uma máquina que opera nessas condições usa ciclo de Carnot, que é considerado o ciclo básico da Termodinâmica por ser o mais eficiente. É também é perfeitamente reversível, isto é, se trabalho for fornecido, ele funciona como bomba de calor ou refrigerador. Mais detalhes são vistos nos próximos tópicos.
Notar, entretanto, que o ciclo de Carnot é uma operação ideal, não pode ser usado em máquinas práticas. Um processo real, para ser próximo do isotérmico, precisaria ser tão lento que o seu uso seria inviável.
.Ciclo de Otto ou Beau de Rochas
O Ciclo Otto é um ciclo termodinâmico onde um determinado gás executa repetidamente transformações termodinâmicas, resultando em trabalho, com aplicações em: motores, turbinas, aquecimento ou refrigeração.
No caso dos motores veiculares de “Ciclo Otto” o gás é a mistura de Ar e combustível, existindo 4 estágios termodinâmicos:
• Admissão,
• Compressão,
• Combustão e
• Escape.
Admissão
Na figura em baixo temos mais à esquerda o PMS (Ponto Morto Superior).
Quando inicia a admissão, a válvula de admissão está aberta (válvula esq. representada em azul) e o movimento do pistão aspira a mistura de ar e combustível, num movimento de descida.
Até o ponto mais inferior do curso – PMI.
Compressão
Ao atingir a posição mais inferior (PMI – ponto morto inferior), a válvula de admissão é fechada, e o pistão inicia o movimento de subida (figura mais a esquerda), comprimindo a mistura.
Até atingir o máximo de compressão, no ponto mais superior do curso – PMS.
Combustão
Ao atingir a posição superior (PMS – ponto morto superior), uma centelha na vela é produzida (figura mais a esquerda), provocando a ignição da mistura, e a combustão.O fornecimento de calor eleva a pressão da mistura que se expande forçando o pistão para baixo (figura central), provocando o movimento de descida do pistão, até o ponto mais inferior (figura direita).
Escape
Ao atingir o ponto morto inferior, a válvula de escape é aberta (figura esquerda), reduzindo rapidamente a pressão do gás, agora num movimento de subida do pistão, liberando a maior parte dos gases da combustão, e o ciclo é reiniciado ao atingir o ponto morto superior (figura direita).
Dessa forma, ilustramos o princípio de funcionamento utilizado em motores Ciclo Otto 4 tempos. Existem também ciclos com 2 tempos utilizados em motocicletas, aviões e aplicações diversas.
.Diagramas e Fórmulas
De acordo com o esquema de operação visto no tópico anterior, pode-se traçar um diagrama pressão x volume, que deve ser algo parecido com a Figura 01. A Figura 02 dá o diagrama temperatura x entropia.
Na análise termodinâmica do ciclo ideal, é comum não considerar as etapas de admissão e exaustão dos gases (01 e 10 respectivamente). Assim, o ciclo fica limitado à região 1234 do diagrama.
Desde que os processos 12 e 34 são supostamente adiabáticos, a troca de calor se dá em 23 (calor fornecido) e 41 (calor cedido ao ambiente). São transformações isocóricas e valem as relações já vistas:
q23 = cv (T3 − T2) #A.1#.
q41 = cv (T1 − T4) #A.2#.
Quanto ao trabalho executado, ele é nulo em 23 e 41 porque são processos sob volume constante. E o trabalho das transformações adiabáticas 34 e 12 é:
w = w34 + w 12 = cv (T3 − T4) + cv (T1 − T2). Pode-se reagrupar a igualdade:
w = cv (T3 − T2) + cv (T1 − T4) = q23 + q41 #B.1#.
Notar que q41 deve ter sinal negativo porque é calor cedido pelo ciclo.
A eficiência do ciclo é dada pela relação entre o trabalho realizado e o calor fornecido:
η = w / q23 = (q23 + q41) / q23 = 1 + q41/q23.
η = 1 + cv (T1 − T4) / cv (T3 − T2) = 1 + T1 [1 − (T4/T1)] / T2 [(T3/T2) − 1].
a igualdade #C.1#, pode-se concluir que
T2/T1 = T3/T4 = (v1/v2)(x−1) onde x é a relação cp/cv.
Disso resulta que T4/T1 = T3/T2 e a igualdade anterior da eficiência pode ser simplificada:
η = 1 − T1/T2 = 1 − 1 / [ (v1/v2)(x−1) ] #C.1#.
O termo (v1/v2) equivale á relação entre os volumes máximo e o mínimo do interior do cilindro. É comumente denominado relação de compressão ou taxa de compressão do motor, que se simboliza com r:
r = (v1/v2) #C.2#. Portanto, a eficiência é dada por:
η = 1 − 1 / r(x−1) #D.1#.
O gráfico da Figura 03 mostra a variação da eficiência com r, para x = 1,35 (valor típico para uma mistura ar e combustível comum). Entretanto, na prática, a taxa de compressão é limitada pela ocorrência de auto-ignição da mistura. Valores reais estão na faixa de 9 a 11. Mesmo com essa limitação, a eficiência real do ciclo é significativamente inferior à calculada por essa fórmula.
.Ciclo Diesel
O motor a Diesel ou motor de ignição por reação é um motor de combustão interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913), em que a inflamação do combustível se faz por reação do ar comprimido com um óleo injetado dentro da câmara de combustão no momento de máxima compressão. Ele desenvolveu esse método quando aperfeiçoava motores para substituir as máquinas a vapor.
Os quatro tempos do ciclo diesel são:
• Admissão de ar
• Compressão de ar
• Injeção de combustível
• Escape
Somente se diferencia do ciclo Otto por apresentar na segunda fase, uma pressão constante.
O combustível utilizado atualmente pelos motores diesel é o gasóleo (O invento original
rodou com óleo vegetal ), um hidrocarboneto obtido a partir da destilação do petróleo a
temperaturas de 250ºC e 350ºC. Recentemente, o diesel de petróleo vem sendo substituído pelo
biodiesel e por óleo vegetal a partir da tecnologias de conversão, que são fontes de energia
renovável.
Onde se tem feito mais evolução neste tipo de motorização mais eficiente que o seu congênere a gasolina é no campo da injeção direta, nomeadamente nas de alta pressão como o injetor-bomba e o “common-rail”, que possibilitam a obtenção de mais potência e ainda menor
consumo e menos ruído de funcionamento.
Funcionamento
O ciclo real de um motor Diesel segue com uma razoável aproximação o ciclo teórico composto pelas evoluções:
Compressão isentrópica Parte de introdução de calor a volume constante (isócora) e Parte de introdução de calor a pressão constante (isobárica)
Expansão isentrópica Rejeição de calor a volume constante (isócora)
Este ciclo, tal como descrito, chama-se Ciclo Misto. Quando a totalidade da energia é introduzida a pressão constante o ciclo chama-se Ciclo Diesel.
O ciclo inicia-se com o êmbolo no Ponto Morto Superior (PMS). A válvula de admissão está aberta e o êmbolo ao descer aspira o ar para dentro do cilindro.
O êmbolo atinge o Ponto Morto Inferior (PMI) e inicia-se então a compressão. A temperatura do ar dentro do cilindro aumenta substancialmente, o que é fundamental para a ignição no motor Diesel.
Pouco antes do PMS o combustível começa a ser injetado em finas gotículas com o propósito de se vaporizar facilmente e, em mistura com o ar quente, acaba por se auto-inflamar.
A combustão é controlada pela taxa de injeção de combustível. O combustível começa a ser injetado um pouco antes do PMS devido ao fato de demorar tempo a vaporizar-se e a misturar-se com o ar (atraso físico) e de demorar um determinado tempo até se auto-inflamar (atraso químico). Estes atrasos são designados globalmente por atraso à inflamação.
A diferença entre o ângulo de cambota do PMS e do início de injeção chama-se avanço à injeção.
A expansão começa ainda durante a fase de combustão. Ainda durante o tempo de expansão, abrem-se as válvulas de escape.
O ciclo termina com a fase de escape, onde os gases de combustão são expulsos do cilindro.
Ciclo misto ou Sabathé
No ciclo Otto o processo de combustão ocorre a volume constante, enquanto que o ciclo diesel representa a combustão ocorrendo à pressão constante. No entanto, na prática estes dois ciclos não representam o ciclo de funcionamento real do motor.
No ciclo Otto a combustão a volume constante pressupõe uma combustão instantânea.
O ciclo Misto, Dual (ou de Sabathé), representado pela figura abaixo, é um compromisso entre ambos os ciclos e o que melhor descreve a operação dos motores diesel de alta rotação. Neste ciclo a combustão ocorre em duas fases, com parte do calor sendo fornecida a volume constante e o restante sendo fornecido à pressão constante.
r = V1/V2
a = V3/V2’
b = P2’/P2
g= k = cp/cv
O rendimento térmico do ciclo misto é um valor intermediário entre o rendimento térmico do ciclo Diesel e o do ciclo Otto. A expressão é a mais geral. No caso, se o valor de b = 1, a expressão corresponde ao valor do rendimento para um ciclo Diesel; se a = 1, expressão corresponde ao valor do rendimento para um ciclo Otto.
.Ciclo Brayton
O Ciclo Brayton ou ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico que descreve os processos num motor que consta de um compressor, uma câmara de combustão e um expansor, é chamado assim em honor do engenheiro americano George Brayton (1830–1892).
O ciclo Brayton é um ciclo ideal, utilizado hoje em dia para uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas turbinas a gás, descrevendo variações de estado físico da matéria estado (pressão e temperatura) dos gases. O conceito é utilizado como base didática e para análise dos ciclos reais, que se desviam do modelo ideal, devido a limitações tecnológicas e fenômenos de irreversibilidade, como o atrito.
O ciclo se constitui de quatro etapas. Primeiramente, o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre uma compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e conseqüente aumento de entalpia. Comprimido, o ar é dirigido às câmaras, onde se mistura com o combustível possibilitando a queima e aquecimento, à pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandiu conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as paletas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluído para o ambiente.
Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia proveniente da combustem é rejeitada sob a forma de calores, conteúdo nos gases quentes de escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de ciclos termodinâmicos, mesmo nos casos ideais, como define a Segunda Lei da Termodinâmica.
