O veículo de propulsão é geralmente obtida por meio de motores, também conhecido como “forças vivas”, isto é, dispositivos mecânicos capazes de converter a energia química de um combustível em energia mecânica. By the way, o termo inglês “motor”, é provável que tenha uma origem francesa na antiga palavra francesa “engin”, que por sua vez é pensado para vir do latim “ingenium” (compartilhando a mesma raiz de “ingénieur” ou “engenheiro”).
a energia química do combustível é primeiramente convertida em calor através da combustão e, em seguida, o calor é convertido em trabalho mecânico por meio de um meio de trabalho. Este meio de trabalho pode ser um líquido ou um gás. De fato, o calor produzido pela combustão aumenta sua pressão ou seu volume específico e, graças à sua expansão, o trabalho mecânico é obtido.
em motores de combustão interna (ICE), os produtos de combustão (p. ex. ar e combustível) eles próprios são usados como meio de trabalho, enquanto em motores de combustão externa, os produtos de combustão transferem calor para um meio de trabalho diferente por meio de trocador de calor. Além disso, enquanto no gelo a combustão ocorre dentro do cilindro, em motores de combustão externa, a combustão é obtida em uma câmara separada, geralmente chamada de queimador.
como o processo de combustão de um gelo altera as características do meio de trabalho, a operação cíclica só pode ser obtida por meio de uma substituição periódica do próprio meio de trabalho, ou seja, por meio de um ciclo aberto. O termo” ciclo ” para gelo, portanto, refere-se ao ciclo de trabalho do motor que deve ser substituído periodicamente, e não a um ciclo termodinâmico do fluido de trabalho. Os combustíveis devem ter características compatíveis com a operação de gelo, o que significa que seus produtos de combustão devem permitir ser usados como meios de trabalho (por exemplo, a combustão não deve formar cinzas como em sua chaminé, o que causaria a aderência do mecanismo do motor).
motor de combustão Interna
Reciproca motores de combustão interna são geralmente selecionados para a propulsão de veículos terrestres, com algumas excepções (motores elétricos para vlt, carrinho de ônibus ou carros elétricos), devido à sua favoráveis e a densidade de potência relativamente baixa de fabricação e os custos do serviço (em comparação com turbinas a gás, por exemplo).
Em retribuir GELO, o movimento de um pistão em um cilindro, fechado na extremidade oposta pela cabeça do cilindro, produz uma variação cíclica do cilindro de volume. O pistão é conectado a uma haste e uma manivela ao eixo, cuja rotação constante causa um movimento cíclico do pistão entre duas posições extremas, o ponto morto superior (TDC, mais próximo da cabeça do cilindro) e o ponto morto inferior (BDC, maior distância da cabeça do cilindro). Estas duas posições correspondem respectivamente ao volume mínimo do cilindro (Volume de folga, Vc) e ao volume máximo do cilindro (volume total, Vt). A diferença entre o volume máximo e o mínimo é chamada Volume varrido ou deslocamento do cilindro e nomeada Vd. E, finalmente, a relação entre o volume máximo e o mínimo é chamada de taxa de compressão (rc).
classificação de gelo
os motores de combustão podem ser classificados em diferentes categorias. Os dois mais importantes são baseados no processo de combustão (ignição por faísca vs. ignição por compressão) e no ciclo de trabalho (2 tempos vs. 4 tempos). A classificação adicional pode ser baseada na entrada de ar (naturalmente aspirado ou turboalimentado), abastecimento (injeção indireta ou direta) e sistema de resfriamento (refrigerado a ar ou refrigerado a água). Neste artigo, apenas as diferenças entre os processos de combustão serão apresentadas.
ignição por faísca e ignição por compressão
ignição por faísca
em motores de ignição por faísca, Combustíveis com reatividade relativamente baixa são usados, como gasolina, gás natural comprimido (GNC) ou gás de petróleo liquefeito (GPL). Esses combustíveis são misturados com ar para formar a mistura combustível e homogênea ar / combustível e, em seguida, comprimidos no motor para atingir temperaturas de cerca de 700 K (400 °C) e pressões de cerca de 20 bar, sem qualquer ignição espontânea.
Este comportamento pode ser explicado na base do combustível molécula características: hidrocarbonetos combustíveis utilizados em ignição por Faísca (SI), os motores são feitos de cadeia curta, estrutura rígida e compacta moléculas (tais como CH4 para GNV ou iso-octano C8H18 para a gasolina) para que, mesmo em altas temperaturas e pressões, o tempo necessário para iniciar o processo de combustão é bastante longo. No entanto, este conceito não deve ser confundido com a capacidade de um combustível líquido evaporar à temperatura ambiente e formar uma mistura combustível no ar. Essa capacidade é alta com a gasolina e determina o risco de explosão se uma fonte de ignição for fornecida.
nos motores SI, o processo de combustão pode, portanto, ser iniciado apenas (pelo menos para uma combustão clássica) com uma fonte externa de energia, como uma faísca elétrica. A energia adicionada à mistura pela descarga elétrica é pequena (cerca de magnitude 10 mJ), mas é essencial para iniciar o processo de combustão.
