ENE 5703 Usos finais e demanda de energia 2 a parte

Antecedentes Serviço energético Problemática Conseqüências Princípio de funcionamento Parâmetros de processo Ciclo Otto Ciclo Diesel Eficiência e desempenho Melhoria tecnológica ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Antecedentes

Serviço energético

Problemática

Conseqüências

Princípio de funcionamento

Parâmetros de processo

Ciclo Otto

Ciclo Diesel

Eficiência e desempenho

Melhoria tecnológica

A história da busca da auto-propulsão com a finalidade de transporte começa tão logo a máquina a vapor é inventada, no século XVII. As primeiras tentativas em construir veículos, desde esse período, até meados do século XVIII, não fazem mais que produzir brinquedos, como o de Sir Isaac Newton, ou protótipos de demonstração. O primeiro veículo funcional foi um triciclo a vapor, construído em 1770 por Nicolas Joseph Cugnot, para transporte de artilharia. ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Carruagem a vapor proposta por Newton em 1680 Triciclo a vapor construído por Cugnot em 1 77 0

A história da busca da auto-propulsão com a finalidade de transporte começa tão logo a máquina a vapor é inventada, no século XVII. As primeiras tentativas em construir veículos, desde esse período, até meados do século XVIII, não fazem mais que produzir brinquedos, como o de Sir Isaac Newton, ou protótipos de demonstração. O primeiro veículo funcional foi um triciclo a vapor, construído em 1770 por Nicolas Joseph Cugnot, para transporte de artilharia.

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Em 1801, Richard Trevithick construiu o primeiro veículo de transporte de passageiros, em Illogan, Inglaterra. Tecnologicamente, este veículo possuía características distintas dos anteriores, que garantiram seu sucesso: uma unidade de potência significativamente menor e o uso de pistões movidos diretamente por vapor a alta pressão. Nos modelos anteriores, os pistões eram movidos pela pressão atmosférica, contra o vácuo resultante da condensação do vapor. Obviamente, a quantidade de água necessária para produzir tal vácuo, foi um sério limitante aos primeiros “automóveis”. Esta locomotiva rodoviária que ficou conhecida como The Puffing Devil , terá sido um dos primeiros veículos rodoviários a carregar passageiros movendo-se pela sua própria fonte de energia. Por volta de 1830, as “carruagens a vapor” eram comuns nas ruas de Londres. Porém, legislação rigorosa, a partir de 1831, restringiu seu uso e acabou por cessar com sua construção. Enquanto isso, na França e Alemanha, as atenções se voltavam para os mecanismos de combustão interna.

Em 1801, Richard Trevithick construiu o primeiro veículo de transporte de passageiros, em Illogan, Inglaterra. Tecnologicamente, este veículo possuía características distintas dos anteriores, que garantiram seu sucesso: uma unidade de potência significativamente menor e o uso de pistões movidos diretamente por vapor a alta pressão. Nos modelos anteriores, os pistões eram movidos pela pressão atmosférica, contra o vácuo resultante da condensação do vapor. Obviamente, a quantidade de água necessária para produzir tal vácuo, foi um sério limitante aos primeiros “automóveis”.

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Vista em corte do mecanismo a pistão de Daimler O automóvel de Karl Benz Daimler & Benz Mercedes Jellinek

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Em 1892 , Rudolf D iesel obteve patente para um motor proposto em que o ar estaria comprimido de tal forma que su a temperatura excederia em muito a temperatura da ignição do combustível. O primeiro motor experimental foi construído em 1893 e usou o ar a alta pressão para iniciar a queima do pó de carvão na câmara de combustão. Este motor explodiu e o uso do carvão como combustível falhou, porém um motor d e ignição a compressão usando óleo como combustível foi bem sucedido e um sem- número de fabricantes foi licenciado para construir motores similares. Os motores de combustão a óleo origina is usa v am equipamento s mecânico s d e injeção muito grosseiros. A ssim , Rudolf D iesel começou outra vez a usar a explosão de ar para produzir a atomização do combustível e a turbul ê nc ia da mistura. Foi muito bem sucedido .

