Prova Maquinas Motoras

8/15/2019 Prova Maquinas Motoras

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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLAUNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA

FAQ SOBRE TRATORES AGRÍCOLASPROF. DANIEL MARÇAL DE QUEIROZ

VIÇOSA – MGMARÇO DE 2014


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CONTEÚDO

Tópico páginaApresentação 2

1. O desenvolvimento do trator agrícola e a mecanização agrícola 4

2. Determinação do desempenho dos motores 83. Teste de tratores e veículos 314. Termodinâmica e o ciclo dos motores de combustão interna 345. Combustíveis e lubrificantes 416. Projeto de motores 497. Motores de ignição por compressão 528. Sistemas de admissão e exaustão 589. Sistema de refrigeração dos motores de combustão interna 6410. Sistemas elétricos e eletrônicos 6811. Sistemas hidráulicos 7912. Sistemas de transmissão de potência 81

13. Tração e mecanismos de transporte 9114. Mecânica do chassi 11815. Fatores humanos e segurança 124


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APRESENTAÇÃO


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Esse material foi produzido a partir de questões de provas e listasde exercícios que elaboramos para as disciplinas de Tratores Agrícolas,tanto do curso de graduação em Engenharia Agrícola e Ambiental comopara o Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola da

Universidade Federal de Viçosa.Como o pessoal diz que Tratores Agrícolas é um assunto muito

complicado, e se não é, o professor na hora da prova sempre complicacom umas questões que sabe lá de onde tira. Então, resolvemos produziresse material para desmitificar o assunto.

Resolvemos organizar o material por capítulos seguindo a mesmasequência utilizada no livro Off-Road Vehicle Engineering Principles dosautores: Carroll E. Goering, Marvin L. Stone, David W. Smith, Paul K.Turnquist, publicado pela American Society of Agricultural and BiologicalEngineers (ASABE) em 2003.

A idéia é que o estudante possa ter noção de comos osconhecimentos adquiridos na sala de aula possa ser aplicado para resolverproblemas e questões do dia-a-dia.

Vale ressaltar, que não adianta decorar como as questões sãoresolvidas, o estudante precisa entender os princípios utilizados nasolução das questões. Sempre que tiver dúvida sobre a solução de umadada questão, estude primeiro para tentar sozinho desvendar o mistério,se não conseguir, procure ajuda dos colegas universitários, se mesmoassim não conseguir entender, traga o problema para uma de nossas aulasde tratores agrícolas, para que possamos tirar as dúvidas que restaram.Fazendo assim você estará aprendendo que é diferente de decorar.

Como essa é a primeira versão do material é provável que tenhaalguns erros, se quando você estiver lendo identificar alguma coisa errada,por favor, traga para a gente. As futuras gerações antecipadamenteagradecem.

Bom estudos !!!!

Daniel M. Queiroz, 05/03/2014


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O DESENVOLVIMENTO DO TRATOR AGRÍCOLA E AMECANIZAÇÃO AGRÍCOLA


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1. Porque os motores a vapor deixaram de ser utilizados em tratores agrícolas? Quandoisso ocorreu?Os motores a vapor deixaram de ser utilizados em tratores agrícolas porquedemandavam muita mão-de-obra na sua operação. Eram necessários dois operadores

para abastecer a fornalha de carvão e o depósito de água para geração de vapor. Alémdisso, os motores a vapor eram de baixa eficiência. Os motores a vapor deixaram deser utilizados a partir do momento em que os motores de combustão interna setornaram mais confiáveis, os torneios de Winnepeg (realizados a partir de 1908) foramum marco dessa mudança, nesses torneios os agricultores puderam comparar odesempenho dos tratores com motores a vapor e os tratores com motores decombustão interna.

2. Explique a importância da mecanização agrícola para a produção de alimentos.O desenvolvimento da mecanização agrícola permitiu aumentar a capacidade de

trabalho do trabalhador rural aumentando a sua capacidade de produzir alimentos.Além disso, a utilização da mecanização agrícola tem permitido a melhoria daqualidade das operações agrícolas resultando em aumento de produtividade e dequalidade do que se produz no campo. Além disso, a mecanização agrícola temcontribuído para redução do custo de produção tornando os alimentos mais baratos.

3. Certos grupos da sociedades se beneficiam quando os objetivos principais damecanização agrícola são atingidos. Considerando o primeiro objetivo principal damecanização que é, segundo Goering e Hansen (2004), “reduzir o d esconforto causadopelo trabalho agrícola por esse ser um trabalho pesado e monótono”, discuta quem éo principal beneficiário quando isso ocorre: se são os trabalhadores rurais ou se os

consumidores de produtos agrícolas ou se ambos se beneficiam igualmente.Resumidamente, explique sua resposta.O principal beneficiário nesse caso são os trabalhadores rurais pela redução do esforçonecessário para realizar as operações e pelo melhor conforto proporcionado pelasmáquinas. Os consumidores se beneficiam em menor escala, pois se os trabalhadorestem melhores condições de trabalho, eles conseguem produzir mais e isso acarreta naredução dos custos.

4. Da mesma forma que na questão anterior, analise quem se beneficia quando osegundo objetivo principal da mecanizaç ão agrícola é atingido: “aumentar aprodutividade dos trabalhadores rurais”.

Os trabalhores rurais são beneficiados pelo aumento da renda. Os consumidores sãobeneficiados porque o aumento da produtividade geralmente resulta em redução docusto unitário do que se produz.

5. Da mesma forma que nas duas questões anteriores, analise quem se beneficia quandoo terceiro objetivo principal é atingido: “realizar as operações agrícolas de tal formaque elas ocorram no momento certo e melhorar a qualidade do trabalho agrícola”. Os consumidores se beneficiam pela melhoria da qualidade dos produtos que sãoofertados a eles. Os tabalhadores se beneficiam porque a realização das operações notempo certo e com melhor qualidade significa aumento de produtividade e redução deperdas, o que contribui para o aumento de renda do produtor.


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6. Os primeiros tratores tinham motores a vapor, mas os tratores modernos usammotores de combustão interna. Resumidamente explique porque os motores a vaporperderam competitividade, e identifique ao longo do tempo quando essasdesvantagens se tornaram aparentes.Os motores a vapor perderam competitivade devido à maior necessidade de mão-de-

obra para sua operação e pela sua menor eficiência energética. O evento que tornouessa vantagem aparente foram os torneios de Winnepeg, realizados por volta de 1910.Nesses torneios, os agricultures puderam confrontar o desempenho de tratoresmovidos com motor a vapor e os com motores de combustão interna e constataram asvantagens que os motores de combustão interna propiciavam.

7. Quem foi o inventor dos motores com ciclo de quatro tempos? Nomeie esses quatrotempos. Em que ano esse inventor conseguiu fazer com que esse modelo de motor decombustão interna funcionasse perfeitamente?O primeiro motor de combustão interna de quatro tempos foi inventado por NikolausOtto utilizando os princípios estabelecidos por Beau de Rochas. Os quatro tempos do

motor são: admissão, compressão, expansão e exaustão. Em 1876 Nikolaus Ottoconseguiu fazer que o motor de quatro tempos idealizado por ele funcionasse comsucesso.

8. Um trator standard tem a aparência similar à de um trator de cultivo tipo triciclo comeixo frontal mais largo. Quais são as principais diferenças entre um trator standard eum trator para cultivo tipo triciclo?O trator standard é um trator 4x2 assim como o trator tipo triciclo. O trator standardtem a bitola das rodas dianteiras e traseira regulável. O trator triciclo tem bitolaajustável do rodado traseiro. O trator tipo triciclo é utilizado para operações de cultivoenquanto que o trator standard é utilizado para todas as operações realizadas em umafazenda.

9. Resumidamente, descreva as diferenças entre um trator articulado com tração nasquatro rodas e um trator com tração dianteira auxiliar.O trator articulado com tração nas quatro rodas apresentam rodas de mesmodiâmetro nos rodados dianteiros e traseiros, enquanto que o trator com traçãodianteira auxiliar utiliza rodas de menor diâmetro no eixo dianteiro. Os tratoresarticulados com tração nas quatro rodas apresentam igual distribuição de peso nosrodados dianteiros e traseiros. Já os tratores com tração dianteira auxiliar apresentamde 35 a 40% distribuído no eixo dianteiro e o restante no eixo traseiro.

10. Os pneus foram introduzidos em tratores agrícolas em 1930 e gradativamente foramsubstituindo as rodas de aço usadas até então. Quais as principais vantagens dospneus que levaram eles a substituir as rodas de aço?A utilização dos pneus permitiu reduzir o peso do trator, aumentar da capacidade detração, melhorar na capacidade de amortecimento das vibrações resultando noaumento da velocidade de trabalhos dos tratores agrícolas.


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11. Em 1970, um agricultor usando uma colhedora combinada de duas linhas com

plataforma para milho colhia facilmente 0,75 hectares por hora em uma área comprodutividade de 5000 kg/ha. Antes de 1940, grande parte do milho era colhidomanualmente, uma pessoa habilidosa podia colher 250 kg de milho por hora. Calcule arazão de produtividade entre a operação mecanizada e a manual. Compare a suaresposta com a curva dada na Figura abaixo.

A capacidade de colheita por trabalhador em 1970 era de:

A capacidade de colheita em 1940 era de 250 kg/h, portanto se considerarmos um fator 100para a capacidade de colheita de 1970, a capacidade de colheita em 1940 seria de:

Pelo gráfico apresentado esse índice é de 17, ou seja bem maior que os dados apresentados noproblema.

12. Ao meio dia de um dia de verão sem nuvens, a intensidade de luz solar na superfície daterra é quase sempre menor que 940 W/m 2.a) Considerando essa intensidade, se um sistema composto por um coletor solar e ummotor elétrico puder converter 10% da energia solar em energia mecânica, que área ocoletor solar deveria ter para fornecer 100 kW de energia mecânica?

b) Se o coletor solar tivesse um comprimento igual a duas vezes a sua largura, quaisseriam as dimensões do coletor solar?


