Aula 7: Motor de Combustão Interna - Ciclo Real

Aula 7 Motor de Combustão Interna Ciclo Real Disciplina de Máquinas Térmicas CH 60 h CRE 04 Prérequisitos s Termodinâmica II e Transferência de Calor e Massa Universidade Federal da Paraíba Curso de Engenharia de Energias Renováveis 20231 Profª Taynara Geysa Silva do Lago taynaracearufpbbr 2 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Diagrama P x V REAL 3 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Diagrama P x V Ciclo Otto 4T O aspecto qualitativo de um diagrama p V real de um motor ciclo Otto ignição por faísca está representado na Figura abaixo 4 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Diagrama P x V Ciclo Otto 4T 12 Admissão o pistão deslocase do PMS ao PMI com a válvula de admissão aberta de tal forma que o cilindro está em contato com o ambiente A pressão em seu interior mantémse um pouco menor que a pressão atmosférica dependendo da perda de carga no sistema de admissão causada pelo escoamento da mistura combustívelar ou apenas ar no caso de injeção direta de combustível succionada pelo movimento do pistão 23 Compressão fechase a válvula de admissão e a mistura confinada no cilindro é comprimida pelo pistão que se desloca do PMI ao PMS A curva 23 indica uma diminuição do volume do FA e um consequente aumento da pressão Notase que antes de se atingir o PMS ocorre o salto da faísca e a pressão tem um crescimento mais rápido do que aquele que teria somente por causa da redução do volume provocada pelo pistão 5 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Diagrama P x V Ciclo Otto 4T 34 Expansão tendo saltado a faísca no ponto a a pressão aumenta rapidamente em virtude da combustão da mistura O pistão empurrado pela força da pressão dos gases deslocase do PMS ao PMI e com esse movimento o FA sofre um processo de expansão isto é um aumento de volume com consequente redução da pressão Esse é o tempo do motor que produz um trabalho positivo tempo útil 41 Escape no ponto b um pouco antes do PMI por razões que serão explicadas posteriormente abre se a válvula de escapamento e os gases por conta da alta pressão escapam rapidamente até alcançar uma pressão próxima da atmosférica O pistão deslocase do PMI para o PMS expelindo os gases queimados contidos no cilindro e a pressão mantémse ligeiramente maior que a atmosférica Alcançado o PMS reiniciase o ciclo pela descrição do tempo de admissão 6 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Diagrama P x V Ciclo Otto 4T Cada ângulo α de rotação da manivela corresponde a certo volume do FA contido entre a cabeça do pistão e o cabeçote 7 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Diagrama P x V Ciclo Diesel 4T A Figura abaixo mostra o esboço de um diagrama pv de um motor ciclo Diesel a 4T 8 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Diagrama P x V Real 4T A Figura a seguir compara os diagramas p V de ciclos Otto e Diesel apresentando a diferença de pressão de pico entre ambos 9 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Diagrama P x V Real 2T OTTO As Figura mostram sem escala para efeito didático os diagramas p V e p α de um motor a 2T de ignição por faísca 10 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Diagrama P x V Real 2T OTTO 1 Descobre a janela de admissão do cárter para o cilindro e a mistura comprimida pela parte inferior do pistão é empurrada para a parte superior 2 O pistão alcança o PMI 3 4 Fecha a janela de admissão do cárter para o cilindro Fecha a janela de escape 45 Realiza a compressão e salta a faísca Ao mesmo tempo abrese a janela de admissão para o cárter e nele se admite a mistura nova 56 Combustão da mistura arcombustível 67 Realiza a expansão e o trabalho positivo do motor Fechase a janela de admissão para o cárter 7 Descobre a janela de escape