Motor alternativo

Motor de pistão de combustão interna

Componentes de um ciclo típico de quatro tempos, combustão interna, motor de pistão a gasolina.

1. C. Crankshaft
2. E. Camshaft de exaustão
3. Eu. Separador de câmara
4. P. Pistão
5. R. Haste de conexão
6. Plugue S. Spark
7. W. Revestimento de água para fluxo de refrigeração
8. V. Válvulas

Um motor alternativo, também conhecido como motor a pistão, é tipicamente um motor térmico que usa um ou mais pistões alternativos para converter alta temperatura e alta pressão em um movimento giratório. Este artigo descreve os recursos comuns de todos os tipos. Os principais tipos são: o motor de combustão interna, amplamente utilizado em veículos automotores; a máquina a vapor, esteio da Revolução Industrial; e o motor Stirling para aplicações de nicho. Os motores de combustão interna são ainda classificados de duas maneiras: um motor de ignição por faísca (SI), onde a vela de ignição inicia a combustão; ou um motor de ignição por compressão (CI), onde o ar dentro do cilindro é comprimido, aquecendo-o, de modo que o ar aquecido inflama o combustível que é injetado naquele momento ou antes.

Recursos comuns em todos os tipos

Imagem rasgada de um motor de pistão

Pode haver um ou mais pistões. Cada pistão está dentro de um cilindro, no qual é introduzido um gás, já sob pressão (por exemplo, motor a vapor), ou aquecido no interior do cilindro, seja por ignição de uma mistura ar-combustível (motor de combustão interna) ou por contato com um trocador de calor quente no cilindro (motor Stirling). Os gases quentes se expandem, empurrando o pistão para o fundo do cilindro. Essa posição também é conhecida como Bottom Dead Center (BDC), ou onde o pistão forma o maior volume no cilindro. O pistão é retornado ao topo do cilindro (Top Dead Center) (TDC) por um volante, a força de outros pistões conectados ao mesmo eixo ou (em um cilindro de dupla ação) pelo mesmo processo atuando no outro lado do pistão. É aqui que o pistão forma o menor volume do cilindro. Na maioria dos tipos, o texto expandido ou "esgotado" os gases são removidos do cilindro por este curso. A exceção é o motor Stirling, que aquece e esfria repetidamente a mesma quantidade selada de gás. O curso é simplesmente a distância entre o TDC e o BDC, ou a maior distância que o pistão pode percorrer em uma direção.

Em alguns projetos, o pistão pode ser acionado em ambas as direções no cilindro, caso em que é considerado de ação dupla.

Motor de pistão de vapor
Um diagrama esquemático rotulado de um cilindro típico, expansão simples, motor de vapor de alta pressão de ação dupla. A descolagem do motor é por meio de um cinto.

1. Pistão
2. Haste de pistão
3. Rolamento transversal
4. Barra de conexão
5. Crank.
6. Movimento de válvula excêntrico
7. Roda de avião
8. Válvula de deslizamento
9. Governador centrífugo

Na maioria dos tipos, o movimento linear do pistão é convertido em um movimento rotativo por meio de uma biela e um virabrequim ou por um prato oscilante ou outro mecanismo adequado. Um volante é freqüentemente usado para garantir uma rotação suave ou para armazenar energia para transportar o motor por uma parte não energizada do ciclo. Quanto mais cilindros um motor alternativo tiver, geralmente, mais livre de vibração (suavemente) ele pode operar. A potência de um motor alternativo é proporcional ao volume dos pistões combinados. deslocamento.

Deve ser feita uma vedação entre o pistão deslizante e as paredes do cilindro para que o gás de alta pressão acima do pistão não vaze por ele e reduza a eficiência do motor. Essa vedação geralmente é fornecida por um ou mais anéis de pistão. Estes são anéis feitos de metal duro e são colocados em uma ranhura circular na cabeça do pistão. Os anéis se encaixam perfeitamente na ranhura e pressionam levemente contra a parede do cilindro para formar uma vedação, e mais fortemente quando a pressão de combustão mais alta se move para suas superfícies internas.