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DETERMINAÇÃO DO DESEMPENHO DOS MOTORES


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13. Explique como um motor de combustão interna converte a energia do combustívelem energia mecânica.

O combustível é queimado convertendo a “energia química” do combustível em “energia

pneumática”. A potência equivalente do combustível se converte em potência indicada.Depois a “energia pneumática” é convertida em “energia mecânica”. Nessa transformaçãoa “energia pneumática” movimenta o pistão, que por meio do mecanismo biela-manivelaconverte o movimento alternativo em movimento rotativo da árvore de manivelas. Apotência indicada se converte em potência ao freio do motor. Na conversão da potênciaequivalente do combustível para potência indicada ocorrem perdas de calor e naconversão de potência indicada em potência ao freio ocorrem perdas por fricção.

14. O que é potência equivalente do combustível e como ela é calculada?A potência equivalente do combustível é a potência que um motor produziria caso todaenergia química do combustível fosse convertida em energia útil na forma de energiamecânica. Ess potência pode ser calculada pela equação:

̇

Em que:Hg = poder calorífico superior do combustível, kJ/kg

̇ = consumo de combustível, kg/hPfe = potência equivalente disponível no combustível, kW15. O que é potência indicada e como ela é calculada?

A potência indicada é a potência que um motor produziria se toda energia presente nos gasesgerados após a queima do combustível fosse convertida em energia útil. Pode-se dizer que apotência indicada é a potência associada à pressão dos gases no início processo de expansão.A potência indicada, para um motor de quatro tempos, pode ser calculada por:

Em que:Pi = potência indicada, kWpemi= pressão efetiva média indicada, kPaDe = volume deslocado, LNe = rotação do motor, rpm

16. O que é pressão efetiva média indicada e como ela é determinada?A pressão efetiva média indicada representa a pressão média no interior do cilindro durante arealização de um ciclo do motor. A pressão efetiva média indicada é obtidaexperimentalmente. Obtem-se o diagrama p-v de um dado cilindro do motor, calcula-se otrabalho realizado em cada ciclo (área da curva que define o ciclo do motor). Para obter apressão efetiva média indicada divide-se o trabalho realizado pelo volume deslocado nointerior do cilindro.

17. O que é potência ao freio de um motor e como ela é determinada?A potência útil produzida pelo motor. Essa potência é determinada em um dinamômetro oufreio dinamométrico. Nesse ensaio determina-se o torque disponível no eixo do motor e arotação em que esse torque é produzido. A potência ao freio é calculada pela equação:


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Em que:Pb = potência ao freio, kW;Tb = torque disponível no eixo do virabrequim, N.m;N

e = rotação do motor, rpm.

18. O que é pressão efetiva média ao freio do motor?A pressão efetiva média ao freio do motor é uma pressão fictícia que pode ser calculadasubstituindo na equação da potência indicada, a potência indicada pela potência ao freio. Essapressão é um valor que não pode ser determinado diretamente em um ensaio, é um valor quepode apenas ser calculado. No projeto de motores de combustão interna, a pressão efetivamédia ao freio é um parâmetro de projeto do motor. A pressão efetiva média ao freio, paraum motor de quatro tempos, pode ser calculada por:

Em que:pemb = pressão efetiva média ao freio, kPa.

19. Qual é a relação entre a pressão efetiva média ao freio e o torque produzido pelomotor?

A pressão efetiva média ao freio e o torque produzido pelo motor estão diretamenteassociados. Quanto maior a pressão efetiva média ao freio maior é o torque produzido pelomotor. Para obter a equação que relaciona essas duas variáveis vamos partir das duasequações que podemos usar para calcular a potência ao freio:

Assim, pode-se dizer que:

Isolando a variável torque e fazendo as devidas simplificações obtem-se:

20. O que é potência de fricção e como ela é determinada?A potência de fricção é a diferença entre a potência indicada e a potência ao freio do motor.Essa diferença é considerada como sendo as perdas ocorridas por fricção entre as partesmóveis do motor. Mas na realidade não é só isso, pois pela própria definição dada (diferençaentre a potência indicada e a potência ao freio do motor), pode-se dizer que a potência defricção está associada a:

– Perda de potência pela fricção dos anéis de segmento do motor; – Perda de potência pela fricção nos rolamentos do motor; – Potência necessária para acionar a bomba que movimenta o óleo de

lubrificação no motor;


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– Potência necessária para acionar o ventilador do sistema de refrigeração – Potência necessária para acionar o alternador; – Potência necessária para acionar o compressor do ar condicionado se o veículo

for dotado desse equipamento.Portanto, a potência de fricção pode ser calculada por:

Em que:Pf = potência de fricção, kW.

21. O que pressão efetiva média de fricção e como ela é determinada?A pressão efetiva média ao freio do motor é uma pressão fictícia que pode ser calculadasubstituindo na equação da potência indicada, a potência indicada pela potência de fricção.Essa pressão é um valor que não pode ser determinado diretamente em um ensaio, é um valorque pode apenas ser calculado. A pressão efetiva média de fricção é um fator importantequando se quer analisar a eficiência de um motor de combustão interna. A pressão efetiva

média de fricção pode ser calculada por:

Em que:pemf = pressão efetiva média de fricção, kPa.

A pressão efetiva média de fricção também pode ser obtida pela diferença entre a pressãoefetiva média indicada e a pressão efetiva média ao freio, ou seja:

22. Como a pressão efetiva média de fricção varia em um motor diesel?Em um motor diesel, a pressão efetiva média de fricção varia com a rotação de trabalho. Aequação que relaciona a pressão efetiva média de fricção e a rotação do motor é:

Em que:A0, A1 e A2 são constantes obtidas por ensaio motor.Em motores com ignição por centelha (motores à gasolina), a expressão para calcular apressão efetiva média de fricção é mais complexa.

23. O que é eficiência térmica indicada de um motor?A eficiência térmica indicada de um motor é a razão entre a potência indicada e a potênciaequivalente de combustível.

Em que:e it = eficiência têrmica indicada, em decimal.

24. O que é eficiência mecânica de um motor?A eficiência mecânica de um motor é a razão entre a potência ao freio e a potência indicada.

Em que:


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em = eficiência mecânica, em decimal.

25. O que é eficiência global ou eficiência térmica ao freio de um motor?A eficiência global ou eficiência térmica ao freio de um motor é a razão entre a potência aofreio e a potência equivalente do combustível.

Em que:ebt = eficiência global ou eficiência térmica ao freio, em decimal.

26. Quais as vantagens e desvantagens dos motores de dois tempos em relação aode quatro tempos?

Vantagens: baixa relação peso/potência, menor preço por unidade de potência gerada,facilidade de manutenção, não apresenta restrição quanto a posição durante o

funcionamento

Desvantagens: menor eficiência e polui mais.

27. Porque os motores de dois tempos geralmente são menos eficientes que os motoresde quatro tempos?

O motores de dois tempos geralmente são menos eficientes porque para se completar aadmissão, compressão, expansão e exaustão em apenas um ciclo, compromete-se acompressão e a expansão, para que a admissão e exaustão ocorram quase quesimultaneamento. As janelas de exaustão ou válvula de exaustão tem que ser abertas de forma

mais antecipada que em um motor de quatro tempos. Segundo, Beau de Rochas para se terum motor mais eficiente, a expansão deve ser a máxima possível, e no motor dois tempos aexpansão é menor. Além disso, como a admissão ocorre simultaneamente com a exaustão, noscasos de motores com ignição por centelha, isso leva a que combustíveis não queimados sejamlançados junto com os gases de exaustão.

28. O que é potência nominal de um motor de combustão interna?É a potência obtida na rotação nominal do motor, corresponde a potência em que oregulador fornece a máxima quantidade de combustível para o motor.

29. Qual a função do regulador centrífugo em um motor diesel?A função do regulador centrífugo é controlar a alimentação de combustível para que o motormantenha uma mesma rotação de trabalho, se a rotação começa a diminuir ele aumentaa quantidade de combustível enviada para o motor, se a rotação diminuir ele aumenta aalimentação de combustível. O regulador evita que o motor atinja rotações superioresao limite de rotação que o motor suporta.

30. Para uma dada rotação de trabalho o que acontece com o consumo específico decombustível na medida em que se aumenta o torque aplicado no eixo de saída domotor? Porque o consumo específico de combustível é um importante parâmetro naavaliação do desempenho de tratores agrícolas?


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Geralmente à medida que se aumenta o torque aplicado para uma mesma rotação de trabalhoo consumo específico de combustível diminui, ou seja, os motores tendem a ser maiseficientes. Quanto menor o consumo específico de combustível mais eficiente é o motor,porque o consumo específico de combustível é a razão entre a quantidade de combustívelutilizada e a quantidade de energia útil produzida.

31. Um motor diesel trabalhando em plena carga tem uma eficiência global entre 30% e40%. Cite quais são as principais causas dessa baixa eficiência?

Primeiro existe uma grande perda de calor pelas paredes do cilindro do motor. Além disso,parte de calor é perdido no momento que se abre as válvulas de exaustão, nesse momento apressão ainda é bem superior à pressão atmosférica. As válvulas de exaustão se abrem antesdo pistão atingir ponto morto inferior, fazendo com que nem toda energia dos gases sejaconvertida em trabalho. Os processos de admissão e de exaustão consomem parte da energiagerada pelo motor. Existe perda de energia pela fricão entre as partes móveis do motor (entrea biela e pino do êmbolo, entre a biela e árvore de manivela; entre o pistão e a parede do

cilindro; e entre a árvore de manivela e as partes fixas do motor). Os órgãos acessórios domotor demandam energia para o seu funcionamento: alternador, ventilador e bomba d’águado sistema de arrefecimento e bomba de óleo lubrificante.

32. Que tipo de informação é possível obter em um mapa de desempenho de um motor?Obtém-se o consumo específico de combustível para uma dada rotação de trabalho e umadada potência produzida pelo motor.

33. O que é consumo específico de combustível de um motor? Qual a unidade geralmenteusada para expressar o consumo específico de combustível de um motor?