Em 1892 , Rudolf D iesel obteve patente para um motor proposto em que o ar estaria comprimido de tal forma que su a temperatura excederia em muito a temperatura da ignição do combustível. O primeiro motor experimental foi construído em 1893 e usou o ar a alta pressão para iniciar a queima do pó de carvão na câmara de combustão. Este motor explodiu e o uso do carvão como combustível falhou, porém um motor d e ignição a compressão usando óleo como combustível foi bem sucedido e um sem- número de fabricantes foi licenciado para construir motores similares. Os motores de combustão a óleo origina is usa v am equipamento s mecânico s d e injeção muito grosseiros. A ssim , Rudolf D iesel começou outra vez a usar a explosão de ar para produzir a atomização do combustível e a turbul ê nc ia da mistura. Foi muito bem sucedido .

Um desenvolvimento importante na história comercial e industrial do veículo a motor nos EUA foi a patente solicitada em 1879 por George Baldwin Selden, um advogado de Rochester, NY. Por tecnicalidades legais, a introdução real desta patente foi atrasada até 1895, de modo que os direitos da patente original não expirassem até 1912. Esta patente cobriu a aplicação de um motor de combustão interna à propulsão de um veículo. Incluiu a combinação de tal motor com uma embreagem, ou dispositivo de acoplamento e desacoplamento similar no trem do mecanismo, pelo qual o motor guia a propulsão das rodas. Cobriu também a redução da engrenagem, pela qual as rodas poderiam ser dirigidas em velocidades mais baixas do que aquela do eixo do motor. Diversas companhias fizeram exame de licenças sob a patente, mas outras, conduzidas por Ford, recusaram-se a fazer assim, conduzindo ao litígio que continuou de 1903 a 1911. Este litígio terminou na decisão que a patente de Selden não fora infringida porque era válida somente para um automóvel com um motor do tipo específico descrito na patente, em vez do motor de quatro tempos, então em uso universal. Quando a patente de Selden terminou, 600.000 automóveis estavam sendo operados nos EUA, alguns a vapor, alguns a gasolina, e alguns a eletricidade. Viajar de automóvel, à época, era considerado primeiramente como um esporte; a partir daí, então, cada vez mais como meio de transporte. ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Um desenvolvimento importante na história comercial e industrial do veículo a motor nos EUA foi a patente solicitada em 1879 por George Baldwin Selden, um advogado de Rochester, NY. Por tecnicalidades legais, a introdução real desta patente foi atrasada até 1895, de modo que os direitos da patente original não expirassem até 1912. Esta patente cobriu a aplicação de um motor de combustão interna à propulsão de um veículo. Incluiu a combinação de tal motor com uma embreagem, ou dispositivo de acoplamento e desacoplamento similar no trem do mecanismo, pelo qual o motor guia a propulsão das rodas. Cobriu também a redução da engrenagem, pela qual as rodas poderiam ser dirigidas em velocidades mais baixas do que aquela do eixo do motor. Diversas companhias fizeram exame de licenças sob a patente, mas outras, conduzidas por Ford, recusaram-se a fazer assim, conduzindo ao litígio que continuou de 1903 a 1911. Este litígio terminou na decisão que a patente de Selden não fora infringida porque era válida somente para um automóvel com um motor do tipo específico descrito na patente, em vez do motor de quatro tempos, então em uso universal. Quando a patente de Selden terminou, 600.000 automóveis estavam sendo operados nos EUA, alguns a vapor, alguns a gasolina, e alguns a eletricidade. Viajar de automóvel, à época, era considerado primeiramente como um esporte; a partir daí, então, cada vez mais como meio de transporte.

Ford produziu seu primeiro automóvel em 1893, nos EUA. Para atender a demanda crescente por automóveis de todos os tipos, Ford acelerou grandemente a produção ao introduzir, em 1913, a correia transportadora, para carregar as peças em linhas de montagem. Uma outra influência importante no crescimento subseqüente da indústria do automóvel foi a formação, nessa época, da organização conhecida então como Câmara de Comércio de Automóveis , atualment e , Associação dos Fabricantes de Veículos a Motor. Os membros dessa organização fizeram um acordo de licenciamento cruzado, por meio do qual toda companhia-membro poderia usar as patentes controladas por qualquer outro membro, sem o pagamento dos royalties. A virtude desse acordo foi o estabelecimento de um costume de "patentes para uso", em vez das patentes para exploração de vantagens de monopólio. Sob o acordo, os direitos de patente foram compartilhados, de modo que os melhores automóveis pudessem ser fabricados, não importando por quem. ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Ford produziu seu primeiro automóvel em 1893, nos EUA.

Para atender a demanda crescente por automóveis de todos os tipos, Ford acelerou grandemente a produção ao introduzir, em 1913, a correia transportadora, para carregar as peças em linhas de montagem.

Uma outra influência importante no crescimento subseqüente da indústria do automóvel foi a formação, nessa época, da organização conhecida então como Câmara de Comércio de Automóveis , atualment e , Associação dos Fabricantes de Veículos a Motor. Os membros dessa organização fizeram um acordo de licenciamento cruzado, por meio do qual toda companhia-membro poderia usar as patentes controladas por qualquer outro membro, sem o pagamento dos royalties. A virtude desse acordo foi o estabelecimento de um costume de "patentes para uso", em vez das patentes para exploração de vantagens de monopólio. Sob o acordo, os direitos de patente foram compartilhados, de modo que os melhores automóveis pudessem ser fabricados, não importando por quem.

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer A indústria da guerra – um grande propulsor do “progresso” da indústria automobilística (A linha de montagem da planta Ford de tanques)

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Fordismo e Taylorismo inauguram a era do “consumo de massa” O salário real praticado por Ford, sem precedentes, permitiu à sua própria força de trabalho adquirir seus produtos (carros populares) Pela primeira vez, o capital não apenas controlava o emprego da força de trabalho e seus ganhos, mas também, seus gastos – seus impulsos, seus “desejos”

Fordismo e Taylorismo inauguram a era do “consumo de massa”

O salário real praticado por Ford, sem precedentes, permitiu à sua própria força de trabalho adquirir seus produtos (carros populares)

Pela primeira vez, o capital não apenas controlava o emprego da força de trabalho e seus ganhos, mas também, seus gastos – seus impulsos, seus “desejos”

Estacionários Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias como geradores, máquinas de solda, bombas, ou outras que operam em rotação constante. Industriais Destinados ao acionamento de máquinas da construção civil, como tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação fora-de-estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde se exijam características especiais do acionador. Veiculares Destinados ao acionamento de veículos. Marítimos Destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso naval. ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Estacionários

Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias como geradores, máquinas de solda, bombas, ou outras que operam em rotação constante.

Industriais

Destinados ao acionamento de máquinas da construção civil, como tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação fora-de-estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde se exijam características especiais do acionador.

Veiculares

Destinados ao acionamento de veículos.

Marítimos

Destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso naval.

Número de veículos produzidos no mundo de 1997 a 2002 ( Organisation Internationale des Constructeurs d'Automobiles , 2003): 1997 – 37.961.361 1998 - 37.262.839 1999 – 39.759.847 2000 – 41.216.653 2001 – 39.737.709 2002 – 41.012.584 ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer VEJA AS ESTATÍSTICAS ATUAIS!

Número de veículos produzidos no mundo de 1997 a 2002 ( Organisation Internationale des Constructeurs d'Automobiles , 2003):

1997 – 37.961.361

1998 - 37.262.839

1999 – 39.759.847

2000 – 41.216.653

2001 – 39.737.709

2002 – 41.012.584

Consumo intenso de energia não renovável Emissão de poluentes Intensificação da geração de resíduos, inclusive tóxicos e de difícil aproveitamento Baterias Pneus Aquecimento global Conflitos e abuso de poder em torno do petróleo ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Consumo intenso de energia não renovável

Emissão de poluentes

Intensificação da geração de resíduos, inclusive tóxicos e de difícil aproveitamento

Baterias

Pneus

Aquecimento global

Conflitos e abuso de poder em torno do petróleo

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Força = pressão x área Fonte : Abata. Michigan Tech University, 2001. Ar confinado Pressão F Analogamente...

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Fonte : Abata. Michigan Tech University, 2001. Cárter Sistema de ignição Sistema de exaustão Sistema de admissão Termostato Sistema de resfriamento Sistema de lubrificação

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Fonte : Heywood apud CEEETA, 2000.

Aplicação transportes, geração de energia, cogeração Configuração do motor Êmbolo (subdividem-se em “linha”, “em V”...), rotativos (tipo Wenkel) Ciclo Quatro ou dois tempos Combustível Gasolina, diesel, gás natural, GLP, hidrogênio, álcool... Configuração da câmara de combustão Ignição Faísca, compressão Método de controle da carga Controle da mistura ar-combustível ou apenas do combustível Método de arrefecimento A água, a ar ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Aplicação

transportes, geração de energia, cogeração

Configuração do motor

Êmbolo (subdividem-se em “linha”, “em V”...), rotativos (tipo Wenkel)

Ciclo

Quatro ou dois tempos

Combustível

Gasolina, diesel, gás natural, GLP, hidrogênio, álcool...

Configuração da câmara de combustão

Ignição

Faísca, compressão

Método de controle da carga

Controle da mistura ar-combustível ou apenas do combustível

Método de arrefecimento

A água, a ar

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Dois tipos de motor/ combustível Gasolina (pré-mistura) Diesel (difusão) Dois tempos / quatro tempos Admissão Compressão Combustão Escape Pontos problemáticos Desempenho emissões Motor a gasolina quatro tempos Motor Diesel quatro tempos Motor a gasolina dois tempos Fonte : adaptado de Abata. Michigan Tech University, 2001.

Dois tipos de motor/ combustível

Gasolina (pré-mistura)

Diesel (difusão)

Dois tempos / quatro tempos

Admissão

Compressão

Combustão

Escape

Pontos problemáticos

Desempenho

emissões

Ciclo Otto Os motores desse ciclo são também conhecidos por motores de ignição por faísca (ou motores de explosão). Utilizam gasolina ou combustíveis gasosos. Nesse tipo de motores a energia de ativação necessária para iniciar a combustão é fornecida através da liberação de uma faísca entre os eletrodos de uma vela. Ciclo Diesel Nos motores de ignição por compressão, usualmente denominados motores Diesel, o combustível utilizado é o óleo diesel ou um outro mais pesado (menos refinado). O ar introduzido na câmara de combustão (cilindro) sofre uma compressão muito superior à que ocorre nos motores Otto. Como conseqüência a sua temperatura atinge um valor suficientemente elevado para iniciar a combustão de uma forma espontânea. ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Ciclo Otto

Os motores desse ciclo são também conhecidos por motores de ignição por faísca (ou motores de explosão). Utilizam gasolina ou combustíveis gasosos. Nesse tipo de motores a energia de ativação necessária para iniciar a combustão é fornecida através da liberação de uma faísca entre os eletrodos de uma vela.

Ciclo Diesel

Nos motores de ignição por compressão, usualmente denominados motores Diesel, o combustível utilizado é o óleo diesel ou um outro mais pesado (menos refinado). O ar introduzido na câmara de combustão (cilindro) sofre uma compressão muito superior à que ocorre nos motores Otto. Como conseqüência a sua temperatura atinge um valor suficientemente elevado para iniciar a combustão de uma forma espontânea.

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer apud CEEETA, 2000.

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer IV = válvula de admissão EV = válvula de escape SP = vela P = pistão PR = anéis do pistão CC = câmara de combustão CR = biela CS = virabrequim

Admissão O pistão começa a descer (até o ponto morto inferior), a pressão cai (pressão negativa) e a mistura ar/combustível é sugada para a câmara de combustão (cilindro). ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Admissão

O pistão começa a descer (até o ponto morto inferior), a pressão cai (pressão negativa) e a mistura ar/combustível é sugada para a câmara de combustão (cilindro).

Compressão O pistão começa a subir, as válvulas estão fechadas, a mistura ar + combustível é comprimida, a temperatura aumenta. ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Compressão

O pistão começa a subir, as válvulas estão fechadas, a mistura ar + combustível é comprimida, a temperatura aumenta.

Ignição (durante o tempo 2) Próximo ao final da compressão a ignição dá início à combustão, que ocorre rapidamente (explosão). ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Ignição (durante o tempo 2)

Próximo ao final da compressão a ignição dá início à combustão, que ocorre rapidamente (explosão).

Expansão O pistão é empurrado para baixo produzindo trabalho. O volume aumenta, a pressão e a temperatura diminuem. ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Expansão

O pistão é empurrado para baixo produzindo trabalho. O volume aumenta, a pressão e a temperatura diminuem.

Escape Quando o pistão atinge o ponto morto inferior, a válvula de escape é aberta e o pistão começa a subir e expulsa os gases (produtos da combustão). ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Escape

Quando o pistão atinge o ponto morto inferior, a válvula de escape é aberta e o pistão começa a subir e expulsa os gases (produtos da combustão).

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

efficiency: [1] The accomplishment of something with the least amount of effort, energy, or fuel. [2] Output of a device, system, or activity, divided by the input necessary to create the output. In a compressor the efficiency would be the work output, as measured by pressure change, divided by the energy input (usually electrical). See braking efficiency catalyst efficiency catalytic efficiency charging efficiency fuel efficiency mechanical efficiency thermal efficiency trapping efficiency volumetric efficiency mechanical efficiency: An engine's rating as to how much of the potential horsepower is wasted through friction within the moving parts of the engine. The ratio between the indicatedhorsepower and the brake horsepower of an engine. ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Fonte: DICTIONARY OF AUTOMOTIVE TERMS

efficiency:

[1] The accomplishment of something with the least amount of effort, energy, or fuel.

[2] Output of a device, system, or activity, divided by the input necessary to create the output. In a compressor the efficiency would be the work output, as measured by pressure change, divided by the energy input (usually electrical).

See

braking efficiency catalyst efficiency catalytic efficiency charging efficiency fuel efficiency mechanical efficiency thermal efficiency trapping efficiency volumetric efficiency

mechanical efficiency:

An engine's rating as to how much of the potential horsepower is wasted through friction within the moving parts of the engine. The ratio between the indicatedhorsepower and the brake horsepower of an engine.

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Potência útil We = potência disponível para a caixa de mudanças Potência indicada Wi = potência desenvolvida pelos gases de combustão sobre o pistão Rendimento mecânico É a razão entre a potência medida no eixo e a potência total desenvolvida pelo motor, ou seja: X = 16,3761 + 2,28629 * (n/1000) + 0,297053 * (n/1000) 2 Y = 1/100 [5,44659 - 0,02495 x n/100 - 0,174376 (n/100) 2 ] Pme = pressão média efetiva em kPa n = rotação em rpm. APRENDA MAIS.

Potência útil

We = potência disponível para a caixa de mudanças

Potência indicada

Wi = potência desenvolvida pelos gases de combustão sobre o pistão

Rendimento mecânico

É a razão entre a potência medida no eixo e a potência total desenvolvida pelo motor, ou seja:

Os turbocompressores são utilizados para aumentar a potência máxima que pode ser obtida num ciclo de combustão e conseqüentemente a potência por unidade de peso do motor. A potência que o motor pode fornecer depende da quantidade de combustível queimado por ciclo e por cilindro. Tal depende da quantidade de ar fresco que é introduzida em cada ciclo. Aumentando a densidade do ar antes da entrada deste no cilindro consegue-se assim aumentar a potência do motor. Um turbocompressor utiliza a energia contida nos gases de escape para acionar um compressor acoplado a um mesmo veio. Outra forma de aumentar a densidade do ar é diminuir a sua temperatura, o que pode ser conseguido utilizando intercoolers e aftercoolers, que não são mais do que trocadores de calor. ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer

Os turbocompressores são utilizados para aumentar a potência máxima que pode ser obtida num ciclo de combustão e conseqüentemente a potência por unidade de peso do motor. A potência que o motor pode fornecer depende da quantidade de combustível queimado por ciclo e por cilindro. Tal depende da quantidade de ar fresco que é introduzida em cada ciclo. Aumentando a densidade do ar antes da entrada deste no cilindro consegue-se assim aumentar a potência do motor. Um turbocompressor utiliza a energia contida nos gases de escape para acionar um compressor acoplado a um mesmo veio.

Outra forma de aumentar a densidade do ar é diminuir a sua temperatura, o que pode ser conseguido utilizando intercoolers e aftercoolers, que não são mais do que trocadores de calor.

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer apud CEEETA, 2000.

ENE 5703 2008 Prof. Ildo Luís Sauer Sistema híbrido Toyota Combustão interna de alta eficiência + eletricidade Fonte : Toyota, 2003.