Motor de quatro tempos - Four-stroke engine

Ciclo de quatro tempos usado em motores a gasolina / gasolina: admissão (1), compressão (2), potência (3) e escapamento (4). O lado direito azul é a porta de entrada e o lado esquerdo marrom é a porta de escape. A parede do cilindro é uma luva fina que envolve a cabeça do pistão que cria um espaço para a combustão do combustível e a gênese da energia mecânica.

Um motor de quatro tempos (também de quatro tempos ) é um motor de combustão interna (IC) no qual o pistão completa quatro tempos separados enquanto gira o virabrequim. Um curso refere-se ao curso total do pistão ao longo do cilindro, em qualquer direção. Os quatro golpes separados são denominados:

  1. Ingestão : Também conhecida como indução ou sucção. Este curso do pistão começa no ponto morto superior (TDC) e termina no ponto morto inferior (BDC). Neste curso, a válvula de admissão deve estar na posição aberta enquanto o pistão puxa uma mistura de ar-combustível para dentro do cilindro, produzindo pressão de vácuo no cilindro por meio de seu movimento para baixo. O pistão está se movendo para baixo à medida que o ar é sugado pelo movimento descendente contra o pistão.
  2. Compressão : Este curso começa no BDC, ou apenas no final do curso de sucção, e termina no PMS. Neste curso, o pistão comprime a mistura ar-combustível em preparação para a ignição durante o curso de potência (abaixo). Ambas as válvulas de admissão e exaustão são fechadas durante esta fase.
  3. Combustão : Também conhecida como força ou ignição. Este é o início da segunda revolução do ciclo de quatro tempos. Neste ponto, o virabrequim completou uma rotação completa de 360 ​​graus. Enquanto o pistão está no TDC (o final do curso de compressão), a mistura de ar comprimido-combustível é inflamada por uma vela de ignição (em um motor a gasolina) ou pelo calor gerado por alta compressão (motores a diesel), retornando à força o pistão para o BDC Este curso produz trabalho mecânico do motor para girar o virabrequim.
  4. Escape : Também conhecido como outlet. Durante o curso de exaustão , o pistão, mais uma vez, retorna de BDC para TDC enquanto a válvula de exaustão está aberta. Esta ação expele a mistura de ar-combustível gasta através da válvula de escape.

Esses quatro golpes também podem ser chamados de "chupar, apertar, bater, soprar", respectivamente, o que pode ser mais fácil de lembrar.

História

Ciclo otto

Um motor Otto da manufatura norte-americana de 1880

Nikolaus August Otto era um caixeiro-viajante de uma mercearia. Em suas viagens, ele encontrou o motor de combustão interna construído em Paris pelo expatriado belga Jean Joseph Etienne Lenoir . Em 1860, Lenoir criou com sucesso um motor de dupla ação que funcionava a gás iluminador com 4% de eficiência. O motor Lenoir de 18 litros produzia apenas 2 cavalos de potência. O motor Lenoir funcionava a gás iluminador feito de carvão, desenvolvido em Paris por Philip Lebon .

Ao testar uma réplica do motor Lenoir em 1861, Otto percebeu os efeitos da compressão na carga de combustível. Em 1862, Otto tentou produzir um motor para melhorar a baixa eficiência e confiabilidade do motor de Lenoir. Ele tentou criar um motor que comprimisse a mistura de combustível antes da ignição, mas falhou, pois o motor não funcionaria mais do que alguns minutos antes de sua destruição. Muitos outros engenheiros estavam tentando resolver o problema, sem sucesso.

Em 1864, Otto e Eugen Langen fundaram a primeira empresa de produção de motores de combustão interna, NA Otto and Cie (NA Otto and Company). Otto e Cie conseguiram criar um motor atmosférico de sucesso naquele mesmo ano. A fábrica ficou sem espaço e foi transferida para a cidade de Deutz , Alemanha em 1869, onde a empresa foi renomeada para Deutz Gasmotorenfabrik AG (The Deutz Gas Engine Manufacturing Company). Em 1872, Gottlieb Daimler era o diretor técnico e Wilhelm Maybach o chefe de design de motores. Daimler era um armeiro que havia trabalhado no motor de Lenoir. Em 1876, Otto e Langen conseguiram criar o primeiro motor de combustão interna que comprimia a mistura de combustível antes da combustão para uma eficiência muito maior do que qualquer motor criado até então.