O consumo específico de combustível é a razão entre a quantidade de combustível consumidae a energia útil gerada. O consumo específico de combustível é geralmente expresso em kg decombustível por kW.h de energia gerada.

34. O trator MF 7390 utiliza um motor turbinado com intercooler AGCO SISU POWER620DSA com seis cilindros e cilindrada de 6600 cm3, esse motor tem uma rotaçãonominal de 2200 rpm e potência nominal de 170 kW. Já o trator do trator MF 250XEutiliza um motor aspirado TII S 325/SIMPSON com três cilindros e cilindrada de 2500cm3, esse motor tem uma rotação nominal de 2250 rpm e potência nominal de 37 kW.Qual a pressão efetiva média ao freio desses dois motores no regime de potêncianominal? Porque esses valores são diferentes?

Solução:

A pressão efetiva média ao freio do motor do trator MF 7390 é dada por:120000 120000 170

14056,6 2200

eemb

e e

P p kPa

D N

A pressão efetiva média ao freio do motor do trator MF 250XE é dada por:120000 120000 37

7892,5 2250

eemb

e e

P p kPa

D N

A diferença nas pressões é porque o motor do trator MF 7390 é um motor turbinadocom intercooler, portanto, apresenta uma eficiência volumétrica maior que o motor do trator


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MF 250XE que é um motor aspirado. Assim, como o motor do trator MF 7390 trabalha commaior eficiência volumétrica, existe mais moléculas de O 2 disponíveis para a reação decombustão por unidade de volume do cilindro do motor. O sistema de injeção do motor MF7390 injeta maior quantidade de combustível por unidade de volume do motor, gerando maiorpotência. Essa queima de mais combustível gera pressões mais elevadas no interior do motor.

Veja que as rotações nominais dos dois motores são praticamente as mesmas, então épertinente comparar a potência gerada por unidade de volume deslocado. Cada cm 3 do motordo trator MF 7390 gera 0,026 kW (resultado da divisão de 170 kW por 6600 cm3), enquantoque para o motor do trator MF 250 XE, cada cm3 do motor gera 0,015 kW (resultado da divisãode 37 kW por 2500 cm3). Isso só é possível com uma maior quantidade de combustível sendoinjetada e consequentemente maiores pressões sendo geradas no interior do motor.

35. Um motor apresenta um consumo específico de combustível, em relação a potência ao

freio, de 0,280 kg de óleo diesel por kilowatt-hora. Se esse motor trabalha com umarazão de compressão de 16:1, qual o consumo de combustível quando o torqueproduzido é de 500 N.m e a rotação é de 2200 rpm?

A potência desenvolvida pelo motor é de:

O consumo de combustível considerando um consumo específico de combustível de 0,28kg/(kW.h) é de:

̇ Considerando que o óleo diesel apresenta uma massa específica de 0,834 kg/litro, então oconsumo é de:

̇ Portanto, o consumo do motor deve ser de 38,7 litros por hora. A razão de compressão

dada é uma informação que não tem nada a ver com a solução desse problema.

36. Na figura mostrada a seguir é apresentado o mapa de desempenho do motor do tratorZetor 7211 que foi publicado na Computer and Electronics in Agriculture (Yule, I.J.;Kohnen, G.; Nowak, M.. A tractor performance monitor with DGPS capability.Computer and Electronics in Agriculture. 23 (1999):155-174).


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O motor do trator Zetor 7211 tem rotação nominal de 2200 rpm e potência nominalde48 kW. Considerando que o combustível utilizado seja óleo diesel com 45000 kJ/kg,determine:a) O torque nominal do motor, em N.m.

Como a potência nominal é de 48 kW e a rotação nominal é de 2200 rpm, o torque nominalpode ser calculado por:

O torque nominal do motor do trator Zetor 7211 é 208,35 N.m.

b) O torque máximo do motor, em N.m.

De acordo com a figura apresentada, o torque máximo é 120% do torque nominal, assim:

O torque máximo do motor do trator Zetor 7211 é 250,02 N.m.c) A rotação máxima do motor, em rpm.

De acordo com a figura apresentada, a rotação máxima do motor é 108% da rotação nominal,assim:

A rotação máxima do motor do trator Zetor 7211 é 2376 rpm.


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Portanto, o consumo de combustível quando o motor produz 170 N.m à rotação de 1900 rpmé de 7,31 kg de óleo diesel por hora.

g) A eficiência global do motor quando a rotação é 1900 rpm e o torque é 170 N.m,em %.

O consumo específico nessa condição é de 0,216 kg de óleo diesel por kW.h. Considerando queo poder calorífico do combustível 45000 kJ por kg de óleo diesel, então a eficiência global domotor é de:

A eficiência global do motor nessa situação é de 37%.

h) A eficiência global máxima desse motor, em %.

O mínimo consumo específico de combustível do motor é de 0,211 kg de óleo diesel por kW.h.Considerando que o poder calorífico do combustível 45000 kJ por kg de óleo diesel, então aeficiência global do motor máxima é de:

A máxima eficiência global do motor é de 38%.


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i) O torque (em N.m), a rotação (em rpm) e a potência (em kW) quando o motortrabalha em regime de máxima eficiência.

De acordo com o esquema da figura a seguir, a máxima efiência é atingida quando o torque é86% do torque nominal e quando a rotação é 68 % da rotação nominal.

Dessa forma o torque do motor quando a eficiência é máxima é de:

A rotação do motor quando a eficiência é máxima é de:

A potência gerada no ponto de maior eficiência do motor é de:

A condição de trabalho de máxima eficiência do motor é torque de 179,18 N.m, rotação de1496 rpm e potência gerada de 28,07 kW.

j) Se esse motor têm uma eficiência mecânica de 80%, qual é a potência indicada(em kW) quando o motor trabalha na rotação nominal e com o acelerador nomáximo.

A potência indicada quando o motor produz a potência nominal de 48 kW para uma eficiênciamecânica é de 80% é de:


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A potência indicada no regime de potência nominal é de 60 kW.

k) A potência equivalente do combustível (em kW) quando o motor trabalha narotação nominal produzindo a potência nominal.

O consumo específico de combustível no regime de potência nominal é de 218 g de óleo dieselpor kW.h, conforme esquema da figura a seguir.

O consumo de óleo diesel quando o consumo específico é de 218 g/(kW.h) e a potênciaproduzida é de 48 kW é de:

̇ A potência equivalente para um consumo de 10,46 kg de óleo diesel por hora e um podercalorífico superior de 45000 kJ/kg é de:

̇ A potência equivalente do combustível é de 130,80 kW no regime de potência nominal.

l) A eficiência térmica indicada (em %) quando o motor trabalha na rotação nominalproduzindo a potência nominal.

A eficiência térmica indicada pode ser obtida dividindo-se a potência indicada pela potênciaequivalente do combustível:


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Portanto, a eficiência térmica indicada é de 46%.

m) A reserva de torque do motor, em %.

O torque máximo do motor equivale a 120% do torque nominal, isso significa que a reserva detorque do motor é de 20%.

n) A capacidade de controle do regulador do motor.

Considerando que a rotação nominal do motor é de 2200 rpm e a rotação máxima é 2376 rpm,a capacidade de regulagem do motor é dada por:

A capacidade de regulagem do motor é de 7,69%.

37. Explique o que é pressão efetiva média indicada e o que é potência indicada de ummotor. Como essas duas características são determinadas?

A pressão efetiva média indicada é a pressão média no interior do cilindro do motor decombustão interna durante um ciclo desse motor. Ela expressa a capacidade que um motortem de produzir trabalho.

A potência indicada de um motor é a potência que o motor produziria caso toda energiaproveniente da expansão dos gases fosse convertida em potência útil, ou seja, desprezando-seas perdas por fricção.

A pressão efetiva média indicada é obtida dividindo-se o trabalho produzido durante um ciclo

do motor (área gerada no diagrama p-V) pelo volume deslocado pelo pistão no interior docilindo do motor.

A potência indicada (em kW) é calculada em função da pressão efetiva média indicada (p emi)expressa em kPa, do volume deslocado pelo motor (D e) expresso em litros e da rotação domotor (Ne) expressa em rpm, pela equação:

38. Na figura mostrada a seguir é apresentado o mapa de desempenho do motor do tratorZetor 7211 que foi publicado na Computer and Electronics in Agriculture (Yule, I.J.;


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Kohnen, G.; Nowak, M.. A tractor performance monitor with DGPS capability.Computer and Electronics in Agriculture. 23 (1999):155-174).

O motor do trator Zetor 7211 tem rotação nominal de 2200 rpm e potência nominal de48 kW. Considerando que o sistema de transmissão de potência que leva a potência ao eixotraseiro tem as seguintes características:

raio das rodas traseiras (pneus 18.4-30R1) = 0,71 m; relação de transmissão da redução final (G rf ) = 4,5 relação de transmissão do diferencial (G d)= 3,0

a) Determine qual deve ser a a relação de transmissão de uma marcha da transmissão dotrator, para que a velocidade de deslocamento seja de 1 km/h quando o motor do tratortrabalha com a rotação que produz torque máximo.

A rotação de torque máximo é de 68% da rotacão nominal. Portanto, a rotação de torquemáximo é:

Desprezando-se a patinagem das rodas motrizes, a rotação da roda motriz quando avelocidade de deslocamento é de 1 km/h é de:

A relação de trasmissão total para a marcha em que o trator se desloca a 1 km/h quando omotor trabalha na rotação de torque máximo é:


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O torque máximo é 120% do torque nominal, portanto, o torque máximo é de:

O torque nas rodas motrizes é de:

A potência quando o torque é máximo é de:

A potência nas rodas motrizes é de:

d) Determine a relação de transmissão de uma marcha do trator de tal forma que ele sedesloque a 40 km/h quando a rotação do motor for máxima.

