Motores de combustão interna – parte 3

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedIn

Na última postagem (leia aqui), exploramos as principais configurações de acionamento do trem de válvulas e de lay-out de cilindros nos blocos. Hoje, iremos ver algumas formas de comparar dois ou mais motores, a partir de suas características físicas e de operação, e como a comparação entre motores é um tema complexo, e que necessita de diversos parâmetros para que possa ser bem sucedida.

Cilindrada

A cilindrada é a característica física mais conhecida dos motores, e é importante principalmente no Brasil, pois é com base nela que são definidas as faixas de IPI a serem aplicadas nos automóveis de passeio:

A cilindrada de um motor de pistões é dada por:
onde:
Cc = cilindrada (cm³);
d = diâmetro do cilindro (mm);
c = curso do virabrequim (mm);
n = número de cilindros.

Potência específica

Talvez a forma mais comum de comparação, a potência específica nada mais é do que  o resultado da divisão da potência máxima pela cilindrada em litros. Apesar disso, ela é pouco relevante em casos onde os motores tem concepções muito diferentes, como ao comparar motores Wankel ou Dois Tempos a motores Quatro Tempos convencionais.

Na tabela abaixo temos algumas referências de potência específica para diversos tipos de motores:

Relação peso/potência

Um fator importante, principalmente em motores de competição, é a relação peso/potência. Nesse campo, motores Wankel e Dois Tempos são particularmente competitivos, já que possuem um ciclo de potência para cada rotação completa, ao mesmo tempo que tem design simplificado por não possuírem sistemas de sincronismo e comando de válvulas.

A relação peso/potência é dada por:

Pressão Média Efetiva

A Pressão Média Efetiva (MEP – Mean Effective Pressure), é definida como a pressão constante que, se aplicada aos pistões de um motor, resultaria no torque que ele é capaz de exercer. É muito útil para comparar motores de cilindradas diferentes, servindo como uma medida da capacidade de trabalho que um motor consegue realizar independentemente de sua cilindrada ou ciclo de funcionamento. É dada por:


MEP = Pressão média efetiva (bar)
T = Torque (N.m)
Cc = Cilindrada (cm³)
nc = Número de rotações por ciclo de potência (0,5 para motores 4 tempos, 1 para motores Wankel e 2 tempos)

Alternativamente, a MEP pode ser obtida através de:

Onde;

nf = Eficiência da combustão
nv = Eficiência volumétrica
pai = massa específica do ar na admissão
Qrf = poder calorífico do combustível
A/F = razão ar/combustível

Podemos ver assim que a MEP pode ser vista como um resumo da eficiência do design de um motor, pois maiores valores estão diretamente relacionados a maiores eficiências, tanto volumétricas quanto de combustão.

O maior valor da MEP ocorre no pico de torque do motor, e valores maiores indicam uma maior capacidade de realizar trabalho. Abaixo temos alguns valores típicos de MEP:

Coeficiente de Performance do Motor (EPC)

Se a Pressão Média Efetiva nos dá uma medida da capacidade de realizar trabalho para um motor, o Coeficiente de Performance do Motor (EPC – Engine Performance Coefficient) nos dá uma medida da capacidade de um motor converter combustível em potência, levando em conta as diferentes características construtivas de um motor.

Para isso, primeiro temos que definir um fator chamado Potential Air Flow (PAN), ou Fluxo Potencial de Ar, que representa a quantidade de ar que um motor é capaz de admitir a uma determinada rotação, caso considere-se sua eficiência volumétrica como 100%. Dessa forma:

Onde;

RPM = Rotação de potência máxima (rpm)

Assim, o Coeficiente de Performance pode ser definido como:

Quanto maior o EPC, mais eficiente é a construção do motor na conversão de combustível em potência útil.

