Projecto de MCI2, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Faculdade de Engenharia

Departamento de Mecânica

MOTORES TÉRMICOS

Discente: Marcelino Waldy da Graça Pinto n.º 28072

Docente: Eng.º António Taylor Corrente

Dezembro de 2010

ÍNDICE

• 1. PROBLEMA................................................................................................................
• 2. INTRODUÇÃO ...........................................................................................................
• 3. OBJECTIVO ................................................................................................................
• 4. DEFINIÇÕES ..............................................................................................................
• 5. MÁQUINAS TÉRMICAS ...........................................................................................
• 6. CLASSIFICAÇÃO ......................................................................................................
• 7. O MOTOR DIESEL.....................................................................................................
  • 7.1 DEFINIÇÕES E NOMENCLATURA ..................................................................
• 8. CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA INDICADO ........................................................
  • 8.1 PARÂMETROS NO FIM DA ADMISSÃO Pa, Ta E Va......................................
  • 8.2 PARÂMETROS NO FIM DA COMPRESSÃO Pc, Tc E Vc ................................
  • 8.3 PARÂMETROS NO FIM DA COMBUSTÃO Pz, Tz E Vz .................................
  • 8.4 PARÂMETROS NO FIM DA EXPANSÃO Pb, Tb E Vb. ...................................
  • 8.5 PARÂMETROS NO FIM DO ESCAPE Pr, Tr E Vr.............................................
  • 8.6 DIAGRAMA INDICADO ....................................................................................
• 9. CÁLCULO DAS PRESSÕES INDICADAS E EFECTIVA .......................................
• 10. CÁLCULO DOS RENDIMENTOS ...........................................................................
• 11. CÁLCULO DOS CONSUMOS/GASTOS .................................................................
• 12. DETERMINAÇÃO DO BALANÇO TÉRMICO .......................................................
• 13. DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DO ÊMBOLO E DAS POTÊNCIAS ......
  • 13.1 CURSO E O DIÂMETRO DO ÊMBOLO (S E D) ...............................................
  • 13.2 POTÊNCIA ESPECÍFICA POR [cv/dcm^2 ] – ⅰ↘ .................................................
  • 13.3 POTÊNCIA ESPECÍFICA POR LITRO DA CILINDRADA – ⅰ∄ ......................
• 14. ANÁLISE DOS RESULTADOS ...............................................................................
• 15. CONCLUSÃO ...........................................................................................................
• 16. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................
• 17. ANEXO .....................................................................................................................

2. INTRODUÇÃO

O motor é a fonte de potência dos veículos. A potência do veículo lhe dá movimentação, e lhe permite o transporte de cargas (pessoas ou materiais). Portanto, o motor é a fonte de força e movimento de veículos. Quanto maior for a potência do motor, maior será a sua capacidade de carga, e maiores velocidades poderá proporcionar ao veículo. Assim, se é dito que um motor é mais potente que um outro, quer dizer que o primeiro proporciona ao veículo uma capacidade de transportar uma quantidade maior de carga, ou de atingir velocidades mais elevadas. Por exemplo, motores de caminhões e autocarros são feitos mais potentes que os de automóveis de modelo popular, pois necessitam de uma maior capacidade de carga. Por outro lado, motores de automóveis desportivos também são mais potentes que os de modelos populares. Motores de automóveis desportivos têm por objectivo atingir maiores velocidades. O emprego da potência de motores para uma maior capacidade de carga ou para a obtenção de velocidades mais elevadas é obtido através do projecto adequado de um sistema de transmissão. Sistema de transmissão é um grupo de peças e equipamentos que transfere a potência do motor para as rodas. Para seu funcionamento, o motor necessita de uma fonte de energia: o combustível. Combustíveis podem ser líquidos ou gasosos. Os combustíveis mais popularmente utilizados são a gasolina, o álcool e o óleo diesel, todos líquidos. O gás natural vem sendo ultimamente empregado como uma fonte de energia alternativa. Factores económicos, requerimentos de potência ou de atendimento a legislações ambientais determinam o tipo de combustível a ser utilizado.

3. OBJECTIVO

Este trabalho além de se destinar como ferramenta de análise, tem como objectivo o cálculo preliminar de parâmetros que correspondem a um ante-projecto de um motor de combustão interna, relativamente a valores de funcionamento que expressam máximas eficiências e economia de consumo. Com base nos dados fornecidos far-se-á o devido cálculo inicial de parâmetros relevantes para uma pré-análise das gamas de funcionamento do motor que se pretende.

5. MÁQUINAS TÉRMICAS

As máquinas térmicas motoras são aquelas que transformam energia térmica (energia química dos combustíveis) em energia mecânica útil, que provém da combustão duma mistura combustível – comburente, libertando-se deste modo a energia química do combustível. De uma forma geral elas podem ser classificadas em:

Figura 1. Classificação das máquinas Térmicas.

Os motores de combustão interna são classificados de acordo com o modo de queima do combustível em motores com ignição por centelha e motores com ignição por compressão. Estes últimos também são também conhecidos por motores diesel. Motores movidos a gasolina ou a álcool são exemplos de motores com ignição por centelha. Neste caso, a queima de combustível é iniciada com uma centelha fornecida pela vela de ignição, que é um componente instalado na superfície superior do cilindro, na parte chamada cabeçote do cilindro. Motores diesel normalmente utilizam o óleo diesel como combustível. Nestes motores a ignição é iniciada pela injecção de combustível no cilindro através de bicos injectores. A combustão em motores diesel se dá de maneira espontânea, estimulada por elevadas pressão e temperatura da mistura ar/combustível no cilindro. Os motores também podem ser classificados como de quatro tempos ou dois tempos. Durante seu funcionamento, um motor continuamente admite uma quantidade de ar e combustível, comprime e queima a mistura e a deixa expandir antes de expulsá-la do cilindro. Quando este ciclo é feito ao tempo em que o pistão executa quatro movimentos, dois para cima e dois para baixo, o motor é chamado de quatro tempos. Quando o pistão realiza somente dois movimentos durante o ciclo, um para cima e um para baixo, o motor é chamado de dois tempos. A distância entre o ponto morto superior e o ponto morto inferior e o diâmetro do cilindro determinam o volume da mistura ar-combustível admitida pelo motor a cada ciclo. Este volume é comummente chamado cilindrada do motor. A cilindrada é medida em litros (L) ou centímetros cúbicos (cc ou cm³). Assim, um motor 1.0L e um motor de 1000cc têm a mesma cilindrada. A cilindrada está intimamente relacionada ao desempenho do motor. De uma maneira geral, quanto maior for a cilindrada, maior será a potência e o consumo de combustível.

A razão entre o volume da mistura no cilindro com o pistão no ponto morto inferior e seu volume com o pistão no ponto morto superior é denominada razão de compressão. Os motores de combustão interna têm, normalmente, quatro, seis ou oito cilindros. Motores de um, três, cinco, dez e doze cilindros também encontram aplicação, em menor escala. Motores de dez e doze cilindros são, em geral, empregados em veículos de competição. Motores de um único cilindro são comummente utilizados para testes de laboratório, veículos de duas rodas, ou para outros equipamentos, como cortadores de relva. Os cilindros de um motor podem ser arranjados em linha, opostos ou configuração em V.

7. O MOTOR DIESEL

O motor diesel (ou motor a gasóleo) é um motor de combustão interna inventado por Rudolf Diesel (1858-1913), engenheiro alemão, que normalmente são alimentados por óleo Diesel ou óleos vegetais (gasóleo, um hidrocarboneto obtido a partir da destilação do petróleo a temperaturas de 250ºC e 350ºC. Recentemente, o diesel de petróleo vem sendo substituído pelo biodiesel, que é uma fonte de energia renovável, e que tem a combustão iniciada por auto-ignição do combustível injectado no seio de uma massa de ar comprimida até ultrapassar a temperatura de ignição do combustível usado). O combustível é injectado no interior da câmara de combustão por meio de uma bomba mecânica de alta pressão. Estes motores também são denominados motores de ignição por compressão – ICO. Estes motores têm o ciclo de operação realizado em quatro ou dois tempos. A maioria dos motores de caminhões e autocarros é do ciclo Diesel de quatro tempos. Os motores de dois tempos no ciclo diesel são raros. Os quatro tempos de operação de um motor Diesel são os seguintes:

Admissão: Neste tempo, apenas ar é aspirado para o interior do cilindro do motor através da válvula de admissão que se encontra aberta. Durante o tempo de admissão o êmbolo desloca-se dentro do cilindro do ponto morto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI). O volume varrido entre o PMS e o PMI é chamado cilindrada unitária do motor.

Compressão: Neste tempo o ar é comprimido a uma pressão e temperatura superior ao do ponto de auto-ignição do combustível a ser usado. Durante este tempo o êmbolo desloca-se do PMI para o PMS e as válvulas de admissão e de escape encontram-se fechadas. Quando o êmbolo se aproxima do PMS o sistema de injecção mecânica introduz o combustível no seio da massa de ar previamente comprimida.