Desprezando-se a patinagem das rodas motrizes, a rotação das rodas motrizes quando avelocidade de deslocamento é 40 km/h é de:

A rotação máxima do motor é de 2376 rpm, assim, a relação de transmissão entre o motor e aroda é de:

A relação de transmissão da caixa-de-marchas para essa marcha é:

39. O trator MF265/4 apresenta um motor cuja potência nominal é de 65 cv à 2200 rpm. Otorque máximo do motor é de 249 Nm e é atingido a 1350 rpm. Determine a reservade torque do motor.


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24

A reserva de torque do motor é de 20%.

40. Um trator é dotado de um motor cuja potência nominal é de 75 cv à 2200 rpm. Omotor apresenta uma cilindrada de 3 litros e trabalha com uma razão de compressãoigual a 17. O torque máximo do motor é de 290 Nm e é atingido a 1350 rpm.Determine a reserva de torque do motor, em %.

Considerando que 1 cv equivale a 0,7355 kW, o torque nominal do motor é de

Como o torque máximo do motor é 290 N.m, então, a reserva de torque é:

A reserva de torque é de 21,12%. Veja que nesse problema foram fornecidas uma série deinformações que nada tinha a ver com a solução. Um bom engenheiro é aquele que sabeextrair as informações relevantes e é capaz de atingir a solução do problema da forma maiseficiente possível. Os pessimistas poderão dizer que foi uma pegadinha do professor !!!

41. Um certo motor de combustão interna com ignição por compressão consome óleodiesel No. 2 (Hg = 45.000 kJ/kg) a uma taxa de 26,3 kg/h quando trabalha a 2200 rpm eproduzindo 530 N.m de torque. Assumindo que a eficiência mecânica é de 0,85,

a) Calcule a potência equivalente do combustível consumido;

A potência equivalente do combustível é de 328,75 kW.

b) Calcule a potência ao freio;

A potência ao freio é de 122,10 kW.

c) Calcule a potência indicada;

kW m H

P f g fe 75,32836003,2645000

3600

kW N T

P ebb 10,1226000022005302

600002

i

bm P

P e

i P 10,12285,0


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26

A capacide de regulagem do regulador é de 7,14%.

O torque máximo é de 696,42 N.m.

Gráfico de torque versus rotação do motor.

42. Uma regra prática para se calcular o consumo médio de óleo diesel de um trator éconsiderar que se consome um litro por hora para cada 10 cv de potência nominal dotrator. A ASABE (American Society of Agricultural and Biological Engineering)estabelece que o consumo específico médio de um trator é de 0,305 L/h para cada kWde potência máxima disponível na TDP do trator. Uma outra forma apresentada pelaASABE para calcular o consumo de combustível de tratores com motor à diesel é usar aequação:

√ Em que:

CecTDP = consumo específico de diesel, em L/h por kW de potência demandada na TDP;

X = relação entre a potência utilizada na TDP e a potência máxima do trator na TDP,decimal.

14,72200236322002363

200200Reg

GM HI

GM HI

N N N N

bGM

bGM b

T T T

T max100R

530530

1004,31 maxbT

m N T b 42,696530314,1max


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Estime o consumo de óleo diesel do trator MF265/4 Advanced que apresenta umapotência nominal de 47,8 kW (65 cv) usando os três métodos citados. Conside que aeficiência da transmissão de potência entre o motor e a TDP é de 86%. No últimométodo, considere que, em média, o trator trabalha com 65% da sua potênciamáxima.

Primeiro método:

Segundo método:

Considerando que a potência na TDP corresponde a 86% da potência de saída do motor:

Terceiro método:

√

Portanto, os consumos calculados pelos três métodos foram de 6,5; 12,54 e 11,75 litros porhora de óleo diesel.

43. Desenvolva uma equação para calcular a eficiência mecânica em função de alguma

pressão média efetiva.A eficiência mecânica é dada por:

A potência ao freio pode ser calculada em função da potência indicada e da potênciade fricção por:

i

bm P

P e

f ib P P P


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A partir da duas equações apresentadas pode-se obter a seguinte equação para aeficiência mecânica do motor:

As potências indicada e de fricção podem ser estimadas a partir da pressão efetivamédia indicada e da pressão efetiva média de fricção:

Assim, a eficiência mecânica pode ser calculada por:

O seja, a eficiência mecânica pode ser calculada a partir da pressão efetiva média defricção e da pressão efetiva média indicada:

44. Um motor apresenta o seguinte mapa de desempenho:

i

f

i

f im P

P

P

P P e 1

600002 eeemi

i

N D p P

600002 eeemf

f

N D p P

emi

emf

eeemi

eeemf

i

f m p

p N D p

N D p

P

P e 1

600002

60000211

emi

emf m

p

pe 1


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Estime o consumo de combustível máximo e mínimo, em L/h, que esse motor pode terquando uma carga de 25 kW de potência é aplicada sobre o mesmo. Considere que ocombustível usado seja o óleo diesel D2. O ponto marcado com o símbolo “+” no gráficotem consumo específico de 276 g/(kW.h) e corresponde ao mínimo consumo específico decombustível.

O mínimo consumo de combustível ocorre quando o consumo específico de combustível émínimo, isso ocorre quando o consumo específico é de 278 g/(kW.h), para uma rotação de1405 rpm e um torque de 165 N.m (ponto A da figura abaixo). O máximo consumo decombustível ocorre quando o consumo específico de combustível é máximo, isso ocorrequando o consumo específico é de 375 g/(kW.h), para uma rotação de 2350 rpm e torquede 100 N.m (ponto B da Figura abaixo). Então, os consumos mínimo e máximo de consumode combustível, considerando que o diesel n o 2 tem massa específica de 0,834 kg/litro, sãode:

Portanto, o consumo mínimo é de 8,33 litros por hora e o consumo máximo é de 11,24litros por hora quando uma potência de 25 kW é gerada.


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45. Um motor de seis cilindros diesel turbinado tem cilindrada de 8 L e razão decompressão de 17,5:1. Quando trabalha a 2000 rpm ele produz 620 N.m de torque, seo combustível utilizado é o óleo diesel D2. O fluxo de combustível é de 27 kg/h. Apartir de um estudo das características de fricção do motor foi determinado que asconstantes da equação de pressão efetiva média de fricção é de:

C 0 = 77,0 kPa C 1 = -0,0143 kPa/rpm C 2 = 1,271 10

-5 kPa/rpm 2 Considerando que o poder calorífico do combustível é de 45700 kJ/kg, calcule quanto apotência de fricção aumenta quando a rotação passa de 1100 rpm para 2200 rpm.

Esse problema reflete bem o que o engenheiro normalmente enfrenta do seu dia-dia.Geralmente, a gente tem muita informação disponível para resolver um problema, na maioriadas vezes a gente tem que saber distinguir que informação é importante e que informação não

vai agregar nada na solução do problema.

Nesse problema, colocamos no enunciado uma série de informações que não tinha nada a vercom a solução. Isso faz parte da vida do engenheiro !!! Vamos a solução:

A pressão efetiva média de fricção é dada por:

Para a rotação de 1100 rpm, a pressão efetiva média de fricção e a potência de fricção é dadapor:

Para a rotação de 2200 rpm, a pressão efetiva média de fricção e a potência de fricção é dadapor:

Portanto, quando se passa de 1100 rpm para 2200 rpm, ou seja, dobramos a rotação de

trabalho, a potência de fricção aumentou em 179%.


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33

̇

49. Qual é a massa específica do ar em Viçosa (altitude de 690 m) quando a temperaturaambiente é de 30º C. Assuma que a constante dos gases perfeitos é igual a8,314 kJ/(kg-mol.K) e que o ar tem um peso molecular igual a 29 kg/kg-mol. A pressãoatmosférica pode ser calculada como sendo

em que:patm = pressão atmosférica, em kPa;h = altitude do local, em m.

- A pressão atmosférica em Viçosa é de:

- A constante dos gases perfeitos para o ar é de:

- A massa específica do ar para Viçosa quando a temperatura é de 30 o C (303,15 K) é:

50. Porque os ensaios na barra de tração de um trator são feitos em pista de concreto?Para padronizar o teste, assim pode-se comparar o resultado realizado emdiferentes pistas e em diferentes condições ambientes. O comportamento do solomuda muito e não permite a padronização do teste.

h patm 01116,01,101

s

o

o

s

o

s

T T

BP BP

n

s

o

o

sa

T

T

BP

BP f

1 a f boabs f P P f P


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TERMODINÂMICA E O CICLO DOS MOTORES DE COMBUSTÃOINTERNA


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51. Explique o que acontece nos quatro tempos de um motor do ciclo Otto?Primeiro tempo – admissão; pistão vai do ponto morto superior ao ponto mortoinferior; ocorre entrada de ar + combustível; válvula de admissão aberta eválvula de exaustão fechada.Segundo tempo – compressão; pistão vai do ponto morto inferior ao ponto morto

superior; ocorre compressão da mistura; as válvulas estão fechadas; no final dacompressão ocorre a emissão da centelha pela vela que dá início à combustão.Terceiro tempo – expansão; pistão vai do ponto morto superior ao ponto mortoinferior; ocorre a expansão dos gases com geração de trabalho; as válvulasestão fechadas.Quarto tempo – exaustão; pistão vai do ponto morto inferior ao ponto mortosuperior; ocorre expulsão dos gases; a válvula de admissão permanece fechada e ade exaustão aberta.

52. Explique o que acontece durante o ciclo real nos tempos de um motor com ignição porcompressão de quatro tempos?

Os quatro tempos do motor são admissão, compressão, expansão e exaustão.O processo de admissão começa um pouco antes do pistão finalizar o ciclo anterior, cerca de10º antes do pistão atingir o ponto morto superior. Durante a admissão a válvula de admissãose mantem aberta e a vávula de exaustão fechada. A válvula de admissão só se fecha após opistão passar pelo ponto morto inferior. Durante a admissão, adimite-se apenas ar.

Durante o processo de compressão as válvulas de adimissão e de exaustão se mantémfechadas.

No final da processo de compressão, cerca de 20º antes do ponto morto superior inicia-se ainjeção de combustível. Pouco depois de iniciada a injeção do combustível, o combustívelentra em autoiginição.

