1UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” Autonomia de Motores de Combustão Interna e Contexto Histórico e Político Trabalho de “Autonomia de Motores de combustão interna e contexto histórico e político” destinado à disciplina de Introdução à Engenharia e Metodologia científica do curso de Engenharia Mecânica da FEG-UNESP Professor Marcelo Torres Bruno Prestes Pereira n°10506-1 Guilherme Campoy n°10 -1 Kaio Max n°10268-1 Luiz Felipe D’Oliveira Pinto n°10272-1 Guaratinguetá 2010 2 Sumário Introdução.................................................................... pág. 4 Motor Propriamente dito............................................. pág. 5 Tração animal.............................................................. pág. 5 Turbinas....................................................................... pág. 6 Motor Wankel.............................................................. pág. 7 Quasiturbine............................................................... pág. 7 Motor de foguete......................................................... pág. 7 Máquina de vapor....................................................... pág. 8 Motores de combustão interna e externa................... pág. 9 Combustão interna..................................................... pág. 11 Ciclos termodinâmicos............................................... pág. 12 Motor 2 tempos........................................................... pág. 13 Motor 4 tempos........................................................... pág. 13 Elementos do motor.................................................... pág. 14 Motor rotativo.............................................................. pág. 14 Cilindros e peças........................................................ pág. 14 Tamanho do motor..................................................... pág. 15 Obtenção de potência................................................ pág. 16 Combustão externa.................................................... pág. 19 História do motor de combustão interna.................... pág. 19 Funcionamento.......................................................... pág. 20 Configurações............................................................ pág. 21 Motor elétrico............................................................. pág. 22 Motor híbrido.............................................................. pág. 22 Cronograma............................................................... pág. 23 Alimentação dos motores........................................... pág. 25 Combustíves............................................................. .pág. 26 Conclusão.................................................................. pág.32 Bibliografia................................................................. pág. 33 3 Introdução No trabalho a ser apresentado, tratamos de questões relativas aos motores de combustão interna. A partir disso, explicaremos como eram os motores no passado (combustão externa, turbinas, e etc), explicaremos os principais pontos do funcionamento de motor, as causas de sua evolução, sistemas de alimentação dos determinados conjuntos, como as opções de combustíveis e suas diferenças, contextos históricos e também uma breve projeção do futuro, como motores elétricos mais duradouros e com menos tempo de carregamento, motores movidos a células de hidrogênio. Através de nossa apresentação, esperamos passar ao Professor Marcelo Torres e para o restante da turma o conhecimento adquirido pelo grupo em pesquisas e estudos sobre o assunto abordado. Esperamos também poder esclarecer qualquer tipo de dúvida existente. Logicamente se a dúvida estiver dentro do campo de conhecimento dos alunos do grupo. 4 Motor Um motor é um dispositivo que converte outras formas de energia em energia mecânica, de forma a impelir movimento a uma máquina ou veículo. Em contraste, existem os chamados geradores. O termo motor, no contexto da fisiologia, pode se referir aos músculos e a habilidade de movimento muscular, como em Coordenação Motora. No contexto da informática, em Portugal, o termo motor é muito utilizado em denominações de várias tecnologias computacionais – como em "motor de busca", "motor de jogos", entre outros. Desde os primórdios, a humanidade utiliza fontes motoras para obter trabalho. Os primeiros motores utilizavam força humana, tração animal, correntes de água, o vento, e o vapor. Tração animal Por muitos séculos a tração animal foi a única fonte de força utilizada para realizar trabalho (o próprio homem, gado, cavalo, camelo, cães, etc). A partir das necessidades de utilização da tração animal, surgem as cobranças de achar algum jeito de se obter mais força utilizando menos corpos brutos. Surgem então conceitos de melhorias em termos de tração movimentada. A força humana foi utilizada pelas primeiras máquinas simples criadas pelo homem, tais como alavancas, esteiras, cordas e polias. A partir destes dispositivos surgiram os primeiros guindastes e moinhos de produtos rurais. A tração animal foi muito utilizada em engenhos e em veículos para o transporte de cargas mais pesadas. Cavalos e bois são os animais mais comuns neste método. Com o desenvolvimento das sociedades, tornou-se imperiosa a busca por novas fontes motoras. 3 Turbinas Turbina hidráulica: a água é amplamente utilizada como fonte de energia até hoje, em máquinas chamadas turbinas hidráulicas. Os antigos moinhos de água já utilizavam o potencial de reservatórios e a cinética de correntezas para impelir força a engenhos e bombas de água. Com o surgimento da tecnologia de geração de energia elétrica, as turbinas hidráulicas receberam um novo papel fundamental, propelindo geradores elétricos. Existem basicamente quatro concepções de turbinas hidráulicas: Pelton, Francis, Kaplan e bulbo. Turbina eólica: historicamente, houve grande transformação cultural e econômica a medida em que povos passaram a dominar tecnologias de uso da energia eólica, ou vento, como fonte de energia. Em diferentes momentos, a invenção da vela propiciou um grande avanço nos transportes, os (moinhos de vento), significativas transformações em processos de manufatura. No século XX, com a expansão do uso da energia elétrica e a busca por fontes de energia renovável, as turbinas eólicas receberam nova utilidade. Turbinas a vapor: turbina a vapor é um equipamento que aproveita a energia calorífica do vapor e transforma em energia mecânica, sendo um equipamento com boa eficiência quando utilizado em condições de projeto. Essa energia mecânica pode ser utilizada para mover equipamentos e quando acoplado um gerador a turbina à vapor, se obtêm a transformação da energia mecânica em energia elétrica. Turbinas a gás: as turbinas a gás são máquinas puramente rotativas, existem em diversas formas construtivas, sempre contendo três sistemas básicos: compressor, câmara de combustão e turbina propriamente dita. As características de cada projeto são funções do meio de transmissão de potência (por eixo ou jato de gases), dos combustíveis utilizados, do porte, das temperaturas de trabalho entre outras variáveis. 6 Em relação às demais máquinas as turbinas tem característica de ter a maior densidade de potência, ou seja capacidade por peso. Devido a isso, são frequentemente empregadas em aeronaves. Motor Wankel O motor Wankel é uma variação de motor de combustão interna que combina características de turbinas a gás às de motores a pistão. Apesar de operar com velas de ignição ao invés de combustão contínua como uma turbina, não há peças alternativas. O ciclo termodinâmico neste caso. Motores do tipo Wankel oferecem, em relação aos motores a pistão, as vantagens de produzir menos vibrações, já que são puramente rotativos. Possuem maior densidade de potência, ou seja, mais potência do que um motor a pistão de mesma cilindrada e demandam menos peças em sua construção. Como desvantagem, eles aquecem mais, geram mais gases poluentes, têm manutenção dos elementos de vedação e são de manufatura mais complexa do que um motor a pistão Quasiturbine Em 1996, foi patenteado o motor Quasiturbine, uma variação do motor Wankel. Recebeu este nome pelo fato de seu funcionamento contínuo ser quase igual ao de uma turbina. Motor de foguete Motor de foguete é o motor que impulsiona um veículo expelindo gases de combustão em alta pressão por tubeiras situadas em sua parte traseira. Conhecido pela força do impulso causado pela combustão do determinado combustível do foguete. Máquina a vapor Na idade moderna um novo salto tecnológico impulsionou a revolução industrial. O advento da máquina a vapor utilizada primeiramente em minas para bombeamento de água e posteriormente no transporte marcou definitivamente o modo de vida e delineou a sociedade moderna. Esse primitivo processo aplicado primeiramente em motores a pistão, o vapor de água em ebulição era retido numa caldeira até adquirir uma pressão superior a atmosférica e a seguir transferido para 7 uma câmara de distribuição na cabeça dos motores para ser injetado nos cilindros gerando assim uma reação suficiente para mover a árvore de manivelas e produzir movimentos. Com o tempo, o motor a vapor de pistões foi substituído pela turbina a vapor mais rápida. Motores de combustão interna e externa O propósito do motor de um carro a gasolina (ou álcool, ou gás, ou diesel) é transformar em movimento o combustível - isso vai fazer o carro andar. O modo mais fácil de criar movimento a partir do combustível é queimá-lo dentro de um motor. Portanto, o motor de carro é um motor de combustão interna - combustão que ocorre internamente. Duas observações: • há vários tipos de motores de combustão interna, também chamados de motores a explosão. Motores a diesel são um tipo e turbinas a gás são outro. • também existem motores de combustão externa. O motor a vapor de trens antigos e navios a vapor é o melhor exemplo de motor de combustão externa. O combustível (carvão, madeira, óleo ou outro) é queimado fora do motor para produzir vapor, e este gera movimento dentro do motor. A combustão interna é muito mais eficiente (gasta menos combustível por quilômetro) do que a combustão externa, e o motor de combustão interna é bem menor que um motor equivalente de combustão externa. Quase todos os carros atuais usam motor de combustão interna a pistão porque esse motor é: • relativamente eficiente (comparado com um motor de combustão externa). • relativamente barato (comparado com uma turbina a gás). • relativamente fácil de abastecer (comparado com um carro elétrico). Essas vantagens superam qualquer outra tecnologia existente para fazer um carro rodar. 8 Combustão interna: Motor de combustão interna - é uma máquina térmica, que transforma a energia proveniente de uma reação química em energia mecânica. O processo de conversão se dá através de ciclos termodinâmicos que envolvem expansão, compressão e mudança de temperatura de gases. São considerados motores de combustão interna aqueles que utilizam os próprios gases de combustão como fluido de trabalho. Ou seja, são estes gases que realizam os processos de compressão, aumento de temperatura (queima), expansão e finalmente exaustão. Assim, este tipo de motor distingui-se dos ciclos de combustão externa, nos quais os processos de combustão ocorrem externamente ao motor. Neste caso, os gases de combustão transferem calor a um segundo fluido que opera como fluido de trabalho, como ocorre nos ciclos Rankine. Motores de combustão interna também são popularmente chamados de motores a explosão. Esta denominação, apesar de frequente, não é tecnicamente correta. De fato, o que ocorre no interior das câmaras de combustão não é uma explosão de gases. O que impulsiona os pistões é o aumento da pressão interna da câmara, decorrente da combustão (queima controlada com frente de chama). O que pode-se chamar de explosão (queima descontrolada sem frente de chama definida) é uma detonação dos gases, que deve ser evitada nos motores de combustão interna, a fim de proporcionar maior durabilidade dos mesmos e menores taxas de emissões de poluentes atmosféricos provenientes da dissociação de gás nitrogênio. 9 Ciclos termodinâmicos Ciclo motor de Otto: o motor baseado no ciclo ideal Otto caracteriza-se por ter sua ignição por faísca. Este tipo é o mais comumente utilizados em automóveis de passeio e motocicletas. Existem processos alternativos em motores experimentais para iniciar a queima como microondas ou uma injeção piloto. Ciclo motor de Diesel: os motores Diesel caracterizam-se pela ignição por compressão. O fluido de trabalho (normalmente ar) é comprimido sem ser misturado ao combustível e quando o combustível é injetado no fluido comprimido e quente esse se inflama. As máquinas que impulsionam veículos pesados como caminhões, trens e navios, usualmente são baseadas no ciclo ideal de Diesel, o que não se refere ao combustível utilizado e sim ao ciclo termodinâmico em que operam. Ciclo Brayton: o ciclo Brayton é utilizado como modelo ideal para turbinas a gás. Este caso se diferencia dos anteriores pelo fato de operar em regime permanente. Isto é consequencia do fato de os processos de compressão, transferência de calor, expansão e exaustão ocorrem ao mesmo tempo, mas, em locais diferentes. Assim, este tipo de motor distingue-se dos motores alternativos, onde os processos ocorrem em uma única câmara, mas, em tempos diferentes. Construção Os mecanismos dos motores ditam os processos pelos quais passam os fluidos, determinando as características dos ciclos. Mas, mesmo operando em ciclos temodinâmicos semelhantes, motores de combustão interna podem ter mecanismos e formas construtivas extremamente diversas. Motor alternativo: máquinas alternativas possuem elementos que realizam movimentos repetitivos de translação. Nestes motores, o principais destes elementos são os pistões, cujo movimento altera o volume das câmaras de combustão, ora comprimindo os gases, ora sendo movimentado pelos gases. Motores alternativos dividem-se pelo número de tempos em que completa uma sequencia de processos. Neste caso, tempo é o percurso de um pistão, do ponto morto inferior ao ponto morto superior, o que equivale à meia volta da árvore de manivelas,ou seja,do eixo de manivelas. 10 Motor dois tempos Em um motor a dois tempos, um ciclo termodinâmico se completa a cada volta do eixo, compreendendo as etapas de admissão, compressão, explosão e exaustão. Esta característica permite que o próprio pistão atue também como válvula, abrindo e fechando as janelas (aberturas) na parede da câmara de combustão. Esta opção simplifica a máquina, também dispensando comando de válvula e é muito utilizada em motores de pequeno porte. Mas, para motores de grande porte, isto não é uma alternativa adequada por reduzir o curso para compressão e permitir a comunicação direta entre a admissão de combustível e os dutos de exaustão. Os maiores motores de propulsão naval, a Diesel, operam em dois tempos, mas, com o emprego de apenas uma janela e uma válvula no cabeçote. Motor quatro tempos Já nos motores de quatro tempos, os gases completam um ciclo termodinâmico a cada duas voltas do eixo. Neste caso, para um pistão, ocorre admissão e compressão em uma volta e explosão na consecutiva. Esta alternância requer necessariamente o emprego de um (ou mais) comando de válvulas, engrenado à árvore de manivelas de tal forma que tenha metade da velocidade de rotação da mesma, permitindo que o ciclo de abertura de válvulas dure os quatro tempos. Elementos O motor pode ser dividido em partes fixas e móveis. Partes fixas são as partes que não entram em movimento, quando o motor entra em funcionamento, em relação aos outros componetes do motor, por exemplo: bloco, cárter e cabeçote. Partes móveis são caracterizadas pelas partes que se movimentam quando o motor entra em funcionamento, tais como, árvore de manivelas, pistão, biela e comando de válvulas. Motor rotativo 11 Um motor rotativo é um motor de combustão interna que não utiliza pistões como um motor convencional, mas pode fazer uso de rotores, às vezes chamados de pistões rotativos. Cilindros e outras peças do motor O coração do motor é o cilindro, dentro do qual um pistão se move para cima e para baixo. O motor descrito acima tem apenas um cilindro, típico de cortadores de grama e de motocicletas de pequeno porte, mas a maioria dos carros tem mais de um cilindro (geralmente quatro, seis ou oito cilindros). Em um motor com vários cilindros, eles são dispostos de diversas maneiras. As principais configurações são em linha, em V ou plano (conhecido também como horizontal oposto ou boxer). Há vantagens e desvantagens de cada configuração de motor em termos de suavidade, custo de fabricação e características diretamente ligadas à sua forma. Essas vantagens e desvantagens tornam cada um mais apropriado a certos tipos de veículo, dependendo da utilidade e categoria dos veículos, rendimento e autonomia. Tamanho do motor (cilindrada ou deslocamento volumétrico) Desde os primórdios dos motores, convencionou-se classificá-los em tamanho por meio da cilindrada ou deslocamento volumétrico. Por se tratar de volume, ele é medido em litros ou cm³ (centímetros cúbicos; 1.000 centímetros cúbicos - ou 1.000 cm³ - equivalem a um litro). A cilindrada é obtida por simples cálculo. Toma-se a área correspondente ao diâmetro do cilindro (Pi x diâmetro elevado ao quadrado e dividido por 4) e multiplica-se pelo curso do pistão. Deve-se ter o cuidado de sempre considerar centímetros e não milímetros, pois estamos buscando centímetros cúbicos. Uma vez que se tenha a cilindrada de um cilindro, é só multiplicar o resultado pelo número de cilindros para obter a cilindrada do motor (desnecessário caso o motor seja de um cilindro apenas). Se tivermos um motor de 4 cilindros e cada cilindro comportar meio litro, o motor inteiro é um "motor de 2 litros" - também se diz motor 2.0. Se cada cilindro tem 12 capacidade de meio litro e há seis cilindros dispostos em V, você tem um "V6 de 3 litros", ou V6 3.0. Geralmente a cilindrada dá idéia da potência que o motor pode produzir. Um cilindro que desloca meio litro pode comportar o dobro da mistura ar-combustível que um cilindro que desloca 1/4 de litro - pode-se esperar o dobro de potência no cilindro maior (caso todos os outros parâmetros sejam iguais). Um motor de 2 litros tem, em termos gerais, a metade da potência de um motor de 4 litros. Para ampliar a cilindrada de um motor aumenta-se o número de cilindros ou o seu tamanho (ou as duas coisas). Outra maneira, junto com as providências acima ou não, é aumentar o curso dos pistões. Como obter mais potência dos motores Com base em todas as informações é possível perceber que existem modos diferentes de melhorar o desempenho de um motor. Os fabricantes de carro estão sempre combinando, de diversas maneiras, as variáveis a seguir, para tornar os motores mais potentes e/ou mais eficientes. Aumentar a cilindrada - mais deslocamento volumétrico significa mais potência porque permite queimar mais combustível durante cada rotação do motor. É possível aumentar a cilindrada usando cilindros maiores ou acrescentando mais cilindros (o limite prático é o de 16 cilindros). A cilindrada também pode ser aumentada por meio de maior curso dos pistões. Elevar a taxa de compressão - taxas de compressão mais altas produzem mais potência, até certo ponto. Entretanto, quanto mais se comprime a mistura ar- combustível, maior a possibilidade de que parte da mistura na câmara detone espontaneamente (depois de ocorrer a centelha da vela de ignição). A gasolina de alta octanagem, como a premium ou a Podium, diminui o risco ou evita essa detonação. É por isso que os carros de alto desempenho geralmente precisam de gasolina de alta octanagem - seus motores normalmente têm taxas de compressão mais elevadas para obter mais potência. 13 Colocar mais ar em cada cilindro - é possível empurrar mais ar (e portanto mais combustível) para um cilindro de determinado tamanho (do mesmo modo que se faria aumentando o tamanho do cilindro). Os turbocompressores e compressores pressurizam o ar que entra para que seja fornecido efetivamente mais ar aos cilindros. Resfriar o ar na admissão - comprimir o ar aumenta sua temperatura, mas é melhor ter o ar mais frio possível no cilindro (quanto mais quente o ar, menos denso ele se torna, menos oxigênio por volume). Assim, muitos carros equipados com turbocompressor ou compressor têm um intercooler. O intercooler é um radiador por onde o ar comprimido passa para ser resfriado antes de entrar nos cilindros. Facilitar a entrada de ar - à medida que o pistão se move no seu curso de admissão, a resistência do ar pode roubar potência do motor. A resistência do ar pode ser fortemente diminuída colocando uma válvula maior ou, preferencialmente por questão de peso, duas passagens de ar total. Alguns carros mais novos estão usando coletores de admissão polidos internamente para eliminar a resistência do ar. Filtros de ar maiores podem também melhorar o fluxo de ar. Facilitar a saída dos gases queimados - se a resistência do ar dificultar a saída dos gases de queimados em um cilindro, ocorrerá roubo de potência do motor. A resistência do ar pode ser amenizada acrescentando-se uma válvula de escapamento em cada cilindro ou, preferencialmente, duas válvulas menores, mas que resulte em aumento total da área de passagem (um carro com duas válvulas de admissão e duas válvulas de exaustão tem quatro válvulas por cilindro, o que melhora o desempenho). Se o diâmetro do cano do escapamento é muito pequeno ou o silenciador oferece muita resistência ao ar, pode haver contrapressão, que terá o mesmo efeito de válvula de escapamento muito pequena. Sistemas de escapamento de alto desempenho usam coletores especiais (muitas vezes chamados de "dimensionados"), tubos de escape de grande diâmetro e silenciadores de alta vazão para diminuir a contrapressão no sistema de escapamento. Quando você ouve que um carro tem "duplo escapamento", o objetivo é melhorar o fluxo dos gases de escape tendo dois tubos de escapamento em vez de apenas um. 14 Diminuir o peso dos componentes - componentes leves ajudam o motor a ter um desempenho melhor. Cada vez que um pistão muda de direção ele utiliza energia para interromper o trajeto em uma direção e iniciá-lo em outra. Quanto mais leve o pistão, menos energia ele dissipa. Essa é também a razão de se usar duas válvulas menores em vez de apenas uma grande. Injeção de combustível - a injeção de combustível permite uma dosagem muito precisa de combustível em cada cilindro. Isso melhora o desempenho e reduz o consumo de combustível. Combustão externa: Motores de combustão externa, são motores de baixo rendimento, com alto teor de poluição para aqueles que se utilizam de queima de combustíveis fósseis ou madeira por exemplo. Como exemplo desses motores descritivamente antigos, podemos citar o motor Stirling. Motor Stirling: o Motor Stirling funciona usando a diferença de temperatura dos gases, usado principalment em trens, navios e máquinas antigas de produção História do motor de combustão interna A teoria fundamental do motor de dois tempos foi estabelecida por Nicolas Diogo Léonard Sadi Carnot (França, 1824), enquanto a patente pelo primeiro motor à combustão interna foi desenvolvida por Samuel Morey (Estados Unidos, 1826). Em 1867, Nicolaus Otto desenvolveu o primeiro motor atmosférico. Logo após, unindo esforços com Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach, desenvolveram o primeiro motor quatro tempos. Em 1896, Karl Benz patenteara o primeiro motor boxer actualmente utilizado nos Porsche e Subaru, com cilindros opostos horizontalmente. O engenheiro alemão Rudolf Diesel patenteou um motor à combustão de elevada eficiência, demonstrando em 1900. Era um motor movido a óleo de amendoim, cuja tecnologia leva seu nome até hoje, o motor diesel. 13 Os motores à combustão interna foram convencionados a serem utilizados em automóveis devido as suas ótimas características, como a flexibilidade para rodar em diversas velocidades, potência satisfatória para propulsão de diversos tipos de veículos, e poderia ter seus custos reduzidos para produção em massa. Na primeira metade do século XX, como forma de elevar a potência e a performance dos veículos, houve muitos aprimoramentos em relação ao desenho, número e disposição dos cilindros. Logo surgiram motores de 4 a 12 cilindros (ou até mais), sendo motores com cilindros em linha ou em V, de diferentes capacidades. Princípios de funcionamento Motores de combustão interna se baseiam em modelos termodinâmicos ideais, como ciclo de Otto ou ciclo Diesel, o que se refere a forma como ocorre cada fase de funcionamento do motor. Estas denominações não se referem ao combustível ou mecanismo do motor, mas, sim aos processos pelos quais passam os gases no interior do motor. Máquinas inspiradas no ciclo de Otto são chamadas motores de ignição por faísca, as inspiradas em ciclo Diesel são motores de ignição por compressão. Ambos os tipos podem ser construídos para operar em dois ou quatro tempos, o que significa que cada ciclo de funcionamento pode ocorrer em uma ou duas voltas do eixo de manivelas. Configurações • Motor em linha: tem pistões dispostos lado a lado, de trajetórias paralelas. Desde motores de motos aos maiores motores de propulsão naval fazem deste tipo o mais comum. • Motor em V: se constitui de duas fileiras de pistões, dispostas em V, ligadas a um eixo de manivelas. Motores deste tipo são conhecidos pelo som característico que emitem e por equiparem automóveis esportivos. • Motor boxer: utiliza duas fileiras de pistões horizontais e contrapostas, ficou popularmente conhecido por equipar o modelo Fusca da marca Volkswagen. 16 • Motor radial: possui uma configuração onde os pistões estão dispostos em torno de uma única manivela do Cambota, foi muito utilizado para mover hélices de aviões • Motor Wankel: (motor rotativo) utiliza rotores de movimento rotativo em vez de pistões. • Quasiturbine: também é um motor rotativo. É mais aperfeiçoado que o motor Wankel. Motor elétrico Paralelo ao motor a explosão, o grande avanço na indústria deve-se ao motor elétrico. Que veio acelerar a mobilidade pois tem forma de tração mais simples e eficaz não necessitando de caixas de velocidades, e muito mais silencioso, tem índices de poluição quase zero e a produção de energia é simples e eficaz. Embora seja eficaz, a tecnologia atual não permite uma utilização total plena desses motores por vários fatos. Podemos citar alguns como: o fato de não saber como a economia reagirá em virtude co motor eletrico ser mais viável do que a gasolina, pelo fato do começar a ocorrer picos na utilização de eletrecidade por conta de varios motores estarem sendo carregados ou mesmo o fato de os motores ainda estarem uma fase de protótipo com uma autonomia relativamente baixa. Motor híbrido O automóvel híbrido é aquele que utiliza mais de um motor. A configuração mais utilizada é um motor a combustão e outro eléctrico assim o consumo de combustível é menor, porém já existem protótipos de carro híbridos de combustão e células de hidrogênio. No caso do Toyota Prius o motor a combustão é desligado quando o carro anda a uma velocidade baixa mas constante e quando a bateria tiver descarregada é ligado o motor a combustão para a recarregar. Essa tecnologia, está começando a interagir no mercado atual, com promessas esperançosas no que dizem respeito a respeito ao meio ambiente e combustíveis verdes. 17 Cronograma de motor e motor de tecnologia • (C. 30-70 dC) - Herói de Alexandria descreve a vapor documentado- powered primeiro dispositivo, o Eolípila . • 1698 - Thomas Savery constrói uma potência vapor de água da bomba para bombear água para fora das minas. • 1712 - Thomas Newcomen cria um e-cilindro a vapor de água da bomba de pistão para o bombeamento de água para fora das minas. • 1769 - James Watt patentes melhorou seu primeiro motor a vapor . • 1806 - François Isaac de Rivaz inventou o primeiro sucesso do motor de combustão interna . • 1816 - Robert Stirling inventou o ar quente do motor Stirling , e que hoje chamamos de " regenerador ". • 1821 - Michael Faraday constrói um motor movido a electricidade. • 1824 - Nicolas Léonard Sadi Carnot publica primeiro que a eficiência de uma máquina térmica depende da diferença de temperatura entre um motor e seu ambiente. • 1837 - Primeira patente americana para um motor elétrico ( E.U. Patente 132 ). • 1850 - A primeira declaração explícita da primeira e segunda lei da termodinâmica , dada por Rudolf Clausius . • 1877 - Nikolaus Otto patentes de quatro tempos motor de combustão interna ( E.U. Patente 194047 ). • 1882 - James Atkinson inventa o ciclo Atkinson motor, já comum em alguns veículos híbridos. • 1885 - Gottlieb Daimler patenteia o primeiro compressor. . • 1888 - Nikola Tesla patentes do motor de indução ( E.U. Patente 381968 ). • 1892 - Rudolf Diesel patenteia o motor Diesel ( E.U. Patente 608845 ). • 1899 - Ferdinand Porsche cria o primeiro veículo híbrido. • 1905 - Alfred Büchi patentes do turbocompressor. • 1913 - René Lorin inventa o ramjet. • 1915 - Leonard Dyer inventa um motor de seis tempos , agora conhecido como o motor de seis tempos Crower nomeado após seu reinventor Bruce Crower. 18 • 1929 - Felix Wankel patentes do rotativo do motor Wankel ( E.U. patente 2.988.008 ). • 1930 - Hans von Ohain e Frank Whittle separadamente construir pioneiro de turbina a gás motores destinados à propulsão de aeronaves, levando ao pioneirismo turbo alimentado voos em 1939 na Alemanha e 1941 na Inglaterra. • 1939 - A companhia de BMW BMW 801 aviação motor radial pioneiros no uso de uma forma inicial de uma unidade de controle do motor , o Kommandogerät. • 1940 - patentes de Ralph Miller seu ciclo Miller motor. • 1954 - Felix Wankel cria o primeiro trabalho do motor Wankel. • 1960 - Alternadores substituir os geradores de motores de automóveis. • 1970 - ignição controlada eletronicamente aparece nos motores de automóveis. • 1975 - Os conversores catalíticos são os primeiros amplamente introduzida em automóveis de produção em os E.U. para cumprir com maior rigor os regulamentos da EPA em auto de escape. • 1980 - ignição controlada electronicamente melhorado para reduzir a poluição. • 1980 - Electronic Fuel Injection aparece em motores de automóveis a gasolina. • 1989 - O Bajulaz Six-Stroke Engine foi inventado pela empresa Bajulaz SA, com sede em Genebra , na Suíça , tem E.U. patente 4.809.511 e 4.513.568 E.U. patente. • 1990 - Os veículos híbridos que funcionam com um motor de combustão interna (ICE) e um motor elétrico cobrados pela travagem regenerativa. Alimentação dos Motores Nos motores de combustão interna, a alimentação do sistema é diferenciada devido à várias variáveis que podem interferir no funcionamento do conjunto. As possibilidades de alimentação do conjunto são diversas hoje em dia. Podemos citar a gasolina, o etanol, o diesel, o biodiesel, gás natural, a eletricidade e até mesmo as células de hidrogênio, que pode ser considerado o combustível perfeito, apesar de não possuirmos ainda a tecnologia necessária para tal utilização e evolução dos motores de combustão interna. 19 Dentre essas variáveis, podemos citar a autonomia dos motores, a taxa de compressão, o poder calorífico dos combustíveis, octanagem, o tipo de motor do objeto. Além dessas, podemos ainda citar os confrontos e discussões econômicas relativos à matéria prima dos combustíveis: como a crise do petróleo e suas várias fases que influíram numa maior pesquisa para um menor consumo dos derivados do petróleo, o avanço na tecnologia da produção de álcool (etanol), as discussões ambientais que discutem porcentagens de gasolina, álcool e biocombustíveis dentro do mercado para um impacto ambiental menos violento, combustíveis verdes que livrarão as emissões de gases tóxicos para a atmosfera e sem dúvida as conseqüências futuras, sejam políticas, econômicas ou sociais que essas medidas irão causar. Combustíveis Principais características: • Número de Cetanas (N.C.) - para ciclo diesel Este número revela a facilidade de auto-ignição de um combustível. Quanto mais fácil sua ignição, maior é o número de cetanas. • Número de Octanas (N.O.) ou Octanagem - para ciclo otto Varia inversamente ao número de Cetanas. Quanto maior o N.C., menor será o N.O. . Este número diz a respeito da qualidade do combustível em relação a sua resistência sobre a auto-ignição. Os motores do ciclo Otto, por exemplo, necessitam ter uma elevada temperatura de auto-ignição para não haver um aumento muito brusco de pressão, ocorrendo as famosas "batidas de pino" (detonação explicada anteriormente). O N.O. pode ser aumentado pela adição de aditivos antidetonantes ou pela mistura de combustíveis N.O. maiores. • Poder Calorífico Este número fornece a quantidade de energia que uma certa quantidade de combustível pode produzir. Quanto maior este número, melhor o combustível (juntamente com relação ar-combustível). 20 • Facilidadade de Auto-Ignição (veja Cetanas) Quanto maior a cadeia carbônica, menor é a temperatura de auto-ignição. • Viscosidade Tem grande importância no jato de combustível injetado na câmara. Caso o combustível seja muito viscoso, a atomização do combustível será prejudicada, assim, num motor frio a partida será afetada. Caso contrário, uma baixa viscosidade dificulta a lubrificação do sistema injetor, aumentando o desgaste do mesmo. • Relação ar-combustível ou combustível-ar estequiométrica Mede a proporção de ar que deve ser utilizada para queimar (teoricamente) todo o combustível (em massa). Juntamente com o (i.e. multiplicado pelo) poder calorífico é uma medida de quanta energia pode ser colocada no cilindro a cada ciclo. • Resíduo de Carbono • Teor de Cinzas • Água e Sedimentos Devido à constante evolução dos motores e da eletrônica embarcada no automóvel os engenheiros estão conseguindo criar motores muito mais potentes e econômicos com mesma cilindrada. Um meio de conseguir esta melhora é aumentar a taxa de compressão do motor, mas com isso surge um inconveniente em ciclo otto, a detonação. Ela ocorre quando um resto de combustível no final da combustão tem sua temperatura e pressão elevados a ponto de se auto-ignitar. Essa queima não controlada do combustível gera um ruído característico (conhecido como batida de pino apesar de nenhum pino bater, o ruído é proveniente da ressonância da câmara de combustão transmitida ao bloco) e eventualmente dano mecânico, principalmente em pistão, anéis, vela e válvulas. Para melhorar o rendimento do veículo pode-se utilizar gasolina de alta octanagem, que ajuda a evitar esse fenômeno. Já a pré-ignição ocorre quando o combustível começa a queima antes da faísca da vela de ignição, devido a algum 21 ponto com alta temperatura na câmara de combustão e também é influenciado (um pouco) pela taxa de compressão. Etanol Os primeiros usos práticos do etanol deram-se entre o final dos anos 1920 e início dos anos 1930. Mas somente nos anos 1970, com a crise do petróleo, que o Brasil passou a usar maciçamente o etanol como combustível. Na segunda metade da década de 1980 por diversos motivos ocorreu uma forte retração no consumo de álcool combustível. Atualmente uma combinação de fatores como a preocupação com o meio ambiente e a esperada futura escassez de combustíveis fósseis levaram a um interesse renovado pelo etanol. A primeira experiência de uso do etanol como combustível no Brasil aconteceu no ano de 1927. A USGA (Usina Serra Grande Alagoas) foi a primeira do país a produzir etanol combustível no final dos anos 1920. No início da década seguinte com a queda nos preços do petróleo, este empreendimento não teve condições de prosseguir. Durante a revolução constitucionalista, João Bottene desenvolveu um combustível a base de álcool e óleo de mamona para auxiliar os revolucionários. Anteriormente ele já adaptara veículos para utilizarem etanol. Mais tarde fabricou uma locomotiva movida a álcool e adaptou um avião para funcionar com este combustível. Apesar destas experiências bem sucedidas com o etanol, o uso deste como combustível acabou por ser posto de lado. Tanto que, durante a II guerra mundial o Brasil optou pelo gasogênio como alternativa à gasolina para os automóveis. Anos 1970: a crise do petróleo e o Pró-álcool Primeiro protótipo de veículo equipado com motor a álcool (um Dodge 1800), em exposição no Memorial Aeroespacial Brasileiro de São José dos Campos. A partir da crise do petróleo, na década de 1970, o Governo brasileiro, numa atitude isolada internacionalmente, criou o programa Pró-álcool, e o etanol novamente recebeu as atenções como biocombustível de extrema utilidade. 