do primeiro kernel inflamado pela faísca, a combustão se espalha pela mistura: camada após camada, a frente da chama viaja pela Câmara, principalmente graças a uma troca de calor convectiva entre gases queimados e mistura fresca, até que as últimas zonas (chamadas de “gás final”) longe da faísca sejam alcançadas.
a velocidade dianteira da chama é aproximadamente 20-40 m/s, e é aumentada extremamente com a turbulência dentro da mistura (a turbulência aumenta a área de superfície entre o gás fresco e queimado, assim a troca de calor aumenta e assim a velocidade da propagação da chama). Como a intensidade da turbulência aumenta com a velocidade do motor e a velocidade da frente da chama é proporcional à intensidade da turbulência, a velocidade da frente da chama aumenta com a velocidade do motor, compensando assim a redução do tempo disponível para a combustão. Graças a isso, quase não há limitação em termos de Velocidade do motor para motores SI do ponto de vista da combustão (o motor de Fórmula 1 pode funcionar até 20.000 rotações por minuto).
no entanto, a mistura ar / combustível, quando mantida em altas temperaturas e pressões por um tempo prolongado, pode eventualmente sofrer ignição automática. Por esse motivo, combustíveis anormais podem ocorrer quando o gás final se inflama espontaneamente antes da chegada da frente da chama. Essa combustão anormal causa um aumento repentino da pressão do cilindro seguido por ondas de Pressão dentro da câmara de combustão que são transmitidas através da estrutura do motor para o ambiente circundante. Isso é chamado de” batida ” e pode causar danos ao pistão e ao cilindro devido a tensões de fadiga térmica. Para evitar a ocorrência de batida, o motor SI deve cumprir várias limitações relativas ao comprimento máximo do caminho da chama (que limita o diâmetro máximo do cilindro chamado furo a cerca de 100 mm) e a temperatura e pressão máximas admissíveis do gás final (fresco) (que limitam a taxa de compressão e a pressão de impulso).
além disso, altos valores de velocidade de chama só podem ser alcançados se a relação ar / combustível estiver bastante próxima da relação estequiométrica:portanto, quando um motor SI precisa ser operado em carga parcial, é impossível reduzir apenas o combustível, mantendo inalterada a massa de ar no cilindro. Em seguida, o uso de um dispositivo para reduzir o fluxo de massa de ar é necessário para o controle de carga (um acelerador de admissão é frequentemente escolhido), mesmo que esteja causando penalidades de eficiência na carga parcial.
a estequiometria é definida como o ponto em que, na mistura, todo o oxigênio é consumido e todo o combustível é queimado. Para a gasolina, a proporção dada pela massa é de 14,7:1 (14,7 gramas de ar para 1 grama de combustível).
ignição por Compressão
Quando combustíveis com maior reactividade são utilizados, como o gasóleo, que não pode ser misturado com o ar e, em seguida, ser comprimido no cilindro, pois caso contrário o processo de combustão, gostaria de iniciar espontaneamente durante o curso de compressão. De fato, o combustível diesel é uma mistura de hidrocarbonetos que podem ser representados pelo cetano, C16H34, com uma molécula de cadeia reta longa na qual as reações preliminares do processo de oxidação ocorrem rapidamente em altas temperaturas e pressões.
portanto, o combustível diesel é injetado como um spray líquido de alta pressão no ar já comprimido, imediatamente antes do início desejado da combustão (no caso da combustão clássica do diesel). As pequenas gotículas de combustível (cerca de 10 µm de diâmetro), cercadas por ar comprimido quente (cerca de 900 K), evaporam rapidamente e o processo de combustão começa espontaneamente com um atraso de ignição extremamente curto.
Diferente de SI motores, o processo preciso de combustão no motor diesel não pode se auto-regular suas características de tempo disponível para realizar a combustão relacionadas com o aumento da velocidade do motor (por exemplo, o tempo requerido para evaporação de combustível, de mistura e de ignição atraso não diminuem com o aumento da velocidade do motor). Portanto, esses motores não podem ser operados a velocidades superiores a 5000 rpm.
finalmente, diferentemente dos motores SI, não há requisitos rígidos em termos de relação ar/combustível para esse tipo de combustão. Na carga parcial, a quantidade de combustível injetado é reduzida, mantendo a mesma quantidade de ar induzido, sem qualquer necessidade de dispositivo de estrangulamento e, em seguida, sem qualquer perda adicional.
Fonte: Prof. Federico Milo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas opinião:
Os dois tipos mais comuns de combustão de ignição por Faísca e ignição por compressão) hoje são conhecidos desde há muito tempo e bem conhecidos. No entanto, estamos atingindo os limites desses processos, pois os limites de poluentes e consumo de combustível estabelecidos pelos padrões estão ficando cada vez mais baixos. Torna-se cada vez mais caro atingir esses padrões, e alguns processos alternativos de combustão e arquiteturas de motores estão sendo testados em laboratórios e centros de pesquisa. Você acha que os motores de ignição por faísca e ignição por compressão, como os conhecemos hoje em dia, serão substituídos por algumas soluções alternativas como CAI, PCCI, combustão dupla de combustível ou outras?