CAPITULO 2. Potência e pressões médias de um motor de combustão. Eng. Julio Cesar Lodetti

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1 CAPITULO 2 Potência e pressões médias de um motor de combustão Eng. Julio Cesar Lodetti

2 Definição de Potência e rendimento A potência, é por definição função do torque fornecido sobre o virabrequim, e da velocidade de rotação do mesmo. Um motor então, se caracteriza por sua curva de potência. (potência máxima desenvolvida a cada velocidade de rotação admissível). O rendimento, que caracteriza a eficácia do processo de conversão da energia introduzida pelo combustível, em trabalho realizado no eixo do virabrequim. 2

3 POTÊNCIA Pode ser medida de diferentes formas dependendo de: a) Auxiliares de série montados nos ensaios em banco motor: Potencia neta/liquida: Equipamentos standard (ISO, DIN,..) Potencia bruta: Equipamentos estritamente necessários ao funcionamento do motor (SAE) b) Condições atmosféricas referência: Motor = sistema. Termodinâmico aberto Definições de medidas de potência bastante variadas: ISO, SAE, DIN, JIS 3

4 Prestações motor Dois termos a se levar em conta: Potência: Função do torque (C) sobre a arvore e da velocidade de rotação (N [rpm] ou ω [rad/s]) P (W) = C (N m) ω (rad/s) P(kW) C(N m) N(rpm) 9549,3 Rendimento: Caracteriza a eficiência da transformação Energia introduzida pelo combustivel Energia mecânica 4

5 Potência Potência efetiva (P e ): Potencia medida sobre a árvore do motor ou no freio do dinamômetro; Potência indicada (P i ): Potencia total desenvolvida nos cilindros devido a pressão do fluido motor sobre os pistões. Se determina a partir de um indicador de pressão localizado dentro da câmara de combustão; Potência perdida por atritos (P f ): Atrito nos: Elementos moveis: pistão/biela, pistão/cilindro, etc Auxiliares: Distribuição, bomba d água, bomba de óleo, etc. Pe Pi Pf 5

6 Pressão Media Indicada (PMI) Trabalho indicado: Pressao Motor 4 tempos Wi p. dv cycle Pressão Media Indicada (PMI): Trabalho positivo (HP) W PMI i V u PMI p. dv V u V u Trabalho negativo (BP) Volume 6

7 7 Relações entre - PMI: Pressão Média Indicada - PI: Potência Indicada - C: Torque - PME: Pressão Média Efetiva

8 Relação entre PMI e Torque indicado (C i ) O trabalho realizado num ciclo completo de um motor 4 tempos pode expressar-se como: Ci ( m. N) PMI ( bar) V ( dm ) W W i p. dv4. C i cyl PMI. V cyl i Motor 4 tempos: 1 ciclo motor cada 2 rotações virabrequim (4π radianos) Então, para um motor 2 tempos: 2 Ci( m. N) PMI( bar) V ( dm ) cyl Motor 2 tempos: 1 ciclo motor cada 1 rotação virabrequim (2π radianos) 8

9 Relação entre PMI e potencia indicada (Pi) W i P i Multiplicando pelo numero de tempos motores por segundo (nc) Motor 4 tempos: MPa n c (ciclos/s) N (rpm) 120 Pi 1 PMI Vcyl N PMI Pi ( kw ) ( bar) 3 V ( dm ). N( rpm) cyl 9

10 Relação entre PMI e potencia indicada (Pi) Motor 2 tempos: n c (ciclos/s) N (rpm) 60 1 Pi. PMI. Vcyl. N 60 PMI 600. Pi ( kw ) ( bar) 3 V ( dm ). N( rpm) cyl 10

11 Pressão Media Efetiva (PME) Pressão Media de Atrito (PMF) Definição de PME: ela é uma pressão fictícia, que para um motor com certa característica, está ligada diretamente ao torque C desenvolvido pelo motor sobre o virabrequim. Expressões análogas a PMI: Pe ( kw ) PME( bar) 3 V ( dm ). N( rpm) cyl A PME max caracteriza a qualidade do uso da cilindrada do motor. É uma medida de ENERGIA Pf ( kw ) PMF( bar) 3 V ( dm ). N( rpm) PME PMI PMF cyl 11

12 Outras expressões de pressões médias Introduzindo a velocidade média do pistão (Vp) e a seção do pistão (Sp) PME 0,04. Pe ( kw ) bar) ns. ( m ). V ( m / s) ( 2 p p 2 e p p P ( kw) 25. n. S ( m ). V ( m/ s). PME ( bar) Multiplicando por Vp: PME. V ( bar. m / s) 4. p P ( kw) n. S ( dm ) p 2 Representativo da carga térmica do motor 12

13 Comparação ciclos- NMVEG x FTP 75 Fonte: RAYNAL, B. 13

14 14 NOÇÕES DE TORQUE MÉDIO

15 Torque médio de um motor O torque médio motor é a resultante de uma força F perpendicular ao mancal de biela x braço de alavanca constante e igual ao raio da manivela, ou meio curso do pistão. O torque instantâneo, se integrado pelos 4 radianos, ou 720 de rotação do virabrequim ( 1 ciclo para motores 4 tempos), nos dá o TORQUE MÉDIO do motor. 15