A perda de ciclo ideal pode ser quantificada pela potência proveniente do combustível, descontándose a potência de acionamento do compressor e a potência líquida. Assim, diminui-se a perda à medida que se reduz a temperatura de escape e se eleva a temperatura de entrada da turbina, o que faz da resistência, a altas temperaturas, das partes da turbina um ponto extremamente crítico na tecnologia de construção destes equipamentos.
http://pt.wikilingue.com/gl/
Principais Cientistas
. Heron de Alexandria
Inventor da primeira máquina a vapor de que se tem notícia, Heron de Alexandria é lembrado até hoje por sua inestimável contribuição à geometria.
Inventor e geômetra grego, Heron esteve ativo em torno do ano 62 da era cristã. É especialmente conhecido pela fórmula que leva seu nome e se aplica ao cálculo da área do triângulo. Seu trabalho mais importante no campo da geometria, Métrica, permaneceu desaparecido até 1896. O livro I dessa obra trazia fórmulas para calcular a área de figuras geométricas regulares de 3 a 12 lados, círculos e seus segmentos, elipses e segmentos parabólicos, além de superfícies de cilindros, cones, esferas e segmentos de esferas. Nesse livro é apresentado, também, um método para o cálculo aproximado da raiz quadrada de um número, empregado modernamente em computadores.
O livro II da Métrica contém fórmulas para o cálculo do volume de diversos sólidos, como cones, pirâmides, cilindros, paralelepípedos, prismas, troncos de cones e pirâmides, esferas e segmentos esféricos, anéis cilíndricos e alguns prismatóides. O livro III aborda a divisão de certas áreas e volumes em partes que mantêm entre si uma razão determinada.
Heron realizou estudos importantes também no campo da astronomia, reunidos na obra Dioptra, nome de um aparelho de utilidade análoga à dos modernos teodolitos. No campo da óptica, Heron explicou, em Reflexão, os fundamentos da propagação retilínea da luz e a lei da reflexão. Entre seus trabalhos em mecânica, destacam-se a Pneumática (em que descreve os princípios de funcionamento de sua máquina a vapor), Máquinas de guerra e Mecânica.
Fonte: http://www.biomania.com.br/bio/conteudo.asp?cod=2703
. James Watt
Inventor da moderna máquina a vapor, que possibilitou a revolução industrial, James Watt foi mundialmente reconhecido quando seu nome foi dado à unidade de potência de energia – watt.
James Watt nasceu em Greenock, Escócia, em 19 de janeiro de 1736. Aos 19 anos foi para Londres fazer aprendizado de mecânico especializado na construção de instrumentos, mas em menos de um ano regressou à Escócia, por motivos de saúde. Por não possuir o certificado de aprendiz, teve dificuldades em montar uma oficina em Glasgow. Em 1757, no entanto, conseguiu ser escolhido para fabricar e reparar instrumentos matemáticos da Universidade de Glasgow.
Em 1763 recebeu para consertar uma máquina a vapor do tipo Newcomen, a mais avançada de então. Observou que a perda de grandes quantidades de calor era o defeito mais grave da máquina, e idealizou então o condensador, seu primeiro grande invento, dispositivo que seria mantido separado do cilindro mas conectado a ele. No condensador a temperatura do vapor seria mantida baixa (cerca de 37o C), enquanto que no cilindro permaneceria elevada. Procurou, assim, alcançar o máximo de vácuo no condensador. Watt fechou o cilindro, que antes permanecia aberto, eliminou totalmente o ar e criou uma verdadeira máquina a vapor.
Em 1769 obteve a primeira patente do invento e de vários aperfeiçoamentos por ele próprio concebidos. Endividado, associou-se a John Roebuck, que o ajudou financeiramente. Um protótipo foi construído e sobre ele se realizou a correção de algumas falhas. Matthew Boulton, dono de uma firma de engenharia, comprou a parte de Roebuck e deu início à construção das máquinas projetadas por Watt.
De amplo emprego na secagem de minas, o engenho de Watt era destituído de qualquer aplicação mais prática até que seu inventor idealizou a "gaveta", movida pela própria máquina e destinada a fazer o vapor atuar sobre as duas faces do êmbolo, ao mesmo tempo que impelia o vapor para o condensador. Novos detalhes foram ainda aperfeiçoados até que o motor atingiu a forma sob a qual tornou-se universalmente empregado a partir de 1785. James Watt morreu em Heathfield Hall, perto de Birmingham, Inglaterra, em 25 de agosto de 1819.
http://pessoal.educacional.com.br/up/50280001/2756140/t1324.asp
. James Prescott Joule (1818 – 1889)
James Prescott Joule nasceu em dezembro de 1818, em Salford, Inglaterra. Era filho de um importante cervejeiro de Manchester, e sempre manifestou interesse pelas máquinas e pela Física. Joule teve contato com grandes físicos como John Dalton que lhe ensinou ciências e matemática.
Joule estudou a natureza da corrente elétrica. Após inúmeros experimentos ele descobriu que, quando um condutor é aquecido ao ser percorrido por uma corrente elétrica, ocorre uma transformação de energia elétrica em energia térmica. Este fenômeno é conhecido como Efeito Joule (que dá nome ao blog) em sua homenagem.
Interessado pelo estudo do calor, Joule também realizou vários experimentos nesta área, estes o ajudaram a determinar uma relação para a equivalência entre o trabalho mecânico e o calor. O que ajudou na formulação da teoria da conservação da energia (Primeira Lei da Termodinâmica), contribuição que impulsionou o estudo da termodinâmica.
Ele trabalhou com o Físico William Thomson (Lord Kelvin) realizando experimentos termodinâmicos. Juntos chegaram ao efeito Joule-Thomson que relaciona a temperatura e o volume de um gás.
A própria ciência sofria várias mudanças. Uma delas diz respeito a responsabilidade social da ciência, foi nesta época que o homem percebeu que a ciência não é apenas uma forma de organização do conhecimento. Outra mudança importante foi com relação a visão do homem em relação a natureza. Antes a ciência se preocupava em explorar a constituição da natureza, mas agora, o homem percebeu que pode extrair energia da natureza e transformá-la. O homem começa a dominar as fontes de energia da natureza, o vento, a água, o vapor... etc. Todas estas mudanças fazem parte da Revolução Industrial.
O joule, que tem como símbolo a letra J, é a unidade de medida de energia e trabalho no sistema internacional de unidades. As experiências e, grandes contribuições de James Joule para a Física trouxeram-lhe reconhecimento. Joule morreu em outubro de 1889 em Sale, Inglaterra, e após sua morte, foi feita esta homenagem.
Um joule pode ser definido como, o trabalho necessário para exercer uma força de um Newton por uma distância de um metro (N.m). Outra definição para joule é, o trabalho realizado para produzir um watt de energia durante um segundo (W.s).
. Impactos sociais e econômicos das máquinas térmicas
O grego Heron de Alexandria, no século I d.C. Construiu um dispositivo que girava impulsionado pelo vapor d’água. Esse dispositivo é considerado pela ciência como o precursor da máquina térmica. Porém, a máquina de Heron não foi concebida para produzir trabalho. Apenas no século 18, durante a revolução industrial, foram construídas as primeiras máquinas térmicas para as indústrias. Essas primeiras máquinas consumiam muito carvão tendo baixo rendimento. James Watt , em 1770, criou um novo modelo de máquina térmica com grandes vantagens em relação às existentes na época, revolucionando a sociedade. O desenvolvimento das máquinas térmicas levou ao desenvolvimento da Termodinâmica com o estabelecimento da Segunda Lei da Termodinâmica. O desenvolvimento da Termodinâmica causou importantes avanços na tecnologia de produção e de transporte. Esses avanços produziram grandes impactos na sociedade e no desenvolvimento da civilização. Hoje, muitas máquinas térmicas que fazem parte do nosso dia-a-dia operam segundo princípios termodinâmicos (automóvel, geladeira, caldeira, freezer, ar-condicionado, etc.).
. Máquinas térmicas e a Revolução Industrial
As máquinas a vapor surgiram no século XVIII, mas foi durante o século XIX que esses tipos de máquinas foram aperfeiçoados. Além de seu uso em indústrias, as máquinas a vapor foram usadas no transporte (navios, trens, e até automóveis a vapor). Os cientistas estudaram a conversão do trabalho em calor e do calor em trabalho, fizeram a lei da conservação da energia, determinaram as leis do rendimento de máquinas térmicas e estabeleceram o conceito de entropia e a segunda lei da termodinâmica. As maquinas a vapor já eram utilizadas na mineração, desde o final do século XVII, na substituição de tração animal para elevação de água nas minas profundas. A possibilidade de se desenvolver uma outra forma de tração que não fosse animal e que não estivesse sujeita a variações imprevisíveis, fez com que procurassem aperfeiçoá-las para aumentar sua eficienciencia e viabilizá-las economicamente. E assim apos muitos estudos, watt desenvolveu a maquina a vapor de movimentos circulatórios, que passou a ser empregada como forca motriz em vários processos industriais, porque ao mesmo tempo estava havendo um grande crescimento nas industrias de aço. E nessa época ainda mecanizaram as industrias têxteis.
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.Tipos de motores
Do ponto de vista físico e tecnológico, os motores de maior interesse são os motores elétricos e os térmicos. Mais ainda existem os motores de explosão, motores diesel ou de injeção, motores Wankel de êmbolo rotativo e o motor a jato e foguetes.
. Motores térmicos
Os motores térmicos usam como fonte de energia o calor desprendido por reações químicas de natureza diversa. Na maior parte dos motores térmicos a combustão é interna,mas há alguns em que a combustão se faz fora do ciclo da máquina motriz, como é no caso da turbina a vapor, em que o vapor de alta pressão se produz numa Caldera que não faz parte da estrutura do motor.
Há dois grupos principais de motores térmicos: de combustão e reação.
. Motores de combustão
Desenvolvido no final do século XIX, o motor de combustão interna é uma das invenções recentes mais importantes e com maior impacto na sociedade atual. Este tipo de motor, assim chamado porque a combustão decorre dentro de uma câmara que contém também o pistão responsável pela criação do movimento, apresenta elevadas potência e eficiência para o seu tamanho.
Os dois tipos de motores de combustão internas mais importantes são o motor a gasolina e o motor a gás óleo ou motor Diesel.