Velocidade média do pistão

Outro indicador de desempenho é a velocidade média do pistão, que serve como indicador das cargas nos elementos deslizantes e da densidade de potência de um motor. Muitas vezes tendemos a acreditar que motores com maior limite de giros tendem a sofrer maiores cargas, porém dependendo do curso definido no projeto, podemos ter motores com menor limite de giros que são expostos a maiores cargas. É dada por:

Onde,

VMP = Velocidade média do pistão (m/s)
c = curso do virabrequim (mm)
RPM = Limite de giros do motor (rpm)

Estudo de caso 1 – Comparando motores 2 tempos e 4 tempos

Recentemente a fabricante suíça Suter apresentou a MMX500, uma motocicleta equipada com um motor dois tempos de 587 cm³, com potência declarada de 195 cv a 13.000 rpm. Isso dá a incrível potência específica de 332,4 cv/litro. Se comparada as motocicletas convencionais com motores de 4 tempos, a impressão que temos é que o motor dois tempos é muito mais eficiente que as de motores quatro tempos.

Porém, ao compararmos os dados do motor da MMX com os da Honda CBR 1000 RR, uma motocicleta de proposta similar equipada com motor quatro tempos, podemos ver que este último apresenta parâmetros consideravelmente mais altos de EPC e MEP, o que é um indicativo de que o motor japonês deve apresentar uma maior eficiência global e menor consumo de combustível para cada cavalo de potência gerado. Ainda assim, o motor de dois tempos se destaca pelo baixo peso, que pode ser visto comparando-se o peso das duas motocicletas. Essas características podem ser relacionadas diretamente a arquitetura de cada motor: enquanto o motor Dois Tempos tem um ciclo de potência para cada rotação, resultando numa maior densidade de potência, o melhor controle da troca de gases no motor Quatro Tempos resulta numa combustão mais eficiente, ao custo de um motor maior e mais pesado devido a suas dimensões e a presença de sistemas de comando de válvulas e sincronismo.

Mesmo analisando esses fatores, a verdade é que uma comparação completa entre dois ou mais motores precisa levar em conta diversos outros fatores, tais como: curvas de torque e potência, consumo específico de combustível, custo de produção, durabilidade, custo de manutenção, nível de ruído e vibrações, dimensões, entre outros. Cada aplicação tem suas prioridades, e são elas que definem qual o melhor motor para cada necessidade. As informações e metodologias aqui apresentadas podem ser utilizadas como indicadores numa comparação, mas principalmente podem ser utilizados para verificar se os números de performance divulgados por montadoras e preparadores são coerentes com aquilo que é possível, ou apenas jogadas de marketing para chamar a atenção da mídia. No próximo estudo de caso iremos ver como fazer isso para um caso recente que chamou bastante atenção na mídia:

Estudo de caso 2 – Verificando a performance declarada

Não é incomum vermos empresas novas apresentando supercarros com dados de performance que, a primeira vista, parecem muito improváveis. Um caso recente que ganhou muita atenção foi o Devel Sixteen, que segundo seus criadores será equipado com um motor de 5.000 HP. No final de 2015, a preparadora americana Steve Morris Engines divulgou um vídeo no YouTube apresentando esse motor, e diversos dados de desempenho, com os quais podemos verificar se o desempenho alegado é factível, ou se os números não passam de uma jogada de marketing para conseguir um minuto de fama.

Abaixo podemos ver os dados do motor Devel comparado aos de alguns outros motores turbocomprimidos:

Na tabela acima fica claro que, do ponto de vista de potência específica o motor Devel V16 está muito acima do que existe em carros de produção em série (35% acima do Koenigsegg V8 e 100% maior que os motores Bugatti e Henessey). Porém olhando mais abaixo vemos que a pressão da turbina para esse motor é de 2,5 bar, contra pressões na casa de 1,8 bar nos outros motores. De maneira simplificada, isso ajuda a entender como os número divulgados podem ser possíveis: maiores pressões de alimentação implicam em uma maior quantidade de ar sendo admitida, e assim mais combustível, resultando em uma maior potência para uma mesma cilindrada. Para tentar nivelar um pouco os parâmetros de comparação, podemos, introduzimos o conceito de Cilindrada Corrigida, que nada mais é do que ajustar um motor sobrealimentado de acordo com o nível de pressão fornecido. Isso é feito imaginando que em lugar de um motor sobrealimentado, teríamos um motor de aspiração natural, com 100% de eficiência volumétrica e capaz de admitir a mesma quantidade de ar. Assim, podemos escrever a seguinte equação:

Onde,

Patm = Pressão atmosférica
Pturbo = Pressão de sobrealimentação

Com esse ajuste, vemos que a potência específica para esse motor cai para 106,8 cv/litro, o que está no nível dos melhores motores aspirados em produção. Comparando também com os números do motor BMW utilizado na temporada de F1 de 1986, vemos que os valores de MEP necessários para atingir o nível de performance declarados são atingíveis, e levando em conta que esse motor trabalha com gasolina de competição de elevada octanagem, podemos imaginar que trabalhe com parâmetros de ignição e taxa de compressão mais agressivos, o que torna ao menos factível, apesar de desafiador, imaginar que esse nível de desempenho possa sim ser atingido. Esse mesmo raciocínio pode ser aplicado para qualquer tipo de motor, quando se tiver dúvidas se os dados divulgados pelo fabricante são realmente factíveis.

Fontes:

SAE Internal Combustion Engine Handbook. Chapter 3: Characteristics.

Kane, Jack. NASCAR Cup and FIA Formula One engines: How do they compare? Race Engine Technology Magazine, nº 29.

 

 

 

 

Save

Save

Save

Save

Save

Save

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedIn

Motores de combustão interna: parte 1

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedIn

Se você já abriu o capô do seu carro e se perguntou como aquele monte de metal, plástico, tubos e fios tem capacidade de fazer algo tão grande e pesado se mover, ou se você gostaria de saber o que significam termos como dois tempos, ciclo Otto e ciclo Diesel, você veio ao lugar certo. Nessa série de postagens iremos explorar os princípios de funcionamento e características principais dos motores de combustão interna mais comuns.

Introdução: tipos de motores

Os motores de combustão interna fazem parte de uma categoria de máquinas de fluxo chamadas de máquinas de deslocamento positivo. Dentro dessa categoria se enquadram máquinas motrizes, que produzem energia mecânica através do trabalho de um fluido, como os motores, e máquinas geratrizes que consomem energia mecânica para fornecer trabalho a um fluido, como compressores ou a bomba de água abaixo:

Bomba ZM 51. Fonte: ZM Bombas [1].

Bomba ZM 51. Fonte: ZM Bombas [1].

Existem diversos tipos de mecanismos para máquinas de deslocamento positivo, como pistões, rotores, engrenagens e diversas outras que iremos explorar no futuro, mas por hoje iremos nos concentrar nos motores de pistões alternativos, que tem seu funcionamento baseado no mecanismo biela-manivela.

E.torQ

Motor E.torQ. Fonte: FPT Powertrain [2].

Princípios mecânicos: O mecanismo biela-manivela

motor

Exemplo de um mecanismo biela-manivela de um motor de quatro cilindros.

Como dito anteriormente, o principal elemento necessário para compreender o funcionamento da maioria dos motores é o mecanismo biela-manivela. Esse mecanismo é capaz de transformar movimento linear em movimento rotacional e vice-versa. Na imagem abaixo podemos ver esse sistema como aplicado em um motor, e seus principais componentes:

Biela-manivela

Observando o esquema acima, podemos entender o funcionamento básico do mecanismo biela-manivela em um motor: dentro do cilindro (1) a mistura de ar e combustível entra em combustão, e com isso se expande movendo o pistão (2) para baixo. Como o pistão está preso a biela (3) e a mesma ao virabrequim (4), o movimento linear é transformado em rotação do virabrequim, e essa rotação é a que é transferida até as rodas dos nossos automóveis. Depois do ciclo completado, o pistão é novamente impulsionado para cima devido a inércia de rotação, dando início a outro ciclo.

