BR102012012538A2 - Método de operação de motores a pistão com vistas à sustentabilidade - Google Patents

Abstract

MÉTODO DE OPERAÇÃO DE MOTORES A PISTÃO COM VISTAS À SUSTENTABILIDADE. A presente invenção pertence ao campo da sustentabilidade ambiental e ao campo dos motores a pistão, mais especificamente se refere a um método de operação dos motores a pistão com vista à sustentebilidade ambiental. A operação dos motores a pistão é feita utilizando vapor d´água a alta pressão e superaquecido, produzido em uma caldeira queimando biomassa ou biocombustível, em substituição ao combustível derivado do petróleo no processo de fornecimento de energia ao fluido de trabalho que é o ar atmosférico.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção MÉTODO DE OPERAÇÃO DE MOTORES A PISTÃO COM VISTAS À SUSTENTABILIDADE AMBIENTAL

Campo da Invenção A presente invenção pertence ao campo da sustentabiiidade ambiental e ao campo dos motores a pistão, mais especificamente se refere a um método de operação dos motores a pistão com vistas à sustentabiiidade ambiental. A operação dos motores a pistão é feita utilizando vapor d’água a alta pressão e superaquecido, produzido em uma caldeira queimando biomassa ou biocombustível, em substituição ao combustível derivado do petróleo no processo de fornecimento de energia ao fluido de trabalho que é o ar atmosférico.

Fundamentos da Invenção As primeiras máquinas térmicas, os motores a pistão a vapor, surgiram no decorrer do século XVIII e desempenharam um papel fundamental na Revolução Industrial, pois eram as grandes responsáveis na geração de energia, em substituição à energia humana. Foi no início do século XIX que as máquinas a vapor foram utilizadas para a locomoção e o motor a vapor foi usado nos automóveis durante o fim do século XIX e início do século XX, por mais de 30 anos. Antes de 1885 não existia outro tipo de motor que não fosse movido a vapor, mas em 1885 surgem os motores a pistão que consomem gasolina, que até 1910 apresentavam sérios problemas de funcionamento, além de a gasolina ser um produto de alto custo. Em 1893 o engenheiro Rudolf Diesel recebeu a patente para o seu motor a pistão e o combustível então utilizado era o óleo de amendoim. De 1910 a 1920 os motores a gasolina evoluíram muito e virou status andar com veículos a gasolina e o automóvel a vapor perdeu seus adeptos e daí em diante foi totalmente substituído pelos novos automóveis a gasolina. O "óleo diesel" somente surgiu com a modernização dos motores Diesel (injeção direta, sem pré-câmara) na década 50, e o baixo custo do combustível ajudou sobremaneira a disseminação dos motores.