As partes que constituem estes dois tipos de motor são basicamente iguais: ambos possuem câmaras de combustão e cilindros (em posição vertical, com maior ou menor ângulo e horizontal, no caso dos boxer) que se encontram ligados à cambota por uma haste – que transforma as deslocações do pistão em movimento de rotação. O número de cilindros que compõem um motor é variável, sendo que as configurações mais comuns apresentam 3, 4, 5, 6 e 12 cilindros.
Para o fornecimento de combustível ao motor são necessários: um depósito, uma bomba de injeção de gasolina e um dispositivo que transforme o combustível líquido em gasoso – o carburador.
Os processos de ignição são diferentes nos dois motores.
No motor a gasolina, a ignição é feita através da chamada vela de ignição – dispositivo colocado na parte superior do cilindro, que produz faíscas, as quais provocam a combustão.
No motor a gasóleo, a ignição é feita através da compressão e aquecimento de ar antes da injeção de combustível na câmara. Os movimentos do pistão são basicamente idênticos aos anteriormente apresentados, embora haja um intermédio,
. Motores a reação
A motor de reação é um motor que forneça a propulsão expelindo massa da reação, de acordo com Lei do newton terceira do movimento. Esta lei do movimento paraphrased o mais geralmente como: “Para cada força da ação há um igual, mas oposto a, força da reação”.
Os exemplos incluem ambos motores de jato e motores de foguete, e variações mais uncommon como Thrusters do efeito de salão, movimentações do íon e excitadores maciços.
. Motores de explosão
O motor de explosão, ou motor de combustão interna, é amplamente usado para movimentar automóveis, ônibus, caminhões, etc.
Nos motores a álcool ou gasolina a produção do movimento começa pela queima de combustível nas câmaras de combustão. Essas câmaras contêm um cilindro, duas válvulas (uma de admissão e outra de escape) e uma vela de ignição. O pistão que se move no interior do cilindro é acoplado a biela que se articula com o virabrequim. O virabrequim ao girar faz com que o movimento chegue as rodas através do sistema de transmissão do carro.
Para melhorar o rendimento dos motores, estes funcionam, normalmente, com vários cilindros. Em um motor de quatro cilindros, quando um dos cilindros está em aspiração, outro está em compressão, o terceiro está em explosão e o quarto está em exaustão.
Se o motor está parado, os primeiros movimentos do pistão são feito através de um motor elétrico, conhecido como motor de arranque. Depois das primeiras explosões do combustível o motor de arranque é desligado e os pistões passam a funcionar em ciclos, como os que foram descritos.
. Motor diesel ou de injeção
O motor diesel é de invenção relativamente recente; tendo começado a difundir-se na indústria há cerca de trinta anos. Sua grandiosa aceitação reside especialmente em apresentar o mais alto rendimento térmico obtido em máquinas térmicas e na possibilidade de usar vários combustíveis líquidos de baixo preço. Originariamente era pesado e lento; porém sua evolução construtiva foi rápida, e hoje em dia se adapta vantajosamente aos mais variados misteres tanto na indústria, como na marinha, na aviação e no automobilismo.
Funciona de 2 ou 4 tempos, como o motor de explosão. Diferencia-se especialmente deste pelo fato de, na 1ª fase aspirar ar puro em vez de mistura detonante; na fase seguinte –compressão- a forte compressão dessa massa de ar a 30 ou 35 atmosferas, eleva sua temperatura a 400º ou 600º, suficientes para queimar o combustível que sob grande pressão e finamente pulverizado, é injetado em seu seio; a combustão opera-se, assim, de forma gradual, e dura pelo período de injeção do óleo combustível.
Relativamente ao motor de explosão, é privado de carburador e aparelho de ignição; entretanto, necessita de uma bomba de óleo e pulverizadores de construção muito acurada. Dentre os diversos combustíveis empregados nesses motores, salientam-se o óleo mineral (gás oil e diesel oil), o óleo residual do petróleo (fuel oil), óleo de alcatrão e os óleos vegetais (babaçu, amendoim, algodão, etc.).
. Motores Wankel de êmbolo rotativo
Desde os primeiros dias da invenção do motor a gasolina, milhares já foram construídos baseados em princípios e ciclos diferentes dos que caracterizaram os motores clássicos de dois ou quatro tempos. Entre eles, um tipo desenvolveu-se satisfatoriamente, após anos de estudos e experiências. Trata-se do motor de pistão rotativo ou, como é atualmente conhecido, motor Wankel.
O primeiro automóvel produzido em série a utilizar um desses motores foi o carro esporte NSU de dois lugares, que atraiu muito interesse nos círculos automobilísticos por seu tamanho reduzido, suavidade e a espantosa força desenvolvida por seu motor com mio litro de capacidade – embora isto não seja comparável com o meio litro de um motor de pistão convencional, conforme veremos.
Os princípios essenciais do motor Wankel não são fáceis de descrever, mas antes de mais nada precisamos contar sua história.
Em 1951, Felix Wankel, encarregado do Departamento de Pesquisas Técnicas em Lindau, fez os primeiros contatos com os engenheiros da NSU para estudar os problemas da vedação de espaços irregulares. Esses estudos resultaram na descoberta de que um motor mais ou menos triangular (mas com lados convexos), girando em uma câmara que tivesse, aproximadamente, a forma de um oito (é claro que as descrições são matematicamente muito inexatas), poderia desenvolver um verdadeiro ciclo de quatro tempos.
A primeira aplicação desse princípio foi na forma de um compressor para o motor NSU de 50cc, com dois tempos, que iria estabelecer novos recordes mundiais em Utah, em 1956. O compressor rotativo capacitou este pequeno motor a desenvolver 260HP por litro. Isto deu ao pequenino carro a velocidade de quase 160 km/h.
Em 1958, Wankel fez um acordo com a companhia norte-americana Curtiss-Wright para que unissem seus esforços nas tentativas de fabricação de um grande motor baseado nestes princípios. Mais tarde começaram os testes com carros dotados de motores Wankel, diferentes uns dos outros. Dessa época até 1963, o motor foi gradualmente tomando forma definitiva e então adaptado a um pequeno NSU de dois lugares, apresentado no Salão do Automóvel em Frankfurt, no outono de 1963. A partir daí, foi concedida licença, entre outras, para a Mazda, no Japão.
Talvez o melhor exemplo seja o magnífico NSU RO 80, com dois rotores, que começou a ser produzido em série em outubro de 1967, sendo que a versão com a direção do lado direito foi introduzida no mercado inglês em fins de 1968.
Veremos agora como o motor funciona. Ele consiste essencialmente em uma câmara cujo formato interno se aproxima da forma de um oito. Dentro dela, um rotor mais ou menos triangular – o pistão – gira excentricamente com relação ao virabrequim ou eixo principal do motor. As formas destes dois elementos são tais que enquanto os cantos do pistão estão sempre eqüidistantes das paredes da câmara – e muito próximos a elas, formando uma vedação – eles sucessivamente aumentam e diminuem o espaço entre os lados convexos do triângulo – o rotor – e as paredes da câmara.
Assim, se uma mistura for injetada numa das câmaras, quando está aumentando de tamanho, será comprimida na redução subseqüente de volume, enquanto o rotor, ou pistão, gira. Deste modo, o ciclo clássico de quatro tempos – injeção, compressão, explosão e exaustão – é produzido e, além disso, as três faces do rotor estão em três fases diferentes do ciclo, ao mesmo tempo.
As vantagens do motor Wankel sobre os motores de pistão convencional são muitas. Em primeiro lugar, não existem vibrações devido ao fato de que só há um movimento rotativo, e isso significa ainda menor desgaste e vida mais longa. O motor Wankel não tem nada de complicado: ao contrário, tem poucos componentes, é bem menor e consome bem menos do que os outros motores.
Entre suas desvantagens incluem-se uma curva de potência não muito elástica e problemas em manter uma perfeita vedação entre os cantos do rotor e as paredes da câmara, o que causa algumas dificuldades devido ao rigor das especificações do projeto e às tolerâncias mínimas na produção.
. Motores a jato e foguete
O princípio de funcionamento de um motor ou turbina a jato (ou, ainda, “turbina a gás”) é relativamente simples. O ar é sugado para dentro da turbina e comprimido em seu interior. Ao ser comprimido rapidamente e com “violência”, adquire altas temperaturas. Na seqüência, o ar superaquecido na câmara de combustão recebe combustível, normalmente o querosene, o que provoca uma reação. Ao ser expelido pela parte de trás do motor, depois da reação violenta, o ar passa por rotores com aletas (em formato de hélice), ligado a um eixo que também é ligado aos rotores na parte da frente da turbina, usados para sugar e comprimir o ar, de modo que o ar que escapa por trás proporciona movimento ao conjunto. Ao escapar pela parte de trás, o ar providencia o empuxo que faz o avião se mover. Os jatos comerciais modernos vêm dotados de “fans” na parte da frente da turbina, compostos por aletas que fazem o papel de hélices e providencia maior eficiência no empuxo, maior economia de combustível e menos barulho.
Na verdade, um motor a jato é a materialização da Terceira Lei de Newton, que reza, de forma simples, que “a toda ação corresponde uma reação em sentido contrário” (ou “se algo joga uma força para trás, esse algo anda para frente”).
Uma variante desse sistema são os motores turboélice, que mesclam a reação a jato com as hélices, usadas no passado e ainda hoje por aviões com motores a pistão (cujo princípio de funcionamento é o mesmo dos motores de automóveis).
Os motores de foguete funcionam de acordo com o motor do jato, mas difere-se dele por não necessitar de ar para sua operação.
.Motores elétricos
Motor elétrico é uma máquina destinada a converter energia elétrica em energia mecânica. É o mais utilizado de todos os motores elétricos, pois combina a facilidade de transporte, economia, baixo custo, limpeza e simplicidade de comando. São máquinas de fácil construção e fácil adaptação com qualquer tipo de carga.