e em 1 abrese novamente a passagem de admissão do cárter para o cilindro 11 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Propriedades e curvas caracteristicas 12 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Tipos de potências TEÓRICA considera que todo calor é convertido em energia mecânica INDICADA considera as perdas caloríficas EFETIVA considera perdas caloríficas e mecânicas 13 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Conceitos de potências A potência pode ser entendida como a quantidade de energia convertida ao longo do tempo É a taxa de conversão de energia em função do tempo Nos motores térmicos a energia térmica proveniente da combustão é convertida em energia mecânica A energia mecânica é aquela capaz de movimentar objetos 14 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Unidades usuais de potência em motores de combustão interna As unidades usuais são kW hp e cv A unidade internacional é quilowatt kW Conversão de unidades de potência hp horse power 76 kgfms1 cv cavalo vapor 75 kgfms1 hp 074532 kW cv 073551 kW 15 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real POTÊNCIA TEÓRICA kW Estimada em função do consumo e características do combustível Equação 1 1 d q p P c T PT potência teórica kcalh1 q consumo de combustível Lh1 pc poder calorífico do combustível kcalkg1 d densidade do combustível kgL1 16 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real POTÊNCIA TEÓRICA kW equivalente mecânico do calor 4186 J 1 cal 4186 J 1 kcal 4186 J 1000 4186 3600 d q p P c T 4186 10 63 6 d q p P c T 17 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real POTÊNCIA TEÓRICA kW Exemplo calcular a potência teórica de um motor Dados tipo de combustível óleo diesel densidade do combustível 0823 kgL1 poder calorífico do combustível 10923 kcalkg1 consumo horário de combustível 6 Lh1 18 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real POTÊNCIA TEÓRICA kW 1 53937774 0 823 6 10923 kcal h P P T T kW PT 6272 4186 10 63 774 53937 6 PT 6272074532 8415 hp PT 6272 073551 8527 cv Solução 19 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real PODER CALORÍFICO O Poder calorífico é medido queimandose uma amostra de combustíveis em um calorímetro 20 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real PODER CALORÍFICO O Poder calorífico é medido queimandose uma amostra de combustíveis em um calorímetro 21 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Gás natural veicular GNV Poder calorífico do GNV 9631 kcalm3 12491 kcalkg1 Densidade relativa do GNV 06425 Densidade absoluta do ar 12 kgm3 22 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real PODER CALORÍFICO DO GNV Normalmente é expresso em kcalm3 É convertido para kcalkg1 dividindose o valor do poder calorífico kcalm3 pela densidade absoluta do GNV kcalm3 kg kcal kg m d p kcal m p a c c 3 3 pc poder calorífico do GNV kcalkg1 da densidade absoluta do GNV kgm3 23 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real DENSIDADE ABSOLUTA DO GNV A densidade absoluta do GNV é obtida multiplicandose a densidade relativa do GNV pela densidade absoluta do ar kg m3 d d d ar r a da densidade absoluta do GNV kgm3 dr densidade relativa do GNV dar densidade absoluta do ar 12 kgm3 24 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real EXEMPLO Calcular a potência teórica em kW de um motor GNV que consome 863 m3h1 O combustível apresenta poder calorífico de 9631 kcalm3 e densidade relativa de 06425 pc 9631 kcalm3 dr 06425 dar 12 kgm3 q863 m3h1 3 0 771 21 0 6425 kg m da 1 c 12491 kcalkg 0771 9631 p 6 863 12491 0771 4186 36 10 TP kW PT 9664 25 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Potência indicada kW Estimada a partir da pressão na expansão características dimensionais e rotação do motor PI 𝐹 𝐿 𝑡 𝑊 𝑡 Fforça na expansão