Ciclos de funcionamento

Após entender o funcionamento do mecanismo biela-manivela, vamos ver quais são os principais ciclos de funcionamento de um motor, ou seja, quais as principais formas pelas quais um motor “respira”.

Ciclo quatro tempos

VW EA 211 R3 1.0

O motor EA211 da Volkswagen é um exemplo de motor 4 tempos moderno. Fonte: Automotive Engineer [3].

O ciclo quatro tempos é criação do engenheiro francês Alphonse Beau de Rochas, mas a sua primeira implementação bem-sucedida foi pelas mãos do alemão Nikolaus Otto, ainda em 1876. Hoje praticamente todos os carros e motos que vemos na rua se utilizam de motores quatro tempos, que são assim chamados por que seu ciclo de trabalho é composto por quatro etapas bem distintas entre si:

Ciclo_4_tempos

As etapas do ciclo quatro tempos. Fonte: Manutenção Aeronáutica [4].

  • Admissão: o primeiro tempo do motor a válvula de admissão se abre, permitindo a entrada da mistura de ar e combustível para o cilindro, enquanto o pistão desce;
  • Compressão: no segundo tempo, ambas as válvulas estão fechadas e o pistão começa a subir novamente, comprimindo a mistura;
  • Explosão: o terceiro tempo o trabalho é realizado pelo motor, com a explosão da mistura que empurra o pistão para baixo;
  • Exaustão: o quarto e último tempo é chamado de exaustão, quando a válvula de exaustão se abre para que o pistão possa expulsar o resultado da queima de combustível para fora do motor, começando o ciclo novamente.

Na animação abaixo podemos ver as etapas de funcionamento de um motor quatro tempos a medida que elas acontecem:

4-Stroke-Engine

Principais vantagens do ciclo quatro tempos:

  • Melhor controle da combustão pela distinção dos eventos em cada etapa, melhorando a eficiência e reduzindo as emissões de poluentes;
  • Melhor lubrificação por contar com sistema de lubrificação isolado

Principais desvantagens:

  • Maior peso em relação a um motor dois tempos de desempenho equivalente, pois ocorre uma combustão a cada duas rotações do virabrequim;
  • Maior complexidade devido às válvulas e sistema de acionamento das mesmas;
  • Maior custo de produção em relação a um motor dois tempos;

Ciclo dois tempos

Rotax_125_Max

Motor Rotax 125 Max evo. Fonte: Rotax [5].

Já o ciclo dois tempos é obra do engenheiro escocês Dugald Clerk, que o criou em 1878 através da simplificação do ciclo de quatro tempos de Otto. Hoje sua aplicação em veículos automotores é limitada, sendo muito comum ainda em máquinas como motosserras e roçadeiras, e também em karts. Como o próprio nome já diz, nesses motores o ciclo é composto por duas etapas bem distintas, como podemos ver abaixo:

Ciclo_2_tempos

As etapas do ciclo dois temos. Fonte: Motonline [6].

  • Tempo de força: diferente do ciclo quatro tempos, os motores quatro tempos não utilizam válvulas para o controle da entrada e saída de mistura ar-combustível no cilindro. Ao invés disso, janelas nas laterais do cilindro tem essa função, sendo a de admissão em posição mais baixa que a de exaustão. O primeiro tempo começa logo após a explosão, quando o pistão desce abrindo a janela de exaustão e os gases de combustão são expulsos, criando um vácuo no cilindro. Quando o pistão desce ainda mais ele abre também a janela de admissão, de forma que o vácuo criado começa a aspirar a mistura que estava presente no interior do motor.
  • Tempo de compressão: quando o pistão inicia novamente seu processo de subida, acaba bloqueando a janela de entrada de mistura, e no processo termina de expulsar os gases de combustão. Continuando esse movimento, também a janela de exaustão é fechada até o momento onde ocorre uma nova explosão, dando início a um novo ciclo.