As máquinas que atualmente conhecemos não produzem energia, elas convertem outros tipos de energia em energia mecânica para que possam funcionar. Assim como já dizia Lavoisier: “Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”. Ou seja, nada pode ser criado do nada, apenas transformado de algo já existente. Um exemplo disso é o nosso querido e velho liquidificador. Ele converte a energia elétrica em energia mecânica para que possa processar os alimentos. Hoje, em face da grande necessidade de se poupar a camada de ozônio da emissão de gases poluentes, os motores elétricos estão sendo largamente utilizados em veículos automotores com o intuito de economizar energia e poupar o meio ambiente. Gases poluentes, como o dióxido de carbono que é liberado dos escapamentos de veículos automotores e das chaminés das fábricas, têm um grande poder de destruição na camada de ozônio.
O funcionamento dos motores elétricos está baseado nos princípios do eletromagnetismo, mediante os quais, condutores situados num campo magnético e atravessados por corrente elétrica, sofrem a ação de uma força mecânica, força essa chamada de torque.
Existem vários tipos de motores elétricos, dos quais os principais são os de corrente contínua e de corrente alternada. Os motores de corrente contínua são mais caros, pois é necessário um dispositivo que converte a corrente alternada em corrente contínua. Já os motores de corrente alternada são mais baratos e os mais utilizados, pois a energia elétrica é distribuída em forma de corrente alternada, reduzindo assim seu custo.
Corrente contínua: corrente na qual possui fluxo contínuo e ordenado de elétrons sempre na mesma direção.
Corrente alternada: é uma corrente cuja magnitude e direção varia ciclicamente. Ou seja, há variação de corrente elétrica, ao contrário da corrente continua.
Os avanços da indústria automotiva moderna em relação aos modernos motores
. Multinacional italiana como exemplo
A Fiat Powertrain é uma empresa do grupo Fiat que produz motores para o mundo todo com presença também no Brasil ― uma nova planta de produção entra em operação até o final do ano em Betim (MG). Na FPT é possível encontrar exemplos didáticos das duas situações: a de um de motor que foi adaptado para o Brasil porque há mercado consumidor, e outro que é tecnologicamente melhor, mas não virá para o País, ao menos por enquanto, pois aqui o mercado para esse tipo de produto é restrito. A empresa trouxe da Europa o motor turbo 1.4 T-Jet, que hoje equipa os carros modelo Linea, um sedã médio. "É um motor europeu que foi desenvolvido para usar o combustível brasileiro, mas a tecnologia nele é a mesma usada para a Europa", afirma Luiz Rachid, gerente de desenvolvimento de motores Fiat Fire na América Latina.
Um motor desenvolvido no exterior não é simplesmente transplantado para o carro brasileiro. "Há um processo de verificação de todos os componentes, por causa do funcionamento com esse combustível diferente [álcool misturado à gasolina], e uma calibração do motor.
O segundo exemplo se encaixa no que o estudo da Unica indica em relação a como opera a indústria quando o assunto é inserir motores mais evoluídos tecnologicamente. Trata-se de um lançamento recente da FPT, o motor MultiAir, para veículos a gasolina, apresentado no Salão de Genebra em março deste ano. Demorou dez anos para ser desenvolvido. Segundo Rachid, esse novo motor traz ganhos em performance e torque e reduz o consumo e as emissões, atendendo aos padrões europeus. Esse motor equipará os veículos mais sofisticados da Fiat e está disponível no mercado europeu. A empresa avalia se há mercado no Brasil para o MultiAir. De qualquer forma, Rachid garante que a nova planta da FPT em Betim pode produzir essa linha de motor, caso a empresa decida trazê-lo para o mercado nacional.
O motor MultiAir é formado por um sistema de acionamento hidráulico das válvulas de aspiração comandado por uma central eletrônica ― e essa central é o 'pulo do gato' dessa tecnologia. Ela consegue comandar a abertura e o fechamento das válvulas de aspiração cilindro a cilindro, conforme a situação de trânsito em que se encontra o veículo, o motor e o motorista. Capta a condição de operação do motor ― baixa ou alta rotação, solicitação do motorista, velocidade, entre outros parâmetros.
.Política pública pode ajudar
Mas tudo isso precisa de um pequeno empurrão para acontecer, e esse empurrão deve partir do próprio Brasil. "Não existe uma motivação para a indústria automobilística avançar mais [em termos tecnológicos] para atender o que é exigido [pela legislação de emissões de poluentes e de gases estufa]", afirma Alfred Szwarc, da Unica. Nesse caso, o papel da política pública para a promoção da eficiência energética é fundamental, diz ele. Trata-se de um tema ainda pouco trabalhado no Brasil, segundo o consultor. "Na Europa, há desde políticas focadas no sucateamento de veículos, de forma a aumentar as vendas dos novos, até a desoneração fiscal para veículos que são mais econômicos no consumo de combustível", destaca. O Brasil também precisa estimular a formação de engenheiros e ampliar o número de centros de pesquisa com foco em engenharia automotiva que sejam equipados com laboratórios que tenham estrutura e fôlego para trabalhar junto com as empresas, defende o consultor.
.O consumidor
Além disso, as empresas precisam lidar com a questão mercadológica e, nesse sentido, o mercado brasileiro não é estimulante para o desenvolvimento de tecnologias sofisticadas para motores, pois o volume maior de vendas está na faixa dos carros populares. "Nosso consumidor é menos exigente em relação à tecnologia do veículo. Ainda que gaste muito com um rádio sofisticado, por exemplo, não vai pagar a mais para ter um veículo com mais itens de segurança", analisa Szwarc. "Hoje a gente desenvolve tecnologia aqui, e o flexfuel é exemplo disso. Mas por questão estratégica de volume, de mercado, a FPT produz determinados tipos de motores na Europa, na Argentina, etc. A empresa tem essa flexibilidade, e busca o que for mais viável", afirma Luiz Rachid, da Fiat Powertrain.
*Relação entre as diferenças de motores e em relação ao número de válvulas:
Como gastamos muita energia numa máquina térmica, e a gasolina não é barata, nos preocupamos em saber qual a potência da máquina e o seu rendimento. Definimos rendimento como a razão entre o trabalho produzido e a energia fornecida.
Se toda energia fosse transformada em trabalho, o rendimento seria 1 ou 100%. Isso nunca acontece.
Assim, uma máquina potente é a que realiza "mais trabalho" numa unidade de tempo, , isto é, tem um rendimento maior. Para aumentar o rendimento de um motor a combustão, os construtores aumentam a razão entre o volume máximo e o mínimo dentro do cilindro, ocupado pela mistura combustível. Se a mistura é bastante comprimida antes de explodir, a pressão obtida no momento da explosão é maior. Além disso, o deslocamento do pistão é tanto maior quanto maior a razão entre o volume máximo e o mínimo.
Em outras palavras, aumentar o rendimento de um motor corresponde a aumentar as variações de pressão e de volume, o que corresponde no diagrama P x V a um aumento da área interna delimitada pelo ciclo. Essa área representa o trabalho realizado pela máquina em cada ciclo.
Se numa transformação gasosa considerarmos constante a pressão P entre os estados 1 e 2, teremos o gás variando o seu volume de V1 para V2 ( ∆V ) e exercendo uma força F no pistão de área A.
Quando se diz que um carro é 1.6 ou 1.8, estamos nos referindo a sua potência, fornecendo o volume do interior do cilindro disponível para ser ocupado pela mistura combustível na admissão.
A necessidade de melhorar o rendimento das máquinas térmicas reais exigiu um estudo que resultou na elaboração de um ciclo ideal, que não leva em consideração as dificuldades técnicas. Qualquer máquina que operasse com esse ciclo, denominado ciclo de Carnot, teria rendimento máximo, independentemente da substância utilizada.
Essa máquina idealizada operaria num ciclo completamente reversível, o que é impossível de se conseguir na prática, o ciclo de Carnot.
.Válvulas:
Depois que o cilindro está cheio com esta mistura, a válvula de admissão, que estava aberta durante o 1o tempo, fecha-se; então a mistura de ar e combustível sofre a compressão (2o tempo). A seguir uma centelha elétrica na vela de ignição deflagra a explosão e, conseqüentemente, a expansão (3o tempo) da mistura gasosa. Finalmente a válvula de escape abre-se, ocorrendo simultaneamente a descarga da mistura gasosa para a atmosfera e a exaustão do restante dos gases queimados (4o tempo).
www.laboratoriodefisica.com.br
www.if.ufras.br
www.inovaçao.inucamp.br
Nomes: André Nascimento
Geovanni Henrique
Paulo Lopes
Túlio da Silva
Máquinas térmicas são máquinas que realizam trabalho e lidam com a variação de temperatura. Normalmente, as máquinas térmicas retiram calor da fonte quente e transferem-no para a fonte fria, o que define sua eficiência. Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, transferindo, portanto, menos calor na fonte fria.
As máquinas térmicas utilizam energia na forma de calor (gás ou vapor em expansão térmica) para provocar a realização de um trabalho mecânico. Por isso o cilindro com pistão móvel é um dos principais componentes dessas máquinas: o gás preso dentro do cilindro sob pressão, quando aquecido, expande-se, deslocando o pistão e realizando trabalho.
Apesar dos diferentes tipos de máquinas térmicas, elas obedecem as seguintes características:
• recebem calor de uma fonte quente (reator nuclear, coletor de energia solar, fornalha a combustível, etc);
• rejeitam o calor que não foi usado para um reservatório chamado
fonte fria;
• funcionam por ciclos.
As máquinas térmicas e outros dispositivos que funcionam por ciclos utilizam normalmente um fluido para receber e ceder calor ao qual se dá o nome de fluido de trabalho. O trabalho líquido do sistema é simplesmente a diferença de trabalho da fonte quente e da fonte fria:
(1)
onde: Wt é trabalho líquido ou total da máquina térmica; W2 é o trabalho da fonte quente; W1 é o trabalho da fonte fria.
O trabalho pode ser definido a partir das trocas de calor:
(2)
onde Q2 e Q1 são respectivamente o calor cedido da fonte quente e o calor recebido pela fonte fria.
. Rendimento
O rendimento das máquinas térmicas pode ser, de uma maneira geral, a razão entre o trabalho total e o trabalho (ou calor) necessário para que ela funcione, ou seja, é o que se obtém pelo que se dá de trabalho:
(3)
mas pela equação (2) podemos melhorar a equação (3):
e por fim:
(4)
O rendimento é a eficiência com que uma máquina térmica funciona. Em geral o rendimento das máquinas é baixo:
• motores de automóveis da ordem de 30%;
• motores a diesel da ordem de 50%;
• grandes turbinas a gás da ordem de 80%.