Durante o processo de expansão as duas válvulas, as de exaustão e de admissão se mantémfechadas.

No final do processo de expansão, poucos graus antes do pistão atingir o ponto porto inferior,a válvula de exaustão se abre, e dá-se início à saída dos gases queimados.

A válvula de exaustão se mantém aberta até que pouco depois do pistão atingir o ponto mortosuperior, geralmente 10º após o pistão passar pelo ponto morto superior.

53. Explique o que acontece durante o ciclo real nos tempos de um motor com ignição porcentelha de quatro tempos?

Os quatro tempos do motor são admissão, compressão, expansão e exaustão.

O processo de admissão começa um pouco antes do pistão finalizar o ciclo anterior, cerca de10º antes do pistão atingir o ponto morto superior. Durante a admissão a válvula de admissãose mantem aberta e a vávula de exaustão fechada. A válvula de admissão só se fecha após opistão passar pelo ponto morto inferior. Durante a admissão, adimite-se a mistura ar maiscombustível.


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Durante o processo de compressão as válvulas de adimissão e de exaustão se mantémfechadas.

No final da processo de compressão, cerca de 10º antes do ponto morto superior o sistemaelétrico do motor produz uma centelha que dá início ao processo de combustão.

Durante o processo de expansão as duas válvulas, as de exaustão e de admissão se mantémfechadas.

No final do processo de expansão, poucos graus antes do pistão atingir o ponto porto inferior,a válvula de exaustão se abre, e dá-se início à saída dos gases queimados.

A válvula de exaustão se mantém aberta até que pouco depois do pistão atingir o ponto mortosuperior, geralmente 10º após o pistão passar pelo ponto morto superior.

54. Porque atualmente se utiliza a terminologia motores com ignição por centelha e

motores com ignição por compressão ao invés de motores de ciclo Otto e motores deciclo Diesel?Por que os motores modernos não seguem nem o ciclo Otto teórico e nem o ciclo Dieselteórico. A melhor forma de diferenciar os motores é por meio da forma pela qual a combustãose inicia, existem motores em que a ignição se inicia pela centelha produzida pela vela e emoutro motores a ignição se inicia pela compressão.

55. Para uma mesma razão de compressão, qual ciclo teórico é mais eficiente o Otto ou oDiesel? Porque?

Para uma mesma razão de compressão o ciclo Otto é mais eficiente, porque a pressão no início

da expansão é mais elevada. Segundo Beau de Rochas, quanto mais elevada for a pressão noinício da expansão mais eficiente é o motor.

56. Um motor diesel tem uma razão de compressão igual a 17. Considerando que oprocesso de compressão se inicia com uma pressão de 100 kPa e temperatura de 25º Ce que esse processo é um processo politrópico com n = 1,3. Pergunta-se:

a. qual a temperatura e pressão no final da compressão?

b. Considerando que o óleo diesel é injetado 20º antes do ponto morto superior e

considerando que os motores à diesel geralmente apresentam L/R = 3 (razão entre ocomprimento da biela e o raio da manivela), qual é a temperatura e pressão do ar nointerior do cilindro quando o óleo diesel começa a ser injetado? Lembre-se que ovolume no interior do cilindro é dado por:

[ ]


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Em que:Vg = volume do gás para um determinado ângulo , cm3;Vc = volume do gás quando o pistão está no ponto morto superior, cm 3;R = raio da manivela, cm;L = comprimento da biela, cm;

Ap = área do cilindro, cm2

; = ângulo da manivelva, medido a partir do ponto morto superior, graus.

Quando o pistão está no ponto morto inferior temos que =180º, e a equação acimafica:

[ ]

[ ] { }

Quando o pistão está 20º antes do ponto morto superior, ou seja, =340º, vamosadmitir que o volume seja V1’, então teremos:

[ ] { } Se chamarmos de r’ a razão de compressão entre V 2 e V1’ tem -se:

Se a razão de compressão do motor é igual a 17, isso significa que:

Em que, Dc é igual ao volume deslocado pelo motor (volume entre o ponto mortosuperior e o ponto morto inferior). O volume deslocado é obtido multiplicando-se ocurso pela área do pistão. Como o curso do pistão corresponde ao dobro do raio damanievela, isso significa dizer que o volume deslocado corresponde na realidade a2.R.Ap. Ou seja, que R.Ap equivale a 8.Vc. Dessa, forma r’ pode ser calculado como:


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Assim, a pressão quando o pistão estiver 20º antes do ponto morto superior será de:

.57. O processo de compressão nos motores diesel pode ser representado por um processo

politrópico em que o expoente n vale 1,3 enquanto que o processo de expansão podeser representado usando um valor de n igual a 1,26. Partindo de uma pressãoatmosférica de 100 kPa e temperatura de 20 graus celsius, determine a pressão etemperatura após a compressão se a razão de compressão do motor é de 16. Estime,também, a relação entre a pressão no início e no final do processo de expansão para omesmo motor.

A pressão no final da compressão é de 3674 kPa e a temperatura é de 400,3º C. A razão entrea pressão no início e no final do processo de expansão é de 32,9.

58. O processo de compressão nos motores diesel pode ser representado por um processopolitrópico em que o expoente n vale 1,3 enquanto que o processo de expansão podeser representado usando um valor de n igual a 1,26. Se em um motor diesel turbo, apressão de entrada é de 240 kPa e a temperatura de entrada do ar na câmara decombustão é de 100º C, determine a pressão e temperatura após a compressão se arazão de compressão do motor é de 16.

Após a compressão, a pressão é de 8822 kPa e a temperatura é de 584,1º C.

59. Se motor um de quatro cilindros trabalha com razão de compressão igual a 17, se ovolume deslocado é de 3,5 litros, determine o volume correspondente ao ponto mortosuperior e ao ponto morto inferior em cada cilindro, expresse o resultado emcentímetros cúbicos.

Se o motor tem quatro cilindros, o volume desloca em cada cilindro é de:


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O volume no ponto morto superior (V 2), para uma razão de compressão (r) de 17, é dado por:

O volume no ponto morto inferior (V1) é dado por:

Portanto, o volume no ponto morto inferior é de 929,7 cm 3 e do ponto morto superior é de

54,7 cm3

.

60. Um motor a diesel apresenta um volume deslocado de 9 litros. A razão decompressão é igual a 17,5. Se o diesel é injetado 20º antes do pistão atingir oponto morto superior, quantos segundos transcorre desde o momento que oóleo diesel é injetado até o momento que o motor atinge o ponto mortosuperior quando o motor trabalha a 2000 rpm?

O tempo é o necessário para o motor girar 20º e é dado por:

Portanto, o intervalo de tempo entre o início da injeção e o momento que o pistão atinge oponto morto superior é 1,67 milisegundos.

61. Considere um motor diesel de 3 cilindros, cilindrada de 3 L com razão de compressãode 18,5:1. O motor tem uma biela com comprimento de 270 mm e uma manivela comraio de 90 mm. Calcule o volume no interior de um cilindro, quando o pistão semovimenta partindo do ponto morto superior até que o ângulo da árvore demanivelas atinja 90º.

Considerando que o volume deslocado em cada cilindro é de 1000 cm3 e que a razão decompressão é igual a 18,5, então o volume do ponto superior de cada cilindro é de:

O volume no interior do cilindro para um ângulo de 90º é dado por:


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40

[ ]

[ ]

O volume deslocando em cada cilindro é igual à área de pistão multiplicada pelo curso dopistão. O curso do pistão é igual a duas vezes o raio da manivela, então:

Dessa forma, o volume quanto =90º é de:

[ ]( ) [ ] O volume no interior de cada cilindro quando o ângulo da manivela atinge 90º é de 642,929

cm3.


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COMBUSTÍVEIS E LUBRIFICANTES


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42

62. O que é octanagem de um combustível?A octanagem de um combustível é a resistência que este tem a batida de pino, ou aautodetonação. Quanto maior a octanagem de um combustível significa que ele é maisresistente a autodetonação. Para motores com ignição por centelha, quanto maior a

octanagem melhor é o combustível. 63. Qual a faixa de número de cetanos ideal para combustíveis usados em motores diesel?

Os combustíveis utilizados em motores diesel devem ter um índice de cetanos mínimo de 40.Os combustíveis comerciais geralmente não apresentam índice de cetanos superior a 50. Omáximo índice de cetanos admitido para motores diesel é de 60.

64. Porque não se pode usar gasolina em um motor a diesel?Porque a gasolina tem uma resistência a autoignição muito elevada, a temperatura atingidapelo ar ao final da compressão em um motor diesel geralmente não é suficiente parapromover a autodetonação da gasolina.

65. Porque praticamente todos os tratores usam motores diesel?O diesel é um combustível mais barato, os motores diesel são mais eficientes que os motorescom ignição por centelha e os motores diesel são mais robustos que os motores com igniçãopor centelha, os tratores geralmente trabalham próximo do regime de potência máxima porprolongados períodos de tempo, portanto, necessita-se de um motor mais robusto.

66. Porque os motores com ignição por compressão trabalham com uma razão deequivalência menor ou igual a 0,7?

Porque os combustíveis usandos nesse motor não se misturam bem com ar, para garantir quea combustão ocorra é necessário um maior excesso de ar.

67. Porque os motores com ignição por centelha apresentam maior consumo de álcooldo que de gasolina quando geram uma mesma potência de saída?

Porque o poder calorífico do álcool é bem menor que o poder calorífico da gasolina.

68. O que acontece durante o período denominado “atraso de ignição” de ummotor diesel?

Primeiro ocorre a evaporação do combustível e depois as pré-reações químicas queantecedem o processo de combustão propriamente dito.

69. Considere três combustíveis utilizados em motores de combustão interna:gasolina com octanagem 90, óleo diesel e álcool. Coloque os três combustíveisem ordem crescente de temperatura de autoignição.

Óleo diesel, gasolina com octanagem 90 e álcool.