É comum classificar tais motores pelo número e alinhamento de cilindros e volume total de deslocamento de gás pelos pistões que se movimentam nos cilindros geralmente medidos em centímetros cúbicos (cm³ ou cc) ou litros (l) ou (L) (EUA: litro). Por exemplo, para motores de combustão interna, projetos de um e dois cilindros são comuns em veículos menores, como motocicletas, enquanto os automóveis normalmente têm entre quatro e oito, e locomotivas e navios podem ter uma dúzia de cilindros ou mais. As capacidades do cilindro podem variar de 10 cm³ ou menos em motores de modelo até milhares de litros em motores de navios. motores.

A taxa de compressão afeta o desempenho na maioria dos tipos de motores alternativos. É a razão entre o volume do cilindro, quando o pistão está no fundo do seu curso, e o volume quando o pistão está no topo do seu curso.

A relação diâmetro/curso é a relação entre o diâmetro do pistão, ou "diâmetro", e o comprimento do percurso dentro do cilindro, ou "curso". Se for cerca de 1, diz-se que o motor é "quadrado". Se for maior que 1, ou seja, o furo é maior que o curso, é "exagerado". Se for menor que 1, ou seja, o curso é maior que o diâmetro, é "subquadrado".

Os cilindros podem ser alinhados em linha, em configuração em V, horizontalmente opostos um ao outro ou radialmente em torno do virabrequim. Os motores de pistão oposto colocam dois pistões trabalhando em extremidades opostas do mesmo cilindro e isso foi estendido em arranjos triangulares, como o Napier Deltic. Alguns projetos colocaram os cilindros em movimento ao redor do eixo, como o motor rotativo.

Motor de pistão Stirling Rhombic Drive – Beta Stirling Engine Design, mostrando o segundo pistão de deslocamento (verde) dentro do cilindro, que shunts o gás de trabalho entre as extremidades quentes e frias, mas não produz nenhum poder em si.

1. Parede de cilindro quente
2. Parede de cilindro frio

5. Pistões de deslocação
6. Pistão de poder
7. Rodas de voo

Em alguns motores a vapor, os cilindros podem ter tamanhos variados, com o cilindro de menor diâmetro trabalhando com o vapor de maior pressão. Este é então alimentado sucessivamente através de um ou mais cilindros de diâmetro cada vez maior, para extrair energia do vapor a pressões cada vez mais baixas. Esses motores são chamados de motores compostos.

Além de observar a potência que o motor pode produzir, a pressão efetiva média (MEP) também pode ser usada para comparar a potência e o desempenho de motores alternativos do mesmo tamanho. A pressão efetiva média é a pressão fictícia que produziria a mesma quantidade de trabalho líquido que foi produzido durante o ciclo de golpe de força. Isso é mostrado por:

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Onde? ApNão. A_{p}} é a área total do pistão do motor, SNão. S. é o comprimento do curso dos pistões, e VDNão. V_{d}} é o volume total de deslocamento do motor. Portanto:

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Qualquer motor com o maior valor de MEP produz mais trabalho líquido por ciclo e funciona com mais eficiência.

Operações

Nos motores a vapor e motores de combustão interna, as válvulas são necessárias para permitir a entrada e saída de gases nos momentos corretos do ciclo do pistão. Estes são acionados por cames, excêntricos ou manivelas acionados pelo eixo do motor. Os primeiros projetos usavam a válvula deslizante D, mas isso foi amplamente substituído por projetos de válvula de pistão ou válvula de gatilho. Nos motores a vapor, o ponto no ciclo do pistão em que a válvula de entrada de vapor se fecha é chamado de corte e isso pode ser controlado para ajustar o torque fornecido pelo motor e melhorar a eficiência. Em algumas máquinas a vapor, a ação das válvulas pode ser substituída por um cilindro oscilante.