Daimler e Maybach deixaram seu emprego na Otto and Cie e desenvolveram o primeiro motor Otto de alta velocidade em 1883. Em 1885, eles produziram o primeiro automóvel equipado com um motor Otto. O Daimler Reitwagen usou um sistema de ignição de tubo quente e o combustível conhecido como Ligroin para se tornar o primeiro veículo do mundo movido por um motor de combustão interna. Ele usava um motor de quatro tempos baseado no projeto de Otto. No ano seguinte, Karl Benz produziu um automóvel com motor quatro tempos que é considerado o primeiro carro.

Em 1884, a empresa de Otto, então conhecida como Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), desenvolveu a ignição elétrica e o carburador. Em 1890, Daimler e Maybach formaram uma empresa conhecida como Daimler Motoren Gesellschaft . Hoje, essa empresa é a Daimler-Benz .

Ciclo de Atkinson

Este híbrido Toyota Prius 2004 tem um motor de ciclo Atkinson como o motor híbrido gasolina-elétrico
O Ciclo de Gás Atkinson

O motor de ciclo Atkinson é um tipo de motor de combustão interna de curso único inventado por James Atkinson em 1882. O ciclo Atkinson é projetado para fornecer eficiência em detrimento da densidade de potência e é usado em algumas aplicações elétricas híbridas modernas.

O motor a pistão do ciclo Atkinson original permitia que os cursos de admissão, compressão, potência e escapamento do ciclo de quatro tempos ocorressem em uma única volta do virabrequim e foi projetado para evitar infringir certas patentes que cobriam os motores do ciclo Otto.

Devido ao design exclusivo do virabrequim do Atkinson, sua taxa de expansão pode diferir de sua taxa de compressão e, com um curso de potência mais longo do que seu curso de compressão, o motor pode alcançar maior eficiência térmica do que um motor de pistão tradicional. Embora o projeto original de Atkinson não seja mais do que uma curiosidade histórica, muitos motores modernos usam o tempo de válvula não convencional para produzir o efeito de um curso de compressão mais curto / curso de potência mais longo, percebendo assim as melhorias de economia de combustível que o ciclo de Atkinson pode fornecer.

Ciclo diesel

Audi Diesel R15 em Le Mans

O motor diesel é um refinamento técnico do motor do ciclo Otto de 1876. Onde Otto percebeu em 1861 que a eficiência do motor poderia ser aumentada comprimindo primeiro a mistura de combustível antes de sua ignição, Rudolf Diesel queria desenvolver um tipo de motor mais eficiente que pudesse funcionar com combustível muito mais pesado. Os motores Lenoir , Otto Atmospheric e Otto Compression (ambos 1861 e 1876) foram projetados para funcionar com Gás Iluminante (gás de carvão) . Com a mesma motivação de Otto, a Diesel queria criar um motor que desse às pequenas empresas industriais sua própria fonte de energia para que pudessem competir com empresas maiores e, como Otto, fugir da exigência de estar vinculado a um abastecimento municipal de combustível . Como Otto, levou mais de uma década para produzir o motor de alta compressão que pudesse auto-inflamar o combustível borrifado no cilindro. Diesel usou um spray de ar combinado com combustível em seu primeiro motor.

Durante o desenvolvimento inicial, um dos motores explodiu, quase matando Diesel. Ele persistiu e finalmente criou um motor de sucesso em 1893. O motor de alta compressão, que inflama seu combustível pelo calor da compressão, agora é chamado de motor diesel, seja um motor de quatro ou dois tempos.

O motor diesel de quatro tempos tem sido usado na maioria das aplicações pesadas por muitas décadas. Ele usa um combustível pesado que contém mais energia e requer menos refinamento para ser produzido. Os motores de ciclo Otto mais eficientes operam com eficiência térmica próxima a 30%.

Análise Termodinâmica

O diagrama pV idealizado do ciclo Otto de quatro tempos : o curso de  entrada (A)  é realizado por uma expansão isobárica , seguido pelo curso de  compressão (B)  , realizado como uma compressão adiabática . Através da combustão do combustível produz-se um processo isocórico , seguido de uma expansão adiabática, caracterizando o curso de  potência (C)  . O ciclo é fechado por um processo isocórico e uma compressão isobárica, caracterizando o curso do  escapamento (D)  .

A análise termodinâmica dos ciclos reais de quatro tempos e dois tempos não é uma tarefa simples. No entanto, a análise pode ser simplificada significativamente se as suposições do padrão de ar forem utilizadas. O ciclo resultante, que se assemelha muito às condições reais de operação, é o ciclo de Otto.

