Motores Térmicos. 8º Semestre 4º ano

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1 Motores érmios 8º Semestre 4º ano

2 Aula Modelos de Cilos Ideais roesso geral de omparação roesso de omparação de Seiliger roesso de omparação de Otto roesso de omparação de Diesel rof. Jorge Nhambiu

3 . Modelos de Cilos Ideais O objetio dos motores de ombustão é o de transformar a maior quantidade de alor possíel em energia meânia. Com o objetio de aaliar a qualidade desta transformação riaram-se diferentes proessos de omparação ou ilos teórios. Os proessos de omparação ou ilos teórios dos motores de ombustão interna, são ilos termodinâmios atraés dos quais se pode omparar proessos de motores perfeitos que funionam om gases reais, à proessos em motores que realmente existem. or meio dos ilos teórios pode-se determinar grandezas tais omo rendimento térmio e outras que seriam teoriamente possíeis e ompara-las om grandezas reais. or outro lado os ilos teórios podem serir de base para o projeto de um noo motor. rof. Jorge Nhambiu

4 . Modelos de Cilos Ideais Um motor perfeito pressupõe que: A geometria do seu motor orresponda a do motor real; Durante o proesso de admissão não sobre no interior do ilindro nenhum gás remanesente; A relação entre o gás ombustíel e o ar durante a ombustão permaneça onstante; A ombustão seja perfeita; A ombustão, quanto à forma e a eloidade da hama oorra de aordo om a teoria; As paredes do ilindro sejam adiabátias, isto é não se deixem atraessar pelo alor; Não haja perdas meânias, nem de fluxo (perdas hidráulias). 4 rof. Jorge Nhambiu

5 . roesso geral de omparação Este proesso é álido para: Gases reais; Um enhimento perfeito do ilindro om mistura ou gás sob ondições de aspiração; Compressão e expansão isentrópias; Combustão que se dá à uma eloidade infinitamente grande e sem troa de alor om o ambiente; Combustão ompleta om os produtos na forma de dióxido de arbono, água e nitrogénio, na forma de gás inerte; roa de gases feita sem perdas de orrente; Motores de dois e quatro tempos. 5 rof. Jorge Nhambiu

6 Q e. roesso geral de omparação 4 isoorio Q e ( ) ( ) isobario 4 ( ) 4 isentropia 5 isentropia ( ) Q sai ( ) 5 5 ( ) isobario Q sai isoorio 4 5

7 . roesso geral de omparação Em motores de êmbolo, a taxa de ompressão é a soma do olume do ilindro e o da âmara de ombustão o, diidida por este último. A taxa de ompressão é um elemento físio-matemátio que rege os motores dos ilos Otto e Diesel, de e 4 tempos e também dos rotatios, entre outros. Em todos esses motores, a ompressão interna exere papel ε + o o fundamental no seu rendimento. Em geral, quanto maior for a taxa de ompressão, maior é o rendimento o C termo-meânio desses motores. 7 rof. Jorge Nhambiu

8 rof. Jorge Nhambiu 8. roesso geral de omparação Do proesso indiado no diagrama pode-se deduzir as seguintes ralações, todas maiores que a unidade. Relação de ompressão: ε (.) ( ) ( ) 5 isentropia

9 Q e. roesso geral de omparação 4 isoorio Relação de aumento da pressão ( ) ( ) 4 ψ (.) isentropia ( ) 9 rof. Jorge Nhambiu

10 Q e. roesso geral de omparação 4 isoorio Q e ( ) ( ) isobario 4 ( ) 4 Relação de injeção ou relação de isopressão ϕ (.) isentropia ( ) 0 4 rof. Jorge Nhambiu

11 7. roesso geral de omparação Q e 4 isoorio ( ) ( ) 4 ( ) 4 Relação de expansão δ (.4) isentropia isentropia ( ) 4 5 ( ) 5 rof. Jorge Nhambiu 5

12 Q e. roesso geral de omparação 4 isoorio Q e ( ) ( ) isobario 4 ( ) 4 Relação da pressão final σ 5 5 (.5) isentropia 5 isentropia ( ) ( ) 5 5 ( ) Q sai isoorio 4 5