Os motores de combustão interna operam através de uma sequência de cursos que admitem e removem gases do cilindro. Essas operações são repetidas ciclicamente e um motor é considerado de 2 tempos, 4 tempos ou 6 tempos, dependendo do número de cursos necessários para completar um ciclo.

O tipo mais comum é o de 4 tempos, que possui os seguintes ciclos.

1. Ingestão: Também conhecido como indução ou sucção. Este curso do pistão começa no centro superior morto (T.D.C.) e termina no centro inferior morto (B.D.C.). Neste curso a válvula de admissão deve estar na posição aberta enquanto o pistão puxa uma mistura de ar-combustível para o cilindro, produzindo pressão de vácuo para o cilindro através de seu movimento para baixo. O pistão está se movendo para baixo como o ar está sendo sugado pelo movimento para baixo contra o pistão.
2. Compressão: Este curso começa em B.D.C, ou apenas no final do curso de sucção, e termina em T.D.C. Neste curso o pistão comprime a mistura de ar-combustível em preparação para a ignição durante o curso de potência (abaixo). Ambas as válvulas de admissão e de escape são fechadas durante esta fase.
3. Combustão: Também conhecido como poder ou ignição. Este é o início da segunda revolução do ciclo de quatro cursos. Neste ponto, o virabrequim completou uma revolução de 360 graus. Enquanto o pistão está em T.D.C. (o fim do curso de compressão) a mistura de ar-combustível comprimido é ignited por um plugue de faísca (em um motor a gasolina) ou pelo calor gerado por alta compressão (motores de diesel), força retornando o pistão para B.D.C. Este curso produz trabalho mecânico do motor para girar o virabrequim.
4. Exaustão: Também conhecido como saída. Durante o exaustão acidente vascular cerebral, o pistão, mais uma vez, retorna de B.D.C. para T.D.C. enquanto a válvula de escape está aberta. Esta ação expele a mistura de ar-combustível gasta através da válvula de escape.

História

Um dos primeiros exemplos conhecidos de movimento rotativo para alternativo é o mecanismo de manivela. As manivelas manuais anteriores apareceram na China durante a Dinastia Han (202 aC-220 dC). Os chineses usavam a manivela e a biela para operar querns desde a dinastia Han Ocidental (202 aC-9 dC). Eventualmente, bielas de manivela e conexão foram usadas na interconversão de movimentos rotativos e alternativos para outras aplicações, como peneiramento de farinha, máquinas de enrolar seda, rodas giratórias de pedal e foles de forno acionados por cavalos ou rodas d'água. Várias serrarias na Ásia romana e na Síria bizantina durante os séculos III a VI dC tinham uma manivela e um mecanismo de biela que convertia o movimento rotativo de uma roda d'água no movimento linear das lâminas de serra. Em 1206, o engenheiro árabe Al-Jazari inventou um virabrequim.

O motor alternativo desenvolvido na Europa durante o século XVIII, primeiro como motor atmosférico e depois como motor a vapor. Estes foram seguidos pelo motor Stirling e pelo motor de combustão interna no século XIX. Hoje, a forma mais comum de motor alternativo é o motor de combustão interna que funciona com a combustão de gasolina, diesel, gás liquefeito de petróleo (GLP) ou gás natural comprimido (GNC) e usado para alimentar veículos a motor e usinas de força.

Um notável motor alternativo da era da Segunda Guerra Mundial foi o Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major motor radial. Ele impulsionou a última geração de grandes aviões com motor a pistão antes que os motores a jato e os turboélices assumissem o controle a partir de 1944. Ele tinha uma capacidade total do motor de 71,5 L (4.360 cu in) e uma alta relação potência/peso.