Durante a operação normal do motor, conforme a mistura ar / combustível está sendo comprimida, uma faísca elétrica é criada para inflamar a mistura. Em baixa rotação, isso ocorre próximo ao TDC (Centro Morto Superior). À medida que a rotação do motor aumenta, a velocidade da frente da chama não muda, de modo que o ponto de ignição é avançado no início do ciclo para permitir que uma proporção maior do ciclo para a combustão da carga antes do início do curso de potência. Essa vantagem se reflete nos vários projetos de motores Otto; o motor atmosférico (sem compressão) opera com 12% de eficiência, enquanto o motor de carga comprimida tem uma eficiência operacional em torno de 30%.

Considerações de combustível

Um problema com motores de carga comprimida é que o aumento de temperatura da carga comprimida pode causar pré-ignição. Se isso ocorrer na hora errada e com muita energia, pode danificar o motor. Diferentes frações de petróleo têm pontos de inflamação amplamente variáveis ​​(as temperaturas nas quais o combustível pode se auto-inflamar). Isso deve ser levado em consideração no projeto do motor e do combustível.

A tendência para a mistura de combustível comprimido inflamar precocemente é limitada pela composição química do combustível. Existem vários tipos de combustível para acomodar os diferentes níveis de desempenho dos motores. O combustível é alterado para alterar sua temperatura de autoignição. Existem várias maneiras de fazer isso. Como os motores são projetados com taxas de compressão mais altas, o resultado é que a pré-ignição é muito mais provável de ocorrer, uma vez que a mistura de combustível é comprimida a uma temperatura mais alta antes da ignição deliberada. A temperatura mais alta evapora com mais eficácia combustíveis como a gasolina, o que aumenta a eficiência do motor de compressão. Taxas de compressão mais altas também significam que a distância que o pistão pode empurrar para produzir energia é maior (o que é chamado de taxa de expansão ).

A octanagem de um determinado combustível é uma medida da resistência do combustível à autoignição. Um combustível com uma octanagem numérica mais alta permite uma taxa de compressão mais alta, que extrai mais energia do combustível e mais efetivamente converte essa energia em trabalho útil enquanto ao mesmo tempo evita danos ao motor por pré-ignição. O combustível de alta octanagem também é mais caro.

Muitos motores modernos de quatro tempos empregam injeção direta de gasolina ou GDI. Em um motor a gasolina com injeção direta, o bico injetor se projeta para dentro da câmara de combustão. O injetor direto de combustível injeta gasolina sob uma pressão muito alta no cilindro durante o curso de compressão, quando o pistão está mais próximo do topo.

Os motores a diesel, por sua natureza, não se preocupam com a pré-ignição. Eles têm uma preocupação se a combustão pode ou não ser iniciada. A descrição da probabilidade de ignição do óleo diesel é chamada de índice de cetano. Como os combustíveis diesel são de baixa volatilidade, pode ser muito difícil dar partida a frio. Várias técnicas são usadas para dar partida em um motor diesel frio, sendo a mais comum o uso de uma vela de incandescência .

Princípios de design e engenharia

Limitações de potência de saída

O ciclo de quatro tempos
1 = TDC
2 = BDC
 A: Admissão 
 B: Compressão 
 C: Potência 
 D: Escape 

A quantidade máxima de potência gerada por um motor é determinada pela quantidade máxima de ar ingerido. A quantidade de potência gerada por um motor a pistão está relacionada ao seu tamanho (volume do cilindro), seja um motor de dois tempos ou design de quatro tempos, eficiência volumétrica , perdas, relação ar-combustível, o valor calorífico do combustível, teor de oxigênio do ar e velocidade ( RPM ). Em última análise, a velocidade é limitada pela resistência do material e pela lubrificação . Válvulas, pistões e bielas sofrem fortes forças de aceleração. Em alta rotação do motor, pode ocorrer quebra física e vibração do anel do pistão , resultando em perda de potência ou até mesmo destruição do motor. A vibração do anel do pistão ocorre quando os anéis oscilam verticalmente dentro das ranhuras do pistão em que residem. A vibração do anel compromete a vedação entre o anel e a parede do cilindro, o que causa uma perda de pressão e potência do cilindro. Se um motor gira muito rápido, as molas das válvulas não podem agir rápido o suficiente para fechar as válvulas. Isso é comumente referido como ' flutuação da válvula ' e pode resultar em contato do pistão com a válvula, danificando gravemente o motor. Em altas velocidades, a lubrificação da interface da parede do cilindro do pistão tende a quebrar. Isso limita a velocidade do pistão para motores industriais a cerca de 10 m / s.