13 . roesso geral de omparação ara além das relações atrás apresentadas é álida e de bastante utilidade seguinte expressão que relaiona a taxa de ompressão, a relação da pressão final, a relação de aumento da pressão, e a relação de expansão: ψ (.) δ σ ε rof. Jorge Nhambiu

14 . roesso geral de omparação Este proesso geral de omparação, bem omo os outros proessos todos de omparação, só são apliáeis para motores perfeitos. Sendo assim pode-se esreer que o rendimento perfeito é a relação entre a energia meânia e a energia químia do ombustíel. Qe Qs Qs η per < (.7) Q Q e e 4 rof. Jorge Nhambiu

15 rof. Jorge Nhambiu 5. roesso geral de omparação O alor forneido é dado por: O alor retirado obtém-se de: ( ) ( ) 4,, Q Q Q p e e e + + ( ) ( ) 5,, Q Q Q p s s s + + (.8) (.9)

16 rof. Jorge Nhambiu. roesso geral de omparação Como: Então: Ou por outra: p ) ( ) ( ) ( ) ( 4 5 per + + η ) ( ) ( ) ( ) ( 4 5 per + + η (.0) (.) (.)

17 rof. Jorge Nhambiu 7. roesso geral de omparação Diidindo a expressão por obtém-se: η per ε ε ψ 4 ε ψ ϕ ε ψ 5 ε δ ψ ϕ ε δ σ ψ ϕ (.)

18 . roesso geral de omparação Chega-se a: ψ δ σ ε omo η per ϕψ ε ( σ + ) σ δ ψ ψ ϕ ε ( ) + ( ) (.4) Obtém-se: η per δ ϕ ( σ + ) ε ( ψ ) + ψ ( ϕ) ε (.5) 8 rof. Jorge Nhambiu

19 rof. Jorge Nhambiu 9. roesso geral de omparação a pressão média do motor perfeito é a relação entre o trabalho útil por ilo e o olume do ilindro e é dada pela seguinte expressão: Que também pode ser esrita: t s e mp W Q Q ( ) ( ) ( ) ( ) 5 4 p p mp + (.) (.7)

20 rof. Jorge Nhambiu 0. roesso geral de omparação Sabendo-se que a onstante uniersal dos gases perfeitos é a diferença entre o alor espeífio a pressão onstante e a olume onstante pode-se esreer: Que também pode ser esrita: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ϕ δ σ δ σ ψ ϕ ϕ ψ ψ ε ε mp ( ) ( ) ( ) ( ) per mp η ϕ δ ϕ ψ ψ ε + (.9) (.8)

21 . roesso de omparação de Seiliger Q e 5 4 isoorio ( ) ( ) o Q e isobario 4 4 ( ) 4 isentropia isentropia C A admissão de alor é primeiramente isoória e depois isobária. A rejeição de alor é isoória. A ompressão e a expansão são isentrópias. Deste modo, segundo o diagrama do proesso geral de omparação o onto oinide om onto. ( ) ( ) Q sai isoorio

22 . roesso de omparação de Seiliger Apresenta-se em seguida as relações deduzidas do ilo geral de omparação para o ilo de Seiliger Onde: o + olume do ilindro o olume do espaço morto (.0) ε + o A relação de aumento de pressão ψ > A relação de injeção ϕ > o + o (.) rof. Jorge Nhambiu

23 . roesso de omparação de Seiliger O rendimento perfeito de Seiliger ε ϕψ. δ η per s ( ψ ) + ψ. ( ϕ) ε Então pode-se esreer, ψϕ. η per, s ε ψ + ψ ϕ Ou de outra forma: η ( ) per, s f ε,, ψ, ϕ O rendimento perfeito rese om o aumento de ε e ψ ediminuiomo aumento de ϕ porque a temperatura do ilindro aumenta e o gás freso aquee também. ( ) ε δ ϕ (.) (.) (.4) rof. Jorge Nhambiu

24 . roesso de omparação de Otto O ilo de Otto é o ilo ideal para motores a gasolina. O nome adém de Niolaus A. Otto, que onstruiu om êxito um motor a quatro tempos na Alemanha em 87, utilizando um ilo proposto pelo franês Beau de Rohas em 8. 4 rof. Jorge Nhambiu