Explosão: A massa de combustível injectada é misturada à massa de ar reagindo rapidamente e trocando calor até que entra em combustão espontânea. Durante este tempo o êmbolo movimenta-se do PMS para o PMI. Quando o êmbolo se aproxima do PMI, a válvula de escape abre-se.

Descarga: Neste tempo o êmbolo desloca-se do PMI para o PMS enquanto a válvula de escape encontra-se aberta. Durante o tempo de descarga os gases formados no processo de combustão são varridos do cilindro para o meio ambiente.

Onde se tem feito mais evolução neste tipo de motorização mais eficiente que o seu congénere a gasolina é no campo da injecção directa, nomeadamente nas de alta pressão como o injector-bomba e o "common-rail", que possibilitam a obtenção de mais potência e ainda melhores consumos e menos ruído de funcionamento. O motor diesel apenas precisa de injectar o combustível necessário para iniciar a inflamação do ar. É por isto que o motor diesel consome menos do que o motor a gasolina. Se o ar de admissão já chegar à câmara de combustão comprimido, poupa ao motor esse esforço, originando um aumento de potência.

7.1 DEFINIÇÕES E NOMENCLATURA

A nomenclatura utilizada pelos fabricantes de motores, normalmente encontrada na documentação técnica, obedece a notação adoptada pela norma DIN 1940. Existem normas americanas, derivadas das normas DIN, que adoptam notações ligeiramente diferenciadas, porém com os mesmos significados.

Quadro 2. Nomenclatura dos Parâmetros. D Diâmetro do Cilindro

Diâmetro interno do Cilindro.

S

Curso do Pistão

Distância percorrida pelo pistão entre os extremos do cilindro, definidos como Ponto Morto Superior (PMS) e Ponto Morto Inferior (PMI).

s/D Curso/Diâmetro

Relação entre o curso e o diâmetro do pistão. (Os motores cuja relação curso/diâmetro = 1 são denominados motores quadrados.) n Rotação Número de revoluções por minuto da árvore de manivelas. A Área do Pistão Superfície eficaz do Pistão = π D^2 / 4

Pe (^) Potência Útil

É a potência útil gerada pelo motor, para sua operação e para seus equipamentos auxiliares (assim como bombas de combustível e de água, ventilador, compressor, etc.)

i Número de Cilindros

Quantidade de cilindros que dispõe o motor.

Vh

Volume do Cilindro

Volume do cilindro = A s

Vc Volume daCâmara Volume da câmara de compressão.

VH Cilindrada Total Volume total de todos os cilindros do motor = z Vh

ε Relação de Compressão

Também denominada de razão ou taxa de compressão, é a relação entre o volume total do cilindro, ao iniciar-se a compressão, e o volume no fim da compressão, constitui uma relação significativa para os diversos ciclos dos motores de combustão interna. Pode ser expressa por ( Vh + Vc )/ Vc (é > 1).

Pi (^) Potência Indicada É a potência dentro dos cilindros. Abreviadamente denominadade IHP (Indicated Horsepower), consiste na soma das potências

efectiva e de atrito nas mesmas condições de ensaio.

Pr

Consumo de Potência

Consumo de potência por atrito, bem como do equipamento auxiliar para funcionamento do motor, à parte a carga. Pr = Pi - Pe - Pl – Psp.

pe

Pressão Média Efectiva

É a pressão hipotética constante que seria necessária no interior do cilindro, durante o curso de expansão, para desenvolver uma potência igual à potência no eixo.

pi

Pressão Média Nominal

É a pressão hipotética constante que seria necessária no interior do cilindro, durante o curso de expansão, para desenvolver uma potência igual à potência nominal.

pr

Pressão Média de Atrito

É a pressão hipotética constante que seria necessária no interior do cilindro, durante o curso de expansão, para desenvolver uma potência igual à potência de atrito. Gt Consumo Consumo horário de combustível.

8. CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA INDICADO

8.1 PARÂMETROS NO FIM DA ADMISSÃO Pa, Ta E Va.

A pressão pa em [Kg/cm^2 ] no fim da admissão é determinada pela equação de Bernoulli, que estabelece:

pa = p 0 − ∑ pr (8.1)

Onde: p^0^ – pressão atmosférica:

( [^ ]^ [^ ]

5 2 p (^) 0 = patm = 1 , 01325 × 10 Pa = 1 , 033 Kgf/cm , para motores diesel pa = 0,95 Kg/cm (^2) ).

c

adm

∑ p^ r =∆ pa =(^1 +^ ) 2 ℑ

2 0

Onde:

• perdas na admissão

ξ 0 – coeficiente de resistência do sistema de admissão( 1 + ξ 0 )= ϕ e ϕ=( 7 ÷ 10 )

2

ω adm – velocidade média do movimento de ar ao passar pelas válvulas ω adm =( 45 ÷ 70 )em

[m/s], para velocidades maiores, recorre-se a utilização de dois ductos, um longo e outro curto, de formas a que o curto permita maior velocidade na pasasagem do ar. ℑ (^0) – densidade do ar a pressão e temperatura do meio ambiente:

0

0 (^0) RT

p ℑ = (8.3)

(nos motores sem sobrealimentação)

Como, o que ser quer são os melhores resultados e desempenhos admissíveis ajustáveis a economia do próprio projecto, admitiu-se os valores para ‰ 㐄 7 㙂 •⡨ 㐄 6 e ″〨〱぀ 㐄 45 䙰ᡥ/ᡱ].

Para o ar R 286 , 68 [ J / KgK ] 29

= = ⇒ [ 3 ]

5 1 , 227 / 286 , 68 288

o = Kg m ×

×

[ ] [ 2 ]

2 1 , 227 8696 , 36 0 , 0886 / 2

∑ pr^ =∆ pa =(^1 +^6 )× × = Pa = Kgf cm

[ ]

2

pa = 1 , 033 − 0 , 0886 = 0 , 944 Kgf / cm

O que se aproxima ao valor real teórico (0,95 Kg/cm2).

A temperatura ᡆ〨 em [ºK] no fim da admissão será

a r

r

a

T

T

p

p

T

T

0

0

1 1

Onde:

T 0 ′^ – temperatura da mistura dos gases frescos com o gás residual.

∑ pr

ℑ c =ℑ 0

T (^) 0 ′ = T 0 +∆ t (8.5)

ᡨぅ ᡗ ᡆᡰ – pressão e temperatura dos gases residuais

ᡨぅ 㐄 䙦1,05 㐂 1,25䙧 㐨

Como se quer explorar as melhores performances que um projecto pode

proporcionar, admitiu-se, para valores de ᡨぅ 㐄 1,25 䙴 (^) 〰぀〒〴ㄘ䙵 ᡗ ᡆᡰ 㐄 1200 䙰ᠷ䙱.

ᡆあ´^ 㐄 288 ㎗ 20 㐄 308 䙰ᠷ䙱

ᡆᡓ 㐄 333,23䙰ᠷ䙱 È aceitavél, tendo em conta um intervalo de valores de 330 à 350 ºK

O volume de admissão em função da cilindrada unitária é calculado recorrendo as seguintes equações:

V (^) a = Vc + V h ,

V a : Vc = ε

ε

ε Va V h

Quadro 3. Composição aproximada do ar atmosférico seco Volume (%) Massa (%) Nitrogénio 79 77 Oxigénio 21 23 Densidade 1,293 Kg/Nm ( a) O ar atmosférico carrega consigo uma dada quantidade de humidade, que depende das condições atmosféricas, e é determinável através de consulta à carta psicrométrica; na falta de melhores dados, pode-se adoptar a humidade w=0,010 kg de vapor d’água/kg ar seco que representa um valor médio. (b) O normal metro cúbico (Nm^3 ) identifica uma massa de gás com volume medido de 1 m^3 , estando este nas condições normais de temperatura e pressão, ou seja, temperatura absoluta de 273,16 K (0ºC) e pressão absoluta de 1,013x105 Pa (760mmHg). Para se determinar o volume da massa de gás em outras condições, deve-se aplicar: V=370,84T/p: onde T = temperatura absoluta do ar em Kelvin (K) e, P = pressão absoluta do ar em Pascal (Pa).

8.2 PARÂMETROS NO FIM DA COMPRESSÃO Pc, Tc E Vc

A pressão pc no fim da compressão, se efectua segundo a lei do ciclo politrópico:

pc = pa ε k^1 (8.7)

A temperatura Tc no fim da compressão:

Tabela 2 – composição para combustível gasóleo Comb. Composição do combustível em % Poder Calorífico Peso Molecular C H 2 O 2 S Cinza Humidade (^) aproximado Qs (Kcal/Kg)

Qi (Kcal/Kg)

Gasóleo 85,7 13,3 1,0 - - - 10600 9950 186

A quantidade teórica de ar introduzida no cilindro em [Kg] será:

 

L C H O (8.10)

Deste modo, a quantidade teórica de ar necessária no cilindro para queimar 1 Kg de combustível em [Kmol] será:

0 0

L

L

Temos então:

0 , 857 8 0 , 133 0 , 01 14 , 52 [Kg] 3

L ′= ^ × + × −

0 , 501 [Kmol] 29

L 0 = =

Para motores diesel Lor é a quantidade real de ar em [Kmol], que é admitida no cilindro. ᠸᡧᡰ 㐄 㐀 ᠸᡧ (8.12)

A mistura gasosa ᠹᡕ para motores diesel só tem entrada de ar, assim, toda a massa gasosa admitida no cilindro é ar: ᠹᡕ 㐄 ᠸᡧᡰ (8.13)

A composição dos produtos do combustível em [Kmol] para 㐈 1 (mistura pobre) será:

2 2 0

H O

M = α L + + (8.14)

Deste modo teremos:

Ou então podemos calcular da seguinte forma:

ᠹᡧ⡰ 㐄 0,21䙦^ ㎘ 1䙧ᠸᡧ 㐄 0,21 㐀 䙦1,30 ㎘ 1䙧501 㐄 0,03156 ᠷᡥᡧᡤ

Aproximado ao valor anteriormente calculado.

Para os motores diesel, a equação de combustão simpificada é:

p z

H v c cT L

Q

c T = ′

0

Onde: † – coeficiente de expansão molecular.

c

z M

M

Em que: ᠹᡕ – n.º de moles dos gases frescos calculados na equação (8.13) ᠹᡸ – n.º de moles dos gases queimados, obtém-se pela expressão:

M (^) z = M (8.17)

• – coeficiente de utilização de calor, para motores diesel, • 㐄 䙦0,70 㐂 0,90䙧. ’ ㎘ coeficiente de excesso de ar, ’ 㐄 䙦1,1 㐂 1,4䙧.

Figura 4. Consumo em função do excesso de ar.

ᡃ〉 – para 㐐 1, é igual ao poder calorífico inferior ᡃ〉 㐄 ᡃ〶. ‑- coeficiente dos gases residuais, para os motores diesel a 4 tempos ‑ 㐄 䙦0,03 㐂 0,06䙧. c (^) v (^1) – calor específico dos gases diatómicos

cv 1 = 4 , 815 + 0 , 4151 × 10 −^3 T (8.18)

c ′ p^ – calor especifico molecular médio dos produtos da combustão

ᡕぃ^ ´^ 㐄 ᡕぉ^ ´^ ㎗ 1 , 985 䙰

〒〰〨〹 〒〴 º〒䙱^ (8.19)

Para 㐄 䙦1,0 㐂 1,30䙧

cv 3 , 7 104 T

4 , 8  × −

+^ +

′=^ +

8.4 PARÂMETROS NO FIM DA EXPANSÃO Pb, Tb E Vb.

A pressão pb no fim da expansão:

k 2

z b

p

p

δ

A temperatura Tb no fim da expansão:

= k 2 − 1

z b

T

T

δ

δ – grau de expansão ou descompressão, é dado por:

c

c z

a V

V

V

V

ᡣ⡰ – é o valor médio do expoente politrópico, depende de muitos factores, tais como as

rotações do motor o coeficiente de calor^ ξ^ , construção dos cilindros, etc. Para motores

diesel ᡣ⡰ 㐄 䙦1,15 㐂 1,30䙧.

Escolhendo-se para ᡣ⡰ 㐄 1,30, obtemos os seguintes valores de pressão e temperatura:

⡲⡩,⡰⡩ ⡴,⡨⡩⡵ㄗ,ㄙㄖ^ 㐄 3,998 䙴

〒〴〳 〰぀ㄘ䙵^ ⇒^ ᡨ〩^ 㐄 3,998 䙰ᠷᡙᡘ/ᡕᡥ

⡰䙱

⡰⡰⡷⡷,⡨⡩ ⡴,⡨⡩⡵䙦ㄗ,ㄙㄖㄧㄗ䙧^ 㐄 1341,92 䙰ᠷ䙱^ ⇒^ ᡆ〩^ 㐄 1341,92 䙰ᠷ䙱

O volume no fim da expansão Vb^ = Va

8.5 PARÂMETROS NO FIM DO ESCAPE Pr, Tr E Vr

Esses parâmetros foram escolhidos no ponto 8.1, considerando os seus intervalos.

1 , 25 [Kgf/cm ]

2 p (^) r = , Tr = 1200 [K]

Vr = V c

8.6 DIAGRAMA INDICADO

O ciclo indicado baseia-se no funcionamento do ciclo de Diesel e representa o diagrama de pressões existentes dentro do cilindro (figura 5) como função do deslocamento do pistão ou ângulo de rotações da cambota ou ainda pelo recurso a sensores de pressão colocados no interior do cilindro.

Figura 5. Funcionamento do ciclo indicado.