Assim o restante de energia que não é aproveitado pela máquina é expulso para o meio ambiente na forma de energia inútil, "perdida".
.Ciclos Termodinâmicos
Os ciclos termodinâmicos são usados para produzir trabalho (motores, turbinas), aquecimento ou refrigeração.
Ciclos térmicos ideais
os chamados ciclos térmicos ideais são:
• ciclo de Carnot;
• ciclo Otto ou Beau de Rochas;
• Ciclo Diesel;
• ciclo misto ou Sabathé;
• ciclo Brayton;
.Ciclo Carnot
Seja uma máquina térmica primitiva e pouco prática conforme Figura 01: um cilindro com paredes laterais de material perfeitamente isolante com um êmbolo também isolante perfeito. O fundo do cilindro é de material perfeitamente condutor de calor e de massa desprezível. E, naturalmente, uma determinada massa de um gás ideal no interior.
Nessas condições, o gás só pode trocar calor através do fundo do cilindro.
Supõe-se ainda que há 3 discos móveis que podem ser postos em contato com o fundo do cilindro:
• um disco fonte quente com temperatura TQ.
• um disco fonte fria com temperatura TF.
• um disco isolante térmico perfeito.
Inicialmente o gás tem um volume específico v1, como em (1) da Figura 01. Se é usado o disco quente, ele se expande isotermicamente.
Ao atingir o volume específico v2 de (2) da figura, retira-se o disco quente e coloca-se o disco isolante.
Assim, a expansão continua, desta vez de forma adiabática, até atingir um volume específico v3, como em (3) da figura. Nesse ponto, coloca-se o disco frio e o gás deverá sofrer uma contração isotérmica.
Em (4) da figura o gás atinge o volume específico v4, quando se insere o disco isolante e a contração deverá continuar de forma adiabática até o volume inicial v1, reiniciando o ciclo. Há, portanto, seqüências alternadas de transformações isotérmicas e adiabáticas. E o movimento do pistão produz um trabalho.
Uma máquina que opera nessas condições usa ciclo de Carnot, que é considerado o ciclo básico da Termodinâmica por ser o mais eficiente. É também é perfeitamente reversível, isto é, se trabalho for fornecido, ele funciona como bomba de calor ou refrigerador. Mais detalhes são vistos nos próximos tópicos.
Notar, entretanto, que o ciclo de Carnot é uma operação ideal, não pode ser usado em máquinas práticas. Um processo real, para ser próximo do isotérmico, precisaria ser tão lento que o seu uso seria inviável.
.Ciclo de Otto ou Beau de Rochas
O Ciclo Otto é um ciclo termodinâmico onde um determinado gás executa repetidamente transformações termodinâmicas, resultando em trabalho, com aplicações em: motores, turbinas, aquecimento ou refrigeração.
No caso dos motores veiculares de “Ciclo Otto” o gás é a mistura de Ar e combustível, existindo 4 estágios termodinâmicos:
• Admissão,
• Compressão,
• Combustão e
• Escape.
Admissão
Na figura em baixo temos mais à esquerda o PMS (Ponto Morto Superior).
Quando inicia a admissão, a válvula de admissão está aberta (válvula esq. representada em azul) e o movimento do pistão aspira a mistura de ar e combustível, num movimento de descida.
Até o ponto mais inferior do curso – PMI.
Compressão
Ao atingir a posição mais inferior (PMI – ponto morto inferior), a válvula de admissão é fechada, e o pistão inicia o movimento de subida (figura mais a esquerda), comprimindo a mistura.
Até atingir o máximo de compressão, no ponto mais superior do curso – PMS.
Combustão
Ao atingir a posição superior (PMS – ponto morto superior), uma centelha na vela é produzida (figura mais a esquerda), provocando a ignição da mistura, e a combustão.O fornecimento de calor eleva a pressão da mistura que se expande forçando o pistão para baixo (figura central), provocando o movimento de descida do pistão, até o ponto mais inferior (figura direita).
Escape
Ao atingir o ponto morto inferior, a válvula de escape é aberta (figura esquerda), reduzindo rapidamente a pressão do gás, agora num movimento de subida do pistão, liberando a maior parte dos gases da combustão, e o ciclo é reiniciado ao atingir o ponto morto superior (figura direita).
Dessa forma, ilustramos o princípio de funcionamento utilizado em motores Ciclo Otto 4 tempos. Existem também ciclos com 2 tempos utilizados em motocicletas, aviões e aplicações diversas.
.Diagramas e Fórmulas
De acordo com o esquema de operação visto no tópico anterior, pode-se traçar um diagrama pressão x volume, que deve ser algo parecido com a Figura 01. A Figura 02 dá o diagrama temperatura x entropia.
Na análise termodinâmica do ciclo ideal, é comum não considerar as etapas de admissão e exaustão dos gases (01 e 10 respectivamente). Assim, o ciclo fica limitado à região 1234 do diagrama.
Desde que os processos 12 e 34 são supostamente adiabáticos, a troca de calor se dá em 23 (calor fornecido) e 41 (calor cedido ao ambiente). São transformações isocóricas e valem as relações já vistas:
q23 = cv (T3 − T2) #A.1#.
q41 = cv (T1 − T4) #A.2#.
Quanto ao trabalho executado, ele é nulo em 23 e 41 porque são processos sob volume constante. E o trabalho das transformações adiabáticas 34 e 12 é:
w = w34 + w 12 = cv (T3 − T4) + cv (T1 − T2). Pode-se reagrupar a igualdade:
w = cv (T3 − T2) + cv (T1 − T4) = q23 + q41 #B.1#.
Notar que q41 deve ter sinal negativo porque é calor cedido pelo ciclo.
A eficiência do ciclo é dada pela relação entre o trabalho realizado e o calor fornecido:
η = w / q23 = (q23 + q41) / q23 = 1 + q41/q23.
η = 1 + cv (T1 − T4) / cv (T3 − T2) = 1 + T1 [1 − (T4/T1)] / T2 [(T3/T2) − 1].
a igualdade #C.1#, pode-se concluir que
T2/T1 = T3/T4 = (v1/v2)(x−1) onde x é a relação cp/cv.
Disso resulta que T4/T1 = T3/T2 e a igualdade anterior da eficiência pode ser simplificada:
η = 1 − T1/T2 = 1 − 1 / [ (v1/v2)(x−1) ] #C.1#.
O termo (v1/v2) equivale á relação entre os volumes máximo e o mínimo do interior do cilindro. É comumente denominado relação de compressão ou taxa de compressão do motor, que se simboliza com r:
r = (v1/v2) #C.2#. Portanto, a eficiência é dada por:
η = 1 − 1 / r(x−1) #D.1#.
O gráfico da Figura 03 mostra a variação da eficiência com r, para x = 1,35 (valor típico para uma mistura ar e combustível comum). Entretanto, na prática, a taxa de compressão é limitada pela ocorrência de auto-ignição da mistura. Valores reais estão na faixa de 9 a 11. Mesmo com essa limitação, a eficiência real do ciclo é significativamente inferior à calculada por essa fórmula.
.Ciclo Diesel
O motor a Diesel ou motor de ignição por reação é um motor de combustão interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913), em que a inflamação do combustível se faz por reação do ar comprimido com um óleo injetado dentro da câmara de combustão no momento de máxima compressão. Ele desenvolveu esse método quando aperfeiçoava motores para substituir as máquinas a vapor.
Os quatro tempos do ciclo diesel são:
• Admissão de ar
• Compressão de ar
• Injeção de combustível
• Escape
Somente se diferencia do ciclo Otto por apresentar na segunda fase, uma pressão constante.
O combustível utilizado atualmente pelos motores diesel é o gasóleo (O invento original
rodou com óleo vegetal ), um hidrocarboneto obtido a partir da destilação do petróleo a
temperaturas de 250ºC e 350ºC. Recentemente, o diesel de petróleo vem sendo substituído pelo
biodiesel e por óleo vegetal a partir da tecnologias de conversão, que são fontes de energia
renovável.
Onde se tem feito mais evolução neste tipo de motorização mais eficiente que o seu congênere a gasolina é no campo da injeção direta, nomeadamente nas de alta pressão como o injetor-bomba e o “common-rail”, que possibilitam a obtenção de mais potência e ainda menor
consumo e menos ruído de funcionamento.
Funcionamento
O ciclo real de um motor Diesel segue com uma razoável aproximação o ciclo teórico composto pelas evoluções:
Compressão isentrópica Parte de introdução de calor a volume constante (isócora) e Parte de introdução de calor a pressão constante (isobárica)
Expansão isentrópica Rejeição de calor a volume constante (isócora)
Este ciclo, tal como descrito, chama-se Ciclo Misto. Quando a totalidade da energia é introduzida a pressão constante o ciclo chama-se Ciclo Diesel.
O ciclo inicia-se com o êmbolo no Ponto Morto Superior (PMS). A válvula de admissão está aberta e o êmbolo ao descer aspira o ar para dentro do cilindro.
O êmbolo atinge o Ponto Morto Inferior (PMI) e inicia-se então a compressão. A temperatura do ar dentro do cilindro aumenta substancialmente, o que é fundamental para a ignição no motor Diesel.
Pouco antes do PMS o combustível começa a ser injetado em finas gotículas com o propósito de se vaporizar facilmente e, em mistura com o ar quente, acaba por se auto-inflamar.
A combustão é controlada pela taxa de injeção de combustível. O combustível começa a ser injetado um pouco antes do PMS devido ao fato de demorar tempo a vaporizar-se e a misturar-se com o ar (atraso físico) e de demorar um determinado tempo até se auto-inflamar (atraso químico). Estes atrasos são designados globalmente por atraso à inflamação.
A diferença entre o ângulo de cambota do PMS e do início de injeção chama-se avanço à injeção.
A expansão começa ainda durante a fase de combustão. Ainda durante o tempo de expansão, abrem-se as válvulas de escape.
O ciclo termina com a fase de escape, onde os gases de combustão são expulsos do cilindro.
Ciclo misto ou Sabathé
No ciclo Otto o processo de combustão ocorre a volume constante, enquanto que o ciclo diesel representa a combustão ocorrendo à pressão constante. No entanto, na prática estes dois ciclos não representam o ciclo de funcionamento real do motor.
No ciclo Otto a combustão a volume constante pressupõe uma combustão instantânea.
O ciclo Misto, Dual (ou de Sabathé), representado pela figura abaixo, é um compromisso entre ambos os ciclos e o que melhor descreve a operação dos motores diesel de alta rotação. Neste ciclo a combustão ocorre em duas fases, com parte do calor sendo fornecida a volume constante e o restante sendo fornecido à pressão constante.
r = V1/V2
a = V3/V2’
b = P2’/P2
g= k = cp/cv
O rendimento térmico do ciclo misto é um valor intermediário entre o rendimento térmico do ciclo Diesel e o do ciclo Otto. A expressão é a mais geral. No caso, se o valor de b = 1, a expressão corresponde ao valor do rendimento para um ciclo Diesel; se a = 1, expressão corresponde ao valor do rendimento para um ciclo Otto.
.Ciclo Brayton
O Ciclo Brayton ou ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico que descreve os processos num motor que consta de um compressor, uma câmara de combustão e um expansor, é chamado assim em honor do engenheiro americano George Brayton (1830–1892).
O ciclo Brayton é um ciclo ideal, utilizado hoje em dia para uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas turbinas a gás, descrevendo variações de estado físico da matéria estado (pressão e temperatura) dos gases. O conceito é utilizado como base didática e para análise dos ciclos reais, que se desviam do modelo ideal, devido a limitações tecnológicas e fenômenos de irreversibilidade, como o atrito.
O ciclo se constitui de quatro etapas. Primeiramente, o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre uma compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e conseqüente aumento de entalpia. Comprimido, o ar é dirigido às câmaras, onde se mistura com o combustível possibilitando a queima e aquecimento, à pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandiu conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as paletas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluído para o ambiente.
Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia proveniente da combustem é rejeitada sob a forma de calores, conteúdo nos gases quentes de escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de ciclos termodinâmicos, mesmo nos casos ideais, como define a Segunda Lei da Termodinâmica.
A perda de ciclo ideal pode ser quantificada pela potência proveniente do combustível, descontándose a potência de acionamento do compressor e a potência líquida. Assim, diminui-se a perda à medida que se reduz a temperatura de escape e se eleva a temperatura de entrada da turbina, o que faz da resistência, a altas temperaturas, das partes da turbina um ponto extremamente crítico na tecnologia de construção destes equipamentos.
http://pt.wikilingue.com/gl/
Principais Cientistas
. Heron de Alexandria
Inventor da primeira máquina a vapor de que se tem notícia, Heron de Alexandria é lembrado até hoje por sua inestimável contribuição à geometria.
Inventor e geômetra grego, Heron esteve ativo em torno do ano 62 da era cristã. É especialmente conhecido pela fórmula que leva seu nome e se aplica ao cálculo da área do triângulo. Seu trabalho mais importante no campo da geometria, Métrica, permaneceu desaparecido até 1896. O livro I dessa obra trazia fórmulas para calcular a área de figuras geométricas regulares de 3 a 12 lados, círculos e seus segmentos, elipses e segmentos parabólicos, além de superfícies de cilindros, cones, esferas e segmentos de esferas. Nesse livro é apresentado, também, um método para o cálculo aproximado da raiz quadrada de um número, empregado modernamente em computadores.
O livro II da Métrica contém fórmulas para o cálculo do volume de diversos sólidos, como cones, pirâmides, cilindros, paralelepípedos, prismas, troncos de cones e pirâmides, esferas e segmentos esféricos, anéis cilíndricos e alguns prismatóides. O livro III aborda a divisão de certas áreas e volumes em partes que mantêm entre si uma razão determinada.
Heron realizou estudos importantes também no campo da astronomia, reunidos na obra Dioptra, nome de um aparelho de utilidade análoga à dos modernos teodolitos. No campo da óptica, Heron explicou, em Reflexão, os fundamentos da propagação retilínea da luz e a lei da reflexão. Entre seus trabalhos em mecânica, destacam-se a Pneumática (em que descreve os princípios de funcionamento de sua máquina a vapor), Máquinas de guerra e Mecânica.
Fonte: http://www.biomania.com.br/bio/conteudo.asp?cod=2703
. James Watt
Inventor da moderna máquina a vapor, que possibilitou a revolução industrial, James Watt foi mundialmente reconhecido quando seu nome foi dado à unidade de potência de energia – watt.
James Watt nasceu em Greenock, Escócia, em 19 de janeiro de 1736. Aos 19 anos foi para Londres fazer aprendizado de mecânico especializado na construção de instrumentos, mas em menos de um ano regressou à Escócia, por motivos de saúde. Por não possuir o certificado de aprendiz, teve dificuldades em montar uma oficina em Glasgow. Em 1757, no entanto, conseguiu ser escolhido para fabricar e reparar instrumentos matemáticos da Universidade de Glasgow.
Em 1763 recebeu para consertar uma máquina a vapor do tipo Newcomen, a mais avançada de então. Observou que a perda de grandes quantidades de calor era o defeito mais grave da máquina, e idealizou então o condensador, seu primeiro grande invento, dispositivo que seria mantido separado do cilindro mas conectado a ele. No condensador a temperatura do vapor seria mantida baixa (cerca de 37o C), enquanto que no cilindro permaneceria elevada. Procurou, assim, alcançar o máximo de vácuo no condensador. Watt fechou o cilindro, que antes permanecia aberto, eliminou totalmente o ar e criou uma verdadeira máquina a vapor.
Em 1769 obteve a primeira patente do invento e de vários aperfeiçoamentos por ele próprio concebidos. Endividado, associou-se a John Roebuck, que o ajudou financeiramente. Um protótipo foi construído e sobre ele se realizou a correção de algumas falhas. Matthew Boulton, dono de uma firma de engenharia, comprou a parte de Roebuck e deu início à construção das máquinas projetadas por Watt.
De amplo emprego na secagem de minas, o engenho de Watt era destituído de qualquer aplicação mais prática até que seu inventor idealizou a "gaveta", movida pela própria máquina e destinada a fazer o vapor atuar sobre as duas faces do êmbolo, ao mesmo tempo que impelia o vapor para o condensador. Novos detalhes foram ainda aperfeiçoados até que o motor atingiu a forma sob a qual tornou-se universalmente empregado a partir de 1785. James Watt morreu em Heathfield Hall, perto de Birmingham, Inglaterra, em 25 de agosto de 1819.
http://pessoal.educacional.com.br/up/50280001/2756140/t1324.asp
. James Prescott Joule (1818 – 1889)
James Prescott Joule nasceu em dezembro de 1818, em Salford, Inglaterra. Era filho de um importante cervejeiro de Manchester, e sempre manifestou interesse pelas máquinas e pela Física. Joule teve contato com grandes físicos como John Dalton que lhe ensinou ciências e matemática.
Joule estudou a natureza da corrente elétrica. Após inúmeros experimentos ele descobriu que, quando um condutor é aquecido ao ser percorrido por uma corrente elétrica, ocorre uma transformação de energia elétrica em energia térmica. Este fenômeno é conhecido como Efeito Joule (que dá nome ao blog) em sua homenagem.
Interessado pelo estudo do calor, Joule também realizou vários experimentos nesta área, estes o ajudaram a determinar uma relação para a equivalência entre o trabalho mecânico e o calor. O que ajudou na formulação da teoria da conservação da energia (Primeira Lei da Termodinâmica), contribuição que impulsionou o estudo da termodinâmica.
Ele trabalhou com o Físico William Thomson (Lord Kelvin) realizando experimentos termodinâmicos. Juntos chegaram ao efeito Joule-Thomson que relaciona a temperatura e o volume de um gás.
A própria ciência sofria várias mudanças. Uma delas diz respeito a responsabilidade social da ciência, foi nesta época que o homem percebeu que a ciência não é apenas uma forma de organização do conhecimento. Outra mudança importante foi com relação a visão do homem em relação a natureza. Antes a ciência se preocupava em explorar a constituição da natureza, mas agora, o homem percebeu que pode extrair energia da natureza e transformá-la. O homem começa a dominar as fontes de energia da natureza, o vento, a água, o vapor... etc. Todas estas mudanças fazem parte da Revolução Industrial.
O joule, que tem como símbolo a letra J, é a unidade de medida de energia e trabalho no sistema internacional de unidades. As experiências e, grandes contribuições de James Joule para a Física trouxeram-lhe reconhecimento. Joule morreu em outubro de 1889 em Sale, Inglaterra, e após sua morte, foi feita esta homenagem.
Um joule pode ser definido como, o trabalho necessário para exercer uma força de um Newton por uma distância de um metro (N.m). Outra definição para joule é, o trabalho realizado para produzir um watt de energia durante um segundo (W.s).
. Impactos sociais e econômicos das máquinas térmicas
O grego Heron de Alexandria, no século I d.C. Construiu um dispositivo que girava impulsionado pelo vapor d’água. Esse dispositivo é considerado pela ciência como o precursor da máquina térmica. Porém, a máquina de Heron não foi concebida para produzir trabalho. Apenas no século 18, durante a revolução industrial, foram construídas as primeiras máquinas térmicas para as indústrias. Essas primeiras máquinas consumiam muito carvão tendo baixo rendimento. James Watt , em 1770, criou um novo modelo de máquina térmica com grandes vantagens em relação às existentes na época, revolucionando a sociedade. O desenvolvimento das máquinas térmicas levou ao desenvolvimento da Termodinâmica com o estabelecimento da Segunda Lei da Termodinâmica. O desenvolvimento da Termodinâmica causou importantes avanços na tecnologia de produção e de transporte. Esses avanços produziram grandes impactos na sociedade e no desenvolvimento da civilização. Hoje, muitas máquinas térmicas que fazem parte do nosso dia-a-dia operam segundo princípios termodinâmicos (automóvel, geladeira, caldeira, freezer, ar-condicionado, etc.).