Fluxo da porta de admissão / exaustão

A potência de saída de um motor depende da capacidade da admissão (mistura de ar-combustível) e da matéria do escapamento de se moverem rapidamente através das portas das válvulas, normalmente localizadas na cabeça do cilindro . Para aumentar a potência de saída de um motor, irregularidades nos caminhos de admissão e escape, como falhas de fundição, podem ser removidas e, com o auxílio de uma bancada de fluxo de ar , os raios de giro da porta da válvula e a configuração da sede da válvula podem ser modificados para reduzir resistência. Esse processo é chamado de portabilidade e pode ser feito manualmente ou com uma máquina CNC .

Recuperação de calor residual de um motor de combustão interna

Um motor de combustão interna é, em média, capaz de converter apenas 40-45% da energia fornecida em trabalho mecânico. Uma grande parte da energia residual está na forma de calor que é liberado para o meio ambiente através do refrigerante, aletas, etc. Se de alguma forma o calor residual pudesse ser capturado e transformado em energia mecânica, o desempenho do motor e / ou eficiência de combustível poderia ser melhorado por melhorando a eficiência geral do ciclo. Verificou-se que mesmo que 6% do calor totalmente desperdiçado seja recuperado, isso pode aumentar muito a eficiência do motor.

Muitos métodos foram concebidos para extrair o calor residual do escapamento de um motor e usá-lo posteriormente para extrair algum trabalho útil, reduzindo os poluentes do escapamento ao mesmo tempo. O uso do Ciclo Rankine , turboalimentação e geração termoelétrica pode ser muito útil como um sistema de recuperação de calor residual .

Supercharging

Uma maneira de aumentar a potência do motor é forçar mais ar no cilindro para que mais potência possa ser produzida em cada curso de potência. Isso pode ser feito usando algum tipo de dispositivo de compressão de ar conhecido como supercharger , que pode ser acionado pelo virabrequim do motor.

A superalimentação aumenta os limites de potência de um motor de combustão interna em relação ao seu deslocamento. Mais comumente, o supercompressor está sempre funcionando, mas existem projetos que permitem que ele seja cortado ou operado em velocidades variadas (em relação à rotação do motor). A superalimentação acionada mecanicamente tem a desvantagem de que parte da potência de saída é usada para acionar o superalimentador, enquanto a potência é desperdiçada na exaustão de alta pressão, pois o ar foi comprimido duas vezes e então ganha mais volume potencial na combustão, mas é apenas expandido em um estágio.

Turbocharging

Um turbocompressor é um superalimentador acionado pelos gases de escape do motor, por meio de uma turbina . Um turbocompressor é incorporado ao sistema de escapamento de um veículo para aproveitar o escapamento expelido. Ele consiste em um conjunto de turbina de alta velocidade de duas peças, com um lado que comprime o ar de admissão e o outro lado que é alimentado pelo fluxo de saída dos gases de escape.

Quando em marcha lenta e em velocidades baixas a moderadas, a turbina produz pouca energia com o pequeno volume de escapamento, o turbocompressor tem pouco efeito e o motor opera quase de uma maneira naturalmente aspirada. Quando muito mais potência é necessária, a velocidade do motor e a abertura do acelerador são aumentadas até que os gases de escape sejam suficientes para 'enrolar' a turbina do turboalimentador para começar a comprimir muito mais ar do que o normal no coletor de admissão. Assim, potência adicional (e velocidade) é expelida através da função desta turbina.

A turbocompressão permite uma operação mais eficiente do motor porque é impulsionada pela pressão de escape que seria (principalmente) desperdiçada, mas há uma limitação de projeto conhecida como turbo lag . O aumento da potência do motor não está imediatamente disponível devido à necessidade de aumentar drasticamente as RPMs do motor, para aumentar a pressão e girar o turbo, antes que o turbo comece a fazer qualquer compressão de ar útil. O volume de entrada aumentado causa maior exaustão e faz o turbo girar mais rápido, e assim por diante, até que a operação estável em alta potência seja alcançada. Outra dificuldade é que a pressão de escape mais alta faz com que os gases de escape transfiram mais calor para as partes mecânicas do motor.

Razão haste e pistão para curso

A relação haste-curso é a relação entre o comprimento da biela e o comprimento do curso do pistão. Uma haste mais longa reduz a pressão lateral do pistão na parede do cilindro e as forças de estresse, aumentando a vida útil do motor. Também aumenta o custo, a altura e o peso do motor.

Um "motor quadrado" é um motor com um diâmetro de furo igual ao comprimento de seu curso. Um motor em que o diâmetro do furo é maior que o comprimento do curso é um motor superquadrado ; ao contrário, um motor com diâmetro do furo menor que o comprimento do curso é um motor subquadrado.

