a) pressão máxima do ciclo; b) rendimento térmico; c) pressão média

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1 Lista 1 de Motores de Combustão Interna 1. Para alguns motores Diesel é adequada a representação do ciclo motor segundo um ciclo dual, no qual parte do processo de combustão ocorre a volume constante e parte a pressão constante. Considere que k = 1,3, que as condições ambiente correspondem a 1 bar, 289 K, taxa de compressão 15:1, calor fornecido durante a combustão = 43 MJ/kg de combustível e que a relação combustível/ar é igual a 0,045 kg/kg. Assuma que metade da energia de combustão é fornecida no processo a volume constante. Calcule a eficiência do ciclo. Compare a eficiência e a pressão máxima do ciclo com os valores que correspondem aos ciclos Otto e Diesel com os mesmos processos politrópicos de compressão e de expansão. 2. Para que se aumente a potência de um motor ICE são consideradas duas alternativas: (i) aumentar a taxa de compressão de 8 para 10:1, e (ii) aumentar a pressão no início da compressão de 1 bar para 1,5 bar. Faça todas as considerações que julgar necessárias e compare nos dois casos os parâmetros listados abaixo. Qual alternativa apresenta os (seguintes) melhores parâmetros? a) pressão máxima do ciclo; b) rendimento térmico; c) pressão média 3. Considere um ciclo Otto padrão-ar para representar um motor ICE que tem taxa de compressão 9. Determine pressão e temperatura ao fim de cada um dos processos do ciclo motor. Assuma que o estado do fluido no início da compressão é determinado por 100 kpa e 320 K. Considere que a relação combustível/ar é 0,06 em base mássica, que o calor específico a volume constante é 0,946 kj/kg.k, que k = 1,3 e que o PCI da gasolina é 44 MJ/kg. Qual a eficiência do ciclo e qual a pressão média indicada?

2 Lista 2 de Motores de Combustão Interna 1.- Calcule a velocidade média do pistão, a pressão média efetiva e a potência específica para a operação em plena carga dos motores apresentados nas seguintes tabelas. Comente as diferenças entre os resultados obtidos. Motores ICE Fabricante # cilindros Cilindrada Diâmetro Curso Taxa de Potência rpm [l] cilindro [mm] pistão [mm] compressão máxima [kw] Chrysler 4 linha 2,2 87,5 92 8, General Motors 6 (em V) 2,8 89,0 76 8, Motores ICO Fabricante # cilindros Cilindrada Diâmetro Curso Taxa de Potência rpm [l] cilindro [mm] pistão [mm] compressão máxima [kw] Cummins 6, , ID, turbo VW 4, 1,47 76, O primeiro dos motores de ignição por centelha da tabela apresentada no problema 1 opera a uma velocidade média do pistão de 10 m/s. O fluxo de ar medido é de 60 g/s. Calcule o rendimento volumétrico para ar atmosférico em condições padrão. 3.- O primeiro dos motores Diesel da tabela apresentada no problema 1 opera com uma velocidade média do pistão de 8 m/s. a) Calcule o fluxo de ar se o rendimento volumétrico é de 0,92. b) Sendo F/A = 0,05 (relação combustível/ar em base mássica), qual é a vazão de combustível e a massa de combustível injetado por segundo, por ciclo? 4.- Você está projetando um motor de ciclo Diesel, quatro tempos, para que tenha uma potência efetiva de 300 kw em sua rotação máxima. O motor é naturalmente aspirado. Baseando-se em valores típicos de pressão média efetiva e velocidade média do pistão, estime a cilindrada, curso e diâmetro requeridos para o pistão, bem como o número de cilindros. Qual é a máxima velocidade estimada para seu projeto, em revoluções por minuto? Qual será o torque efetivo estimado e a vazão de combustível gasto para a máxima velocidade? Assuma para o pistão uma velocidade média máxima de 12 m/s, que é um bom valor de projeto. Para referência considere os seguintes valores para motores diesel de caminhões, naturalmente aspirados, 4 T: taxa de compressão 16 a 22; diâmetro do pistão 0,1 a 0,15 m; relação curso/diâmetro 1,3 a 0,8; rotação a rpm; pressão média efetiva 6 a 9 atm; relação potência/litro 15 a 22; consumo específico 210 g/kwh. 5.- O rendimento térmico de um motor é 30% e o rendimento mecânico é 80%. Considere que a eficiência da combustão é 94%. As perdas térmicas associadas à água de refrigeração e ao óleo lubrificante são estimadas em 60 kw e o aporte de energia, na forma de combustível corresponde a 190 kw. Calcule: a) a potência efetiva; b) a potência de atrito; c) perdas térmicas totais; e d) perdas pelos gases de exaustão.