. Máquinas térmicas e a Revolução Industrial
As máquinas a vapor surgiram no século XVIII, mas foi durante o século XIX que esses tipos de máquinas foram aperfeiçoados. Além de seu uso em indústrias, as máquinas a vapor foram usadas no transporte (navios, trens, e até automóveis a vapor). Os cientistas estudaram a conversão do trabalho em calor e do calor em trabalho, fizeram a lei da conservação da energia, determinaram as leis do rendimento de máquinas térmicas e estabeleceram o conceito de entropia e a segunda lei da termodinâmica. As maquinas a vapor já eram utilizadas na mineração, desde o final do século XVII, na substituição de tração animal para elevação de água nas minas profundas. A possibilidade de se desenvolver uma outra forma de tração que não fosse animal e que não estivesse sujeita a variações imprevisíveis, fez com que procurassem aperfeiçoá-las para aumentar sua eficienciencia e viabilizá-las economicamente. E assim apos muitos estudos, watt desenvolveu a maquina a vapor de movimentos circulatórios, que passou a ser empregada como forca motriz em vários processos industriais, porque ao mesmo tempo estava havendo um grande crescimento nas industrias de aço. E nessa época ainda mecanizaram as industrias têxteis.
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.Tipos de motores
Do ponto de vista físico e tecnológico, os motores de maior interesse são os motores elétricos e os térmicos. Mais ainda existem os motores de explosão, motores diesel ou de injeção, motores Wankel de êmbolo rotativo e o motor a jato e foguetes.
. Motores térmicos
Os motores térmicos usam como fonte de energia o calor desprendido por reações químicas de natureza diversa. Na maior parte dos motores térmicos a combustão é interna,mas há alguns em que a combustão se faz fora do ciclo da máquina motriz, como é no caso da turbina a vapor, em que o vapor de alta pressão se produz numa Caldera que não faz parte da estrutura do motor.
Há dois grupos principais de motores térmicos: de combustão e reação.
. Motores de combustão
Desenvolvido no final do século XIX, o motor de combustão interna é uma das invenções recentes mais importantes e com maior impacto na sociedade atual. Este tipo de motor, assim chamado porque a combustão decorre dentro de uma câmara que contém também o pistão responsável pela criação do movimento, apresenta elevadas potência e eficiência para o seu tamanho.
Os dois tipos de motores de combustão internas mais importantes são o motor a gasolina e o motor a gás óleo ou motor Diesel.
As partes que constituem estes dois tipos de motor são basicamente iguais: ambos possuem câmaras de combustão e cilindros (em posição vertical, com maior ou menor ângulo e horizontal, no caso dos boxer) que se encontram ligados à cambota por uma haste – que transforma as deslocações do pistão em movimento de rotação. O número de cilindros que compõem um motor é variável, sendo que as configurações mais comuns apresentam 3, 4, 5, 6 e 12 cilindros.
Para o fornecimento de combustível ao motor são necessários: um depósito, uma bomba de injeção de gasolina e um dispositivo que transforme o combustível líquido em gasoso – o carburador.
Os processos de ignição são diferentes nos dois motores.
No motor a gasolina, a ignição é feita através da chamada vela de ignição – dispositivo colocado na parte superior do cilindro, que produz faíscas, as quais provocam a combustão.
No motor a gasóleo, a ignição é feita através da compressão e aquecimento de ar antes da injeção de combustível na câmara. Os movimentos do pistão são basicamente idênticos aos anteriormente apresentados, embora haja um intermédio,
. Motores a reação
A motor de reação é um motor que forneça a propulsão expelindo massa da reação, de acordo com Lei do newton terceira do movimento. Esta lei do movimento paraphrased o mais geralmente como: “Para cada força da ação há um igual, mas oposto a, força da reação”.
Os exemplos incluem ambos motores de jato e motores de foguete, e variações mais uncommon como Thrusters do efeito de salão, movimentações do íon e excitadores maciços.
. Motores de explosão
O motor de explosão, ou motor de combustão interna, é amplamente usado para movimentar automóveis, ônibus, caminhões, etc.
Nos motores a álcool ou gasolina a produção do movimento começa pela queima de combustível nas câmaras de combustão. Essas câmaras contêm um cilindro, duas válvulas (uma de admissão e outra de escape) e uma vela de ignição. O pistão que se move no interior do cilindro é acoplado a biela que se articula com o virabrequim. O virabrequim ao girar faz com que o movimento chegue as rodas através do sistema de transmissão do carro.
Para melhorar o rendimento dos motores, estes funcionam, normalmente, com vários cilindros. Em um motor de quatro cilindros, quando um dos cilindros está em aspiração, outro está em compressão, o terceiro está em explosão e o quarto está em exaustão.
Se o motor está parado, os primeiros movimentos do pistão são feito através de um motor elétrico, conhecido como motor de arranque. Depois das primeiras explosões do combustível o motor de arranque é desligado e os pistões passam a funcionar em ciclos, como os que foram descritos.
. Motor diesel ou de injeção
O motor diesel é de invenção relativamente recente; tendo começado a difundir-se na indústria há cerca de trinta anos. Sua grandiosa aceitação reside especialmente em apresentar o mais alto rendimento térmico obtido em máquinas térmicas e na possibilidade de usar vários combustíveis líquidos de baixo preço. Originariamente era pesado e lento; porém sua evolução construtiva foi rápida, e hoje em dia se adapta vantajosamente aos mais variados misteres tanto na indústria, como na marinha, na aviação e no automobilismo.
Funciona de 2 ou 4 tempos, como o motor de explosão. Diferencia-se especialmente deste pelo fato de, na 1ª fase aspirar ar puro em vez de mistura detonante; na fase seguinte –compressão- a forte compressão dessa massa de ar a 30 ou 35 atmosferas, eleva sua temperatura a 400º ou 600º, suficientes para queimar o combustível que sob grande pressão e finamente pulverizado, é injetado em seu seio; a combustão opera-se, assim, de forma gradual, e dura pelo período de injeção do óleo combustível.
Relativamente ao motor de explosão, é privado de carburador e aparelho de ignição; entretanto, necessita de uma bomba de óleo e pulverizadores de construção muito acurada. Dentre os diversos combustíveis empregados nesses motores, salientam-se o óleo mineral (gás oil e diesel oil), o óleo residual do petróleo (fuel oil), óleo de alcatrão e os óleos vegetais (babaçu, amendoim, algodão, etc.).
. Motores Wankel de êmbolo rotativo
Desde os primeiros dias da invenção do motor a gasolina, milhares já foram construídos baseados em princípios e ciclos diferentes dos que caracterizaram os motores clássicos de dois ou quatro tempos. Entre eles, um tipo desenvolveu-se satisfatoriamente, após anos de estudos e experiências. Trata-se do motor de pistão rotativo ou, como é atualmente conhecido, motor Wankel.
O primeiro automóvel produzido em série a utilizar um desses motores foi o carro esporte NSU de dois lugares, que atraiu muito interesse nos círculos automobilísticos por seu tamanho reduzido, suavidade e a espantosa força desenvolvida por seu motor com mio litro de capacidade – embora isto não seja comparável com o meio litro de um motor de pistão convencional, conforme veremos.
Os princípios essenciais do motor Wankel não são fáceis de descrever, mas antes de mais nada precisamos contar sua história.
Em 1951, Felix Wankel, encarregado do Departamento de Pesquisas Técnicas em Lindau, fez os primeiros contatos com os engenheiros da NSU para estudar os problemas da vedação de espaços irregulares. Esses estudos resultaram na descoberta de que um motor mais ou menos triangular (mas com lados convexos), girando em uma câmara que tivesse, aproximadamente, a forma de um oito (é claro que as descrições são matematicamente muito inexatas), poderia desenvolver um verdadeiro ciclo de quatro tempos.
A primeira aplicação desse princípio foi na forma de um compressor para o motor NSU de 50cc, com dois tempos, que iria estabelecer novos recordes mundiais em Utah, em 1956. O compressor rotativo capacitou este pequeno motor a desenvolver 260HP por litro. Isto deu ao pequenino carro a velocidade de quase 160 km/h.
Em 1958, Wankel fez um acordo com a companhia norte-americana Curtiss-Wright para que unissem seus esforços nas tentativas de fabricação de um grande motor baseado nestes princípios. Mais tarde começaram os testes com carros dotados de motores Wankel, diferentes uns dos outros. Dessa época até 1963, o motor foi gradualmente tomando forma definitiva e então adaptado a um pequeno NSU de dois lugares, apresentado no Salão do Automóvel em Frankfurt, no outono de 1963. A partir daí, foi concedida licença, entre outras, para a Mazda, no Japão.
Talvez o melhor exemplo seja o magnífico NSU RO 80, com dois rotores, que começou a ser produzido em série em outubro de 1967, sendo que a versão com a direção do lado direito foi introduzida no mercado inglês em fins de 1968.
Veremos agora como o motor funciona. Ele consiste essencialmente em uma câmara cujo formato interno se aproxima da forma de um oito. Dentro dela, um rotor mais ou menos triangular – o pistão – gira excentricamente com relação ao virabrequim ou eixo principal do motor. As formas destes dois elementos são tais que enquanto os cantos do pistão estão sempre eqüidistantes das paredes da câmara – e muito próximos a elas, formando uma vedação – eles sucessivamente aumentam e diminuem o espaço entre os lados convexos do triângulo – o rotor – e as paredes da câmara.
Assim, se uma mistura for injetada numa das câmaras, quando está aumentando de tamanho, será comprimida na redução subseqüente de volume, enquanto o rotor, ou pistão, gira. Deste modo, o ciclo clássico de quatro tempos – injeção, compressão, explosão e exaustão – é produzido e, além disso, as três faces do rotor estão em três fases diferentes do ciclo, ao mesmo tempo.
As vantagens do motor Wankel sobre os motores de pistão convencional são muitas. Em primeiro lugar, não existem vibrações devido ao fato de que só há um movimento rotativo, e isso significa ainda menor desgaste e vida mais longa. O motor Wankel não tem nada de complicado: ao contrário, tem poucos componentes, é bem menor e consome bem menos do que os outros motores.
Entre suas desvantagens incluem-se uma curva de potência não muito elástica e problemas em manter uma perfeita vedação entre os cantos do rotor e as paredes da câmara, o que causa algumas dificuldades devido ao rigor das especificações do projeto e às tolerâncias mínimas na produção.