Lcurso do pistão Wtrabalho realizado no ciclo ttempo para realizar o ciclo PI 𝑃 𝐴 𝐿 𝑛 𝑡 𝑃 𝑉𝑐𝑖𝑙 𝑛 1 𝑡 PI 𝑃 𝑉𝑐𝑖𝑙 𝑛 1 𝑡 26 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Velocidade linear do pistão É a velocidade de deslocamento do pistão no vai e vem entre PMS e PMI Depende do curso do pistão e da rotação da árvore de manivelas 2 1000 60 L N VLP em que VLP velocidade linear do pistão ms1 L curso do pistão mm N velocidade angular da árvore da manivelas rpm 27 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Tempo para realizar o ciclo 2T 𝑡2𝑇 2 𝐿 𝑉𝐿𝑃 𝑉𝐿𝑃 2 𝐿 𝑁 𝑡2𝑇 2 𝐿 2 𝐿 𝑁 1 𝑁 𝑡2𝑇 1 𝑁 28 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Potência Indicada 2T 𝑃𝐼2𝑇 𝑃 𝑉𝑐𝑖𝑙 𝑁 𝑛 103 kW PI2Tpotência indicada para motores 2T kW Ppressão na expansão Pa Vcil volume do cilindro m3 N rotação do motor rps n número de cilindros PI 𝑃 𝑉𝑐𝑖𝑙 𝑛 1 𝑡 𝑡2𝑇 1 𝑁 Sabendo que Então 29 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Tempo para realizar o ciclo 4T 𝑡4𝑇 4 𝐿 𝑉𝐿𝑃 𝑉𝐿𝑃 2 𝐿 𝑁 𝑡4𝑇 4 𝐿 2 𝐿 𝑁 2 𝑁 PI4T 1 2 𝑃 𝑉𝑐𝑖𝑙 𝑁 𝑛 103 Ppressão na expansão Pa Vcil volume do cilindro m3 N rotação do motor rps n número de cilindros 30 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Exemplo Calcular a potência indicada motor 4T 4 cilindros D x L 100 x 90 mm P12 kgfcm2 rotação do motor 1800 rpm 𝑃𝑃𝑎 12 980665 104 1176798 𝑃𝑎 𝑉𝑐𝑖𝑙 𝜋 0102 4 𝐿 785398 103 90 103 𝑉𝑐𝑖𝑙 7068582 104 𝑚3 N 1800 60 30 𝑟𝑝𝑠 𝑃𝐼4𝑇 1 2 1176798 7068582 104 30 4 𝑃𝐼4𝑇 4990975 𝑊 4991 𝑘𝑊 31 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Potência efetiva Estimada em função do torque e da rotação do motor A potência máxima é obtida na máxima rotação do motor 𝑃𝐸 𝑇𝑂 ω 2𝜋 𝑇𝑂 𝑁 PE potência efetiva W TO torque no motor Nm N rotação no motor rps mkgf 980665 Nm cv 073551 kW 32 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Potência efetiva Estimada em função da força tangencial FBy e da velocidade angular Ω do ponto P1 𝑃𝐸 𝐹𝐵𝑦 Ω Ω 𝐶 𝑁 Ω 𝜋 2 𝑅 𝑁 𝑇𝑂 𝐹𝐵𝑦 𝑅 𝑒𝑚 𝑃1 𝑃𝐸 𝑇𝑂 𝑹 𝜋 2 𝑹 𝑁 𝑃𝐸 2 𝜋 𝑇𝑂 𝑁 33 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Torque do motor Nm O torque ou força de torque expressa a capacidade do motor movimentar objetos 𝑇𝑂 𝐹𝐵𝑦 𝑅 𝑇𝑂 𝐹𝐵 𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑅 𝛼 90 180 𝛽 𝑇𝑂 𝐹𝐵 𝑐𝑜𝑠 90 180 𝛽 𝑅 TO torque no volante do motor ou torque do motor Nm R raio da circunferência m FB força na haste da biela N 34 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Exemplo Calcular força na haste da biela e torque no eixo da árvore de manivelas Força na haste da biela e o torque no eixo da árvore de manivelas Figura ao lado Dados pressão na expansão 2 Nmm2 diâmetro do cilindro 100 mm 20 𝛽 120 𝑅 75 𝑚𝑚 35 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Solução Força na haste da biela FB 𝐹𝐵 𝑐𝑜𝑠 𝑃 𝐴 𝐹𝐵 𝑃 𝐴 𝑐𝑜𝑠 𝐹𝐵 2 𝑐𝑜𝑠20 𝜋 100 2 4 𝐹𝐵 16716 𝑁 𝐹𝐵 16716 𝑘𝑁 36 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Solução Torque no eixo da árvore de manivelas 𝑇𝑂 𝐹𝐵 𝑐𝑜𝑠 90 180 β 𝑅 𝑇𝑂 16716 𝑐𝑜𝑠 90 180 20 120 75 103 𝑇𝑂 16716 𝑐𝑜𝑠50 75 103 𝑇𝑂 80586 𝑁 𝑚 37 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real Variação do torque e da potência em função da rotação do motor 38 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real 39 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real CONSUMO P Pe Pe 40 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real CONSUMO c E m Ce P 41 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real CURVAS CARACTERISTICAS 42 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real RENDIMENTOS DE MOTORES TÉRMICOS Rendimento térmico RT I T T P P PIpotência indicada PTpotência teórica 43 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real RENDIMENTO MECÂNICO E M I P P PEpotência efetiva PIpotência indicada 44 07082023 Aula 7 Potências dos MCI Real RENDIMENTO TERMOMECÂNICO E TM T P P PEpotência efetiva PTpotência teórica