3 Lista 3 de Motores de Combustão Interna 1. Suponha que um veículo se desloca numa estrada plana a 100 km/h quando começa um aclive. O veículo tem 1100 kg e seu motorista 70 kg. Em quinta marcha, mantida a rotação do motor em rpm, o veículo pode manter a velocidade especificada. Considere que a curva de potência do motor em função da carga (aceleração) para essa condição de operação é a mostrada na Figura 1. Qual a máxima inclinação que pode ser vencida pelo veículo mantendo-se a velocidade constante? Considere C r = 0,0148, C D = 0,327 e A = 2,01 m 2 e que as perdas no sistema de transmissão a rotação constante equivalem a 4,4 kw. Potencia efetiva [kw] Carga [%] Figura 1. Potência efetiva x carga, para rotação = rpm 2. Qual a máxima velocidade que pode ser alcançada por um veículo de 1250 kg cuja curva de potência efetiva em regime de aceleração máxima é mostrada na figura 2. Considere C r = 0,0213, C D = 0,310 e A = 2,00 m 2, e que as perdas no sistema de transmissão a rotação máxima, em quinta marcha, equivalem a 12,61 kw. Potencia efetiva [kw] Rotacao [rpm] Figura 2. Potência efetiva x rotação, a carga máxima 3. Em um teste de retomada de velocidade o mesmo veículo da questão anterior passa de 40 km/h para 100 km/h em 34 segundos. Calcule a potência média adicional requerida nessas condições (além da potência necessária para vencer as resistências ao deslocamento).

4 4. Aplique o Método Experimental de forma a reproduzir com a maior precisão possível os dados de potência máxima (136 cv a 5400 rpm) e torque máximo (19,2 kgf.m a 4000 rpm) do motor ICE, 4T, a gasolina do Chevrolet Astra Gsi. Sabe-se que o motor é quatro cilindros, de 1998 cm³, com relação diâmetro x curso dos pistões igual a 1 e taxa de compressão 9,6:1. Notas 1. A potência adicional requerida para que um veículo se desloque em um plano inclinado com velocidade constante é dada por: W mg.. V. sen (1) Sendo W = potência, m = massa total, V = velocidade de deslocamento do veículo e o ângulo de inclinação do terreno. 2. Para que a velocidade de deslocamento de um veículo seja mantida, a potência efetiva produzida pelo motor, descontada as perdas do sistema de transmissão, deve ser suficiente para superar o que se chama de road-load power, i.e., a potência requerida para supera o atrito de rolamento e o arrasto aerodinâmico. A potência associada ao atrito de rolamento pode ser estimada por: W 273,. C. m. V (2) rol sendo C r o coeficiente de rolamento, que depende da rugosidade do terreno, do tipo de pneu e da velocidade de deslocamento, m a massa total do conjunto e V a velocidade de deslocamento. Na equação (2), para m em kg, V em km/h, a potência é estimada em W. A potência necessária para vencer o arrasto aerodinâmico pode ser estimada por: W 00126,. C. A. V (3) aero sendo C D o coeficiente de arrasto, A a área frontal do veículo e V a velocidade de deslocamento. Na equação (3), para A em m², V em km/h, a potência é estimada em kw. 3. Para a aceleração de um veículo (ou retomada de velocidade), a potência média requerida (além da potência necessária para vencer as resistências ao deslocamento) pode ser estimada por: r D W m V f V i acel t (4) sendo m a massa deslocada (kg), V as velocidades final e inicial (m/s), e t o tempo necessário para a retomada (s). Assim, a potência média é calculada em kw.

5 Lista 4 de Motores de Combustão Interna 1. Considere o mapa topográfico de um motor ICE, 4 T, de quatro cilindros, com cm 3 (figura 1). Identifique os pontos e os valores de torque e potência máximos, e de consumo específico mínimo. Qual a relação curso-diâmetro e qual a potência específica desse motor? Figura 1 2. Considere os mapas topográficos de duas versões de um motor ICE, 4 T, uma delas em aspiração natural e outra turbo-alimentada (figura 2). Qual das duas versões desse motor é mais elástica? Qual das duas versões é mais eficiente do ponto de vista termodinâmico? Qual o rendimento térmico máximo e qual o rendimento térmico máximo a plena carga de cada uma das versões? Figura 2