. Motores a jato e foguete
O princípio de funcionamento de um motor ou turbina a jato (ou, ainda, “turbina a gás”) é relativamente simples. O ar é sugado para dentro da turbina e comprimido em seu interior. Ao ser comprimido rapidamente e com “violência”, adquire altas temperaturas. Na seqüência, o ar superaquecido na câmara de combustão recebe combustível, normalmente o querosene, o que provoca uma reação. Ao ser expelido pela parte de trás do motor, depois da reação violenta, o ar passa por rotores com aletas (em formato de hélice), ligado a um eixo que também é ligado aos rotores na parte da frente da turbina, usados para sugar e comprimir o ar, de modo que o ar que escapa por trás proporciona movimento ao conjunto. Ao escapar pela parte de trás, o ar providencia o empuxo que faz o avião se mover. Os jatos comerciais modernos vêm dotados de “fans” na parte da frente da turbina, compostos por aletas que fazem o papel de hélices e providencia maior eficiência no empuxo, maior economia de combustível e menos barulho.
Na verdade, um motor a jato é a materialização da Terceira Lei de Newton, que reza, de forma simples, que “a toda ação corresponde uma reação em sentido contrário” (ou “se algo joga uma força para trás, esse algo anda para frente”).
Uma variante desse sistema são os motores turboélice, que mesclam a reação a jato com as hélices, usadas no passado e ainda hoje por aviões com motores a pistão (cujo princípio de funcionamento é o mesmo dos motores de automóveis).
Os motores de foguete funcionam de acordo com o motor do jato, mas difere-se dele por não necessitar de ar para sua operação.
.Motores elétricos
Motor elétrico é uma máquina destinada a converter energia elétrica em energia mecânica. É o mais utilizado de todos os motores elétricos, pois combina a facilidade de transporte, economia, baixo custo, limpeza e simplicidade de comando. São máquinas de fácil construção e fácil adaptação com qualquer tipo de carga.
As máquinas que atualmente conhecemos não produzem energia, elas convertem outros tipos de energia em energia mecânica para que possam funcionar. Assim como já dizia Lavoisier: “Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”. Ou seja, nada pode ser criado do nada, apenas transformado de algo já existente. Um exemplo disso é o nosso querido e velho liquidificador. Ele converte a energia elétrica em energia mecânica para que possa processar os alimentos. Hoje, em face da grande necessidade de se poupar a camada de ozônio da emissão de gases poluentes, os motores elétricos estão sendo largamente utilizados em veículos automotores com o intuito de economizar energia e poupar o meio ambiente. Gases poluentes, como o dióxido de carbono que é liberado dos escapamentos de veículos automotores e das chaminés das fábricas, têm um grande poder de destruição na camada de ozônio.
O funcionamento dos motores elétricos está baseado nos princípios do eletromagnetismo, mediante os quais, condutores situados num campo magnético e atravessados por corrente elétrica, sofrem a ação de uma força mecânica, força essa chamada de torque.
Existem vários tipos de motores elétricos, dos quais os principais são os de corrente contínua e de corrente alternada. Os motores de corrente contínua são mais caros, pois é necessário um dispositivo que converte a corrente alternada em corrente contínua. Já os motores de corrente alternada são mais baratos e os mais utilizados, pois a energia elétrica é distribuída em forma de corrente alternada, reduzindo assim seu custo.
Corrente contínua: corrente na qual possui fluxo contínuo e ordenado de elétrons sempre na mesma direção.
Corrente alternada: é uma corrente cuja magnitude e direção varia ciclicamente. Ou seja, há variação de corrente elétrica, ao contrário da corrente continua.
Os avanços da indústria automotiva moderna em relação aos modernos motores
. Multinacional italiana como exemplo
A Fiat Powertrain é uma empresa do grupo Fiat que produz motores para o mundo todo com presença também no Brasil ― uma nova planta de produção entra em operação até o final do ano em Betim (MG). Na FPT é possível encontrar exemplos didáticos das duas situações: a de um de motor que foi adaptado para o Brasil porque há mercado consumidor, e outro que é tecnologicamente melhor, mas não virá para o País, ao menos por enquanto, pois aqui o mercado para esse tipo de produto é restrito. A empresa trouxe da Europa o motor turbo 1.4 T-Jet, que hoje equipa os carros modelo Linea, um sedã médio. "É um motor europeu que foi desenvolvido para usar o combustível brasileiro, mas a tecnologia nele é a mesma usada para a Europa", afirma Luiz Rachid, gerente de desenvolvimento de motores Fiat Fire na América Latina.
Um motor desenvolvido no exterior não é simplesmente transplantado para o carro brasileiro. "Há um processo de verificação de todos os componentes, por causa do funcionamento com esse combustível diferente [álcool misturado à gasolina], e uma calibração do motor.
O segundo exemplo se encaixa no que o estudo da Unica indica em relação a como opera a indústria quando o assunto é inserir motores mais evoluídos tecnologicamente. Trata-se de um lançamento recente da FPT, o motor MultiAir, para veículos a gasolina, apresentado no Salão de Genebra em março deste ano. Demorou dez anos para ser desenvolvido. Segundo Rachid, esse novo motor traz ganhos em performance e torque e reduz o consumo e as emissões, atendendo aos padrões europeus. Esse motor equipará os veículos mais sofisticados da Fiat e está disponível no mercado europeu. A empresa avalia se há mercado no Brasil para o MultiAir. De qualquer forma, Rachid garante que a nova planta da FPT em Betim pode produzir essa linha de motor, caso a empresa decida trazê-lo para o mercado nacional.
O motor MultiAir é formado por um sistema de acionamento hidráulico das válvulas de aspiração comandado por uma central eletrônica ― e essa central é o 'pulo do gato' dessa tecnologia. Ela consegue comandar a abertura e o fechamento das válvulas de aspiração cilindro a cilindro, conforme a situação de trânsito em que se encontra o veículo, o motor e o motorista. Capta a condição de operação do motor ― baixa ou alta rotação, solicitação do motorista, velocidade, entre outros parâmetros.
.Política pública pode ajudar
Mas tudo isso precisa de um pequeno empurrão para acontecer, e esse empurrão deve partir do próprio Brasil. "Não existe uma motivação para a indústria automobilística avançar mais [em termos tecnológicos] para atender o que é exigido [pela legislação de emissões de poluentes e de gases estufa]", afirma Alfred Szwarc, da Unica. Nesse caso, o papel da política pública para a promoção da eficiência energética é fundamental, diz ele. Trata-se de um tema ainda pouco trabalhado no Brasil, segundo o consultor. "Na Europa, há desde políticas focadas no sucateamento de veículos, de forma a aumentar as vendas dos novos, até a desoneração fiscal para veículos que são mais econômicos no consumo de combustível", destaca. O Brasil também precisa estimular a formação de engenheiros e ampliar o número de centros de pesquisa com foco em engenharia automotiva que sejam equipados com laboratórios que tenham estrutura e fôlego para trabalhar junto com as empresas, defende o consultor.
.O consumidor
Além disso, as empresas precisam lidar com a questão mercadológica e, nesse sentido, o mercado brasileiro não é estimulante para o desenvolvimento de tecnologias sofisticadas para motores, pois o volume maior de vendas está na faixa dos carros populares. "Nosso consumidor é menos exigente em relação à tecnologia do veículo. Ainda que gaste muito com um rádio sofisticado, por exemplo, não vai pagar a mais para ter um veículo com mais itens de segurança", analisa Szwarc. "Hoje a gente desenvolve tecnologia aqui, e o flexfuel é exemplo disso. Mas por questão estratégica de volume, de mercado, a FPT produz determinados tipos de motores na Europa, na Argentina, etc. A empresa tem essa flexibilidade, e busca o que for mais viável", afirma Luiz Rachid, da Fiat Powertrain.
*Relação entre as diferenças de motores e em relação ao número de válvulas:
Como gastamos muita energia numa máquina térmica, e a gasolina não é barata, nos preocupamos em saber qual a potência da máquina e o seu rendimento. Definimos rendimento como a razão entre o trabalho produzido e a energia fornecida.
Se toda energia fosse transformada em trabalho, o rendimento seria 1 ou 100%. Isso nunca acontece.
Assim, uma máquina potente é a que realiza "mais trabalho" numa unidade de tempo, , isto é, tem um rendimento maior. Para aumentar o rendimento de um motor a combustão, os construtores aumentam a razão entre o volume máximo e o mínimo dentro do cilindro, ocupado pela mistura combustível. Se a mistura é bastante comprimida antes de explodir, a pressão obtida no momento da explosão é maior. Além disso, o deslocamento do pistão é tanto maior quanto maior a razão entre o volume máximo e o mínimo.
Em outras palavras, aumentar o rendimento de um motor corresponde a aumentar as variações de pressão e de volume, o que corresponde no diagrama P x V a um aumento da área interna delimitada pelo ciclo. Essa área representa o trabalho realizado pela máquina em cada ciclo.
Se numa transformação gasosa considerarmos constante a pressão P entre os estados 1 e 2, teremos o gás variando o seu volume de V1 para V2 ( ∆V ) e exercendo uma força F no pistão de área A.
Quando se diz que um carro é 1.6 ou 1.8, estamos nos referindo a sua potência, fornecendo o volume do interior do cilindro disponível para ser ocupado pela mistura combustível na admissão.
A necessidade de melhorar o rendimento das máquinas térmicas reais exigiu um estudo que resultou na elaboração de um ciclo ideal, que não leva em consideração as dificuldades técnicas. Qualquer máquina que operasse com esse ciclo, denominado ciclo de Carnot, teria rendimento máximo, independentemente da substância utilizada.
Essa máquina idealizada operaria num ciclo completamente reversível, o que é impossível de se conseguir na prática, o ciclo de Carnot.
.Válvulas:
Depois que o cilindro está cheio com esta mistura, a válvula de admissão, que estava aberta durante o 1o tempo, fecha-se; então a mistura de ar e combustível sofre a compressão (2o tempo). A seguir uma centelha elétrica na vela de ignição deflagra a explosão e, conseqüentemente, a expansão (3o tempo) da mistura gasosa. Finalmente a válvula de escape abre-se, ocorrendo simultaneamente a descarga da mistura gasosa para a atmosfera e a exaustão do restante dos gases queimados (4o tempo).
www.laboratoriodefisica.com.br
www.if.ufras.br
www.inovaçao.inucamp.br
Nomes: André Nascimento
Geovanni Henrique
Paulo Lopes
Túlio da Silva
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