No gif abaixo podemos ter uma visão melhor de como essas duas etapas ocorrem:

Two-Stroke_Engine

Principais vantagens:

  • Menor peso em relação a um motor de quatro tempos equivalente, pois a cada rotação do virabrequim ocorre uma combustão;
  • Maior simplicidade devido a ausência de válvulas e sistemas de sincronismo;
  • Menor custo de produção;

Principais desvantagens:

  • Maior emissão de poluentes devido a necessidade de mistura de óleo ao combustível para lubrificação;
  • Baixa eficiência devido a dificuldade de controlar a mistura dos gases de combustão com a mistura ar-combustível, pois os processos não possuem distinção clara;
  • Dificuldade com lubrificação devido a impossibilidade de ter-se um sistema de lubrificação mais complexo.

Princípios Termodinâmicos

No último tópico abordado nesse post, agora iremos visualizar como os motores se dividem quanto ao seu ciclo termodinâmico, e entender quais os principais ciclos hoje encontrados em motores de combustão interna.

Princípios Termodinâmicos

Finalmente, agora iremos entender como um motor é capaz de gerar energia a partir da queima do combustível, vendo os principais ciclos termodinâmicos hoje encontrados em motores de combustão interna

Ciclo Otto

O ciclo Otto é aquele encontrado em motores a gasolina e a álcool, sejam eles de dois ou quatro tempos. Foi idealizado por Beau de Rochas, mas o primeiro a implementá-lo com sucesso foi o alemão Nicolaus Otto, em 1876.

Para entender ser princípio, podemos analisar o ciclo Otto ideal, que é uma idealização desconsiderando perdas e processos irreversíveis.

Diagrama P x V do ciclo Otto ideal. Fonte:

Diagrama P x V do ciclo Otto ideal. Fonte: MSPC [7].

É composto pelos seguintes processos:

  • 0-1: admissão isobárica (com pressão constante), do momento em que a válvula de admissão se abre até que o pistão atinja seu ponto mais baixo;
  • 1-2: compressão adiabática (sem troca térmica com o ambiente), quando a válvula de admissão e o pistão se desloca de seu ponto mais inferior até o superior, aumentando a pressão da mistura ar-combustível;
  • 2-3: combustão isocórica, que equivale a queima do combustível a volume constante, iniciada a partir de uma centelha emitida pela vela de ignição;
  • 3-4: expansão adiabática, onde o trabalho é fornecido pela expansão dos gases resultantes da combustão;
  • 4-1: Exaustão isovolumétrica, referente a fase de abertura da válvula de exaustão, onde os gases queimados são expulsos para o ambiente, igualando a pressão a do ambiente;
  • 1-0: Exaustão isobárica, referente ao movimento do pistão no sentido de exaurir o restante dos gases remanescentes da queima.

Ciclo Diesel

Diagrama P x V do ciclo Diesel ideal. Fonte:

Diagrama P x V do ciclo Diesel ideal. Fonte:

O ciclo Diesel, como o nome já diz, é aquele encontrado nos motores movidos a Diesel, encontrado principalmente em utilitários. Diferentemente dos motores Otto, nos motores Diesel a ignição não necessita de velas de ignição, ocorrendo pela injeção do combustível em alta pressão diretamente da câmara de combustão. Nesse caso a ignição acontece pois quando comprimido aumenta de temperatura, chegando ao ponto de iniciar a combustão. Novamente vamos usar o ciclo Diesel ideal para entender seu princípio de funcionamento.