No final da década de 60 foi descoberto que a poluição gerada pelos motores que utilizam combustíveis derivados do petróleo, gasolina e óleo diesel, é cancerígena e que estava destruindo a camada de ozônio, florestas e o planeta. Surgem as leis antipoluição que impõem níveis máximos de emissão de poluentes para os motores. Em 1970 o motor a gasolina não consegue reduzir seus níveis de poluição para os níveis exigidos na legislação. Em seguida descobre-se que a utilização de catalisadores nos sistemas de escapa-mento, associados à eletrônica no gerenciamento da injeção de combustível reduzem os níveis de emissão desses motores para valores bem próximos aos estabelecidos por lei, e essas descobertas dão uma sobrevida a esses motores. Os efeitos maléficos da utilização dos motores Diesel, apesar de terem sido reduzidos com o desenvolvimento de tecnologias mais avançadas, ainda perduram na atualidade. Outro efeito deletério ao meio ambiente que precisa ser urgentemente mitigado é a emissão dos gases do efeito estufa, que causa o aquecimento global, cuja principal responsável é a utilização de combustíveis não renováveis, sobretudo aqueles derivados do petróleo: gasolina; óleo diesel; e gás natural. O aperto nas restrições para a utilização dos combustíveis não renováveis nos motores Diesel e Otto, somado ao fim da era do petróleo barato, tem despertado a atenção para outras tecnologias ambientalmente amigáveis. Um exemplo clássico dessas novas tecnologias são os veículos elétricos, que se acredita estabelecerá um novo paradigma nos meios de transporte individuais. A produção de energia elétrica deverá adquirir maior vigor para abastecer os motores elétricos de uso veicular. Para produzir essa energia elétrica os motores a pistão continuarão a ser úteis, sobretudo na geração de pequenas potências elétricas (geração distribuída) e utilizando combustíveis renováveis, em substituição aos combustíveis derivados do petróleo. O etanol e o biodiesel são exemplos de combustíveis renováveis. A biomassa (lenha, carvão, bagaço de cana, pó de serra, casca de arroz, resíduos agrícolas e urbanos, etc.) não pode ser descartada como fonte primária de energia renovável. O uso da lenha no passado estava associado ao desflorestamento, mas a realidade agora é outra. Os projetos de reflorestamento com fins energéticos são inúmeros e a tecnologia de manejo sustentável de floresta, incluindo as florestas nativas, avançou tanto que existe no mercado software premiado por órgãos de preservação ambiental, que tornou realidade esse manejo sustentável. Somente a energia solar direta não é suficiente para suprir as necessidades energéticas de muitas comunidades e não é raro que a lenha seja o combustível disponível. O método revelado nesta patente objetiva atender, de maneira eficiente, também essas comunidades, muitas delas isoladas das grandes redes de fornecimento de energia elétrica, a mercê de métodos de geração de energia elétrica de alto custo, o que leva frequentemente ao total desabastecimento.

Uma fonte de energia que não é aproveitada, por ainda não se ter disponível um sistema conversor, é aquela proveniente da carbonização da madeira nas carvoarias. Uma quantidade expressiva de energia é perdida durante o processo, por não se disponibilizar de um processo de aproveitamento da energia produzida pela queima parcial da madeira. Uma maneira possível de aproveitar essa energia é na produção de vapor, que seria utilizado no processo revelado pela presente patente, de maneira que se poderá agregar maior valor ao carvão vegetal produzido nas carvoarias, tornando o processo mais sustentável. A busca na literatura patentearia encontra o documento US 6,311,486 que revela um método de operação de um motor com poluição reduzida que utiliza ar comprimido como fonte de energia, ao invés dos combustíveis derivados do petróleo. O ar comprimido utilizado provém de um compressor que é acionado por motor elétrico e se essa energia elétrica for produzida por combustíveis não renováveis, o método deixa de ser sustentável ambientalmente. A geração de energia elétrica utilizando vapor como fluido de trabalho está consagrada se a potência gerada for da ordem de dezenas ou centenas de megawatts. Os ciclos Rankine que utilizam as turbinas a vapor cumprem com excelência essa função, desconsiderando as antigas usinas termelétricas que usavam carvão como combustível. Os ciclos combinados, conjugando turbina a gás com turbina a vapor, são utilizados nas usinas termelétricas mais modernas de grande porte. Por outro lado, se a potência gerada for da ordem de unidades ou dezenas de quilowatts, as turbinas a vapor, como máquinas rotativas, já não são mais adequadas devido ao tamanho reduzido e consequentemente ao baixíssimo rendimento. Nas potências menores os ciclos Rankine utilizando motor vapor a pistão, como máquinas alternativas, são os mais adequados, mas para manter os níveis elevados de rendimentos os motores têm que trabalhar com níveis elevados de temperatura e pressão. Os motores vapor a pistão propostos até hoje trabalham com baixas temperaturas e pressão, com valores muito abaixo do que trabalham as turbinas a vapor, resultando em rendimentos aquém dos esperados. A patente BR PI 0603455-1 A2 revela um fogão a lenha gerador de energia elétrica que é útil para gerar potências da ordem ou menores que uma unidade de quilowatt, mas que trabalha com baixa pressão e baixa temperatura de vapor. O método da presente patente revela um motor que usa o vapor com níveis de pressão e temperatura similares aos níveis das turbinas a vapor para atingir eficiência compatível com os quesitos de sustentabilidade, ou seja, baixo consumo de combustível renovável. O método proposto resgata uma tecnologia de sucesso no passado (motor a vapor) para mesclá-la com outras tecnologias atuais de sucesso, o motor Diesel e o motor Otto, mas que precisam ser substituídas, obtendo um novo motor a pistão que tem o ar como fluido de trabalho e que utiliza vapor, produzido por combustível renovável, como fonte de energia. O funcionamento dos motores a combustão interna está baseado em três processos fundamentais, que são executados sequencialmente, e que são aplicados a um fluido de trabalho, normalmente o ar: compressão; fornecimento de energia; e expansão. O processo de compressão (efetuado pelos pistões nos motores Diesel e Otto), apesar de consumir trabalho, é necessário para que se possa obter um trabalho líquido do motor; em princípio quanto maior for a compressão maior será o rendimento do motor.

No processo de fornecimento de energia adiciona-se energia, sob a forma de calor, ao fluido de trabalho, para que essa energia seja parcialmente recuperada, na forma de trabalho, durante o processo de expansão subsequente. O fornecimento de energia nos motores a combustão interna convencionais acontece por intermédio de um processo de combustão, na câmara de combustão do motor, onde o combustível libera sua energia química (poder calorífico) para o fluído de trabalho. O fluido de trabalho (ar), por conter oxigênio, funciona também como comburente do processo de combustão. Nos motores convencionais o aumento de energia do fluido de trabalho é expressivo, dado o alto poder calorífico de alguns combustíveis, sobretudo os derivados do petróleo, mas a massa de combustível que vai ser adicionada à massa de fluido de trabalho é muito pequena, no máximo 6,5% da massa de fluido de trabalho nos motores onde a combustão é a estequiométrica, ou seja, todo o oxigênio contido no ar é consumido. O processo de expansão (acontece também nos pistões dos motores Diesel e Otto) é o processo produtor de trabalho na quantidade suficiente para suprir o trabalho gasto no processo de compressão, bem como resultar em um trabalho líquido. O trabalho líquido é utilizado para acionamento de um eixo, que nas aplicações veiculares propulsa o veículo, ou é usado para movimentar um gerador de energia elétrica, uma bomba ou um compressor. No processo de expansão o fluído de trabalho já não é mais o ar e passa a ser o gás proveniente do processo de combustão que agora possui uma massa um pouco maior do que a massa que foi comprimida devido à adição de massa do combustível. Essa adição de massa contribui favoravelmente para o aumento do trabalho útil.

No método revelado na presente invenção é injetado vapor d’água a alta pressão e superaquecido durante o processo de fornecimento de energia ao fluido de trabalho (ar). Na presente invenção, nos motores ciclo Diesel o vapor a alta pressão e superaquecido é injetado no motor no lugar da injeção de combustível, ou seja, o bico injetor de combustível é substituído por um injetor de vapor. Nos motores ciclo Otto o vapor é injetado próximo ao ponto onde ocorre a faísca que causa a explosão nos motores convencionais, de maneira que a vela de ignição é substituída pelo injetor de vapor. Portanto a presente invenção usa o vapor d’água a alta pressão e superaquecido para adicionar energia ao fluido de trabalho após o processo de compressão de maneira que a energia obtida na expansão seja suficiente para fornecer o trabalho do processo de compressão e a obtenção de um trabalho líquido. O fluido de trabalho na expansão passa a ser uma mistura gasosa de ar/vapor, de tal maneira que a massa e a energia total da mistura, no começo da expansão, são muitas vezes superiores à massa e a energia do ar no final da compressão. A mistura ar/vapor durante o processo de expansão produz uma quantidade de trabalho suficiente para abastecer o processo de compressão e ainda fornecer o trabalho útil no eixo do motor. O método da presente invenção é aplicável também nos motores a pistão onde o processo de compressão e o processo de expansão acontecem em pistões independentes. Nos motores convencionais com câmaras de compressão e expansão independentes, operados com ar comprimido, o fornecimento de ar comprimido é substituído pelo fornecimento de vapor a alta pressão e superaquecido. Um tipo do referido motor está descrito no documento BR PI9711512-6A e na operação do motor, de acordo com o método revelado na presente invenção, o reservatório de ar comprimido a alta pressão é substituído pela caldeira geradora de vapor a alta pressão e a alta temperatura.

Valores típicos de pressão e temperatura do vapor são 8 MPa e 500 °C respectivamente. Esses valores de propriedades termodinâmicas do vapor são encontrados em ciclos Rankine que utilizam turbinas a vapor, portanto são obtidos utilizando caldeiras ou geradores de vapor similares àqueles utilizados nesses ciclos convencionais. É característica da caldeira ou do gerador de vapor utilizar biomassa ou biocombustível como combustível. A descrição que se segue e as figuras associadas, tudo dado a título de exemplo não limitativo, farão compreender bem a invenção.

Uma realização do método de operação de motores a pistão com vistas à sustentabilidade ambiental está representada na Figura 1 que esque-rnatiza um motor a pistão 1 de quatro tempos. No tempo de admissão, com o pistão 9 deslocando do ponto morto superior para o ponto morto inferior, o ar entra no motor através do coletor de admissão 2 e passa pela válvula de admissão 3 que está aberta. A seguir vem o tempo de compressão, com o pistão 9 deslocando do ponto morto inferior para o ponto morto superior, com a válvula de admissão 2 fechada. Tão logo o pistão 9 atinja o ponto morto superior o fluxo de vapor 7 com alta pressão e superaquecido é injetado no interior do volume morto 8 através do injetor de vapor 6. A seguir vem o tempo de expansão, com o pistão 9 movendo do ponto morto superior para o ponto morto inferior, e a injeção de vapor é mantida durante uma parcela do movimento do pistão 9, por exemplo, até que o volume acima da cabeça do pistão 9 seja igual a três vezes o volume morto, ou seja, no denominado ponto de corte. O controle do fluxo de vapor 7 é feito por uma válvula dosadora colocada entre o injetor de vapor 6 e a caldeira produtora do vapor (não mostrada na figura). Na continuidade do movimento do pistão 9 a pressão dentro do cilindro, que era alta, diminui até valores próximos à pressão atmosférica. No tempo de expansão o motor produz o trabalho necessário para acionar o tempo de compressão e o trabalho útil. Para finalizar um ciclo completo do motor, vem o tempo de escape, quando o pistão 9 vai do ponto morto inferior ao ponto morto superior. Durante esse tempo, a válvula de escape 5, que se manteve fechada durante os tempos anteriores, se abre e a mistura de ar com vapor passa para a atmosfera através do coletor de escape 4. No ponto morto superior a válvula de escape 5 é fechada e a válvula de admissão 3 volta a abrir e o ciclo é reiniciado. O acionamento segundo o método de operação de motores a pistão com vistas à sustentabilidade ambiental caracterizado na figura 1 é aplicável prioritariamente em motores ciclo Otto e ciclo Diesel, originalmente operado com combustíveis derivados do petróleo. Nos motores ciclo Otto a vela de ignição é substituída pelo injetor de vapor 6. Nos motores ciclo Diesel o bico injetor de combustível é substituído pelo injetor de vapor 6. A unidade esquematizada na Figura 1 representa um elemento operacional e pode ser multiplicada seguindo o exemplo dos motores convencionais multi-cilindros.

Outra realização do método de operação de motores a pistão com vistas à sustentabilidade ambiental está representada na Figura 2, onde é mostrada uma câmara de admissão e compressão 14, a câmara de mistura 16 com volume constante na qual está instalado o injetor de vapor que injeta o fluxo de vapor a alta pressão e superaquecido 17 produzido por uma caldeira e uma câmara de expansão e escape 15. A câmara de admissão e compressão 14 é alimentada com ar via coletor de admissão 10 e essa alimentação é controlada pela válvula de admissão 11. A câmara de admissão e compressão 14 está conectada a câmara de mistura 16 através do canal de transferência 18 e a abertura e fechamento desse canal é controlado pela válvula unidirecional 19. A câmara de mistura 16 está conectada à câmara de expansão e escape 15 via canal de transferência 20 e a abertura e fechamento desse canal é controlado pela válvula de corte 21. A mistura ar vapor expandida escapa da câmara de expansão e escape 15 via coletor de escape 12 e esse escape é controlado pela válvula de escape 13. A rotação do virabrequim 22 da câmara de admissão e compressão 14 é provocada, através da ligação mecânica 24, pelo virabrequim 23 da câmara de expansão e escape 15. O virabrequim 23 transmite a potência para a compressão e a potência ütil do motor. A Figura 2 representa o motor no momento em que o ar comprimido acabou de ser introduzido na câmara de mistura 16 e a válvula unidirecional 19 fechou, para que não haja retorno do ar comprimido. O ar na câmara de mistura 16 está com temperatura elevada devido à compressão e o injetor de vapor é operado para injetar o fluxo de vapor superaquecido 17 na câmara de mistura 16. A massa e a energia do ar comprimido se somam à massa e a energia do vapor superaquecido e a mistura resultante é altamente energética. No tempo-seguinte a válvula de corte 21 que estava fechada abre para fornecer a mistura de ar comprimido com vapor superaquecido à câmara de expansão e escape 15, câmara essa que no tempo anterior efetuou o escape da mistura expandida anteriormente e que agora recebe uma nova carga de mistura para expansão. A válvula de corte 21 permanece aberta até que o volume da câmara de expansão e escape atinja o denominado volume de corte e o seu fechamento permite que a expansão na câmara seja feita até uma pressão próxima à atmosférica, quando o volume da câmara é máximo. A expansão na câmara de expansão e escape realiza trabalho que é transferido para o virabrequim 23 que por sua vez aciona o virabrequim 22 através da ligação mecânica 24 que fornece trabalho para a compressão e aciona também o eixo de saída do motor para fornecimento de trabalho útil. A unidade composta de uma câmara de admissão e compressão, uma câmara de mistura e uma câmara de expansão e escape representa um elemento operacional e pode ser multiplicada seguindo o exemplo dos motores convencionais multi-cilindros.

Claims (6)

1. Método de operação de motores a pistão com vistas à susten-tabilidade ambiental aplicável aos motores ciclo Otto caracterizado pelo fato do vapor d’água a alta pressão e superaquecido substituir o combustível derivado do petróleo no processo de fornecimento de energia ao fluido de trabalho.

2. Instalação de injetor de vapor a alta pressão e superaquecido para realização do método definido na reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que o injetor de vapor é instalado em substituição a vela de ignição do motor ciclo Otto convencional.

3. Método de operação de motores a pistão com vistas à susten-tabilidade ambiental aplicável aos motores ciclo Diesel caracterizado pelo fato do vapor d’água a alta pressão e superaquecido substituir o combustível derivado do petróleo no processo de fornecimento de energia ao fluido de trabalho.

4. Instalação de injetor de vapor a alta pressão e superaquecido para realização do método definido na reivindicação 3 caracterizado pelo fato de que o injetor de vapor é instalado em substituição a bico injetor do motor ciclo Diesel convencional.

5. Método de operação de um motor a pistão constituído de uma câmara de admissão e compressão, de uma câmara de mistura e de uma câmara de expansão e escape caracterizado pelo fato de que vapor d’água a alta pressão e superaquecido é injetado na câmara de mistura para aumento da massa e da energia do fluido de trabalho.

6. Caldeira de produção de vapor d’água a alta pressão e superaquecido para realização das reivindicações 1, 3 e 5 caracterizada pelo fato de que o combustível usado na caldeira é biomassa ou um biocombustível.