70. Porque os motores de combustão interna necessitam trabalhar com excesso de ar?Porque a mistura ar-combustível não é homogênea, trabalhando-se com excesso de ar facilitaa queima de todo o combustível. Quanto mais heterogênea for a mistura, maior deve ser oexcesso de ar. É por isso que motores diesel geralmente trabalham com excesso de ar muitomaior que motores a gasolina ou a álcool.

71. O que acontece durante o perío do denominado “atraso de ignição” de um motordiesel?

Durante o atraso de ignição ocorre a atomização do combustível e sua vaporização, depoisinicia-se reações químicas que antecedem a formação da chama.


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72. O Brasil consome muito óleo diesel devido a dependência que temos do transporterodoviário. Geralmente, importa-se óleo diesel para suprir a nossa demanda dessecombustível. Uma alternativa para reduzir nossa dependência de óleo diesel é utilizar

motores a diesel com uma mistura óleo diesel + gás natural (mistura dehidrocarbonetos leves, geralmente contendo em torno de 70% de metano).Considerando os conhecimentos adquiridos da ENG-630, responda as seguintesquestões:a. Como você acha que esse motor bi-combustível funcionaria (óleo diesel + gás

natural)?O gás natural deve ser admitido junto com o ar, pois eles se misturam bem. Assim,teremos uma mistura ar-combustível mais uniforme. O óleo diesel deve serinjetado ao final do processo de compressão, como ele apresenta uma menortemperatura de autoignição (porque é formado por hidrocarbonetos de cadeialonga), logo após a injeção, o óleo diesel entrará em autoignição e dará o início à

combustão do gás natural.b. Como os dois combustíveis seriam alimentados no motor?

O gás natural deve ser alimentado junto com o ar na admissão e o óleo diesel porum sistema de injeção ao final do processo de compressão.

c. O motor precisaria sofrer modificação, se sim que mudança precisaria ser feita?Justifique sua resposta.Seria necessário incluir um sistema para dosar e misturar o gás natural com o ar nomomento da admissão. Quando o motor estiver trabalhando sem carga, umamaior parcela da energia virá da queima de óleo diesel, à medida que a carga nomotor aumentar, a porcentagem de óleo diesel poderá ser reduzida.

d. O motor modificado poderia voltar a trabalhar com 100% de óleo diesel? Justifiquesua resposta.Sim, sem problemas, basta fechar a alimentação de gás natural. Como não foi feitanenhuma outra modificação no motor a não ser a colocação do dosador de gásnatural, o motor poderá voltar a funcionar com 100% de óleo diesel.

e. Seria possível trabalhar com 100% de gás natural no motor diesel? Justifique suaresposta.Não, o motor precisará do óleo diesel para dar início ao processo de combustão. Oóleo diesel produzirá a centelha de dará início à queima do gás natural. Setivermos só gás natural, a temperatura na câmara ao final da compressão não serásuficiente para promover ao autoignição do gás natural. Esse combustível éformado por hidrocarbonetos de cadeia curta, e portanto, com uma granderesistência à autoignição.

73. Uma das preocupações atuais em relação ao uso de derivados de petróleo para ageração de energia é a emissão de CO 2 na atmosfera. De acordo com o relatórioproduzido pela EPE (Empresa de Pesquisa Energégica) e o MME (Ministério de Minas eEnergia), o Brasil consumiu de óleo diesel, em 2011, 43745 103 toneladas equivalentesde petróleo. Uma tonelada de óleo diesel é igual a 1,01 toneladas equivalente depetróleo. Considerando que o óleo diesel pode ser representado pela fórmula C 16H34,que um litro de óleo diesel tem uma massa de 0,84 kg e que a queima do óleo diesel


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seja completa de tal forma a gerar apenas CO 2, H2O e energia, determine quantoskilogramas de CO2 é lançado por ano no Brasil devido a queima de óleo diesel.

A reação estequiométrica entre o óleo diesel e o ar é dada por:

C16H34 + 24,5O2 + 92,12N2 16CO2 + 17H2O + 92,12N2

16x12+1x34 16(12+2x16)

=226 kg deC16H34

=704 kg deCO2

Assim, a quantidade de CO2 liberada pela queima de óleo diesel em 2011 é estimadaem:

Portanto, estima-se que a queima de óleo diesel no Brasil em 2011 tenha gerado 134,9milhões de toneladas de CO 2.

74. Qual a razão estequiométrica ar/combustível para a combustão de uma mistura de75%, em massa, de gasolina (C8H18) e de 25% de álcool etílico (C2H6O)?

A razão esquiométrica para um determinado combustível é dada por:

Em que é a razão de equivalência (nesse caso igual a 1); x, y e z são os números de átomosde carbono, hidrogênio e oxigênio na molécula de combustível, respectivamente.

Para mistura de dois combustíveis é necessário calcular o fator r s dado por:

Em que o subscrito “p” denota o combustível principal, e “s” o secundário; a variável f é afração em volume (na forma decimal) de cada combustível; m é o peso molecular e é amassa específica do combustível.O problema é que as frações dos dois combustível tem que ser em volume e não em massa,como o enunciado do problema estabelece.Vamos ter que transformar as frações de combustível de massa para volume. A gasolinaapresenta um valor de p de 0,735 kg/litro e o álcool etílico apresenta s de 0,785 kg/litro.Vamos supor que se tenha uma mistura de 1 kg da mistura de gasolina com álcool etílico, ovolume de cada componente será de:

s s p s

p p s

f mr

f m


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45

Assim, a razão entre o volume de gasolina e de álcool é dado por:

e A razão rs então pode ser calculada por:

Os números de átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio na molécula equilavente decombustível são dado por:

Com os valores de xc, yc e zc pode-se calcular o valor da variável U:

Então, a razão de equivalência considerado a mistura esquiométrica pode ser calculada por: A razão de equivalência estequiométrica para uma mistura de 75% de gasolina e 25% de álcooletílico, em massa, é de 13,53 kg de ar para cada kg de combustível queimado.

75. Um trator utilizada um motor naturalmente aspirado de 4 cilindros com cilindrada

total de 3,9 litros. O motor tem uma potência nominal de 80 cv a 2200 rpm quandotrabalha com óleo diesel. O fabricante do trator está estudando a conversão dessemotor para trabalhar com 15% de óleo diesel e 85% de álcool etílico, em volume.Espera-se que utilizando essa mistura a razão de equivalência possa ser de 0,85.Espera-se, também, que o ar que entra na admissão corresponda a 85% da cilindradado motor. Com base nessas informações determine:

a) Qual é a relação ar-combustível real do motor operando com a mistura álcool-óleo diesel?

Utilizando as propriedades dos combustíveis, pode-se calcular o fator r s para a mistura. Para

isso, será considerado que o álcool é o combustível principal e o diesel é o combustívelsecundário.

0382 ,0226 46

85 ,015 ,0

785 ,0834 ,0

m

m

f f

r s

p

p s

p s

s

Usando-se a composição química dos combustíveis, a molécula composta do combustívelCxcHycOzc é tal que:

611 ,2216 0382 ,0 x xr xc p s s

297 ,7 6 340382 ,0 y yr yc p s s


47/126

46

000 ,1100382 ,0 z z r zc p s s

A razão ar-combustível real, para =0,85, pode ser calculada por:

935 ,321

4297 ,7

611 ,22 zc

4 yc

xcU

misturadakg ar dekg

636 ,11116 297 ,7 611 ,21285 ,0

935 ,33 ,137 zc16 yc xc12

U 3 ,137 l Combustive

Ar

al Re

b) Qual o poder calorífico em kJ por kg da mistura álcool-óleo diesel?

Para formar 1 litro da mistura, precisa-se de 0,15 litro de diesel e 0,85 litro de álcool.Utilizando-se os valores de massa específica dos combustíveis em questão, a massa decombustível existente em um litro de mistura é:

alcool delitrosalcool dekg

785 ,0misturadalitrosalcool delitros

85 ,0diesl delitros

diesel dekg 834 ,0

misturadalitrosdiesel delitros

15 ,0mistura

misturadalitrosmisturadekg

792 ,0mistura

O inverso da massa específica é denominado volume específico e expressa quantos litros damistura será necessário para obter um kg de mistura. O volume específico da mistura nessecaso é:

misturadekg misturadelitro

262 ,1792 ,011

vmistura

mistura

Isso significa que para formar 1 kg de mistura com 15% de diesel e 85% de álcool em volumetem-se:

diesel dekg 1579 ,0834 ,015 ,0262 ,1mdiesel

alcool dekg 8421 ,0785 ,085 ,0262 ,1malcool

O poder calorífico do diesel D2 é 45500 kJ/kg e o do álcool é 29700 kJ/kg. Assim, a quantidadede energia existente em um kg da mistura é:

misturadakg kJ

32195297008421 ,0455001579 ,0 H gmistura


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c) Qual a capacidade de queima da mistura de combustível no motor, em kg/h?

A massa específica do ar, admitindo uma pressão atmosférica de 99 kPa e uma temperaturaambiente de 20º C, é dada por:

ar demar dekg 178 ,1

2015 ,273293145 ,8

99T R

BP 3ar

A quantidade de ar que entra no motor quando ele trabalha na sua rotação nominal,considerando que admite-se 85% do volume deslocado é dado por:

ar dem1

ar dekg 178 ,1ar delitros1000

ar dem1hora1

min60min

revolucoes2200

revolucoes2ar delitros

9 ,385 ,0m3

3ar

horaar dekg

712 ,257 mar

Considerando a razão ar-combustível já calculada, a capacidade de queima de combustíveldesse motor é de:

hora

misturadekg 15 ,22

636 ,11

712 ,257

l Combustive Ar

mm

real

ar f

d) Qual a potência equivalente do combustível para a mistura álcool-óleo diesel a ser utilizada?

A potência equivalente do combustível para a mistura diesel-álcool é:

kW 07 ,1983600

3219515 ,223600

H m P

g f fe

e) Se o motor apresentar uma eficiência global de 32%, qual a potência de saída do mesmooperando com essa mistura álcool-óleo diesel?