Trem de válvula

As válvulas são normalmente operadas por um eixo de comando que gira à metade da velocidade do virabrequim . Ele tem uma série de cames ao longo de seu comprimento, cada um projetado para abrir uma válvula durante a parte apropriada de um curso de admissão ou escape. Um taco entre a válvula e o came é uma superfície de contato na qual o came desliza para abrir a válvula. Muitos motores usam um ou mais eixos de comando “acima” de uma fileira (ou cada fileira) de cilindros, como na ilustração, em que cada came atua diretamente uma válvula por meio de um taco plano. Em outros projetos de motor, o eixo de comando está no cárter , caso em que cada came geralmente entra em contato com uma haste de pressão , que faz contato com um balancim que abre uma válvula ou, no caso de um motor de cabeça chata, uma haste de pressão não é necessária. O projeto do came suspenso normalmente permite velocidades mais altas do motor porque fornece o caminho mais direto entre o came e a válvula.

Folga da válvula

A folga da válvula refere-se ao pequeno espaço entre o elevador da válvula e a haste da válvula que garante que a válvula feche completamente. Em motores com ajuste mecânico de válvula, a folga excessiva causa ruído do trem de válvula. Uma folga de válvula muito pequena pode fazer com que as válvulas não fechem corretamente. Isso resulta em perda de desempenho e possivelmente superaquecimento das válvulas de exaustão. Normalmente, a folga deve ser reajustada a cada 20.000 milhas (32.000 km) com um calibrador de folga.

A maioria dos motores de produção modernos usa elevadores hidráulicos para compensar automaticamente o desgaste dos componentes do trem de válvulas. Óleo de motor sujo pode causar falha do elevador.

Equilíbrio energético

Os motores Otto são cerca de 30% eficientes; em outras palavras, 30% da energia gerada pela combustão é convertida em energia rotacional útil no eixo de saída do motor, enquanto o restante é perdido devido ao desperdício de calor, fricção e acessórios do motor. Existem várias maneiras de recuperar parte da energia perdida para desperdiçar calor. O uso de um turboalimentador em motores a diesel é muito eficaz ao aumentar a pressão do ar de entrada e, na verdade, fornece o mesmo aumento no desempenho que ter mais deslocamento. A empresa Mack Truck, décadas atrás, desenvolveu um sistema de turbina que convertia o calor residual em energia cinética que alimentava de volta na transmissão do motor. Em 2005, a BMW anunciou o desenvolvimento do turboestador , um sistema de recuperação de calor de dois estágios semelhante ao sistema Mack que recupera 80% da energia dos gases de escape e aumenta a eficiência de um motor Otto em 15%. Em contraste, um motor de seis tempos pode reduzir o consumo de combustível em até 40%.

Os motores modernos são freqüentemente construídos intencionalmente para serem um pouco menos eficientes do que poderiam ser. Isso é necessário para controles de emissão , como recirculação de gases de escape e conversores catalíticos que reduzem a poluição atmosférica e outros poluentes atmosféricos. As reduções na eficiência podem ser neutralizadas com uma unidade de controle do motor usando técnicas de queima pobre .

Nos Estados Unidos, a Corporate Average Fuel Economy determina que os veículos devem atingir uma média de 34,9 mpg ‑US (6,7 L / 100 km; 41,9 mpg ‑imp ) em comparação com o padrão atual de 25 mpg ‑US (9,4 L / 100 km ; 30,0 mpg ‑imp ). À medida que as montadoras buscam atender a esses padrões até 2016, novas formas de projetar o motor de combustão interna tradicional (ICE) devem ser consideradas. Algumas soluções potenciais para aumentar a eficiência do combustível para atender aos novos mandatos incluem disparar depois que o pistão estiver mais distante do virabrequim, conhecido como ponto morto superior , e aplicar o ciclo de Miller . Juntos, este redesenho pode reduzir significativamente o consumo de combustível e NÃO
x
emissões.

Ponto morto superior, antes do início do ciclo 1 - Curso de admissão 2 - Curso de compressão
Posição inicial, curso de admissão e curso de compressão. Ignição de combustível, curso de potência e curso de escapamento.
Combustível inflama 3 - Curso de força 4 - Curso de exaustão

Veja também

Referências

Fontes gerais

  • Hardenberg, Horst O. (1999). A Idade Média do Motor de Combustão Interna . Society of Automotive Engineers (SAE). ISBN 978-0-7680-0391-8.
  • scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html
  • Cengel, Yunus A; Michael A Boles; Yaling He (2009). Termodinâmica Uma Abordagem de Engenharia. Np . The McGraw Hill Companies. ISBN 978-7-121-08478-2.
  • Benson, Tom (11 de julho de 2008). "Motor de combustão interna de 4 tempos" . p. Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço . Página visitada em 5 de maio de 2011 .

links externos