O maior motor alternativo em produção atualmente, mas não o maior já construído, é o motor diesel de dois tempos turboalimentado Wärtsilä-Sulzer RTA96-C de 2006 construído pela Wärtsilä. É usado para alimentar os maiores navios porta-contêineres modernos, como o Emma Mærsk. Tem cinco andares (13,5 m ou 44 pés), 27 m (89 pés) de comprimento e pesa mais de 2.300 toneladas métricas (2.500 toneladas curtas) em sua maior versão de 14 cilindros, produzindo mais de 84,42 MW (114.800 bhp). Cada cilindro tem capacidade de 1.820 L (64 cu pés), perfazendo uma capacidade total de 25.480 L (900 cu pés) para as versões maiores.

Capacidade do motor

Para motores a pistão, a capacidade de um motor é o deslocamento do motor, ou seja, o volume varrido por todos os pistões de um motor em um único movimento. Geralmente é medido em litros (l) ou polegadas cúbicas (c.i.d., cu in, ou in³) para motores maiores e centímetros cúbicos (cc abreviado) para motores menores. Tudo o mais sendo igual, motores com maiores capacidades são mais potentes e o consumo de combustível aumenta de acordo (embora isso não seja verdade para todos os motores alternativos), embora a potência e o consumo de combustível sejam afetados por muitos fatores fora do deslocamento do motor.

Poder

Os motores alternativos podem ser caracterizados por sua potência específica, que normalmente é dada em quilowatts por litro de deslocamento do motor (nos EUA também cavalos de potência por polegada cúbica). O resultado oferece uma aproximação da potência de pico de um motor. Isso não deve ser confundido com eficiência de combustível, uma vez que a alta eficiência geralmente requer uma relação ar-combustível enxuta e, portanto, menor densidade de potência. Um motor de carro moderno de alto desempenho produz mais de 75 kW/L (1,65 hp/in³).

Outros tipos modernos de combustão não interna

Os motores alternativos movidos a ar comprimido, vapor ou outros gases quentes ainda são usados em algumas aplicações, como acionar muitos torpedos modernos ou como força motriz livre de poluição. A maioria das aplicações movidas a vapor usa turbinas a vapor, que são mais eficientes que os motores a pistão.

Os veículos FlowAIR de design francês usam ar comprimido armazenado em um cilindro para acionar um motor alternativo em um veículo urbano livre de poluição local.

Os torpedos podem usar um gás de trabalho produzido por peróxido de alto teste ou combustível Otto II, que pressuriza sem combustão. O torpedo Mark 46 de 230 kg (510 lb), por exemplo, pode viajar 11 km (6,8 mi) debaixo d'água a 74 km/h (46 mph) alimentado por combustível Otto sem oxidante.

Motor de calor quântico alternativo

Os motores de calor quântico são dispositivos que geram energia a partir do calor que flui de um reservatório quente para um frio. O mecanismo de operação do motor pode ser descrito pelas leis da mecânica quântica. Os refrigeradores quânticos são dispositivos que consomem energia com a finalidade de bombear calor de um reservatório frio para um quente.

Em um motor térmico quântico alternativo, o meio de trabalho é um sistema quântico, como sistemas de spin ou um oscilador harmônico. O ciclo de Carnot e o ciclo de Otto são os mais estudados. As versões quânticas obedecem às leis da termodinâmica. Além disso, esses modelos podem justificar as suposições de termodinâmica endoreversível. Um estudo teórico mostrou que é possível e prático construir um motor alternativo composto por um único átomo oscilante. Esta é uma área para pesquisas futuras e pode ter aplicações em nanotecnologia.

Motores diversos

Há um grande número de variedades incomuns de motores a pistão que têm várias vantagens reivindicadas, muitas das quais têm pouco ou nenhum uso atual:

• Motor de pistão grátis
• Motor de pistão oposto
• Motor Swing-piston
• Motor IRIS
• Motor de salto
• Motor termomagnético