Considerando que o motor tenha uma eficiência global de 32% quando trabalhando em regimede rotação nominal, então, a potência de saída de motor é de:

kW 38 ,6332 ,007 ,198e P P bt feb

Ou seja,


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76. Qual a função dos volantes nos motores de combustão interna?Os volantes têm a função regularizar a rotação (velocidade angular) dos motores,armazenando energia cinética quando o torque produzido pelo motor é maior que o torque

médio e fornecendo energia cinética quando o torque produzido é menor que o torque médio.

77. Explique o que significa cruzamento de válvulas em um motor de combustão interna.O cruzamento de válvulas é um período em que tanto as válvulas de admissão como asválvulas de exaustão estão abertas em um motor de quatro tempo. Isso ocorre no final dotempo de exaustão e no início do tempo de admissão. Geralmente, as válvulas ficam abertassimultâneamente por cerca de 20º de giro da árvore de manivelas.

78. Qual a função do volante em um motor de combustão interna?

A função do volante é acumular energia cinética do motor durante o tempo de expansão parautilizar essa energia quando o motor está produzindo muito pouca energia ou até mesmo estáconsumindo energia para executar os tempos de exaustão, admissão e compressão.

79. Qual a cilindrada, o número de cilindros, o curso e o diâmetro do pistão adequadospara um motor aspirado com 42 kW de potência nominal a 2400 rpm? Qual omomento de inércia que o volante desse motor deve ter se a variação de velocidadedo mesmo não deve superar 0,5%?

Adotando uma pressão efetiva média ao freio de 800 kPa, tem-se que a cilindrada do motordeve ser de:

120.000 120000 422,625

800 2400b

ebme e

P D L

p N

Adotando três cilindros, o volume deslocado por cilindro será de:

32,625 0,875 8753

ec D L L cm

Admitindo uma razão entre diâmetro do pistão e o curso igual a 0,90, tem-se oseguinte diâmetro pistão:

2 2 33875

4 4 0,9 3,6d d d d

c cm

Ou seja, o diâmetro do pistão deverá ser de 10,0 cm. Como a razão entre o diâmetro e o curso

é de 0,9, então o curso do pistão deverá ser de 11,1 cm.


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O momento de inércia do volante para um motor de três cilindros deverá ser de:

9 9

2 2 2 2 2 3 3

60000 50900

2,7 10 0,7 0,239 109000,8

b

e m b bf

e e e e

P N e p P P E k

I N N N p N p

Para uma potência ao freio de 42 kW e uma rotação nominal de 2400 rpm, tem-se

9 92

3 3

0,239 10 0,239 10 421,455

2400 0,5b

f e

P I kg m

N p


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MOTORES DE IGNIÇÃO POR COMPRESSÃO


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80. Porque os motores diesel necessitam de trabalhar com maior relação ar-combustívelque os motores a gasolina?

Os motores diesel necessitam trabalhar com maior relação ar-combustível porque o óleodiesel não se mistura bem com o ar. No motor diesel, no tempo de admissão admite-se apenasar e o óleo diesel é injetado diretamente na câmara de combustão ao final da compressão do

ar formando uma mistura heterogênea. Além disso, o tempo para que a mistura se processe émenor nos motores diesel que nos motores com ignição por centelha. Diante daheterogeneidade da mistura e o pequeno intervalo de tempo para que a mesma se processeuma maior quantidade de ar é necessária.

81. Porque a grande maioria dos tratores agrícolas utiliza motor diesel?Porque utiliza um combustível mais barato, é um motor mais eficiente e é um motormais robusto ideal para trabalhos pesados como os trabalhos executados pelo trator.

82. O que significa um motor diesel de injeção direta?É um motor em que o combustível é injetado diretamente no cilindro do motor, não existe

uma câmara auxiliar como ocorre nos motores de injeção indireta.83. Quais são os componetes do sistema de alimentação de combustível em um motor

diesel e as respectivas funções desempenhadas por esses componentes?Copo de sedimentação: realiza a separação do diesel das impurezas por diferença de massaespecífica, as impurezas com massa específica superior à do diesel sedimentam no fundo docopo, e o combustível parcialmente limpo vai para o próximo componente.

Bomba alimentadora: é uma bomba de baixa pressão responsável por vencer a resistência noselementos filtrantes de combustível e fazer chegar o combustível até a bomba injetora.

Filtro de combustível: faz a filtragem do combustível para evitar danos no sistema de injeção.

Bomba injetora: comprime o óleo diesel até uma elevada pressão, dosa a quantidade de óleodiesel necessária e distribui o óleo diesel no momento certo para os cilindros do motor.

Bico injetor: atomiza o combustível quebrando-o em partículas bem finas para facilitar amistura com o ar e a vaporização do combustível. O bico injetor pode ter mais de um furo desaída de combustível para facilitar a mistura do óleo diesel com o ar.

84. Quais as funções desempenhadas por uma bomba injetora em um motor diesel? A bomba injetora tem quatro funções: a) aumentar a pressão do combustível para facilitar aatomização na câmara de combustão; b) liberar o combustível no momento certo, geralmente20º antes do pistão atingir o ponto morto superior ao final da compressão; c) dosar aquantidade de combustível a ser queimado e um certo excesso para garantir a pressão mínimanecessária no bico injetor; e d) distribuir o combustível para cada cilindro segundo a ordem deignição.

85. Porque os motores diesel com injeção direta são mais eficientes que os motores dieselde injeção indireta?

Porque nos motores de injeção direta uma maior parcela da combustão ocorre comocombustão da pré-mistura, o que faz com que a pressão no início do processo de expansãoseja maior, tornado o ciclo mais eficiente. Além disso, no motor com injeção direta, a perda de

calor é menor devido à menor área superficial que nos motores com injeção indireta.


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86. O trator John Deere 8320R é equipado com um motor agrícola John DeerePower Tech Plus de 6 cilindros e 9,0 L que desenvolve 320 cv a 2100 rpm,dotado de injeção eletrônica common rail, 4 válvulas por cilindro e aspiração

por turbo-compressor com intercooler ar-ar. Além disso, possui o sistemaFieldCruise que possibilita limitar a rotação do motor em aplicações onde não énecessária toda a potência do trator. Com base nessas informações responda:a) Como funciona o sistema de injeção do motor utilizado no trator?

Esse motor utiliza um sistema de injeção eletrônica common rail. Nesse motor o óleo diesel ébombeado por uma bomba com controle de pressão que mantém a pressão elevada em umreservatório comum (common rail), essa pressão é mantida a cerca de 140 MPa. Sensoresmedem vários parâmetros de funcionamento do motor (rotação do motor, ângulo de giro domotor, posição do acelerador, pressão do compressor, temperatura do ar, temperatura dofluido refrigerante e fluxo de combustível), os valores lidos são transferidos para uma unidadede controle eletrônico, que processa essa informação e envia o sinal para cada válvulasolenoide existente em cada unidade de injeção de cada cilindro do motor. Esse sinal controlao momento em que se inicia a injeção e a duração do processo de injeção em cada cilindro. Ainjeção é feita na realidade em duas etapas, primeiramente a válvula solenoide libera umapequena quantidade de combustível (injeção piloto) e logo depois realiza a liberação dainjeção principal. Com isso se consegue um melhor controle do processo de queima docombustível, reduzindo as emissões de poluentes.

b) Como funciona o sistema de admissão de ar desse motor? O sistema de alimentação do motor trabalha com um turbocompressor e um intercooler ar-ar.Esse sistema aumenta a massa específica do ar e faz com que uma maior quantidade de arentre para o cilindro a cada ciclo do motor. Aumentando-se a quantidade de ar, pode-seinjetar mais combustível e liberar mais potência.

No turbocompressor os gases de exaustão são utilizados para movimentar uma turbina. Umcompressor conectado ao mesmo eixo da turbina força o ar de admissão a entrar no cilindrodo motor. A turbina converte a energia potencial e a energia cinética dos gases de exaustãoem energia mecânica. A energia mecânica gerada pela turbina é utilizada para movimentar ocompressor. No compressor, a energia mecânica é convertida em energia pneumática, fazendoo ar de admissão se movimentar e aumentando a pressão e a temperatura desse ar. Ocompressor faz com que a massa específica do ar seja aumentada ao passar por ele. Como atemperatura após o ar passar pelo compressor é muito elevada, geralmente superior a 100º C,

esse motor é dotado de um intercooler ar-ar para resfriar parcialmente o ar que sai docompressor. Esse resfriamento promove um aumento ainda maior na massa específica do ar,permitindo que uma maior quantidade seja admitida. O intercooler tipo ar-ar é na realidadeum trocador de calor que utiliza o ar ambiente para resfriar o ar que saiu do compressor.

c) Qual a vantagem de se ter 4 válvulas por cilindro?A utilização de quatro válvulas por cilindro, duas de admissão e duas de exaustão, facilita daadmissão e a exautão dos gases no motor. Com isso melhora-se a eficiência volumétrica domotor e reduz a perda de potência para expulsar os gases durante a exaustão.


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d) Que vantagens esse FieldCruise deve trazer para o usuário do trator?Explique a sua resposta.

Conforme informação do fabricante do trator, esse sistema limita a rotação de trabalhoquando não se necessita de toda a potência do motor. Quando se trabalha com menorrotação, tem-se menor perda de potência por fricção (lembre-se que mostramos nos tópicos

iniciais da disciplina que a perda de potência por fricção em um motor diesel aumenta com ocubo da rotação), e portanto, o motor trabalhará com maior eficiência global resultando emeconomia de combustível.