  • 0-1: admissão isobárica (com pressão constante), do momento em que a válvula de admissão se abre até que o pistão atinja seu ponto mais baixo;
  • 1-2: compressão adiabática (sem troca térmica com o ambiente), quando a válvula de admissão e o pistão se desloca de seu ponto mais inferior até o superior, aumentando a pressão da mistura ar-combustível;
  • 2-3: combustão isobárica, quando o pistão atinge seu ponto superior e o combustível começa a ser injetado na câmara de combustão, prosseguindo por parte do movimento de descida;
  • 3-4: expansão adiabática, quando a combustão termina e o pistão continua seu movimento de descida, realizando trabalho útil devido a expansão dos gases de combustão;
  • 4-1: Exaustão isovolumétrica, referente a fase de abertura da válvula de exaustão, onde os gases queimados são expulsos para o ambiente, igualando a pressão a do ambiente;
  • 1-0: Exaustão isobárica, referente ao movimento do pistão no sentido de exaurir o restante dos gases remanescentes da queima.

Nesse post vimos as formas mais comuns como os motores de combustão interna se apresentam, porém diversas outras formas foram pensadas, tanto na forma de diferentes ciclos termodinâmicos, quanto na forma de diferentes mecanismos e ciclos de funcionamento. Abaixo você pode encontrar exemplos de diversos outros sistemas que foram propostos ou que estão sendo propostos na sempre constante busca por maior eficiência.

Princípios mecânicos:

Motor de pistão rotativo X-Mini: http://nivelandoaengenharia.com.br/blog/2016/07/31/revolucoes-por-minuto-inovacoes-no-mundo-dos-motores-parte-2/

Motor de taxa de compressão variável Nissan VC-T: http://nivelandoaengenharia.com.br/blog/2016/08/20/revolucoes-por-minuto-inovacoes-no-mundo-dos-motores-parte-3/

Princípios termodinâmicos:

Ciclo HEHC: http://nivelandoaengenharia.com.br/blog/2016/07/31/revolucoes-por-minuto-inovacoes-no-mundo-dos-motores-parte-2/

Fontes:

SAE Internal Combustion Engine Handbook. Chapter 2: Definition and Classification of Reciprocicating Piston Engines.

SAE Internal Combustion Engine Handbook. Chapter 5: Thermodynamic Fundamentals.

Manual de Tecnologia Automotiva Bosch, 25ª Edição. Motor de ignição por centelha (ciclo Otto), pgs. 482-486.

Manual de Tecnologia Automotiva Bosch, 25ª Edição. O motor a Diesel, pgs. 487-492.

Moran, Michael J., Shapiro, Howard N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia, 4ª Edição. Capítulo 9: Sistemas de Potência a Gás.

Imagens:

[1]: Retirado de: Bombas ZM acionadas por roda d’água. Disponível em: http://www.zmbombas.com/bombas/. Data de acesso: 27/02/2017.

[2]: Retirado de: Fiat Punto 2016. Disponível em: http://www.fiat.com.br/tablet/carros/novo-punto.html. Data de acesso: 28/02/2017.

[3]: Retirado de: Volkswagen up. Disponível em: http://ae-plus.com/vehicle-development/volkswagen-up/page:3. Data de acesso: 28/02/2017.

[4]: Retirado de: Motores a pistão. Disponível em: http://aeronaves2014.blogspot.com.br/p/motores-pistao.html. Data de acesso: 01/03/2017.

[5]: 125 MAX evo. Disponível em: http://www.rotax-kart.com/en/Products/MAX-Engines/1-125-MAX-evo. Data de acesso: 01/03/2017.

[6]: Retirado de: Montadora espanhola destaca qualidades dos motores dois tempos. Disponível em: http://www.motonline.com.br/noticia/montadora-espanhola-destaca-qualidades-dos-motores-dois-tempos/. Data de acesso: 01/03/2017.

[7]: Retirado de: Termodinâmica V-20. Disponível em: http://www.mspc.eng.br/termo/termod0520.shtml. Data de acesso: 03/03/2017.

[8]: Retirado de: Termodinâmica V-25. Disponível em: http://www.mspc.eng.br/termo/termod0525.shtml. Data de acesso: 03/03/2017.

Save

Save

Save

Save

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedIn