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Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Razão de Compressão, Potências Relativas a Motores a Pistão,
Torque Gerado pelo Motor a Pistão,Consumo Específico de Combustível
Engenharia Aeronáutica
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Introdução aos Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
O desempenho termodinâmico de um motor a pistão pode ser
caracterizado através de alguns parâmetros característicos;
Os parâmetros de desempenho do motor a pistão envolvem parâmetros
geométricos do motor e parâmetros termodinâmicos;
Dentre os parâmetros geométricos, têm-se a razão de compressão no
cilindro do motor e o volume deslocado pelo motor;
Dentre os parâmetros termodinâmicos têm-se as taxas de energia
geradas dentro do motor, chamadas de potências do motor, a eficiência
térmicas e eficiência propulsiva, o consumo de combustível e o consumo
específico de combustível;
A seguir serão apresentados os principais parâmetros aplicados a um
motor a pistão do tipo quatro tempos;
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Razão de Compressão RC (Compression Ratio): Razão entre o volume
total do cilindro com o pistão no PMI (volume deslocado mais o volume
livre do cilindro) e o volume livre do cilindro com o pistão no PMS
L
DL
V
VVRC
L
D
V
V1RC
VL
VD
VL
Razão de Compressão de Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
● RC ~ razão de compressão [-]
L
D
L
DL
V
V1
V
VVRC
● VD ~ volume deslocado no cilindro [m3]
● L ~ curso do pistão (stroke) [m]
● B ~ diâmetro do pistão (bore) [m]
L4
B πV
2
D
Razão de Compressão de Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Volume Deslocado no Cilindro de Motores a Pistão
Volume Deslocado no Cilindro (Displaced Volume): Corresponde ao
volume que é deslocado pelo pistão, durante o movimento do PMS até o
PMI, o qual depende do curso do pistão, distância linear da linha do PMS
ao PMI, e do diâmetro da cabeça do pistão;
Para um motor a pistão, geralmente é apresentado, nas especificações
técnicas desse motor, o volume total deslocado em todos os cilindros. Para
determinar o volume deslocado em cada cilindro é necessário dividir o volume
total deslocado pelo número de cilindros;
Comercialmente, o volume total deslocado do motor é expresso pela
simbologia 2.0, que corresponde a um volume total deslocado de 2L;
Do ponto de vista matemático, o volume deslocado em cada cilindro
deve ser expresso na unidade de volume do SI, m3.
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Em motores a pistão, o movimento rotativo do eixo de manivelas é
proveniente da energia, na forma de trabalho, que é disponibilizada pela
combustão da mistura ar-combustível em processo de expansão;
A liberação de energia térmica de combustão, que é convertida em
trabalho para movimentação do pistão, e consequentemente do eixo de
manivelas, ocorre durante o terceiro tempo do ciclo termodinâmico;
A energia na forma de trabalho sobre o pistão é convertida em energia
rotacional no eixo do motor, na forma de torque, devido ao acoplamento
articulado excêntrico da biela com o eixo de manivelas;
As quantidades de energia por tempo (taxas de energia) que caracterizam
o ciclo de funcionamento do motor são chamadas de potência do motor,
e são divididas em: potências teórica, indicada, efetiva, de eixo e real;
Definição de Potências de Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
O terceiro tempo é chamado de combustão;
Os gases de combustão são expandidos
dentro do cilindro do motor, forçando o pistão em
movimento descendente;
A energia de combustão aumenta de forma
progressiva a pressão no cilindro, e o movimento
descendente do pistão causa aumento progressivo
do volume dentro do cilindro;
Esse efeito conjugado de aumento de volume
e pressão dentro do cilindro gera energia na forma
de trabalho sobre pistão e energia rotacional, na
forma de torque, sobre o eixo de manivelas.
Definição de Potências de Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
válvula de admissão
válvula de escapamento
tempo do ciclo
Definição de Potências de Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Potência Teórica (Cycle Horsepower): É a potência do motor estimada
pelo ciclo termodinâmico ideal, através da taxa de energia liberada pela
combustão completa do combustível (máxima liberação de energia) em
condições ideais no cilindro, para movimentação do pistão;
A potência teórica do motor, por ciclo de funcionamento, é apresentada
pela notação CEP (do inglês, cycle engine power);
Matematicamente, a potência teórica é calculada pelo produto entre o
consumo de combustível C, em kg/s, e o poder calorífico do combustível
HF, em kJ/kg, sendo expressa na unidade de kW;
FΔHCCEP
Potências Relativas a Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Potência Indicada (Indicated Horsepower ou Gross Horsepower): É a
potência desenvolvida pela combustão sobre o pistão, que equivale a
taxa de energia útil no ciclo. Corresponde a uma parcela da potência teórica,
devido a perdas térmicas que ocorrem no ciclo termodinâmico;
As perdas térmicas ocorrem devido: processo real de combustão
incompleta e perdas de calor na compressão e na expansão (visto que os
processos reais são não-adiabáticos);
A potência indicada, por ciclo de funcionamento, é apresentada pela
notação GEP (do inglês, Gross Engine Power), expressa em unidade kW;
Essa potência pode ser calculada como uma parcela da potência teórica,
introduzindo uma eficiência térmica T para levar em considerações as
perdas térmicas do ciclo termodinâmico;
Potências Relativas a Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
FTT ΔHC CEPGEP
Matematicamente, a potência indicada é calculada em função da
potência teórica e da eficiência térmica por:
A potência indicada pode ser calculada ainda através do produto da
energia rotacional transmitida ao eixo de manivelas através do pistão, na
forma de torque Q expresso em unidade N.m, e da rotação do eixo N, expressa
em unidade rpm:
NQGEP 60
2
Potências Relativas a Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Potência Efetiva (Brake Horsepower): É a potência que o conjunto
pistão-biela fornece ao eixo de manivelas do motor. Corresponde a potência
indicada menos as perdas mecânicas por atrito e devido a acionamento de
acessórios do motor (bomba de óleo e bomba d’água);
Essa potência é chamada também de Potência ao Freio, pois pode ser
obtida experimentalmente em dinamômetros, e é apresentada pela
notação BEP (do inglês, Brake Engine Power), expressa em unidade kW;
Matematicamente, a potência efetiva é calculada a partir da potência
indicada e de uma eficiência mecânica do eixo M:
CEPGEPBEP TMM
Potências Relativas a Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Potência de Eixo (Shaft Horsepower): No caso de motores a hélice, é a
potência entregue pela eixo de manivelas a hélice, através de um sistema
de transmissão de potência. Corresponde a potência efetiva menos as
perdas por atrito na transmissão da hélice (quando aplicável);
Nos motores a pistão, o acionamento da hélice é realizado diretamente
pelo motor. Dessa forma, não existe um sistema de transmissão e a
potência entregue pelo eixo a hélice é a própria potência efetiva do motor;
No caso dos motores turbo-hélice, comumente o acionamento da hélice é
realizado através de um sistema de transmissão, baseado em redutores
de velocidade de rotação (devido as altas rotações da turbina no núcleo);
Nesse caso, a potência de eixo é calculada considerando uma eficiência
da transmissão de potência, expressa por S;
Potências Relativas a Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
A potência de eixo é apresentada pela notação SEP (do inglês, Shaft
Engine Power), expressa em unidade kW;
Matematicamente, a potência de eixo pode ser calculada como uma
parcela, ou não, da potência efetiva do motor, introduzindo a eficiência da
transmissão S para levar em considerações as perdas na transmissão:
CEPGEPBEPSEP TMSMSS
CEPGEPBEPSEP TMM
motores com transmissão
motores sem transmissão
Potências Relativas a Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Potência Real (True Horsepower): Para motores a hélice, é a potência
entregue pela hélice ao escoamento de ar. Corresponde à potência de
eixo ou efetiva do motor, dependendo do tipo de motor, menos as perdas
aerodinâmicas da hélice;
As perdas aerodinâmicas ocorrem principalmente devido ao deslizamento
do escoamento ao atravessar o aerofólio das pás da hélice;
Com relação ao grupo moto-propulsor de uma aeronave, as potências
teórica, indicada, efetiva e de eixo estão associadas ao elemento motor
do grupo, enquanto a potência real esta associada ao grupo moto-
propulsor todo, formado pelo conjunto motor e hélice;
A potência real do grupo moto-propulsor é apresentada pela notação
TEP (do inglês, True Engine Power), expressa em unidade kW;
Potências Relativas a Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Matematicamente, a potência real pode ser calculada como uma parcela
da potência de eixo do motor (em motores sem transmissão, a potência
efetiva), através da eficiência da aerodinâmica da hélice H:
CEPGEPBEPSEPTEP TMSHMSHSHH
A potência real pode ser calculada ainda através do produto da
força propulsiva T gerada pelo elemento propulsivo hélice, em unidade N e
da velocidade de vôo da aeronave V0, em unidade m/s:
SEPVTTEP H 0
Potências Relativas a Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Comumente, as potências são expressas em unidade hp (do inglês,
horsepower), diferentemente da unidade no SI, o W (Watt) [1hp = 745W];
Por questões de facilitação interpretativa, todas as potências quando
apresentadas em unidade hp são renomeadas pela letra H (para identificar
o horsepower) e expressas em unidades de potência em hp precedidas de uma
letra que identifica o tipo de potência:
● potência teórica CEP renomeada para CHP em unidade chp;
● potência indicada GEP renomeada para GHP em unidade ihp;
● potência efetiva BEP renomeada para BHP em unidade bhp;
● potência de eixo SEP renomeada para SHP em unidade shp;
● potência real TEP renomeada para THP em unidade thp;
Considerações a Respeito das Potências de Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Eficiência Térmica de Motores a Pistão
A eficiência térmica do ciclo de motores a pistão corresponde a razão
entre a quantidade de energia útil (ou taxa de energia útil) aproveitada no
ciclo e a quantidade de energia introduzida no ciclo (ou taxa de energia
introduzida), na forma de calor de combustão;
A taxa de energia útil corresponde a potência indicada do motor GEP e
a taxa de energia introduzida corresponde a potência teórica CEP;
Dessa forma, a eficiência térmica para motores a pistão é expressa
matematicamente por:
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
A eficiência propulsiva de motores a hélice, como nos motores baseados
em motores a pistão, corresponde a razão entre a taxa de energia
entregue pela hélice ao escoamento de ar e a taxa de energia útil no ciclo;
No caso de grupo moto-propulsores a hélice, a taxa de energia entregue
ao escoamento de ar corresponde a potência real TEP e a taxa de
energia útil no ciclo corresponde a potência indicada GEP;
Dessa forma, a eficiência propulsiva para motores a hélice é expressa
matematicamente por:
Eficiência Propulsiva de Motores a Hélice
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
A eficiência propulsiva NÃO é igual a eficiência aerodinâmica da hélice;
Matematicamente, a eficiência propulsiva P corresponde a razão entre a
potência real do grupo moto-propulsor TEP e a potência indicada do
motor a pistão GEP;
Dessa forma, a relação entre eficiência propulsiva do motor e eficiência
aerodinâmica da hélice é dada pela equação:
A eficiência propulsiva somente será igual a eficiência aerodinâmica da
hélice se as eficiências mecânica e da transmissão forem unitárias;
Eficiência Propulsiva de Motores a Hélice
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
O consumo de combustível corresponde a quantidade de combustível
introduzida no motor por unidade de tempo, podendo ser apresentado na
base mássica ou volumétrica;
Na base mássica, o consumo de combustível corresponde a massa de
combustível MF consumida por tempo de operação t, apresentada pela notação C,
em unidade kg/s ou kg/h;
Consumo de Combustível de Motores a Pistão
t
MC F
t
MC F 3600
em unidade kg/s
em unidade kg/h
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
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Consumo de Combustível de Motores a Pistão
Na base volumétrica, o consumo de combustível corresponde ao volume
de combustível consumido por tempo de operação, apresentada pela
notação E, em unidade L/s ou L/h;
O consumo de combustível em volume corresponde ao consumo em
massa dividido pela massa específica do combustível F, unidade kg/L, a
qual depende do tipo de combustível utilizado;
t
MCE F
FF 1
t
ME F
F3600
em unidade L/s
em unidade L/h
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
O consumo específico de combustível na base mássica, em kg/kW.h
corresponde a razão entre o consumo de combustível mássico e a
potência de eixo (em motores sem transmissão, a potência efetiva):
SEP
CSFC
Consumo Específico de Combustível de Motores a Pistão
O consumo específico de combustível na base volumétrica, em L/kW.h
corresponde a razão entre o consumo de combustível volumétrico e a
potência de eixo (em motores sem transmissão, a potência efetiva):
BEP
C
SEP
ESFC
F1000
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Desempenho Global de Motores a Pistão
Potência Máxima (Maximum Power Rating): Potência efetiva máxima
que o grupo motor a pistão pode desenvolver em uma dada condição
atmosférica. Somente pode ser utilizada em pequenos intervalos de tempo sob
pena de danificar o motor;
Potência Máxima Contínua (Maximum Continuous Power Rating): É a
potência efetiva máxima que o grupo moto-propulsor pode desenvolver
em operação contínua. Varia de acordo com as condições atmosféricas;
Potência Nominal de Cruzeiro (Nominal Cruise Power Rating): É a
potência efetiva do motor necessária para manter a aeronave em vôo de
cruzeiro. Geralmente essa potência é apresentada na forma de tabela e
gráficos para cada condição de vôo, em função do peso da aeronave, velocidade
de cruzeiro, aceleração do motor e altitude;
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Relação Peso-Potência do Motor (Engine Weight-to-Power Ratio): É a
razão entre o peso máximo do motor em unidade N, ou massa do motor
em unidade kg, e a potência máxima contínua em kW ou bhp. Essa
relação é fixa para um dado motor a pistão. No peso do motor estão incluídos
acessórios e fluídos do motor, como água e óleo;
Relação Peso-Potência da Aeronave (Aircraft Weight-to-Power Ratio):
Razão entre o peso da aeronave em unidade N, ou a massa da aeronave
em unidade kg e a potência efetiva desenvolvida pelo motor, em unidade
kW ou bhp. Essa relação varia para cada regime de vôo da aeronave;
Razão Tração-Potência do Motor (Engine Thrust-to-Power Ratio): É a
razão entre a força propulsiva gerada pelo grupo moto-propulsor em
unidade N e a potência efetiva desenvolvida pelo motor, em kW ou bhp;
Desempenho Global de Motores a Pistão
Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Propulsão AeronáuticaAgosto-2014
Escolher um motor aeronáutico a pistão de quatro tempos, apresentando
uma imagem do motor e da aeronave que utiliza esse motor;
Obter na literatura os parâmetros de desempenho listados a seguir:
● geometria do motor: curso, diâmetro do pistão e número de cilindros;
● volume total deslocado do motor;
● razão de compressão e combustível utilizado pelo motor;
● peso do motor ou razão peso-potência do motor;
● potência efetiva máxima do motor, em kW ou bhp, e condição ambiente;
● consumo específico de combustível do motor, em kg/kW.h ou kg/bhp.h;
Alguns dados obtidos para o motor serão utilizados no tópico seguinte
para cálculo de desempenho do motor a pistão.
Exercício de Seleção de Motor a Pistão Quatro Tempos