MOTORES TÉRMICOS AULA MCI: CICLOS E CURVAS

Transcrição

1 MOTORES TÉRMICOS AULA MCI: CICLOS E CURVAS PROF.: KAIO DUTRA

2 Diagrama P-v Ciclo Otto 4T Os aspectos qualitativos de um diagrama p-v real de um motor ciclo Otto está representado ao lado. Esse diagrama representa o ciclo desse tipo de motor naturalmente aspirado (NA) operando a plena carga.

3 Diagrama P-v Ciclo Otto 4T Note que podem-se fazer análises do funcionamento do motor, por exemplo, que as áreas entre os processos e o eixo dos volumes correspondem ao trabalho realizado. Cada ângulo α de rotação da manivela corresponde a certo volume do FA contido entre a cabeça do pistão e o cabeçote.

4 Diagrama P-v Ciclo Otto 4T

5 Diagrama P-v Ciclo Diesel 4T A figura ao lado mostra o esboço de um diagrama p-v de um motor ciclo Diesel a 4T.

6 Comparativo MIF - MIE

7 Diagrama P-v Ciclo Otto 2T Nesse motor é difícil associar os processos e eventos aos cursos do pistão, já que alguns deles acontecem concomitantemente.

8 Potência Efetiva - Ne É a potência medida no eixo do motor:

9 Potência indicada - Ni É a potência desenvolvida pelo ciclo termodinâmico do fluido ativo. Essa potência pode ser medida com um indicador de pressão, que permita traçar o ciclo do fluido ativo. Onde: Wi Trabalho realizado no ciclo termodinâmico; n rotação do motor; x 1 ou 2, dependendo do motor ser respectivamente 2T ou 4T; z número de cilindros do motor.

10 Relação Entre Potências Como o motor de combustão é uma máquina térmica, a produção de potência provém do fornecimento de calor proveniente da combustão. No caso: Dessa forma, como exige a Segunda Lei da Termodinâmica:

11 Relação Entre Potências O que se pode observar ainda é que: Onde Na representa a potência perdida por atrito. A eficiência global efetiva fica: A eficiência mecânica fica:

12 Relação Entre Potências Desta forma, agrupando as eficiência temos que: Pode-se escrever a potência efetiva da seguinte forma:

13 Relação Entre Potências Defini-se a relação combustível-ar como sendo a relação entre a massa de combustível (m c ) e a massa de ar (m a ), ou seja: Desta forma temos:

14 Eficiência Volumétrica Para o estudo da admissão de ar para o motor, em lugar do m a, prefere-se o termo adimensional denominado eficiência volumétrica(η v ). A eficiência volumétrica é a relação entre a massa de ar realmente admitida no motor (m a ) e a massa de ar que poderia preencher o mesmo volume com propriedades iguais da atmosfera local onde o motor funciona (m ae ).

15 Eficiência Volumétrica Sabe-se que a temperatura no interior do cilindro é maior que temperatura na atmosfera exterior (Ti>Te) e que a pressão no interior do cilindro é menor que a atmosfera no exterior (Pi<Pe). Então pode-se afirmar que: ρ i <ρ e Onde ρ i é a massa específica do ar de admissão e ρ e é a massa específica do ar atmosférico local.

16 Eficiência Volumétrica Sabendo-se que: ρ i <ρ e Logo, o enchimento dos cilindros se faz com um ar mais rarefeito do que aquele que forma o ambiente que envolve o motor. A eficiência volumétrica irá então representar a eficiência do enchimento dos cilindros, em relação àquilo que poderia ser admitido com a mesma massa específica do ambiente circundante.

17 Eficiência Volumétrica Pode-se escrever os fluxos mássicos da seguinte forma: Assim a potência efetiva pode ser escrita:

18 Controle ou Variação da Potência Através da equação da potência efetiva é possível obter uma equação para o torque: Mostrando que, para uma dada cilindrada, ambiente e combustível, fixada a relação combustível-ar, o torque varia com: η t.η m.η v

19 Controle ou Variação da Potência Se supuséssemos as eficiências constantes para um motor, em qualquer condição, o que obviamente não é verdade, o torque seria constante em qualquer rotação. Por outro lado, teríamos a potência:

20 Controle ou Variação da Potência Observa-se que a potência do motor pode variar com a rotação ou comandada pela variação do acelerador, que no motor Otto aciona a borboleta e no motor Diesel o débito da bomba injetora. Quando o acelerador do motor está totalmente acionado, qualquer que seja a rotação, diz-se que o motor está a plena carga nessa rotação, e estará desenvolvendo a máxima potência que pode ser desenvolvida nessa rotação.

21 Controle ou Variação da Potência Assim, no banco de provas, é possível efetuar dois tipos de ensaios básicos: Medição da variação das propriedades do motor, mantida a carga e variando a rotação; Medição da variação das propriedades do motor, mantida a rotação e variando a carga.

22 Consumo Específico - Ce O consumo específico é a relação entre o consumo de combustível e a potência efetiva:

23 Consumo Específico - Ce A potência efetiva é medida no dinamômetro e o consumo de combustível é medido de duas maneiras: Medição Volumétrica: Utiliza-se um frasco de volume calibrado para medição do volume consumido; Medição gravimétrica: Utiliza-se uma balança para mediação do peso consumido.

24 Consumo Específico - Ce O gráfico apresenta uma curva a plena carga de um motor ciclo Diesel, relacionando a rotação com o consumo de combustível.

25 Pressão Média - Pm Durante o ciclo termodinâmico desenvolvido no fluido ativo de um motor de combustão interna, o trabalho pode ser obtido por:

26 Pressão Média - Pm Defini-se pressão média do ciclo ou pressão média indicada, como sendo uma pressão que aplicada constantemente na cabeça do pistão ao longo do curso de expansão, produziria o mesmo trabalho do ciclo.

27 Pressão Média - Pm Observa-se que Pm representa o trabalho por unidade de cilindrada. Como a Pm é, no fundo, uma média das pressões do gás ao longo do ciclo, pressões médias mais altas significam que o motor está sujeito a maiores esforços e maiores cargas térmicas.

28 Pressão Média - Pm Lembrando que: Pode-se escrever:

29 Pressão Média - Pm Os mesmo conceitos são utilizados para a definição de: Pressão média efetiva: Pressão média de atrito: Pressão média calorífica:

30 Pressão Média - Pm Assim, as relações que podem ser escritas como potências, também podem ser efetuadas com pressão média, como por exemplo:

31 Curvas Características dos Motores As propriedades dos motores variam em função das condições de funcionamento. Para se ter uma visualização dessas variações são construídas curvas características a partir de ensaios realizados em laboratório. As mais usuais para fins comerciais são as curvas a plena carga de Ne, T e Ce em função da rotação.

32 Curvas Características dos Motores É importante notar que, sendo: Tem-se: Traçando-se uma reta a partir da origem, o ângulo β formado com o eixo das abscissas tem a seguinte característica:

33 Curvas Características dos Motores Logo, os pontos (a) e (c) que correspondem a um mesmo β apresentarão um mesmo torque. A tangente traçada da origem resultará no β max e, portanto determinará o ponto de torque máximo.

34 Curvas Características dos Motores Para agrupar num único gráfico os ensaios de variação do consumo específico com a rotação e com a carga, costumase fazer o chamado mapeamento do motor no qual diversas variáveis são lançadas no mesmo gráfico.

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