25 Q e. roesso de omparação de Otto isoorio ( ) ( ) isentropia A admissão e rejeição de alor são proessos isoórios, isto é, realizamse a olume onstante enquanto a ompressão e a expansão são proessos isentrópios. Os ontos 4 e do diagrama geral de omparação são os ontos e do ilo de Otto. 4 o isentropi a C ( ) (5) 4 () Q sai isoorio 4

26 . roesso de omparação de Otto A relação de injeção ϕ A relação de aumento de pressão ψ > ψ A relação de ompressão é: 5 5 (.5) 4 (.) Como : Então: 4 rof. Jorge Nhambiu

27 . roesso de omparação de Otto O rendimento perfeito de Otto ε ψ, δ η per O ψ ε Então pode-se esreer η per, O Ou de outra forma: ( ) ε ( ) η per, O f ε, omo ε δ (.7) (.8) (.9) O rendimento perfeito do ilo de Otto não depende da arga do motor 7 rof. Jorge Nhambiu

28 . roesso de omparação de Otto A pressão média perfeita é dada por: mp, O ε ε ψ + δ ( ψ ) ( ) ( ε ) (.0) 8 rof. Jorge Nhambiu

29 .4 roesso de omparação de Diesel O proesso de injeção de ombustíel nos motores Diesel iniia-se quando o êmbolo aproxima-se do MS e ontinua durante a primeira parte do urso de expansão. Assim o proesso de ombustão neste tipo de motores oorre durante um interalo maior que nos motores que funionam segundo o ilo Otto. Deido a isto o proesso de ombustão no ilo de Diesel aproxima-se a um proesso de adição de alor a pressão onstante. Este é o únio proesso em que os ilos Diesel e Otto diferem. 9 rof. Jorge Nhambiu

30 .4 roesso de omparação de Diesel Q e isobario () (4) Este ilo também é hamado ilo de Isopressão ou ilo Isobário deida a admissão de alor se fazer a pressão onstante. Segundo o diagrama do proesso geral, o onto daquele oinide om o onto do Diesel e o ponto om o onto. isentropia isentropi a (5) 4 4 o C () Q sai isoorio 4

31 .4 roesso de omparação de Diesel A relação de injeção ϕ > A relação de aumento de pressão ψ ψ O rendimento perfeito é dado por: η 4 ε ϕ δ ε ( ϕ ) per, d (.) (.) Como: ε δ ϕ η Então: ϕ ε per, d ( ϕ) ou η f ( ε,, ϕ ) per, d (.) rof. Jorge Nhambiu

32 .4 roesso de omparação de Diesel A pressão média perfeita é dada por: mp, d s ε ε ϕ ( ϕ) + δ ( ) ( ε ) (.4) ode-se notar que o rendimento é inersamente proporional a relação de injeção ou de isopressão, o que signifia que om o aumento a arga do motor tem-se uma diminuição do rendimento. rof. Jorge Nhambiu

33 .4 roesso de omparação de Diesel onsegue notar-se que o rendimento Diesel difere do Otto pela relação sempre superior que a unidade: Então: ϕ ( ϕ ) (.5) η per, O η per. d (.) quando ambos os ilos funionam om a mesma taxa de ompressão rof. Jorge Nhambiu

34 .4 roesso de omparação de Diesel Os motores diesel funionam om taxas de ompressão muito superiores aos que funionam segundo o ilo Otto, sendo mais efiientes que estes últimos. Os motores Diesel queimam o ombustíel de uma forma mais ompleta, isto que geralmente funionam a eloidades inferiores que os a gasolina. O rendimento térmio de motores de grandes dimensões enontra-se entre 5 e 40%, o que signifia que a transformação da energia químia do ombustíel, nos motores que funionam segundo o ilo Diesel fazse de melhor forma que nos do ilo Otto. 4 rof. Jorge Nhambiu

35 .4 roesso de omparação de Diesel ϕ ϕ ( ) 5 rof. Jorge Nhambiu