Motores Rotativos, Stirling e Celulas a Combustivel

Motores Rotativos, Stirling e Celulas a Combustivel

(Parte 1 de 4)

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA

CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÄNICA

MOTORES STIRLING, WANKEL, CICLO MILLER E CÉLULAS A COMBUSTÍVEL

Motores Stirling, Wankel, Ciclo Miller

e Células a Combustível

Trabalho apresentado como requisito parcial à aprovação junto à disciplina de Sistemas Térmicos 1, do Curso de Engenharia Industrial Mecânica, ministrado pelo Departamento Acadêmico de Mecânica, da Unidade de Curitiba, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR.

CURITIBA

JUNHO 2009

Sumário

1 MOTOR ROTATIVO WANKEL 5

1.1 Histórico 6

1.2 Comparativo 7

1.3 Principais Características 7

1.4 Constituição 8

1.4.1 Bloco ou carcaça 8

1.4.2 Rotor ou pistão 9

1.4.3 Árvore motriz 10

1.4.4 Segmentos ou paletas de vedação 11

1.5 Sistema de Refrigeração e Lubrificação 11

1.6 Funcionamento do Motor Wankel 11

1.7 Vantagens e Desvantagens 12

2 MOTOR ROTATIVO QUASITURBINE 15

2.1 Funcionamento do QT 16

3 MOTOR STIRLING 18

3.1 Introdução 18

3.2 Características 18

3.3 O Ciclo Stirling 21

3.4 O Motor Stirling 22

3.5 Configurações de Motores Stirling 26

3.6 Vantagens e Desvantagens do Motor Stirling 30

3.7 Curiosidades 32

3.7.1 Recorde de eficiência 32

3.7.2 O motor acústico 33

4 CICLO MILLER 35

4.1 Introdução 35

4.2 Funcionamento 35

4.3 Ciclo Miller sem Supercharger 36

4.4 Ciclo Miller com Supercharger 37

5 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL 40

5.1 Introdução 40

5.2 Funcionamento 41

5.3 Componentes 42

5.4 Tipos de Células a Combustível 43

43

5.5 Vantagens e Desvantagens 48

5.6 Aplicações 50

50

6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 52

  1. MOTOR ROTATIVO WANKEL

São motores nos quais um membro rotativo é disposto de forma a variar o volume de trabalho de maneira análoga ao de um compressor do tipo palheta, ou por meio de alguma espécie de movimento excêntrico de um rotor em um espaço cilíndrico (usualmente não circular).

O problema mais difícil em tais motores é a selagem da câmara de combustão contra vazamento sem excessivo atrito e desgaste. Esse problema é bem mais difícil do que o de anéis de segmento convencionais, devido às seguintes razões:

1. “Contato de linha” em lugar de contato de superfície;

2. As superfícies a selar são descontínuas, com arestas vivas;

3. A velocidade do selo é elevada durante parte do ciclo de alta pressão, em contraste com anéis de segmento, cuja velocidade é próxima de zero na máxima pressão do cilindro.

O motor WANKEL é um motor deste tipo. Ele ainda se encontra sob intenso desenvolvimento. Embora se diga que o problema de selagem esteja resolvido, não parece razoável aceitar que a solução seja tão satisfatória quanto a do moderno anel de segmento.

Em geral, o objetivo dos projetos de motores rotativos de deslocamento foi de evitar vibração, redução de tamanho, peso e redução de custo em comparação com os tipos convencionais.

A única vantagem básica desse tipo de motor está no fato de ser alta a relação volume de deslocamento para volume total do motor, obtendo-se assim, maiores potências.

Figura 1 – Representação de um motor Wankel

    1. Histórico

  • O alemão Felix Wankel (1902-1988) inventa o motor rotativo em 1924 e recebe a patente em 1929;

  • Durante a Segunda Guerra Mundial (1939-1945) recebe o apoio do ministério de aviação alemão para a investigação e evolução de seu motor;

  • A queda do Terceiro Reich (regime nazista) paralisa os trabalhos;

  • A empresa de motocicletas N.S.U. e pequenos veículos da extinta R.D.A. se interessam pelo motor;

  • Em 1957 Wankel e NSU completam o primeiro protótipo de motor rotativo tipo DKM;

  • Em 1958 Wankel e NSU lançam o motor rotativo KKM que era muito similar com o que conhecemos atualmente;

  • Em 1969 a NSU é comprada pelo grupo Audi-Volkswagen. A política desse grupo freia a evolução desse tipo de motor;

  • Em 1977 a NSU fabrica seu último veículo com motor rotativo;

  • Em 1984 desaparece a NSU;

  • Várias empresas se interessam no início dos anos sessenta (Mazda, Mercedes, Citroen)

  • Em 1961 o presidente da Mazda, Tsuneje Matsuda, firma um contrato com a NSU de cooperação técnica para poder desenvolver o motor rotativo;

  • A Mazda cria um grupo de pesquisa para a melhoria do motor;

  • Em 30 de maio de 1967 a Mazda começa a vender o primeiro motor rotativo verdadeiramente competitivo (Mazda Cosmo Sports, 998 cc, 111 CV, 7000 rpm);

  • O primeiro modelo com uma repercussão importante foi o Mazda RX-7. Este modelo acabou sendo retirado dos mercados europeu e norte-americano devido a seu problema com a queima incompleta de hidrocarbonetos;

  • A Mazda não se rende frente a esses contratempos e em 1991 consegue ganhar as “24 horas de Le Mans” com o seu protótipo 787B, equipado com um motor rotativo;

  • A última evolução do motor rotativo realizado pela Mazda é o “Renesis” que foi eleito o melhor motor internacional nos anos de 2003 e 2004;

  • O RX-8 equivale a um motor de seis cilindros com mais de 3000 cc.

