1 – A COMBUSTÃO · Web viewEfectuar o projecto preliminar de um motor de IC de ciclo de 4T sobrealimentado, com uma sobrelimentação de 2,5 e usando intercooler para desenvolver

Curso de Engenharia Mecânica - ESTA - MÁQUINAS TÉRMICAS

2.5.4. – Sistema de Lubrificação

Fig. 25 – Formação da película lubrificante

O funcionamento satisfatório dos motores depende, em grande parte, da formação e manutenção de películas lubrificantes entre as peças sujeitas a atrito e, ao mesmo tempo, da natureza dessas películas.

Funções da lubrificação:

Impedir o contacto directo entre peças em movimento de forma a reduzir o atrito, proteger as peças contra o desgaste e corrosão;

Melhorar a evacuação de calor do motor; Eliminar detritos do interior do motor; o óleo em circulação arrasta pequenos detritos, que ficam retidos no

filtro de óleo; Melhorar a estanquicidade da câmara de combustão; Proteger contra a ferrugem e a corrosão, neutralizando os seus efeitos destruidores.

Revisão 0 – Setembro 2007 Capítulo 2 Pág.23


Fig. 26 – Sistema de lubrificação



Fig. Sistema de Lubrificação

Fig. 27 – Sistema de lubrificação

Lubrificação sob pressãoO óleo proveniente da canalização principal é dirigido por canais para os apoios da cambota e da árvore de cames. As ranhuras das capas e um canal no interior da cambota permitem a lubrificação sob pressão das cabeças das bielas.Elementos lubrificados sob pressão:

Cambota; Árvore de cames; Grupo de martelos e balanceiros.



Fig. 28 – Lubrificação dos moentes dos apoios da cambota

Lubrificação sob projecção (ou salpico)O óleo sob pressão que se escapa dos moentes das bielas é projectado ao longo das paredes da camisa.Elementos lubrificados por projecção:

Camisas; Pistões; Cavilhões.

Fig. 29 – Lubrificação das paredes dos cilindros



Lubrificação IntegralÉ equivalente à lubrificação sob pressão, mas nesta caso o cavilhão do pistão é também lubrificado graças a uma cavidade existente no corpo da biela.

Lubrificadores MecânicosOs cilindros dos motores e os cilindros dos compressores de ar de lavagem são, geralmente, equipados com lubrificadores mecânicos. Cada lubrificador tem um certo número de bombas individuais e ajustáveis, que aspiram o óleo de um depósito situado no corpo do lubrificador, enviando-o através de tubos separados e sob pressões que podem atingir 70 bar. A quantidade pode ser regulada de acordo com as necessidades.O lubrificador é accionado pelo próprio motor e a sua velocidade é regulável. O óleo é geralmente introduzido num ou mais pontos da periferia do cilindro.

Fig. 30 – Lubrificador mecânico

Lubrificação CorrectaNa lubrificação intermitente, ou por camada limite, como é o caso da lubrificação dos cilindros e segmentos, as condições a que o lubrificante deve satisfazer são inteiramente diversas das que oferece a lubrificação contínua por camada hidrodinâmica.Pesquisas realizadas com o fim de estudar a lubrificação por camada limite, levaram à descoberta de reacções moleculares entre o lubrificante e a superfície metálica, hoje chamadas de atracção polar.Por efeito da atracção polar, há adsorção de uma película de lubrificante pela superfície metálica. Esta é a que chamamos “camada limite”. Certas substâncias, como sejam o enxofre, o cloro, o óleo de rícino, aumentam o efeito de atracção polar, permitindo melhor aderência do lubrificante ao metal, “valorizando” as qualidades do lubrificante.



O lubrificante pode e deve combater o efeito corrosivo dos ácidos formados no interior do motor, incorporando-se-lhe substâncias que lhe permitam neutralizar tais efeitos. Além disso, pode evitar-se ao máximo a formação de tais substâncias ácidas, impedindo a condensação de humidade no interior do motor, ou seja, mantendo correctas as temperaturas de refrigeração e promovendo uma eficiente ventilação do cárter.

Fig. 31 – Sistema de lubrificação de cárter seco. A bomba aspira o óleo de um reservatório separado, fornecendo-o à conduta que o leva às chumaceiras, excêntricos, etc., e também à conduta de óleo de refrigeração dos êmbolos. O óleo dos cilindros é fornecido por um lubrificador mecânico.

Ainda é crença muito difundida que o uso de óleos detergentes num motor sujo, por ter usado anteriormente óleos lubrificantes comuns, exige precauções especiais de limpeza, pelo facto de o óleo detergente desalojar todas as impurezas acumuladas no motor e causar o entupimento de filtros e tubagens de óleo.Isto não é verdade, e mesmo os óleos de grande poder detergente apenas impedem a formação de novos depósitos. Os depósitos antigos vão sendo desalojados gradualmente, apenas nas áreas onde há atrito mecânico, não havendo, portanto, qualquer perigo nem necessidade de limpeza prévia, ao ser utilizado um óleo detergente.Em resultado do seu funcionamento, os motores estão constantemente a produzir fuligem e outros produtos insolúveis no óleo. Se se usa um óleo lubrificante mineral puro, sucederá que as partículas finamente divididas, geradas pelo funcionamento do motor, em face do reduzido poder detergente-dispersante deste tipo de óleo, têm tendência a aglomerar-se e formar partículas maiores e mais pesadas.Consequentemente e a partir de certa dimensão, essas aglomerações, por acção do próprio peso, precipitam-se e criam depósitos, principalmente nos locais onde a corrente de óleo que as transporta perde velocidade.



Fig. 32 – Sistema de lubrificação de um motor fixo. Este motor é lubrificado por um sistema de circulação em que uma bomba rotativa, accionada pelo veio de manivelas, aspira o óleo do cárter e, depois de passá-lo pelo filtro e pelo refrigerador de óleo, envia-o às chumaceiras principais, das bielas e dos pinos dos êmbolos. Uma conduta menor leva o óleo às chumaceiras e articulações do veio de comando. Os cilindros são lubrificados por salpico do óleo que escapa das chumaceiras das bielas.

Fig. 33 – Sistema de circulação forçada com reservatório elevado



2.5.4.1. Desgaste e Contaminação

Causas do desgaste

Além das deformações de ordem mecânica e térmica, pelo efeito das elevadas pressões e temperaturas, e que não vamos considerar, as peças do motor estão sujeitas a desgaste que, pode ser atribuído a 3 causas principais: Atrito, Abrasão e Corrosão

AtritoTodas as vezes que uma superfície aparentemente lisa se move em relação a outra, há atrito, e este pode ser reduzido pela interposição, entre as duas superfícies metálicas, de uma película viscosa e lubrificante que as separe. Da maior ou menor eficiência com que conseguimos separar as duas superfícies em movimento relativo, dependerá o grau do desgaste. Nos motores vamos encontrar deste a completa separação por cunha de óleo ou camada hidrodinâmica nas chumaceiras, até à lubrificação por camada limite nos aros dos êmbolos e parte superior dos cilindros ou nos excêntricos das válvulas, onde apenas uma finíssima película de óleo se conserva entre as superfícies em movimento.

AbrasãoQuando partículas abrasivas atravessam a camada lubrificante que separa as duas superfícies, o desgaste será consideravelmente aumentado pelo efeito da abrasão, o que mostra a premente necessidade de se evitar a sua formação, no interior do motor, ou então de ser reduzida a sua capacidade abrasiva.

CorrosãoFinalmente, se ocorrer a formação de produtos ácidos, a corrosão resultante acelera ainda mais o desgaste, visto que as películas corrosivas, formadas por sais ou sabões, são geralmente mais facilmente desalojados do que as partículas do próprio metal, fazendo com que constantemente nova superfície metálica permaneça exposta ao ataque.

2.5.4.2. Peças Mais Sujeitas ao Desgaste

Sem dúvida, os cilindros e segmentos dos êmbolos são as peças mais sujeitas a desgaste e, se este for pronunciado, em pouco tempo o funcionamento do motor poderá tornar-se antieconómico pelo elevado consumo de combustível e lubrificante, caindo o seu rendimento em valores inaceitáveis, obrigando à rectificação dos cilindros e à substituição de segmentos, com o que a eficiência do motor fica restabelecida mas à custa de considerável despesa.Por medição, podemos facilmente verificar o desgaste total, mas é muito difícil, ou mesmo impossível, estabelecer as proporções a dar a cada uma das três principais causas que o provocam.A determinação do desgaste por pesagem é muito mais precisa; porém, infelizmente, o método não pode ser aplicado às camisas dos cilindros, dado que o seu peso está sujeito a outras influências além do desgaste, como sejam, ferrugem, incrustações, deformações, etc., que falseariam completamente os resultados. Por isso, nas medições de maior precisão, indica-se o desgaste dos cilindros pelas variações do seu diâmetro interno, medindo sempre nos mesmos pontos, ao passo que o desgaste dos segmentos é indicado pela sua perda de peso.Segmentos gastos, presos ou quebrados causam, geralmente, os maiores transtornos no funcionamento do motor. Vejamos, portanto, mais de perto, qual a sua função e quais as condições a que estão sujeitos. Estes servem para dar estanquicidade à câmara de combustão, evitando a fuga dos gases e servindo de ligação elástica entre o êmbolo e o cilindro.



Fig. 34 – Anel raspador. Quando o lubrificante do cilindro é fornecido por salpico, é preciso haver controle da quantidade para que volumes excessivos de óleo não alcancem a parte superior do cilindro. A secção ampliada mostra um anel raspador convencional, com a parte superior cónica e uma aresta aguda que permite raspar o excesso de óleo, no curso descendente, devolvendo-o ao cárter pelos orifícios de retorno na saia do êmbolo.

Fig. 35 – Desgaste cónico do cilindro. A macroscopicamente fina película de óleo que permanece na parte superior do cilindro não consegue impedir que ocorra um certo desgaste nesta região. Por esta razão, é na parte superior do cilindro, onde a película de óleo é mais fina e as pressões dos anéis são maiores, que se verifica o maior desgaste, e com o tempo o cilindro torna-se ligeiramente cónico. Mesmo que ainda não tenha havido desgaste, o cilindro apresenta certo grau de conicidade devido à sua maior dilatação na zona mais quente, a mais próxima da câmara de combustão.

Fig. 36 – Modo de actuar dos anéis do êmbolo. Os gases quentes, sob alta pressão, e resultantes da combustão, escapam pela folga entre êmbolo e cilindro e penetram no espaço existente entre a parte superior do primeiro anel e a sua ranhura e por detrás deste, como é indicado pelas stas pretas da gravura. As setas brancas representam as forças resultantes que agem sob o anel. Parte dos gases consegue escapar ao redor do primeiro anel, mas a sua pressão já está muito reduzida quando alcança o segundo anel de compressão. Por esta razão a acção dos gases sobre os demais anéis de compressão é muito menos intensa.



São constantemente solicitados por pressões e temperaturas elevadas e movem-se nas suas respectivas ranhuras ou caixas, onde são colocados de modo a exercerem pressão considerável contra as paredes dos cilindros.São lubrificados para que se possam mover livremente nas suas ranhuras, pois se não o puderem fazer, imediatamente perderão a sua principal função, que é de vedar, tarefa em que o óleo lubrificante colabora eficientemente. É uma tarefa difícil, dado que a pressão sobre e por detrás dos segmentos varia constantemente e é impossível evitar totalmente a fuga de gases da câmara de compressão pelas folgas entre os segmentos e suas ranhuras.Durante o curso de compressão, o segmento é mantido contra a superfície interior do cilindro e contra a face inferior da sua ranhura pela pressão e pelo atrito contra as paredes do cilindro, mas, ao mesmo tempo está sujeito à força de inércia adquirida no seu movimento.Ao ser atingido o PMS, as forças de inércia poderão fazer com que o segmento seja atirado da parte inferior da ranhura para a superior e, nesse momento, o volume de gases retidos atrás do segmento e acima dele, pode ser descarregado para baixo, em direcção ao cárter.Dado o facto de que nenhum segmento pode efectuar uma vedação perfeita contra as paredes do cilindro, haverá constantemente certa pressão na minúscula folga entre o segmento e a parede do cilindro, procurando desencostá-lo da sua posição de trabalho, havendo, pois, uma tendência a forçá-lo para dentro da ranhura. Ora, no momento em que desaparece a pressão atrás do segmento dentro da ranhura, ao ser levantado pelas forças de inércia do movimento, o segmento será violentamente fechado.O gás que agora se escapa entre o segmento e a parede do cilindro restabelece a pressão atrás desse mesmo segmento e este volta rapidamente à sua posição primitiva, batendo fortemente contra as paredes do cilindro. Deste modo, podemos ter uma ideia ou explicação lógica para as vibrações, desgastes anormais e até quebra dos segmentos, muitas vezes verificada e que, dependendo de forças de inércia, dependem portanto da velocidade, do peso dos segmentos e das pressões de compressão e combustão. Estes fenómenos manifestam-se quando há um conjunto de circunstâncias desfavoráveis e propícias ao seu aparecimento.

2.5.4.3. Natureza das Contaminações

Um óleo lubrificante de alta qualidade, só por si, não se deteriora facilmente. Porém, quando em serviço, está sujeito a várias espécies de contaminação.A natureza dos depósitos acumulados no interior de um motor, varia de acordo com o estado dos seus componentes, com as temperaturas reinantes e com o grau de pureza do combustível.

FuligemForma-se continuamente em maior ou menos quantidade, em razão da queima do combustível nunca ser totalmente perfeita.

CarvãoNa câmara de combustão, por exemplo, consiste em fuligem oriunda do combustível, óleo e abrasivos, agregados, por destilação, em massa dura e aderente, e predomina nas cabeças dos êmbolos. Os depósitos existentes nas ranhuras dos segmentos e nos orifícios de retorno de óleo são similares; porém, por se encontrarem nas partes mais baixas do êmbolo, onde as temperaturas são consideravelmente menores, são mais macios e um tanto pastosos.Os produtos oriundos da combustão são, regra geral, responsáveis por tais depósitos, principalmente quando o motor opera a baixas temperaturas, o que concorre para a formação de resinas, que se comportam como agentes adesivos.

Produtos de OxidaçãoEmbora inicialmente solúveis no óleo, depositam-se quando as temperaturas descem, em camadas finas, aderentes, quase vítreas, que recobrem as paredes do cilindro, saia do êmbolo e as chumaceiras, e são conhecidos como lacas ou vernizes.



LamasNo cárter, câmaras das válvulas e outras partes relativamente frias do motor aparecem as lamas formadas a frio, caracterizadas por conterem sempre certa quantidade de água.

Os depósitos presentes nas guias e nas hastes das válvulas, vão desde lamas até carvões, dependendo da temperatura que prevaleça na área em que se forma o depósito.Obviamente, tais depósitos são bastante prejudiciais, pois interferem no funcionamento do motor. Por exemplo, os segmentos devem mover-se livremente, para vedarem e aproveitarem ao máximo as pressões de compressão e de combustão, reduzindo assim, ao mínimo, a fuga de gases. Se, contudo, a fuga de gases não for evitada, teremos aumento do consumo de óleo, contaminação do lubrificante com o combustível e gases de combustão. Os orifícios de retorno de óleo devem estar sempre desobstruídos, pois isto contribui para regular o fornecimento de óleo às paredes do cilindro.

Fig. 37 – Formação de depósitos nos segmentos (anéis)

As válvulas e impulsores devem estar sempre isentas de depósitos, para se poderem movimentar livremente, assegurando, assim, abertura, fecho e sincronização correctas.As lamas a frio, que se depositam nas áreas frias do motor, são também prejudiciais. Podem agir como isolantes, impedindo o fluxo de calor e aumentando a temperatura local e, quando não se utiliza óleo com detergência adequada, obstruir os filtros e os canais de circulação do óleo de tal maneira que a circulação fica reduzida a proporções perigosas.



Consequências da Contaminação:

À medida que se processar a contaminação do sistema de lubrificação de um motor, acima de um dado valor desta poderão ocorrer uma ou mais das seguintes consequências:

Natureza da contaminação Origem Efeitos

Produtos solúveis e insolúveis da oxidação e deterioração

Combustível e lubrificante Redução da resistência à oxidação, formação de lacas, depósitos e lamas. Aumento da viscosidade do óleo.

Carvão sob a forma de fuligem Combustível Há formação de depósitos quando a quantidade é excessiva.

Pó e impurezas Ar aspirado ou combustível Formação de depósitos e, eventualmente, de lama. Desgaste por abrasão.

Partículas metálicas Desgaste do motor Formação de depósitos ou lamas e oxidação acelerada do óleo.

Combustível Fuga de gases

Fuga no sistema de combustível

Diluição do óleo do cárter. Redução da viscosidade do lubrificante. Enfraquecimento da estabilidade química do lubrificante.

Perigo de explosão no cárter

Água Condensação da humidade do arFuga no sistema de refrigeraçãoFuga no refrigerador de óleo

Ferrugem, emulsionamento, lamas. Diminuição da resistência do óleo à oxidação.

Verifica-se que mesmo o melhor óleo existente não poderá neutralizar os efeitos perniciosos da contaminação de um motor devido a manutenção inadequada e condições de funcionamento adversas.Portanto, é evidente que devemos procurar reduzir ao mínimo a contaminação do lubrificante, para que a operação do motor seja económica.



3 – CICLOS TÉRMICOS

Os ciclos que vamos estudar são ciclos teóricos ou ciclos ideais, isto é, ciclos constituídos por transformações consideradas reversíveis e em que o fluido que é submetido a essas transformações (fluido operante da máquina térmica que funciona segundo o ciclo em questão) é um gás perfeito.Estes ciclos serviram de base, nalguns casos, à construção das próprias máquinas térmicas e constituem uma primeira aproximação ao estudo do funcionamento dessas máquinas.

3.1 – Motores de Ignição por Faísca (IF) – CICLO OTTO

O ciclo Otto, que se encontra representado esquematicamente nos diagramas p-V e T-s da figura seguinte, é constituído pelas seguintes transformações:

I. 1 2 Compressão adiabática (isentrópica);II. 2 3 Introdução de calor a volume constante (isocórica);

III. 3 4 Expansão adiabática (isentrópica);IV. 4 1 Rejeição de calor a volume constante (isocórica)

Fig. 38 – Diagrama p-V e T-s do ciclo Otto

Vamos agora fazer um estudo mais pormenorizado deste ciclo. Para isso recordemos que a Equação de Energia dos Sistemas Fechados é U = Q – W e que a Equação de Estado de um Gás Perfeito é p.V = m.R.T.

1 2 Compressão adiabática (isentrópica)A equação da curva que representa esta transformação no diagrama p-V é:

, sendo .

O valor do trabalho realizado (que é negativo porque, tratando-se de uma compressão, o trabalho é fornecido ao sistema) é:

Revisão 0 – Setembro 2007 Capítulo 3 Pág. 35


O calor transferido é nulo, por se tratar de uma transformação adiabática.A variação de energia interna é, portanto:

2 3 Aquecimento isocórico

Para esta transformação temos:

e também

O trabalho realizado é nulo, por se tratar de uma transformação isocórica.O calor transferido (positivo, por se tratar de um aquecimento) e:

A variação de energia interna é, portanto:

3 4 Expansão adiabática (isentrópica)A equação da curva que representa esta transformação no diagrama p-V é:

O valor do trabalho realizado (que é positivo porque, tratando-se de uma expansão, o trabalho é realizado pelo sistema) é:

A quantidade de calor transferida é nula, por se tratar de uma transformação adiabática.A variação de energia interna é, portanto:

4 1 Arrefecimento isocórico


e também

O trabalho realizado é nulo, por se tratar de uma transformação isocórica.O calor transferido (negativo, por se tratar de um arrefecimento) é:




O trabalho realizado por ciclo (portanto em 2 voltas completas da cambota), sendo a soma das quantidades de trabalho realizadas nas sucessivas transformações que constituem o ciclo (área tracejada do diagrama p-V), é igual a:

e, uma vez que , fica:

O rendimento térmico do ciclo determina-se, como já sabemos, recorrendo à expressão seguinte:

,

sendo neste caso:

Calor fornecido ao sistema por ciclo

Calor rejeitado pelo sistema por ciclo então:

, ou ainda

Por outro lado, para as transformações adiabáticas 1 2 e 3 4 podemos escrever, respectivamente:

e

e, como e , fica:

e, assim, teremos

Esta é a expressão que permite determinar o rendimento térmico do ciclo Otto a partir das temperaturas do fluido operante. Podemos, no entanto, também determinar o referido rendimento utilizando outros valores, nomeadamente a razão (ou taxa) de compressão.



A única compressão que existe neste ciclo é a compressão adiabática 1 2, para a qual:

e, sendo a taxa de compressão , então: , ou seja

Finalmente, se analisarmos esta expressão verificamos que o rendimento térmico do ciclo Otto é função da taxa de compressão e do valor do expoente adiabático. Verificamos também que, para um determinado valor de , o rendimento térmico é tanto maior quanto maior for a taxa de compressão.

O ciclo completo, é o apresentado na figura seguinte:

Fig. 39 – Ciclo Otto completo

I. A B Admissão – PMS PMIII. B D Compressão – PMI PMS (inclui C D combustão)

III. D E Expansão – PMS PMIIV. E A Escape – PMI PMS (inclui E F escape instantâneo, e F A escape impulsionado)

Características:

Combustível vaporizado e misturado com ar na entrada do cilindro (colector de admissão através do carburador ou injectores);

Ignição través de uma descarga eléctrica (faísca) quando o pistão está próximo do PMS (curso de compressão);

Relação ar/combustível aproximadamente constante. A potência de saída do motor é controlada pelo doseamento do caudal de escoamento da mistura através de uma válvula de borboleta situada a montante do carburador. Esta varia a secção de entrada de ar no motor, ou seja, o injector doseia a quantidade de combustível adequada ao caudal de ar que o atravessa;

Como a mistura ar/combustível tem que ser preparada no colector de admissão, com temperatura baixa, limita a utilização de combustíveis gasosos ou combustíveis líquidos voláteis.


P D

C

AEB; F

V


A sequência de acontecimentos num motor IF é a seguinte:

Fig. 40 – Sequência num motor IF

O ângulo da cambota é uma variável independente muito útil, pois o ciclo do motor processa-se na sua maior parte em intervalos de ângulos constantes ao longo de uma grande gama de velocidades.A figura 40 mostra os tempos de abertura e fecho das válvulas, assim como a relação de volumes. Para manter altos caudais (débitos) de mistura com velocidades altas (e com potência de saída elevada) a válvula de admissão, que abre antes do PMS, fecha bastante depois do PMI. Durante a admissão o combustível introduzido e o ar misturam-se no cilindro com uma quantidade de gases residual de gases queimados que restaram no ciclo anterior.Depois da válvula de admissão fechar, o conteúdo do cilindro é comprimido acima da pressão atmosférica e o volume do cilindro diminui.Embora haja alguma transferência de calor para o pistão, cabeça e paredes do cilindro, o efeito produzido sobre as propriedades do gás não queimado é modesto.Entre os ângulos de 10º e 40º antes do PMS, ocorre uma descarga eléctrica dando-se início ao processo de combustão. Desenvolve-se uma chama turbulenta a partir da faísca que se propaga ao longo da mistura e extingue-se na parede da câmara de combustão. A duração é tipicamente entre os 40º e os 60º.

3.1.1 – Exemplos de Motores de Explosão a 4T

Motores de explosão a 4T são os mais variados e os que apresentam uma maior variedade de soluções? Não. Só se pensarmos em automóveis e motos. Na aviação usa-se a turbina a gás.

Veículos automóveis: Potência mais baixa (segurança e conforto) na ordem de 20 kW, com cilindradas totais de cerca de 500 cm3.Por razões de regularidade de binário e vibrações baixas esta capacidade é fraccionada em 2, 3 ou 4, excepto algumas excepções:



4 cilindros 800 cm3 a 2400 cm3; 6 cilindros 2000 cm3 a 4000 cm3; 8 e 12 cilindros 3500 cm3.

Em geral, nos motores de 4 cilindros, estes são dispostos em linha. Existe um bom compromisso entre a compactividade, peso, facilidade de construção, ruído e custo. Nos de 6 cilindros, já surgem em linha ou em “V” a 60º. Os motores em linha apresentam um funcionamento suave e baixo nível de vibrações. É um motor longo, logo com problemas de implantação, a cambota está sujeita a grandes esforços de torção, e existe dificuldade na distribuição do ar e combustível pelos cilindros. Os motores em “V” são bem equilibrados (embora menos que os em linha), são compactos, e o sistema de admissão é mais fácil de optimizar.

3.2 – Motores de Ignição por Compressão (IC) – CICLO DIESEL

O ciclo Diesel, que se encontra representado esquematicamente nos diagramas p-V e T-s da figura seguinte, é constituído pelas seguintes transformações:

Fig. 41 – Diagramas p-V e T-s do ciclo Diesel

I. 1 2 Compressão adiabática (isentrópica);II. 2 3 Introdução de calor a pressão constante (isobárica) – na realidade existe uma fase isocórica e

depois a seguinte é efectivamente isobárica;III. 3 4 Expansão adiabática (isentrópica);IV. 4 1 Rejeição de calor a volume constante (isocórica)

Como se pode verificar este ciclo só difere do anterior na forma como é efectuado o aquecimento, que, no caso do ciclo Otto era a volume constante, enquanto que no caso do ciclo Diesel é a pressão constante.Vamos agora fazer um estudo mais pormenorizado deste ciclo. Assim:






2 3 Aquecimento isobárico


e também

O trabalho realizado (positivo, por se tratar de uma expansão é:

O calor transferido (positivo, por se tratar de um aquecimento) é:

A variação de energia interna é, de acordo com a lei de Joule:








e também



O trabalho realizado por ciclo, sendo a soma das quantidades de trabalho realizadas nas sucessivas transformações que constituem o ciclo (área tracejada do diagrama p-V), é igual a:


Sendo, no caso deste ciclo:

Calor fornecido ao sistema por ciclo Calor rejeitado pelo sistema por ciclo

Então, o rendimento térmico do ciclo fica:

,

E o rendimento térmico do ciclo Diesel em função das temperaturas será:

Podemos ainda expressar o rendimento do ciclo Diesel em função de outros valores, nomeadamente das seguintes taxas (ou razões):

Taxa de compressão ,

Taxa de combustão isobárica



Então, utilizando o mesmo método que foi utilizado para o ciclo Otto, isto é, colocando T1 em evidência no denominador, ficará:

Além disso, já vimos que no aquecimento isobárico:


, e

Dividindo membro a membro as duas expressões anteriores, e fazendo obteremos:

, e então teremos:

Finalmente, se analisarmos esta expressão verificamos que o rendimento térmico do ciclo Diesel é função da taxa de compressão, da taxa de combustão isobárica e também do valor do expoente adiabático. Verificamos também que, para um determinado valor de , o rendimento térmico é tanto maior quanto maior for a taxa de compressão e quanto menor for a taxa de combustão isobárica.Comparando o rendimento deste ciclo com o ciclo de Otto verificamos ainda que, para a mesma taxa de compressão, o rendimento do ciclo Diesel é inferior ao do ciclo Otto.

Verifica-se também que, a execução do ciclo é realizada em 2 cursos completos do êmbolo: do PMI para o PMS o gás usado é expulso; do PMS para o PMI entra ar novo. A descrição do ciclo é a apresentada a seguir.

O êmbolo está no PMS. A válvula de admissão está aberta e o êmbolo começa a deslocar-se para o PMI. O ar é aspirado para a conduta de admissão (primeiro passa no filtro de ar e depois pelo colector de admissão). A pressão dentro do cilindro é mais baixa que a pressão atmosférica. O ar aspirado mistura-se com o gás residual (com temperatura muito elevada). A turbulência e o swirl gerado são muito importantes para a combustão (que virá a seguir). Após atingir o PMI, a válvula de admissão fecha (10º a 50º após).Dá-se o início da compressão. A Temperatura da mistura ar/gás residual sobe, e a turbulência baixa (existem dois tipos de câmara de combustão nos motores Diesel: câmara aberta, com injecção directa, e câmara de pré-combustão, com injecção indirecta). Perto do fim da compressão (em ambos os casos), dá-se um movimento muito forte do ar, provocando elevada turbulência. O combustível é injectado imediatamente antes do PMS, na fase líquida (em gotículas). Este líquido vaporiza-se parcialmente misturando-se com o ar quente, e esta mistura acaba por se inflamar. A temperatura vai subir muito, e todo o combustível que continua a ser injectado sofre o mesmo, embora agora mais rapidamente. Quer isto dizer, que a combustão é controlada: através da mistura gasosa e da taxa de injecção de combustível. Resumindo, no final da combustão existe elevada temperatura, assim como elevada turbulência; o combustível é injectado finamente e bem dividido, e existirá excesso de ar na queima de forma a queimar todo o combustível.



Atraso à IgniçãoExistem dois tipos de atrasos: físico e químico. Dado que o combustível demora algum tempo a vaporizar e a misturar-se com o ar, temos o atraso físico. Pelo facto do mesmo combustível demorar algum tempo a auto-inflamar-se temos o atraso químico. O conjunto destes atrasos é o atraso à inflamação. De forma a compensar estes atrasos, a injecção deve dar-se antes do PMS, designado por avanço à injecção

Fig. 42 – Sequência durante a compressão, combustão e expansão



Fig. 43 – Sequência durante a expansão, admissão e compressão

3.2.1 – Exemplos de motores Diesel a 4T

Motores rápidos: velocidades de rotação inferiores a 1500 rpm, baixa relação peso/potência, potências específicas elevadas, dimensões elevadas, dimensões reduzidas, combustível de boa qualidade. Utilizam-se em veículos automóveis e embarcações de média dimensão.

Motores médios: funcionam entre 600 e 1500 rpm, e debitam potências mais elevadas que os anteriores. Utilizam-se na motorização ferroviária e embarcações rápidas.

Motores lentos: são motores de grandes dimensões. Utilizam-se, por norma em instalações fixas ou na propulsão naval, possuindo velocidades inferiores a 450 rpm. Utilizam combustíveis de baixa qualidade, e por norma operam com ciclos a 2T.



3.3 – Motores com CICLO MISTO (ou ciclo SABATHÉ)

O ciclo Misto encontra-se representado esquematicamente nos diagramas p-V e T-s da figura seguinte:

Fig. 44 – Diagramas p-V e T-s do ciclo Misto

O ciclo Misto é constituído pelas seguintes transformações:

I. 1 2 Compressão adiabática (isentrópica);II. 2 3 Aquecimento isocórico;

III. 3 4 Aquecimento isobárico;IV. 4 5 Expansão adiabática (isentrópica);V. 5 1 Arrefecimento isocórico

Como se pode verificar este ciclo só difere dos anteriores na forma como é efectuado o aquecimento, sendo uma parte a volume constante e outra parte a pressão constante.Vamos agora fazer um estudo mais detalhado deste ciclo, sem esquecer que o fluido operante é um gás perfeito. Assim:






2 3 Aquecimento isocóricoPara esta transformação temos:

e também

O trabalho realizado é nulo, por se tratar de uma transformação isocórica.O calor transferido (positivo, por se tratar de um aquecimento) e:


3 4 Aquecimento isobárico


e também

O trabalho realizado (positivo, por se tratar de uma expansão é:

O calor transferido (positivo, por se tratar de um aquecimento) é:

A variação de energia interna é, de acordo com a lei de Joule:








e também



O trabalho realizado por ciclo, sendo a soma das quantidades de trabalho realizadas nas sucessivas transformações que constituem o ciclo (área tracejada do diagrama p-V), é igual a:


Sendo, no caso deste ciclo:

Calor fornecido ao sistema por ciclo

Calor rejeitado pelo sistema por ciclo

Então, o rendimento térmico do ciclo fica:

,

ou seja:

Sendo esta a expressão do rendimento térmico do ciclo Misto em função das temperaturas. A influência das taxas sobre o valor do rendimento do ciclo Misto, é a seguinte:

Taxa de compressão ,



Taxa de combustão isocórica

Taxa de combustão isobárica

Utilizando basicamente o mesmo método que foi utilizado para os ciclos anteriores, ou seja, colocando T1 em evidência no numerador, T2 em evidência no denominador e ainda, neste caso, T3 em evidência na segunda parcela do denominador, a expressão do rendimento ficará:

Além disso, já vimos que no aquecimento isocórico:

e vimos também que no aquecimento isobárico:


, e

Dividindo membro a membro as duas expressões anteriores, e fazendo e obteremos:

Então, substituindo, teremos:

Donde se conclui que o rendimento térmico do ciclo Misto é função da taxa de compressão, da taxa de combustão isocórica e da taxa de combustão isobárica, para além do valor do expoente adiabático. Podemos também verificar que, em condições de igualdade de taxa de compressão, o ciclo Misto tem um rendimento térmico que se situa entre os dos ciclos Otto e Diesel.

3.4 – Motores de Carga Estratificada



São motores de combustão interna híbridos, que combinam os melhores aspectos do IF e do IC. Os objectivos passam por um motor que opere próximo da taxa de compressão óptima:

I. Injecção de combustível directamente na câmara de combustão durante o processo de compressão (evitando o problema de ignição espontânea que limita os motores de IF com a pré-mistura).

II. Ignição do combustível conforme se mistura com o ar com uma vela de ignição de forma a termos o controlo directo do processo de ignição (e evitar o requisito de qualidade da ignição dos Diesel).

III. Controlo da potência do motor através da variação da quantidade de combustível injectada por ciclo (com o fluxo de ar laminar de forma a minimizar o trabalho realizado durante a admissão de uma carga de frescos no cilindro).

São assim designados pela necessidade de produzir no processo de mistura combustível/ar, uma mistura estratificada de combustível/ar, com uma composição facilmente iniciável pela faísca no tempo de ignição.Os modelos mais bem sucedidos deste tipo de motor recorrem a um ciclo de 4T com injecção directa. O motor pode ser turboalimentado, de forma a aumentar a potência.De forma a evitar o fenómeno da detonação, apenas o ar é comprimido (Diesel) e funciona com cargas parciais (IF)



4 – PARÂMETROS DE PROJECTO E OPERAÇÃO DOS MOTORES ALTERNATIVOS

4.1. Características Importantes

I. A performance do motor em relação ao campo de aplicação;II. O consumo dentro do campo de operação e o custo do combustível utilizado;

III. O ruído e emissões de gases poluentes dentro do campo de operação;IV. O custo do motor e de instalação;V. Fiabilidade, durabilidade, custos de manutenção e as consequências em termos de disponibilidade para o

trabalho.

Definições de performance habitualmente utilizadas:

Potência máxima nominal trabalho instantâneo, isto é, a maior potência que um motor é capaz de desenvolver para curtos períodos de operação.

Potência nominal trabalho contínuo.

Velocidade nominal rotações à potência nominal.

4.2. Propriedades Geométricas

Fig. 45 – Propriedades geométricas de um motor

Razão de compressão - Motores IF 8 a 12

Motores IC 12 a 14


(L)

( )

( ) (B)

(S) (l)

(a)


Relação diâmetro-curso - (= 1, motores quadrados)

Motores pequenos e médios 0,8 < Rbs < 1,2Motores grandes 0,5 = Rbs

Relação raio da cambota-comprimento da biela - (a – braço da cambota)

Motores médios e pequenos (compactos e leves) 3 < R < 4Motores grandes (menor consumo de combustível) 5 < R < 9

Se = 45º atrito máximo

L = 2.a, se o eixo do cilindro for concorrente com o eixo da cambota.

O volume do cilindro para qualquer ângulo é dado por:

Mas, , então:

, mas:

; , substituindo:

com e , temos

A área da câmara de combustão para qualquer posição de é:Revisão 0 – Setembro 2007 Capítulo 4 Pág. 52


Ach área da cabeça do cilindro

Ap área da cabeça do pistão (para pistões de cabeça achatada,

A velocidade média do êmbolo (8 a 15 m/s) pode ser dada por:

, sendo N a velocidade de rotação da cambota

A velocidade instantânea:

Fig. 46 – Curva da velocidade ao longo do curso do pistão

4.3. Binário e Potência ao Freio

Normalmente utiliza-se um dinamómetro para medir o binário do motor ( ), sendo F a força aplicada e b, o braço. A potência gasta pelo motor e absorvida pelo dinamómetro é:

P[W]; N[rps]; T[N.m]

Nota: Binário é uma medida da “habilidade” de um motor em realizar trabalhoPotência é a taxa a que esse trabalho é feito

O valor da potência do motor medida de acordo com o que foi designado atrás, designa-se por potência ao freio, Pb. Esta potência é a potência útil gasta pelo motor para o carregamento, que neste caso é o “freio”.

4.4. Trabalho Indicado por Ciclo, Wc,i


0º 90º 180º PMS PMI


Utiliza-se os valores da pressão do gás ao longo do ciclo de operação do motor para calcular a transferência de trabalho do gás para o pistão. Recorre-se aos diagramas p-V. O trabalho indicado por ciclo, Wc,i (por cilindro) é obtido da integração da curva:

Fig. 47 – Ciclo térmico “real” a 4 tempos

Outras Definições:

Trabalho bruto indicado por ciclo: Wc,ig trabalho gasto pelo pistão ao longo do curso de compressão e expansão

Trabalho líquido indicado por ciclo: Wc,in trabalho gasto pelo pistão ao longo do ciclo de 4 tempos

B+C é a transferência de trabalho entre o pistão e os gases do cilindro durante o curso de admissão e escape (Wp – trabalho de bombagem).

A transferência de trabalho de bombagem é para os gases do cilindro se durante o curso de admissão for menor que a pressão durante o curso de escape (num motor normalmente aspirado).

A transferência de trabalho de bombagem será dos gases para o pistão se a pressão de escape for menor que a pressão atmosférica (motores turboalimentados).

A potência por cilindro relaciona-se com o trabalho indicado por ciclo da seguinte forma:


P

W>0

A

CB

W<0

Vmin Vmáx VPMS PMI


,

sendo nR o número de rotações da cambota para cada ciclo de potência do motor, por cilindro.

4T 2T

Esta, é diferente da potência ao freio pela potência absorvida na fricção do motor, acessórios de condução do motor, e da potência de bombagem. Outra forma de a estimar é:

Estes parâmetros são utilizados na descrição de outros, tais como, pressão média efectiva, consumo específico de combustível, emissões específicas, etc.. Portanto, parte desta potência (Pi) é usada para expelir gases queimados e receber mistura fresca (trabalho de bombagem).

4.5. Rendimento Mecânico

A relação entre a potência ao freio (útil) e a potência indicada, é o rendimento mecânico, m.

Os valores característicos são:

90% com 1800 < N < 2400 rpm75% com N à velocidade máxima.

4.6. Potência Resistente de Rolamento em Estrada

Serve como referência para testes em automóveis, pois é a potência necessária para manter um veículo a uma velocidade constante numa estrada nivelada. Esta potência resulta da Resistência de Rolamento resultante do atrito dos pneus e do coeficiente de forma aerodinâmico do veículo, ou seja, CR e CD.

, onde:

CR Coeficiente de resistência de rolamento (0.012 < CR < 0.015)3

MV Massa do veículo (para veículos de passageiros: Mvazio +Mpassageiros

a Densidade do ar (em condições T = 15 ºC; P = 1013,25 kPa; = 0; a = 1225 kg/m3

CD Coeficiente de forma [em veículos: (0,3 < CD 0,5)3] AV Área frontal do veículo SV Velocidade do veículo

Então, vem:



Fig. 48 – Curva da potência de rolamento vs velocidade

Exemplo:MV = 880 kgCX = CD = 0,34SCX = CD.AV = 0,605 m2CR = 0,0135SV = 190 km/h = 52,777 m/s

kW

4.7. Pressão Média Efectiva, p.m.e., ou m.e.p. (pme, ou mep)

Para melhor avaliar o desempenho do motor e poder comparar com outros, não necessariamente com a mesma cilindrada, interessa recorrer a parâmetros normalizados que não dependam das dimensões do motor. Portanto, a capacidade de realização de trabalho de um motor pode ser dada pelo cociente entre o trabalho por ciclo e a cilindrada do motor.

[Pa]


Potência Rolamento

Velocidade [km/h]

Potê

ncia


p.m.e. bruta, indicada por ciclo:

p.m.e. líquida, indicada por ciclo:

p.m.e. útil, indicada por ciclo:

____________________

Problema 4.1Um motor de 4 cilindros IF está a ser concebido para produzir um binário ao freio de 150 N.m a 3000 rpm. Estime a cilindrada, diâmetro, curso e potência máxima ao freio que o motor produzirá. Considere bmep = 925 kPa.____________________

4.8. Consumo Específico e Rendimento (rendimento de conversão de combustível)

O consumo de combustível é medido como uma taxa de escoamento de caudal mássico, . Uma forma de

interpretar o desempenho de um motor, é o consumo específico, sfc.

, sendo o caudal mássico em g/s e a potência em kW.

ou,

Obviamente que são desejáveis baixos valores do consumo específico. Os valores característicos do sfc ao freio são:

Motores IF 75 g/J = 270 g/kWhMotores IC 55 g/J = 200 g/kWh

Portanto, o sfc é uma grandeza dimensional, mas um parâmetro adimensional, que relacione a saída desejada (trabalho por ciclo ou potência) com a entrada necessária (fluxo de combustível) terá maior valor e mais fundamental.

A razão entre o trabalho efectuado por ciclo e a quantidade de energia máxima que o combustível fornecido pode libertar é utilizado para este efeito, sendo designado por rendimento do motor ou rendimento de conversão de combustível, f.

,



Onde mf é a massa de combustível introduzida por ciclo.

,

sendo os valores característicos dos combustíveis (hidrocarbonetos: 42 a 44 MJ/kg.

Nota: sfc é inversamente proporcional a f. QHV varia entre 42 e 44 MJ/kg, porque depende da relação CaHb.

O hidrogénio tem um calor específico de 120 MJ/kg, mas é muito instável.

____________________

Problema 4.2Considere que se pretende construir um motor a gasolina 4T, de 2000 cc, 130 CV e 4 cilindros. Suponha que:

Razão de compressão (taxa)

Relação diâmetro-curso, 1,2

Velocidade média do êmbolo, 13 m/s m/sCoeficiente de resistência ao rolamento CR = 0,012Massa do veículo, 1500 kgNúmero de passageiros, 5Massa específica do ar, kg/m3

Coeficiente de forma CD = 0,4Área frontal do veículo, 2 m2

Potência calorífica do combustível, 44 MJ/kg

Consumo de combustível kg/h

Determine:1. Potência Média Efectiva;2. Curso dos êmbolos;3. Volume da câmara de combustão, por cilindro;4. Consumo específico de combustível;5. Rendimento total do motor;6. Potência resistente ao rolamento em CV, se o veículo se deslocar à velocidade de 200 km/h. Fazer um

gráfico demonstrativo e elucidativo.7. Conclusões.

Problema 4.3Um motor 4T, IF, pretende-se que apresente um consumo de combustível menor que 0,2 litros/100 km, à velocidade de 100 km/h, e o motor roda a 2600 rpm. O veículo transporta 2 passageiros com 70 kg cada. Outras características:

Rendimento (transmissão), 0,8Relação L/B, 1,045Consumo específico ao freio, bsfc = 270 g/kWh



Massa do veículo, 40 kgCD, 0,13Área frontal, 0,44 m2

CR, 0,0045Peso específico da gasolina, 750 g/lQHV, 44,4 MJ/kgPeso específico do ar, 1,225 kg/m3

bmep = 460 kPa

Verifique se o motor cumpre o objectivo traçado.

Problema 4.4O rendimento de conversão de combustão ao freio de um motor IF é 0,3, e varia um pouco com o tipo de combustível utilizado. Calcule o consumo específico ao freio para a gasolina, metanol, isoctano e hidrogénio e, g/kWh.Dados de QHV:

Gasolina: 44 MJ/kgMetanol: 20 MJ/kgIsoctano: 44,3 MJ/kgHidrogénio: 120 MJ/kg

____________________

4.9. Relação ar-combustível e combustível-ar

e , e estequiométricos

Na combustão, a relação estequiométrica é dada por:

, então:

ou seja, é função somente de . Em relações normais estequiométricas, temos . Ou seja, os

valores obtidos dependem da riqueza e diluição da mistura:



riqueza: diluição:

Nos motores IF: ;

Nos motores IC: ;

Rendimento da combustão

Fig. 49 – Rendimento da combustão vs riqueza da mistura

4.10. Rendimento Volumétrico, Parâmetros de Correcção

O sistema de admissão: filtro de ar, carburador, válvula de borboleta (num motor IF), abertura das válvulas de admissão e válvulas de admissão oferecem uma certa resistência ao escoamento do ar, limitando desta forma a quantidade que chega ao motor. De forma a medir a eficiência do processo de admissão de um motor recorre-se ao rendimento volumétrico, V. Este parâmetro só é utilizado em motores 4T.

, com ma a massa de ar por ciclo.

Os valores característicos do rendimento volumétrico para motores normalmente aspirados é de 80 a 90%. Nos motores IC, este rendimento é ligeiramente superior aos IF.


IF

IC

1

0,9 1 1,6


,

permite-nos em conjunto com o peso específico, verificar o sucesso do projecto em termos de peso-volume ocupados.

Factor de Correcção para a Potência

Fig. 50 Factor de correcção da Potência com a altitude

, e , com:

Ps,d Pressão standard do ar secoPm Pressão medidaPv,m Pressão do vapor de águaTm Temperatura medidaTs Temperatura standard

Pb pressão ao freioPi pressão indicada

Pf potência de atrito

, sendo:m – medidos - standard

Factor de correcção do rendimento:


P

= 1

= 0,8

1000 2000 Altitude


,

A atmosfera padrão (ISA) considera o ar sem qualquer humidade – ar seco. A humidade relativa é:

, sendo pv, a pressão de vapor.

____________________

Problema 4.5Um motor de IF opera a uma velocidade média do êmbolo de 10 m/s. O caudal mássico de ar medido é de 60 g/s. Calcule o rendimento volumétrico baseado em condições atmosféricas. O motor é de 4 cilindros, os êmbolos têm um diâmetro de 87,5 mm com um curso de 92 mm.____________________

4.11. Parâmetros que Caracterizam a Eficiência do Processo de Lavagem em Motores a 2T

Os parâmetros que caracterizam a admissão nos motores 4T não podem ser aplicados aos motores 2T. Nos motores a 2T os gases frescos não são aspirados pelo cilindro, mas fornecidos sob pressão no final da fase de escape até ao início da compressão. Este processo que se designa por lavagem não consiste apenas no fornecimento de mistura fresca ao motor, mas também na remoção dos gases queimados que permaneceram no cilindro no final da expansão. Recorre-se aos seguintes parâmetros para descrever o processo de lavagem:

A massa de referência pode ser dada por:

A eficiência de retenção, é dada por:

O rendimento de lavagem, vem então dado pela expressão seguinte, e indica qual a extensão dos gases residuais que foram substituídos pelos gases frescos:

A pureza da carga (grau de diluição dos gases queimados na mistura fresca, vem dada por:



Finalmente, o rendimento do enchimento:

Nota:, se a massa de referência (utilizada em ) for considerada como a massa armazenada no

cilindro, mtr, e

4.12. Emissões Específicas e Índices de Emissões

Os níveis de emissões poluentes são características importantes do funcionamento dos motores. Por exemplo, NO, NO2, NOx, CO, HC, partículas. A título ilustrativo, a tabela seguinte mostra a concentração das emissões gasosas em ppm e as respectivas correspondências:

12% H2O 0,12 120.000 ppm

0,1% CO 0,01 10.000 ppm

Os indicadores padrão são as emissões específicas e os índices de emissões

Emissões Específicas: caudal mássico do composto poluente por unidade de potência debitada pelo motor.

, (CO, HC, partículas), e podem ser as indicadas, ou ao freio [g/j]; [g/kWh].

Índice de Emissões: caudal mássico do composto poluente por unidade de caudal mássico de combustível.

.

4.13. Relação entre os Parâmetros de Performance

a) Motores a 4T



Potência: , onde

f rendimento do combustívelma massa de arN velocidade de rotaçãoQHV poder calorífico do combustívelF/A relação combustível-arnR número de rotações do motor

O parâmetro QHV, está relacionado com a relação H/C, dos hidrocarbonetos existentes no combustível. A melhor relação é CH4:

H H

H C C H

H H

no entanto, o hidrogénio possui QHV = 120 MJ/kg, e os hidrocarbonetos 42 a 44 MJ/kg.

Para motores a 4 tempos, o rendimento volumétrico é: , sendo Vd o volume deslocado de ar, e ,

a massa de ar que entraria no cilindro em livre circulação. Então, a potência vem dada por:

, e por outro lado,

, logo, o mesmo torque ver dado por:

Pretende-se que a relação F/A seja máxima, pois quando ultrapassa a relação estequiométrica, nR começa a diminuir. A relação F/A altera-se quando se instala por exemplo um intercooler, ou um turbocompressor.


P

(a)

(b) T2

PV = cte

T1

T


Fig. 51

(a) descida da temperatura provocada por um permutador

(b) Pv = cte. Devido à compressão, a temperatura sobe (turbocompressor)

Pressão média efectiva:

A potência específica é dada por .

, sendo L o curso, Ap, a área do êmbolo, e ncilindro, o número de cilindros.

Mas a velocidade média do êmbolo pode ser introduzida na expressão, pois,

; , e portanto:

.

Para valores de velocidade muito elevados surgem outros problemas: atrito no cilindro, inércia na cambota, problemas de manutenção, etc..Estas relações ilustram a importância da performance do motor:

Rendimento de conversão do combustível; Rendimento volumétrico; Aumento da saída de um dado deslocamento do motor através do aumento da densidade do ar de entrada; Máxima relação combustível-ar que pode ser eficazmente queimada no motor; Alta velocidade média do êmbolo.

b) Motores a 2T



Nos motores a 2T, as expressões dos parâmetros variam apenas no número de rotações que a cambota necessita para completar um ciclo de potência, isto é, nR = 1, e na eficiência do enchimento do cilindro ser traduzida pelo rendimento de lavagem, sc. Assim:

.

Para o binário,

;

O consumo específico está relacionado com o rendimento de conversão de combustível:

A potência específica é dada por:

.

Assim, temos:

Alta eficiência de conversão de combustível; Alta eficiência de expulsão ; Alta densidade do ar de admissão; Alta velocidade média do motor;

pode ser queimada no motor.

4.14. Dados de Projecto e Desempenho dos Motores

Na avaliação da qualidade do projecto dum motor, ou na análise comparativa de motores é mais útil considerar parâmetros normalizados de desempenho, que não dependam das dimensões do motor.Consideram-se os seguintes parâmetros de desempenho nos pontos que se indicam.

1 – Potência nominal normal ou máximo

Velocidade média do êmbolo: avalia a capacidade do motor em vencer a inércia e o atrito dos seus componentes.

Pressão média efectiva ao freio: em motores naturalmente aspirados a bmep não é limitada pela tensão. Reflecte o produto do rendimento volumétrico (habilidade na introdução do ar), relação combustível-ar (eficiência da utilização do ar na combustão) e rendimento de conversão de combustível. Em motores sobrealimentados a bmep .indica o grau de sucesso no manuseamento de gases a altas pressões e sobre carregamento térmico.



Potência por unidade de área do pistão: mede a eficiência na utilização da área do pistão, de acordo com a dimensão do cilindro.

Peso específico: indica a relativa economia com a qual os materiais são usados.

Volume específico: indica a relativa eficiência com a qual o espaço do motor é utilizado.

2 – Em todos os regimes de velocidade a que o motor vai ser solicitado com a válvula de borboleta totalmente aberta ou com injecção máxima

bmep: mede a habilidade em obter/fornecer um alto escoamento de ar e utilizá-lo de forma eficiente sob uma grande gama de operação. Portanto, avalia o rendimento volumétrico do sistema de admissão.

3 – Em todos os regimes úteis de funcionamento, e em particular naqueles em que o motor trabalha por longos períodos de tempo

Consumo específico ao freio ou rendimento de conversão de combustível; Emissões específicas ao freio.

____________________

Problema 4.6Um motor diesel opera com uma velocidade média do êmbolo de 8 m/s. Calcule o caudal mássico de ar se o

rendimento volumétrico for 0,92. Se , qual é o caudal mássico de combustível e a massa de

combustível injectada por cilindro e por ciclo? Dados:Nº de cilindros: 6B = 125 mmL = 136 mm

Problema 4.7Efectuar o projecto preliminar de um motor de IC de ciclo de 4T sobrealimentado, com uma sobrelimentação de 2,5 e usando intercooler para desenvolver uma potência de 600 kW. Calcule:

a) B, L, nº de cilindros, N para a potência máxima e relação de compressão.b) Determinar o binário máximo e a rotação a que este se obtém.c) Consumo específico máximo.

Problema 4.8Está a projectar um motor Diesel de ciclo 4T para produzir uma potência ao freio de 300 kW na sua velocidade máxima nominal, sendo o motor atmosférico. Baseado na pressão média efectiva ao freio e a máxima velocidade do êmbolo, estime a cilindrada do motor, o diâmetro, o curso e o nº de cilindros para uma geometria razoável. Qual é a velocidade máxima nominal que escolhe para o projecto? Qual o binário ao freio e o consumo de combustível a esta velocidade máxima? Considere que a máxima velocidade média de 12 m/s é típica de bons projectos.____________________



Fig. 52 – Tabela do design de motores




Fig.

53

– Ta

bela

repr

esen

tativ

a da

per

form

ance

dos

mot

ores


5 – TERMOQUÍMICA DAS MISTURAS AR-COMBUSTÍVEL

5.1 – A Combustão

5.1.1 - Generalidades

Os elementos químicos de uma substância combustível são: Carbono, Hidrogénio e Enxofre. Este último é pouco importante como fonte de calor, mas tem elevada importância pois origina produtos corrosivos e contaminantes. As reacções de combustão são:

C + O2 CO2 + 89 018 Kcal

2H2 + O2 2H2O + 125 490 Kcal

S + O2 SO2 + 80 000 Kcal

O ar é a fonte de Oxigénio necessário para a combustão no interior das Caldeiras.

O objectivo de uma combustão é produzir a máxima quantidade de calor, de acordo com o poder calorífico do combustível, minimizando as perdas por combustão imperfeita e por excesso de ar. Para se conseguir uma boa combustão requerem-se os seguintes factores (entre outros):

Temperatura suficientemente alta para que os constituintes entrem em ignição; Suficiente quantidade de ar comburente; Grau de mistura e turbulência adequados para que o ar e o combustível tenham um bom contacto

superficial; Tempo necessário para o desenrolar de uma combustão perfeita.

5.1.2 - O Processo

Uma vez iniciada a inflamação, o processo autoalimenta-se se a acumulação de calor na mistura de combustível é mais rápida que a difusão de calor no meio que o rodeia. Portanto, tecnicamente considera-se que o processo de combustão tem lugar quando a velocidade de oxidação é suficientemente grande para que se auto-alimente. No caso específico de carvão, as suas moléculas alteram-se antes da inflamação devido ao fenómeno de pirólise, no qual o oxigénio não contacta directamente todo o carvão, senão com os produtos gasosos libertados pelo calor aplicado à sua superfície. Assim, durante o processo de combustão do carvão separam-se, em primeiro lugar, a água e os gases ocultos na estrutura física das partículas de carvão. Seguidamente libertam-se os radicais menos ligados às moléculas, sendo depois rompidas as ligações mais fortes, dando lugar a moléculas mais pequenas.

Finalmente produzem-se reacções entre os compostos relativamente sensíveis com o oxigénio comburente. Estas reacções nem sempre dão lugar a produtos totalmente saturados com oxigénio, quer dizer, a produtos de combustão completa. Se o contacto superficial é suficiente e se junta o oxigénio necessário para uma combustão completa, tendo em conta a mistura e a temperatura de inflamação, chegar-se-á aos produtos finais de uma combustão completa.

Esta combustão pode ser visível, se existir chama luminosa, ou não. A luminosidade deve-se à incandescência das partículas do carvão elementar resultante da pirólise dos hidrocarbonetos e das matérias voláteis. Então, a luminosidade de uma chama é proporcional à riqueza do combustível nestas matérias.



5.2 - A Combustão com Ar

5.2.1 - Generalidades

Para queimar uma determinada quantidade de combustível, até ao máximo grau de oxidação, deve intervir na reacção uma determinada quantidade de oxigénio (teórico), pois todas as reacções se produzem em função das relações exactas entre o número de moles das substâncias envolvidas. O oxigénio teórico necessário para a combustão retira-se da atmosfera, na qual este se encontra misturado com outros gases. Dever-se-á então calcular a quantidade de ar necessário a utilizar para a combustão estequiométrica do combustível (ar teórico).

5.2.2 - Composição do Ar

A tabela seguinte indica a composição média do ar seco.

Ar seco(constituintes) % volume % massa

MassaMolecular

Oxigénio 20,99 23,19 31,9988Azoto 78,03 75,47 28,0134Árgon 0,94 1,30 39,9480

Dióxido de Carbono 0,03 0,04 44,0099Hidrogénio 0,01 0,00 2,0159

Composição média do Ar Seco

O vapor de água é o componente que varia em limites mais alargados, sendo medido por valores de humidade relativa. Sem erro apreciável nos cálculos de combustão, considera-se que o ar é formado por 79 % de Azoto e 21 % de Oxigénio, em volume. O Dióxido de Carbono e o Árgon são os outros elementos de maior importância, mas comportam-se da mesma forma que o Azoto na combustão.

Tendo em conta que uma mole de N2 ocupa o mesmo volume que uma mole de O2, às mesmas condições de pressão e temperatura, as suas relações volumétricas no ar são iguais às suas relações molares. Quer dizer:

logo, por cada mole de O2 existirão 3,7619 moles de N2.

A relação em peso obtém-se multiplicando a relação molar pela relação entre os pesos correspondentes (moléculas-grama):

logo, por cada grama de O2 existirão na atmosfera 3,2934 gramas de N2. O conteúdo em percentagem de peso será então:

% em peso de O2



% em peso de N2

5.2.3 - Determinação do Ar Teórico (Estequiométrico)

Ao determinar o oxigénio necessário para qualquer processo de combustão é necessário ter em conta o azoto, que apesar de inerte, acompanha sempre as reacções:

Combustão do Carbono no Ar

C + O2 + 3,7619 N2 CO2 + 3,7619 N2 + 89 018 Kcal

12,01078 Kg (C) + 31,99886 Kg (O2) + 3,7619x28,01348 Kg (N2) 44,00964 Kg (CO2) + 3,7619x28,01348 Kg (N2)

Utilizando apenas as massas atómicas e dividindo por 12,01078, temos:

1 (C) + (2,6642 + 8,7741) (ar) 3,6642 (CO2) + 8,7741 (N2) + 7 412 Kcal

O ar necessário à combustão de 1 Kg de carbono é igual a 11,4383 Kg (2,6642 + 8,7741).

Quando existe falta de oxigénio, a reacção química é:

2 C + O2 + 3,7619 N2 2 CO + 3,7619 N2 + 53 502 Kcal

24,02156 Kg(C) + 31,99886 Kg(O2) + 3,7619 x 28,01348 Kg(N2) 56,02042 Kg(CO) + 3,7619 x 28,01348 Kg(N2)

Utilizando apenas as massas atómicas e dividindo por 24,02156 temos:

1 Kg(C) + 1,3321 Kg(O2) + 4,3870 Kg(N2) 2,3321 Kg(CO) + 4,3870 Kg(N2) + 2227 Kcal

Por sua vez o CO, pode combinar-se novamente com o oxigénio:

2 CO + O2 2 CO2 + 124 552 Kcal

56,02042 Kg (CO) + 31,99886 Kg (O2) + 3,7619x28,01348 Kg (N2) 44,00964 Kg (CO2) + 3,7619x28,01348 Kg (N2)

2,3321 Kg (CO) + 1,3321 Kg (O2) + 4,3870 Kg (N2) 1,8321 Kg (CO2) + 4,3870 Kg (N2) + 5185 Kcal

De notar que a soma da energia das reacções parciais é igual à energia da reacção total completa:

2 227 Kcal + 5 185 Kcal = 7 412 Kcal

Combustão do Hidrogénio no Ar

2 H2 + O2 + 3,7619 N2 2 H2O + 3,7619 N2 + 125 490 Kcal



4,03176 Kg (H2) + 31,99886 Kg (O2) + 3,7619x28,01348 Kg (N2) 36,03062 Kg (H2O) + 3,7619x28,01348 Kg (N2)

1 Kg(H2) + (7,9367+26,1384) Kg(ar) 8,9367 Kg (H2O) + 26,1384 Kg (N2) + 31 125 Kcal

O ar necessário à combustão de 1 Kg de hidrogénio é 34,0751 Kg.

Combustão do Enxofre no Ar

S + O2 + 3,7619 N2 SO2 + 3,7619 N2 + 80 000 Kcal

32,06666 Kg (S) + 31,99886 Kg (O2) + 3,7619x28,01348 Kg (N2) 64,06552 Kg (SO2) + 3,7619x28,01348 Kg (N2)

1 Kg (S) + (0,99788 + 3,2864) Kg (ar) 1,99788 Kg (SO2) + 3,2864 Kg (N2) + 2 495 Kcal

O ar necessário à combustão de 1 Kg de enxofre é 4,2843 Kg.

Ar Estequiométrico

Vamos supor que o hidrogénio disponível para a combustão é o correspondente à massa deste combustível existente na amostra de carvão e não combinado com o oxigénio sob a forma de humidade inerente ao combustível. Em princípio o pré-aquecimento da mistura ar/carvão é suficiente para libertar quase a totalidade dessa humidade.Através da fórmula química da água (H2O), sabemos que o oxigénio (massa atómica 15,99943) se combina com o hidrogénio (massa atómica 1,00794), na proporção de 16 partes em peso de oxigénio para 2 partes de hidrogénio, ou seja:

15,99943/1,00794/2 = 7,9367

Se representarmos por H a totalidade de hidrogénio disponível na combustão será igual à diferença entre H e O/7,9367, ou seja:

H’ = H - O/7,9367

O ar estequiométrico para a queima de 1 Kg de combustível, vem assim dado por:

Na fórmula anterior C, H, O e S representam, respectivamente, as massas de carbono, hidrogénio, oxigénio e enxofre, em Kg, por Kg de combustível.Em volume:

m3 (densidade do ar seco é 1,293 Kg/m3)

5.2.4 - Produtos da Combustão



A composição dos gases depende do tipo de combustível utilizado, da relação ar/combustível e das condições em que se efectua a combustão (maior ou menor percentagem de inqueimados). Normalmente, os gases contêm CO2 , CO, O2 , N, Carbono livre, cinzas, vapor de água e SO2 . A maioria destes produtos são invisíveis.A presença de CO indica que a combustão não é perfeita pelo que a atenção de quem procede à afinação da queima, deve-se concentrar especialmente na redução deste composto, ou no aumento da quantidade de CO2 .A presença de compostos de azoto dão origem à formação de diversos óxidos nítricos, extremamente poluentes, assim como a presença de SO2 e SO3 .

5.3. Motores de Combustão Interna

A combustão da mistura combustível-ar, dentro do motor, controla:

Rendimento; Potência; Emissões.

A combustão da mistura combustível-ar nos motores IF é diferente no caso dos motores IC.

O processo de combustão é uma reacção exotérmica na fase gasosa e extremamente rápida, onde o oxigénio é normalmente um dos reagentes.

Combustão nos motores de IFO combustível é misturado com o ar no sistema de admissão do motor. De seguida, devido a uma descarga eléctrica, dá-se início ao processo de combustão – a chama desenvolve-se desde o “núcleo” criado pela descarga da faísca e propaga-se através do cilindro até às paredes da câmara de combustão (onde é extinta).

Combustão nos motores de ICO combustível é injectado no cilindro, com ar que se encontra a Pressão e Temperatura elevadas, próximo do fim da compressão. A auto-ignição ou ignição automática de porções da mistura combustível-ar, já injectado e vaporizado, dá origem ao início do processo de combustão (pois o ar está quente).

5.3.1. Caracterização das Chamas

Uma chama é um reacção de combustão, na qual o seu movimento relativamente ao gás que não chegou a arder é uma das características mais importantes.As chamas são normalmente classificadas de acordo com as seguintes características:

O combustível e o oxidante são misturados uniformemente (pré-mistura, no caso dos motores IF); Se os reagentes não são pré-misturados e devem misturar-se na mesma região onde tem lugar a reacção,

chama-se difusão, que é o caso dos motores IC.

A IF convencional é uma chama turbulenta, pré-mistura e instável, onde a mistura combustível-ar através da qual a chama se propaga, dá-se no estado gasoso.A IC é predominantemente uma chama difundida, turbulenta e instável, onde o combustível está inicialmente no estado líquido.

a) Modelo do Gás Perfeito



As espécies químicas que fazem trabalhar o fluido na combustão interna dos motores, por exemplo, oxigénio, nitrogénio, vapor de água, vapor de combustível, dióxido de carbono, etc., podem normalmente ser tratados como gases perfeitos:

b) Composição do Ar e Combustíveis

O ar seco é caracterizado por ser uma mistura de gases cuja composição em termos de fracção volúmica é de 20,96% de O2, 78,09% de N2, 0,93% de Ar (árgon), e uma quantidade mínima de CO2, Ne He, etc.. A tabela seguinte mostra as proporções relativas dos maiores constituintes do ar seco.

Gás Peso Molecular [kg/Kmol]

Fracção Molar Relação Molar

O2 31,998 0,2095 1N2 28,012 0,7905 3,773Ar 38,948

CO2 40,009Ar Seco 28,962* 1** 4,773

* - ** -

À pressão atmosférica (1,01325 x 105 Pa) e 298 K de temperatura a massa específica do ar seco é de 1,18 kg/m3.

CombustíveisAs substâncias que podem ser queimadas e que libertam calor durante a combustão, são combustíveis, cuja composição é normalmente: carbono, hidrogénio, enxofre e oxigénio.

Os combustíveis orgânicos contêm carbono; Os hidrocarbonetos contêm hidrogénio e carbono.

A - Hidrocarbonetos

Alcanos: CnH2n+2

São moléculas saturadas em hidrogénio com ligações simples e cadeias abertas. Exemplo, o metano (CH4).

Alcenos: CnH2n

São moléculas insaturadas em hidrogénio com ligações duplas. Exemplo, o eteno (C2H4).


H

H C H

H

H H

C C

H H


Alcinos: CnH2n-2

São moléculas insaturadas em hidrogénio com ligações triplas.

Hidrocarbonetos Aromáticos: CnH2n-6

A estrutura base é formada pelo anel benzeno (C6H6). São moléculas insaturadas em hidrogénio.

Alcoois: CnH2n+1OHExemplo, o metanol (CH3OH).

B – Combustíveis Sólidos

Madeira (serradura, etc.) – o elemento combustível é o carbono; Turfa – combustível pobre, parcialmente carbonizado, resultante da decomposição parcial dos vegetais; Linhite – possui grande percentagem de carbono, cujo aspecto é de madeira fossilizada; Hulha; Coque de Petróleo – resulta da refinação do petróleo (5 a 10%); Carvão; Resíduos industriais e domésticos.

Os combustíveis sólidos não podem ser utilizados em motores de combustão interna, pois possuem um poder calorífico e velocidade de queima baixos, pelo que a obtenção de elevadas potências térmicas requer a sua queima em instalações de grandes dimensões.

C – Combustíveis Gasosos


H C C H

HC

HC CH

HC CHCH

H

H C OH

H


São os designados combustíveis ideais para os motores de combustão interna. São provenientes de processos químicos, gases naturais e derivados do petróleo (GPL - butano, propano, etc.).

D – Combustíveis Líquidos

A maioria é proveniente da destilação fraccionada do petróleo.

5.3.2. Combustão Estequiométrica

A quantidade mínima de ar que contém o oxigénio suficiente para que haja uma combustão completa, é a quantidade estequiométrica de ar, e a correspondente reacção, é a combustão estequiométrica.Combustão:

Reagentes Produtos(ar + combustível) (CO2, H2O)

Exemplo:

C: 3 = b a = 5Estequiometria O: 2a = 2b + c b = 3

H: 8 = 2c c = 4

Logo,

a) Combustão Completa dum Combustível Hidrocarboneto geral de Composição Molecular CaHb c/ ar

A equação que define as proporções estequiométricas do combustível e do ar, isto é, existe oxigénio suficiente para a conversão de todo o combustível em produtos completamente oxidados, é a seguinte:

A quantificação das quantidades relativas de ar e combustível pode ser definida pela razão ar/combustível (A/F):

No entanto, é mais usual caracterizar as misturas combustíveis da seguinte forma:

Riqueza ou coeficiente de excesso de combustível



Diluição ou coeficiente de excesso de ar

Nota: numa mistura estequiométrica, = = 1.

Mistura Rica: > 1 (quantidade de ar é inferior à quantidade de ar estequiométrica). O oxigénio não é suficiente para oxidar completamente todo o hidrogénio e carbono formando-se CO e H2.

Mistura Pobre: < 1 (quantidade de ar superior à quantidade de ar estequiométrica). O excesso de oxigénio surge inalterado nos produtos de combustão, surgindo O2.

Os motores de combustão interna geralmente funcionam com um excesso de ar. As caldeiras com gás natural funcionam com 5% de excesso de ar. As caldeiras a carvão funcionam com 20% de excesso de ar.

Fig. 54 – Fracção molar dos produtos da reacção de combustão do isooctano em função da relação combustível/ar, a 30 bar, e a diversas temperaturas

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Problema 5.1Isoctano é fornecido a um motor de 4T e IF a uma taxa de 2 g/s. Calcule a taxa de fluxo de ar par uma combustão estequiométrica. Se o motor funcionar a 1500 rpm, estime a massa de combustível e ar que entra em cada cilindro por ciclo. Qual o rendimento volumétrico? Vd = 2,4 litros.

Problema 5.2Calcule a composição do gás que sai de um motor IF alimentado por butano e que trabalha com riqueza 0,9. Suponha que o combustível é totalmente queimado no interior do cilindro.



Problema 5.3O caudal mássico de combustível é de 0,4 g/s e o de ar é de 5,6 g/s, sendo que a composição (seca) dos gases que saem são: CO2 = 13%; CO = 2,8 %; O2 = 0%. As emissões de hidrocarbonetos não queimados pode ser desprezada. Compare a riqueza calculada para o combustível e fluxo de ar com a riqueza para a composição do gás

que sai. O combustível é a gasolina com . Assuma a

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5.3.3. Termodinâmica dos Sistemas Reactivos

a) Aplicação da 1ª Lei da Termodinâmica a sistemas reactivos. Conceitos fundamentais

Q m Q

Transformação Isocórica

TR = TP = T UV,T = QR-P

V = Cte W = 0

A combustão é um processo exotérmico, pelo que U desce com a reacção, isto é, UP < UR U < 0 QR-P <0

(-UV,T), é o calor de reacção a volume constante e à temperatura T.

Transformação Isobárica

TR = TP = T WR-P = P(VP-VR)

P = Cte

A combustão liberta calor, logo QRP e < 0.

(-HP,T), é o calor de reacção a pressão constante e à temperatura T, ou entalpia de combustão.

Transformação Isocórica Adiabática

dV = 0 e dQ = 0 U =0



b) Entalpia de Formação e Entalpia de Combustão

A entalpia de formação de um componente químico é o aumento de entalpia associada à reacção de formação de 1 mole do composto a partir dos seus elementos, com cada substância no seu estado padrão termodinâmico. Nos sistemas energéticos, o estado de referência padrão é caracterizado pelo índice sobrescrito “ o” (exemplo, ) à pressão atmosférica e normalmente à temperatura de 298 K.As entalpias de formação estão tabeladas em função da temperatura pelas tabelas JANNAF.A entalpia de uma mistura de substâncias no estado padrão é igual à soma das entalpias de transformação dessas substâncias no estado padrão. Numa reacção de combustão a entalpia dos produtos da combustão no estado padrão é:

A entalpia dos reagentes é:

logo, a entalpia de combustão é:

Na resolução de problemas de combustão é usual considerar-se as entalpias dos produtos e dos reagentes para uma mole de combustível:

;



Fig. 55 – Entalpia de formação standard e peso molecular das espécies químicas

A entalpia de um composto fora do estado de referência padrão é determinado adicionando-se à entalpia no estado padrão, a variação de entalpia específica, , entre o estado de referência e o estado actual.

Quando não se dispõe dos valores da entalpia em função da temperatura de uma determinada substância, o valor de pode ser determinado por:



Fig. 56 – Entalpia de formação de algumas espécies químicas em função da temperaturac) Poder Calorífico e Entalpia de Combustão

O poder calorífico de um combustível é um valor experimental, determinado por calorímetros, do calor libertado pela combustão completa do combustível, a pressão ou volume constante, com os reagentes e produtos no estado padrão.

O poder calorífico a pressão constante é um número positivo de magnitude igual à do calor de reacção a pressão constante:

O poder calorífico a volume constante é um número positivo de magnitude igual à do calor de reacção a volume constante:

O poder calorífico pode classificar-se e, PCS e PCI (HHV e LHV, em inglês).O PCS (poder calorífico superior) é obtido quando no estado final toda a água formada pela combustão se encontra no estado líquido.O PCI (poder calorífico inferior) é o valor correspondente ao caso em que toda a água formada se encontra no estado gasoso nos produtos da combustão.

d) Balanços Energéticos Aplicados a Sistemas Reactivos

Sistemas Abertos

Se admitirmos desprezáveis os efeitos das variações de energia cinética e potencial, e aplicarmos a equação da conservação de energia:

Dividindo ambos os membros pelo número de moles de combustível e dividindo o numerador e o denominador pelo tempo, temos:


Tf

mf

mAr

TA

Produtos, TP

W – trabalho realizado pelo sistema

W Q Q – calor absorvido pelo sistema


, sendo:

, em KJ/Kmolf

, a taxa de transmissão de calor da vizinhança para o sistema em kJ/s

, a potência fornecida pelo sistema em kJ/s

, o caudal molar de combustível em Kmol/s

Quando só conhecemos o poder calorífico do combustível, substitui-se a diferença de entalpias de formação dos reagentes e produtos, pelo poder calorífico do combustível:

, e vem:

Sistemas Fechados

; ; ;

e) Eficiência da Combustão

Fracção de energia de combustível fornecida que é libertada no processo de combustão.

; sendo: em kJ, em kg e em kJ/kg

Em termos de caudais mássicos:



, sendo o caudal mássico dos produtos ou reagentes da combustão em kg/s.

A eficiência da combustão varia com a relação (F/A), para motores de combustão interna.Para motores IF, para razões “pobres”, c está entre 95% a 98%. Para misturas “ricas”, a falta de oxigénio não permite a combustão completa do hidrogénio e carbono do combustível. Isto significa que, c decresce à medida que a mistura se torna rica.Nos motores IC, que normalmente operam com misturas pobres c é normalmente 98%.

2ª Lei da Termodinâmica

Os reagentes (combustível e ar) fluem para dentro do sistema; Os produtos da combustão (gases de escape) flúem para o exterior; Aplicando a 2ª lei da termodinâmica ao volume de controlo (VC) que envolve o motor é possível deduzir

uma expressão para o máximo trabalho útil que o motor consegue desenvolver.

Considerando a massa, m, que atravessa o VC, da 1ª lei da termodinâmica vem:

;

, considerando T = Cte, ds = s

função disponibilidade

Não é uma energia livre convencional, porque a temperatura final dos produtos é diferente de Ta. Assim, por exemplo:

A função disponibilidade permite-nos conhecer o limite para o trabalho do veio do motor. é difícil de determinar experimentalmente e Tas são valores muito pequenos quando comparados com H, pelo que:

poder calorífico, portanto,

é a eficiência de conversão do combustível

é a eficiência de conversão térmica.

A eficiência de conversão térmica relaciona o trabalho real por ciclo com a energia química do combustível libertada no processo de combustão.



, é a expressão que relaciona a eficiência de conversão térmica, conversão de combustível e eficiência de combustível.

No equilíbrio químico: N2, H2O, CO2, O2, CO, H2 O2 é mistura pobre, e CO e H2 são misturas ricas.

No equilíbrio, a variação da energia livre de Gibbs é nula (GP,T = 0). Consideremos a seguinte reacção química:

ou, generalizando:

, tal que:

, variação de n total.

GP,T = 0; GP,T = , sendo o potencial electroquímico, ou grandeza intensiva.

, onde energia livre de Gibbs de formação específica padrão.

Em condições de equilíbrio: , logo, , mas para todos

os i, logo:

, onde:

é uma constante de equilíbrio a pressão constante. é a energia livre de Gibbs padrão.

, mas P, Po e np são constantes, pelo que:



, quando a pressão ñ é importante para a reacção.

Kp é função apenas da temperatura, sendo possível determiná-la através de:

é tabelado JANAF

f) Temperatura de Chama Adiabática

Quando num sistema aberto, W = 0, Ec e Ep 0, a energia libertada pela combustão pode ser transferida para o exterior de 2 formas: transferência de calor e transportada pelos produtos da combustão. Quanto menor for a transferência de calor, maior é a energia transportada pelos produtos da combustão, logo maior é a temperatura dos produtos.

Temperatura adiabática de chama, é a temperatura atingida n situação limite em que não há trocas de calor (sistema adiabático), isto é, a temperatura máxima que os produtos da combustão podem atingir.

Para calcular a temperatura de chama adiabática é necessário realizar um cálculo iterativo:

1. Calcular HR;2. Arbitrar uma temperatura para os produtos da combustão (TP1) e calcular o valor de HP correspondente

(HP1);3. Se HP1 ≠ HR arbitrar uma 2ª temperatura para os produtos d combustão (TP2) e calcular novamente HP (HP2);4. Se HP2 ≠ HR obter TP correspondente a HP1 = HR por interpolação com os pontos (HP1 ,TP1) e (HP2 ,TP2).

____________________

Problema 5.4Calcule a composição dos gases de escape do motor (produtos da combustão) de uma mistura propano/ar de riqueza 0,9. Determine também a temperatura de combustão isobárica adiabática a 1 atm. Considere os reagentes à temperatura de 298 K e o combustível completamente queimado.Propano C3H8.

Problema 5.5C8H18 a 25 ºC e 1 atmosfera entra numa câmara isolada e reage com ar à mesma pressão e temperatura. Desprezando os efeitos da energia cinética e potencial, determine a temperatura dos produtos da combustão para uma combustão completa com:

a) Quantidade de ar teórica;b) 400% do ar teórico.

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5.34. Design da Câmara de Combustão de um Motor IF



Objectivos dos Designs e OpçõesA figura 57 ilustra alguns exemplos dos tipos de câmara de combustão mais comuns.Uma câmara com um design onde o processo de queima ocorre de uma forma rápida, isto é, ocupando um pequeno intervalo do ângulo da cambota para uma dada velocidade do motor, produz um padrão de combustão mais robusto permitindo um controlo das emissões e ganhos na eficiência simultaneamente. Uma câmara de “queima rápida” permite o funcionamento com quantidades de EGR – Energias dos Gases Recicláveis – substancialmente mais altas, ou com misturas muito pobres dentro dos normais constrangimentos dos motores.

Fig. 57 – Exemplos de câmaras de combustão e posição da vela: (a) cunha; (b) câmara no pistão; (c) 4 válvulas na cabeça; (d) hemisférica

Desta forma consegue-se atingir um maior controlo das emissões dentro do motor, e a carga parcial deste nível de diluição elevado numa câmara de queima rápida mostra uma melhoria no consumo de combustível, devido à diminuição do trabalho de bombagem da transferência de calor (devido às mais baixas temperaturas dos gases queimados) e da quantidade de dissociação dos gases queimados.Os principais objectivos do design das câmaras de combustão, os quais relacionam a performance do motor e as emissões são:

1. Um processo de combustão rápido, com pouca variação de ciclo para ciclo ao longo de toda a gama de operação do motor;

2. Alta eficiência volumétrica aquando da válvula completamente aberta;3. Perdas de calor mínimas pelas paredes da câmara e pelo combustível;4. Baixo requisito de octanas no combustível.

É necessária uma alta eficiência volumétrica para obter a maior densidade de potência possível. A forma da cabeça do cilindro afecta o tamanho das válvulas que podem ser introduzidas no design. A área efectiva da válvula aberta, que depende do diâmetro e curso da válvula, influencia directamente a eficiência volumétrica. A turbulência é



utilizada em muitas câmaras de combustão modernas de forma a aumentar o processo de queima e atingir uma alta estabilidade na combustão.A transferência de calor para as paredes da câmara de combustão tem um impacto significativo na eficiência do motor. É afectada pela cabeça do cilindro e área superficial da coroa do pistão, pelas temperaturas dos gases e temperaturas das paredes.O batimento limita efectivamente a máxima taxa de compressão que pode ser utilizada em qualquer câmara de combustão, tendo um impacto directo na eficiência. Este é o constrangimento mais difícil de definir no processo de design devido principalmente à sua complexidade.

5.35. Factores que Controlam a Combustão

O desenvolvimento da chama e o processo de combustão são influenciados pelos seguintes factores:

1. Geometria: perfil da câmara de combustão e localização da faísca (vela de ignição);2. Características do escoamento (fluxo): velocidade média, intensidade da turbulência, e escala de

comprimentos característica da turbulência na mistura de frescos durante a combustão;3. Composição e estudo da mistura de frescos: combustível, taxa de equivalência, fracção de gases

queimados, pressão e temperatura da mistura.

Fig. 58 – Comparação dos ângulos de queima para 10 diferentes geometrias e localização da faísca

A geometria afecta a combustão através da área da superfície frontal da chama. Tem um menor efeito no desenvolvimento da chama ao longo da sua influência no movimento interno do cilindro.Para um dado perfil da câmara, a área da chama depende fortemente da localização da vela de ignição. A figura 59 mostra que se alterarmos a localização da vela de ignição de um lado para uma localização central na câmara



(“Bowl-in-Piston”) aumenta-se o pico da área da chama em 150%. Para câmaras hemisféricas e abertas o aumento cifra-se em 75% e 90%, respectivamente.A área da chama varia significativamente de um tipo de câmara para outro. Na figura 59, a câmara Bowl-in-Piston tem uma área superficial da chama 30 a 45% superior que as câmaras de disco (“Disc”). As câmaras hemisféricas e abertas mostram ganhos de aproximadamente 30% relativamente às câmaras de disco.Mover a vela de ignição em direcção ao centro da câmara produz um maior aumento da área frontal da chama que tornar a forma da câmara mais compacta.

Fig. 59 – Área frontal da chama: (a) função do raio da chama para diferentes câmaras e localizações da faísca e (b) função do volume da câmara

Se compararmos os piores e os melhores perfis de câmaras, o tempo total de queima (combustão), com a localização da vela de ignição fixa, pode ser reduzida em cerca de 10%.



Se aumentarmos a turbulência da mistura de frescos durante o tempo de combustão, aumentamos a taxa de combustão. A duração do estágio inicial do processo de combustão e o próprio estágio diminuem quando a velocidade da turbulência no início da combustão é aumentada.Note-se que a eficiência de conversão do combustível em câmaras de alta turbulência, nas mesmas condições de funcionamento, pode ser menor que as câmaras normais, apesar de terem taxas de combustão mais rápidas, devido às altas taxas de transformação de calor que se faz sentir para elevadas velocidades internas do cilindro.A composição e o estado da mistura afectam a taxa de combustão devido à dependência da velocidade de chama laminar da temperatura, pressão, (F/A), e fracção de gases queimados (gases residuais e EGR) – ver figura 60.

Fig. 60 – Efeito do excesso de ar e recirculação na duração da queima

Um processo de combustão rápido diminui a variação cíclica da combustão, pelas seguintes razões: com uma combustão rápida, o tempo óptimo de ignição está próximo do PMS pelo que a temperatura e a pressão da mistura quando se dá a ignição são maiores.Então a velocidade da chama laminar no início da combustão é maior.Um aumento rápido da chama inicial resulta numa menor variação do movimento central da chama durante a fase crítica de desenvolvimento da chama.As variações geométricas resultantes de interacção da frente da chama / paredes da câmara são então reduzidas. Isto diminui as variações da taxa de combustão que resulta dessas variações geométricas.O processo de combustão rápida também termina mais cedo na expansão do curso do pistão.


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1 – A COMBUSTÃO · Web viewEfectuar o projecto preliminar de um motor de IC de ciclo de 4T sobrealimentado, com uma sobrelimentação de 2,5 e usando intercooler para desenvolver