16 Torque médio de um motor O torque instantâneo é negativo logo antes do PMH. Isto se deve a posição da biela, que em função da pressão na câmara, esta ainda comprimindo os gases. Fonte: RAYNAL, B. 16

17 Torque instantâneo em função do número de cilindros Fonte: RAYNAL, B. 17

18 Regularidade de funcionamento Fonte: RAYNAL, B. 18

19 Regularidade de funcionamento Motor BMW 850i V12 19

20 Pressão Media Efetiva (PME) Pressão Media de Atrito (PMF) S.E.M.T. Pielstick PC 4.2 B PME Pe ( kw ) ( bar ) 3 V ( dm ). N ( rpm ) cyl DIESEL Vp( m /..10 s) L N 30 3 Bore Stroke 570 mm 660 mm Speed 429 / 400 rpm Mean eff. pressure 22.0 / 22.3 bar Piston speed 9.4 / 8.8 m/s Engine type 429 rpm 50 Hz 400 rpm 60 Hz Specific fuel oil consumption 100% P PC 4.2 B rpm 182 g/kwh Eng. kw Gen. kw Eng. kw Gen. kw PC 4.2 B rpm 185 g/kwh 18 PC 4.2 B Specific lube oil consumption PC 4.2 B approx. 1.0 g/kwh 20

21 Pressão Media Efetiva (PME) Pressão Media de Atrito (PMF) Pe ( kw ) PME ( bar ) 3 MAN B&W L-V 20 / 27 DG NATURAL GAS V cyl ( dm ). N ( rpm ) Vp( m /..10 s) L N 30 3 Bore 200 mm Stroke 270 mm Speed / 900 rpm Mean eff. pressure 12.7 bar Piston speed 9.0 / 8.1 m/s Fonte: Diesel & Gas Turbine WorldWide Magazine 21

22 Aplicações de grandes motores 22 Fonte: Foto - Diesel & Gas Turbine WorldWide Magazine Video: MAN B&W homepage

23 PME entre 2 e 4 Tempos DESCRIÇÃO MODELO DE LOCOMOTIVA GT 18 GT 22 GT 26 2 Tempos GT 26 4 Tempos 4,15 Potencia total (hp) ,55 litros/cil Potencia total (kw) 1144, , ,8 84,38 8 cil Nº de cilindros ,57 12 cil Disposição dos cilindros "V" - 45º 168,76 16 cil Diâmetro e curso dos Pistões Deslocamento por cilindro 230mm x 254 mm 10570cm3-645 pol3 Cilindrada ,84 cm ,77 cm ,69 cm 3 168,76 Óleo lubrificante 519 L 670 L 945,5 L Óleo combustível 3400 L L 6100 L Peso do Motor Kg Kg Kg Peso do Turbo 795 Kg 841 Kg 890 Kg Peso da locomotiva Kg Kg Kg Rotação Máxima 900 rpm 1200 Velocidade media do pistao (m/s) 7,62 7,62 7,62 10,16 Pme (bar) 9,0 9,5 8,4 16,7 Consumo horario (l/h) Consumo horario (g/h) Consumo especifico (g/kw. h) cilindrada 23

24 PMI entre 2 e 4 tempos Fonte: RAYNAL, B. 24

25 25 PMI

26 PME Performance - Autos Hyundai 3cyl Lambo V12 26

27 27 PME Performance - Bikes

28 Downsizing Diesel Vs Gasolina AVL Fiat Twin-Air turbo. 875cc 28

29 29 PME Heavy Duty Diesel

30 PME Racing Diesel 563 km/h Fonte: RICARDO.com 30

31 PME summary Motor Caracteristicas Deslocamento Combustível Veículo Motor Volumétrico (l) PME potencia PME Torque M383T V8 - bi-turbo gasolina McLaren MP4-12C SLS AMG V8 atmo gasolina Mercedes Benz L539 V12 atmo gasolina Lamborguini L537 V12 atmo gasolina Lamborguini Hyudai 3 cyl 3 cyl atmo, 99 gco2/km gasolina Hyundai ZETEC v, comando Cosworth, Unichip gasolina FORD #DIV/0! F4 RR 4 cilindros, moto gasolina MV AUGUSTA GT 6 cilindros, motor gasolina BMW Twin-Air 2 cilindros, turbo, downsizing gasolina FIAT AVL 3 cilindros, turbo diesel AVL AUSTRIA D13C460 6 cilindros, turbo, caminhão diesel VOLVO TCA 4 cilindros, turbo, trator diesel JCB #DIV/0! 444 LSR 4 cilindros, turbo, Land Speed Record diesel JCB-RICARDO #DIV/0! K4M 4 cilindros, 16v, atmo gasolina RENAULT cilindros, anos 70, Dodge Dart gasolina DODGE clindros, anos 70, Mavecick gasolina FORD S 6 clindros, anos 70, Opala gasolina GM RS?? 8 cilindros, Formula 1 gasolina TFX 8 clindros, blower, DRAGSTER Nitrometano #DIV/0! RS?? 6 cilindros, turbo, formula 1 gasolina #DIV/0! 31