87. O trator Maxxum 110 fabricado pela Case é dotado de um motor turbo comintercooler de 6 cilindros, com cilindrada de 6,75 litros, tem potência nominal de 125cv a 2200 rpm e torque máximo de 555 Nm a 1500 rpm. Já o trator Maxxum 180fabricado também pela Case é dotado de um motor turbo com intercooler de 6cilindros, com cilindrada de 6,75 litros, tem potência nominal de 180 cv a 2200 rpm etorque máximo de 733 Nm a 1500 rpm. OBS.: Lembre-se que 1 cv = 75 kgf.m/s e 1 kgf= 9,80665 N. Se for necessário, admita que as condições ambientes são: temperaturade 25º C e pressão atmosférica de 99 kPa.

a) Se o consumo específico em regime de potência nominal desses dois motores é de250 g de óleo diesel/(kW.h). Determine o consumo de óleo diesel desses dois motoresem litros por hora no regime de potência nominal;

A potência nominal dos dois motores em kW:

kW 94 ,91W 1000

kW 1

sm N 1

W 1kgf 1

N 8665 ,9cv1

smkgf 75

cv125 P 1b

kW 39 ,132W 1000

kW 1

sm N 1

W 1kgf 1

N 8665 ,9cv1

smkgf 75

cv180 P 2b

O consumo em kg/h dos dois motores:

horadiesel dekg

98 ,22 g 1000

kg 1hkW diesel de g 250

kW 94 ,91C 1h

horadiesel dekg

10 ,33 g 1000

kg 1hkW diesel de g 250

kW 39 ,132C 2h

Usando as propriedades dos combustíveis do diesel D2, obtém-se uma massa específica de0,834 kg/L. Assim, o consumo em L/h dos dois motores:


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56

hdiesel de L

56 ,27 diesel dekg 834 ,0

diesel de L1hora

diesel dekg 98 ,22C 1h

hdiesel de L

69 ,39diesel dekg 834 ,0

diesel de L1hora

diesel dekg 10 ,33C 2h

b) Qual a reserva de torque desses dois motores?

O torque, em N.m, dos dois motores na rotação nominal:

m N 06 ,399220026000094 ,91

N 260000 P

T 1e

1b1n

m N 65 ,574220026000039 ,132

N 260000 P

T 2e

2b2n

A reserva de torque, em %, dos dois motores:

%08 ,3910006 ,399

06 ,399555100

T T T

RT 1n

1n1max1

%56 ,27 10065 ,574

65 ,574733100

T T T

RT 2n

2n2max2

c) Se os dois motores trabalham com razão de equivalência igual a 0,70 no regime depotência nominal, qual é a massa de ar por unidade de tempo admitida pelos doismotores? Expresse o resultado em kg/hora.

A razão ar-combustível estequiométrica para o diesel é de 15 kg de ar/kg de diesel. Assim, arazão ar-combustível real, para os dois motores com =0,7, é de:

diesel dekg ar dekg

42 ,217 ,0

15l Combustive

Ar

real

O consumo de diesel do motor 1, calculado no item a) é de 22,98 kg/h, assim o consumo de ar,em kg/h, será de:

hora

ar dekg 52 ,492

hora

diesel dekg 98 ,22

diesel dekg

ar dekg 42 ,21C

1ar


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O consumo de diesel do motor 2, calculado no item a) é de 33,10 kg/h, assim o consumo de ar,em kg/h, será de:

horaar dekg 23 ,709

horadiesel dekg 10 ,33

diesel dekg ar dekg 42 ,21C 2ar

d) Qual é a potência gerada pelos dois motores em regime de torque máximo.Expresse o resultado em cv.

A potência, em kW, em regime de torque máximo para o motor 1:

kW 18 ,87 60000

1500555260000

N T 2 P 1maxT 1max1maxbT

A potência, em kW, em regime de torque máximo para o motor 2:

kW 14 ,11560000

1500733260000

N T 2 P 2maxT 2max2maxbT

e) Se a razão de compressão desses motores for igual a 17, qual é o volumecorrespondente ao ponto morto superior e ao ponto morto inferior de cada cilindro domotor?

O volume deslocado, em litros, em cada cilindro:

L125 ,16 75 ,6

n D

Dcil

ctotal c

O volume correspondente ao ponto morto superior para uma razão de compressão de 17 é:

L0703 ,0117

125 ,11r

DV c2

O volume correspondente ao ponto morto inferior para uma razão de compressão de 17:

L1953 ,1 L0703 ,017 V r V 21


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SISTEMAS DE ADMISSÃO E EXAUSTÃO


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88. Qual a função do intercooler em um motor turbinado? Reduzir a temperatura do ar que será admitido no motor para que este tenha uma massaespecífica maior ainda, resultado em uma maior eficiência volumétrica.

89. Explique como os motores turbinados funcionam?No turbocompressor os gases de exaustão do motor são utilizados para movimentar umaturbina. Um compressor conectado ao mesmo eixo da turbina força o ar de admissão a entrarno cilindro do motor. A turbina converte a energia potencial e a energia cinética dos gases deexaustão em energia mecânica. A energia mecânica gerada pela turbina é utilizada paramovimentar o compressor. No compressor, a energia mecânica é convertida em energiapneumática, fazendo o ar de admissão se movimentar e aumentando a pressão e atemperatura desse ar. O compressor faz com que a massa específica do ar seja aumentada ao

passar por ele, resultando em uma maior eficiência volumétrica do motor. Com mais ar sendoadmitido, pode-se queimar mais combustível e produzir mais potência.

90. Qual a massa de ar, em gramas, que entra em um cilindro de um motor diesel do tipoaspirado a cada processo de admissão, se o diâmetro do cilindro é de 10 cm e o cursodo pistão é de 9 cm. Admita que a pressão atmosférica do local é 99 kPa, atemperatura ambiente é de 25º C e que o ar se comporta como um gás perfeito. Aconstante dos gases perfeitos para o ar é de 0,286 kJ/(kg.K).

A massa específica do ar, para uma pressão barométrica (BP) de 99 kPa e temperatura de 25ºC, é dada por:

A massa de ar teórica que entra no cilindro do motor é dada por:

Como um motor aspirado geralmente tem uma eficiência volumétrica de 85%, então a massade ar que entra no cilindro do motor deve ser de:

Portanto, deve ser admitido 0,70 gramas de ar durante a admissão de ar em cada cilindro.


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91. Estime a potência máxima que um motor diesel aspirado com cilindrada de quatrolitros pode gerar. Admita que a massa específica do ar é de 1,2 kg/m 3, que o podercalorífico do óleo diesel é de 45700 kJ/kg, que a relação ar-combustível estequimétrica

é de 15, que a rotação nominal do motor é de 2200 rpm, e que a eficiência energéticaglobal do motor é de 30%.Para calcular a potência máxima vamos admitir que razão de equivalência ( ) quandoo motor desempenha a máxima potência é de 0,70. Assim, a relação ar-combustívelreal fica dada por:

A massa de ar téorica que entra no motor por unidade de tempo é dada por:

̇ Considerando que a eficiência volumétrica de um motor aspirado é de 85%, então aquantidade de ar que entra no motor por unidade de tempo é:

̇ ̇ Considerando a razão ar combustível já calculada, o consumo de combustível estimadopara esse motor é:

̇ ̇ A potência equivalente do combustível, considerando que o poder calorífico (Hg) é de45700 kJ/kg de combustível, é dada por:

̇

Considerando que a eficiência global do motor é de 30%, isso significa que a potênciaao freio do motor é de:

Portanto, um motor aspirado com cilindrada de 4 litros deve apresentar uma potênciamáxima de 65 cv.


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Se o poder calorífico do óleo diesel é 45700 kJ/kg e a eficiência global do motor é de 30%,então a potência gerada pelo motor turbo será dada por:

̇ Portanto, o motor turbo produzirá 77% a mais de potência que o motor aspirado.


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SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃOINTERNA


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94. Quais as vantagens do sistema de refrigeração a água em relação aos sistemas derefrigeração a ar?

A água tem maior calor específico e o coeficiente de troca de calor entre um líquido e umsólido é maior do que a de um gás e um sólido, facilitando a troca de calor no bloco do motor.

Com o sistema de refrigeração a água, o motor atinge a temperatura ideal de funcionamentoem um tempo mais curto, graças a atuação da válvula termostática, fazendo com que osistema de lubrificação do motor funcione melhor. Como os sistemas refrigerado a águatrabalham com um sistema forçado de movimentação do fluido refrigerante, é possívelcontrolar melhor o processo de refrigeração do motor em suas diferentes condições detrabalho.

95. Porque geralmente os radiadores são pressurizados?Nos radiadores pressurizados, a pressão do fluido é mantida acima da pressão atmosférica, ecom maior pressão aumenta-se a temperatura de ebulição do fluido refrigerante e reduz-se orisco do mesmo evaporar.

96. Porque os motores precisam ser refrigerados durante o seu funcionamento?Os motores precisam ser refrigerado para que a parede do cilindro e o cabeçote sejammantidos numa temperatura em que o lubrificante possa atuar com eficiência e em que osmateriais que compõem o motor não entrem em fusão.

97. Qual a função da válvula termostática no sistema de refrigeração de um motor decombustão interna?

A válvula termostática tem a função de regularizar a temperatura de funcionamento do motor.Quando o motor está frio ela se fecha para que o fluido de refrigeração circule apenas nomotor fazendo com que a temperatura ideal de funcionamento seja atingida em menortempo. Quando o motor atinge a temperatura ideal de funcionamento, a válvula termostáticaregula a abertura para que o fluido refrigerante passe do motor para o radiador e vice-versamantendo a temperatura ideal de funcionamento.

98. Você está definindo as especificações de um sistema de resfriamento para um motorresfrigerado a líquido 120 kW. O fluido refrigerante é composto de uma mistura 50:50de água e etileno glicol. Assuma que a quantidade de calor rejeitada e transferida parao fluido de refrigeração corresponde à 91% da potência ao freio do motor e que ofluido se resfria de 8º C e o ar aumenta sua temperatura de 15º C quando passam peloradiador. Assuma que o fluido de refrigeração entra na parte superior do radiador auma temperatura de 98º C. Assuma que o radiador é composto por tubos espaçadosde 1,6 cm e que são usados três fileiras de tubos. Projete o sistema considerando umatemperatura ambiente de 40º C e pressão atmosférica de 100 kPa. Calcule:

a) o calor específico do fluido de refrigeraçãoO calor específico do fluido de refrigeração é dado por:


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sup8

3,409 0,003897 3,409 0,0

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Prova Maquinas Motoras