22 Enquanto o governo promovia estudos econômicos para a sua produção em grande escala, oferecendo tecnologia e até mesmo subsídios às usinas produtoras de açúcar e álcool, as indústrias automobilísticas instaladas no Brasil na época - Volkswagen, Fiat, Ford, General Motors - adaptavam seus motores para receber o álcool combustível. Daí surgiria duas versões no mercado: motor a álcool e a gasolina. O primeiro carro a álcool lançado foi o Fiat 147 em 1978. Daí até 1986, o carro a álcool ganhou o gosto popular dos brasileiros, sendo que a quase totalidade dos veículos saídos das montadoras brasileiras naquele ano utilizava esse combustível. A "crise do álcool" A partir de então, o consumo de álcool apresentou queda gradual. Os motivos passam pela alta no preço internacional do açúcar, o que desestimulou a fabricação de álcool. Com o produto escasseando no mercado, o Governo brasileiro iniciou a importação de etanol dos Estados Unidos, em 1991, ao tempo que ia retirando, progressivamente, os subsídios à produção, promovendo a quase extinção do Pró- Álcool. A queda no uso desse biocombustível também se deveu, ao longo da década de 1990, a problemas técnicos nos motores a álcool, incapazes de um bom desempenho nos períodos frios, principalmente. Típicos modelos de automóvel brasileiro de combustível flexível de vários fabricantes, popularmente conhecidos como "flex", operam com qualquer mistura de álcool (E100) e gasolina(E20 a E25). Durante a década, com altas inesperadas no preço do petróleo, o álcool seria misturado à gasolina, numa taxa em torno de vinte por cento, como forma de amenizar o preço da gasolina ao consumidor O álcool hoje No início do século XXI, na certeza de escassez e de crescente elevação no preço dos combustíveis fósseis, priorizam-se novamente os investimentos na produção de etanol por um lado e, por outro, um amplo investimento na pesquisa e 23 criação de novos biocombustiveis. Diante de uma situação nacional antiga e inconstante, justamente causada pelas altas e baixas do petróleo, as grandes montadoras brasileiras aprofundaram-se em pesquisas e, dessa forma, lançaram uma tecnologia revolucionária: os carros dotados de motorbicombustível, fabricados tanto para o uso de gasolina quanto de álcool. Gasolina A gasolina é um combustível fóssil produzida a partir do petróleo. É formada, principalmente, por hidrocarbonetos. Porém, possui também em sua composição (em pequena quantidade): produtos oxigenados, enxofre, compostos metálicos e de nitrogênio. Sua utilização em automóveis é a mais comum atualmente, mas com projeções futuras relativas à o fim do petróleo, à questões ambientais, tende a acabar, devido ao seu alto poder de poluição e utilização constante A gasolina é altamente inflamável e muito utilizada como combustível para automóveis e motocicletas. É utilizada na forma comum ou aditivada (com aditivos que facilitam a limpeza do sistema de combustível e também na maioria das vezes contam com uma maior octanagem). Por se tratar de um combustível fóssil, a queima da gasolina provoca a emissão de gases poluentes, responsáveis pelo efeito estufa e aquecimento global. 24 Conclusão Embasado em dados recolhidos em pesquisas e estudos, verificamos neste trabalho vários pontos relacionados ao uso de um motor de combustão interna. Dentre os temas abordados podemos citar a autonomia do motor, seu funcionamento, suas partes, seus “descendentes” e possíveis substitutos futuros, sua alimentação, as diferenças entre motores de combustão interna, as projeções futuras e os riscos e discussões econômicas que giram em volta da evolução da tecnologia dos motores e outras coisas mais. A partir da apresentação do trabalho, o grupo espera transmitir o que foi aprendido e esclarecer possíveis dúvidas. Por conclusão do tema, inferimos que o motor de combustão interna tem passado por fases de transição e adaptação as necessidades humanas. Sua tecnologia só tende a crescer para atendermos. Vê-se isso desde a necessidade de substituir a tração animal por algo mais forte e de menos volume “corporal”. Junto a esse crescimento da tecnologia, vem também o crescimento daquilo que serve de matéria prima para alimentação. Vimos a evolução dos combustíveis, suas características e a perspectiva para um futuro próximo. Vale dizer também que junto com esses desafios de evolução, seguem questões mais complicadas, como questões econômicas, políticas, de mercado e ambientais. Então não pode-se julgar atos de competência relativos aos que trabalham na áreas apenas por questões de necessidade pessoal e facilidade. 23 Bibliografia Sites usados para obtenção de dados: • http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_combust%C3%ADvel • http://pt.wikipedia.org/wiki/Ve%C3%ADculo_flex • http://www.gasnet.com.br/novo_gnv/entendendo_gnv.asp • http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_diesel • http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_a_vapor • http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combust%C3%A3o_interna • http://146.164.33.61/termo/Motores/Aulas%2009/Aula_01.pdf • http://www.oficinaecia.com.br/bibliadocarro/biblia.asp?status=visualizar& cod=9 • http://carros.hsw.uol.com.br/motores-de-carros2.htm • http://www.bioflorestal.com/h2o.htm • http://www.ipv.pt/millenium/Millenium31/15.pdf