    1. Comparativo

RX-8

FORD FOCUS ST

Potência:

240 CV a 8500 rpm

225 CV a 6100 rpm

Torque máximo:

211 N.m a 5500 rpm

320 N.m a 1600-4000 rpm

Velocidade máxima:

240 km/h

241 km/h

Aceleração (0-100 km/h):

6,4 s

6,8 s

Cilindrada:

654 cc por rotor (birotor) = 1308 cc

2521 cc

Consumo urbano:

6,3 km/l

7,2 km/l

Consumo rodoviário:

11,2 km/l

14,7 km/l

Consumo combinado:

8,8 km/l

10,8 km/l

Tabela 1 – Comparativo Wankel x motor alternativo

    1. Principais Características

  • Motor rotativo Wankel: motor térmico de combustão interna de quatro tempos;

  • O movimento de rotação é obtido diretamente do rotor;

  • Em uma volta do rotor produzem-se os quatro tempos;

  • Em uma volta obtêm-se três explosões;

  • Movimento mais suave podendo obter-se um maior número de revoluções;

  • Não há sistema de distribuição. A admissão e a exaustão ocorrem através de “luzes” (janelas) controladas pelo rotor;

  • Menor número de peças.

Figura 2 – Comparação do número de peças de um motor Wankel e um motor convencional.

    1. Constituição

O motor Wankel é constituído basicamente por:

  • Bloco ou carcaça;

  • Rotor ou pistão;

  • Árvore motriz;

  • Segmentos ou paletas de vedação.

      1. Bloco ou carcaça

Feito de liga leve, ou seja, possui alumínio em sua composição. Em seu interior encontra-se uma camisa. A superfície de contato é revestida por um material de cromo-molibdênio e recobrimento de grafite por sua vantagem de auto lubrificação.

Sobre a carcaça ficam situadas as janelas de admissão e exaustão.

Figura 3 – Bloco ou carcaça de um motor Wankel.

      1. Rotor ou pistão

Tem formato de um prisma triangular com os três lados ligeiramente convexos, em cada um dos lados se tem uma câmara de combustão.

Cada um dos lados realiza os quatro tempos em uma volta do motor.

No centro do rotor há um furo com dentes internos que se acoplam à roda dentada do eixo de saída do motor.

Geralmente se constroem motores com dois ou três rotores com 600 cc ou 700 cc por rotor.

Figura 4 – Rotor ou pistão de um motor Wankel.

      1. Árvore motriz

Apoiada em seus extremos por rolamentos nas peças laterais.

Fixado nela situam-se os eixos excêntricos.

A transmissão de forças entre o rotor e a árvore motriz se realiza através do eixo excêntrico.

O número de eixos excêntricos é igual ao número de rotores do motor.

Figura 5– Árvore motriz de um motor Wankel.

      1. Segmentos ou paletas de vedação

A estanqueidade das três câmeras durante o giro do motor é conseguida mediante os segmentos.

Os vértices do rotor possuem ranhuras para alojarem os segmentos.

Também é necessário estancar as laterais do rotor, para isso instalam-se “réguas”, providas de molas de compressão para garantir o contato com as paredes laterais da carcaça.

    1. Sistema de Refrigeração e Lubrificação

São similares aos presentes nos motores de pistão alternativos.

A lubrificação dos segmentos pode ser realizada através da adição de óleo no combustível mediante um dispositivo dosador que mede a quantidade de óleo necessário segundo a rotação e a carga do motor.

    1. Funcionamento do Motor Wankel

A geometria interna do bloco faz com que o rotor ao girar (excentricamente) mantenha constantemente seus vértices em contato com as paredes do bloco, vedando cada uma das três câmaras formadas. Conforme este giro ocorre, o volume de cada uma das três câmaras é alterado, produzindo aumento ou diminuição do volume dos gases do motor.

No caso da posição em que está localizado o duto de admissão, o aumento do volume produzido pelo giro do rotor, produz a aspiração da mistura. Enquanto isto na câmara adjacente (sentido horário), a mistura começa a ser comprimida para receber as centelhas das velas e explodir. Simultaneamente, na terceira câmara, os gases produzidos pela combustão já se expandiram, deslocaram o rotor e estão sendo expulsos pelo duto de escape. Em cada uma destas câmaras ocorrem os quatro tempos do chamado Ciclo Otto.

  • 1º tempo - Admissão da mistura ar / combustível

  • 2º tempo - Compressão da mistura

  • 3º tempo - Combustão ou explosão

  • 4º tempo – Escape

Figura 6– Esquematização do ciclo de um motor Wankel.

Em apenas uma volta do rotor três ciclos completos ocorrem, bem como três voltas completas do eixo do motor, que equivale ao eixo do virabrequim no motor convencional. Esta relação de três voltas do eixo motor para cada volta do rotor se deve à relação das engrenagens. Nos motores convencionais, o virabrequim realiza duas voltas completas para cada ciclo completo do pistão.

Fica então claro perceber, que devido às relações de voltas do rotor (em relação à engrenagem do motor) e número de explosões (uma em cada câmara, no total de três por volta) a cada giro completo do mesmo, porque os motores rotativos conseguem grandes níveis de potência com capacidades cúbicas razoavelmente pequenas.

Usualmente, o motor Wankel utiliza de 2 velas de ignição, de forma a uniformizar a queima, e dificultar a ocorrência da queima incompleta do combustível. Isso é necessário pelo próprio formato alongado da câmara no momento da ignição, o que dificulta o processo da queima.

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