Motores alternativos - Introdução

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Motores alternativos caractersticas componentes, funcionamento sistemas de injeo de combustvel motor turbinado motor Wankel reas tecnolgicas em desenvolvimento parmetros operacionais e de projeto modelos termodinmicos de ciclos motores: ciclos Otto, Diesel, Dual. parmetros de performance emisso de poluentes

C aractersticas d o s m o to res seg und o sua ap licaoT ip o d e m o to r U tilizao P o tn cia kW IC o u D iesel IC IC IC IC , D D IC IC , D D D D IC IC ,D D D IC IC IC D T em p o s R esfria m en to 2,4 4 4 4 4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2 4 2,4 2,4 4 4 2,4 2,4 Ar Ar,g u a Ar,g u a Ar,g u a g u a Ar,g u a Ar,g u a g u a g u a g u a g u a g u a g u a g u a ar ar ar g u a

V ecu lo s d e p asseio

M o to cicletas S co o ters C arro s p eq u en o s C arro s g ran d es C o m erciais leves C o m erciais p esad o s

0.75 - 70 15 - 75 75 - 200 35 - 150 120 - 400 1,5 - 15 3 - 150 40 - 750 40 - 2000 400 - 3.000 0,4 - 75 4 - 750 30 - 2.200 3.500 - 22.000 45 - 2.700 45 - 1.500 0,7 - 3 35 - 22,000

V ecu lo s fo ra d e estrad a

V ecu lo s leves (aero p o rto s, fazen d as) ag ricu ltu ra M o vim en to d e terra M ilitares

E strad a d e ferro M arin h o s

lo co m o tivas F o ra d e b o rd a L an ch as a m o to r B arco s a m o to r N avio s

Aero n aves

Avi es H elic p tero s

D o m stico s E stacio n rio s

C o rtad o r d e g ram a P o tn cia eltrica

Componentes do motorMotor FIAT

Cabeote do motor : vlvulas, velas, Balancim (controla a apertura das vlvulas), dutos de admiso e escapamento cmaras de exploso

Correia de transmisso

Bloco do motor: cilindros, mbolos, bielas dutos para gua de resfriamento, dutos para o sistema de lubrificao

Conjunto de rvores de manivelas, os pistes esto ligados rvore por meio das bielas, a rvore est apoiada na base do bloco do motor

Carburadorprincpio de funcionamento

Sistema de Injeo eletrnica de combustvel

Sistema de alimentao de gs da Rodags

MOTORES : CICLO OPERACIONAL 4 tempos

Aspirao

Compresso

Combusto

Escape

MOTORES : CICLO OPERACIONAL 2 tempos com vlvula de ignio

combusto - escape

aspirao- compresso

Ciclo dieselNa compresso, somente ar comprimido na cmara O ar comprimido at atingir uma temperatura acima da de auto-ignio

Ciclo Otto

De carga estratificada

Na compresso comprimida uma Motores hbridos, tentam somar mistura de ar + combustvel as vantagens dos outros dois O ar comprimido a mais baixas presses, a temperatura atingida fica abaixo da de autoignio Trabalha com relao de presso similar ao Diesel: 12 a 15 (melhora a eficincia)

O combustvel injetado (quase no final da corrida do pisto) e entra em autoignio Taxas de compresso altas

O combustvel entra em ignio atravs de uma fasca

Injeo direta de combustvel na cmara de combusto: evita "golpeteo" Ignio por centelha, evita ignio espontnea indesejada

Taxas de compresso mais baixas

Aceita combustvel menos "nobre" : leo Diesel Ciclo a ar ideal: o calor entra a presso constante

Combustvel: gasolina, alcool

O controle de potncia do motor realizado atravs do controle de combustvel injetado por ciclo Podem operar com combustveis menos "nobres"

Ciclo a ar ideal: O calor entra a volume constante

Cmara de combusto : motor de carga estratificada de injeo direta

Qresfriadorcompressor

Gases de escape

Supercarregamento mecnico motor

Na admisso

ar Combustvel

por injeo

Gases de escape

compressor

turbina

Motor turbinado

Qresfriador arCombustvel

motor

Motor turbinado

1 - entrada ar 2 - compressor 3 - interresfriador 4 - carburador 5 - manifold 6 - vlvula de entrada 7 - vlvula de sada 8 - manifold 9 - turbina 10 - sada dos gases 11 - sistema de controle da sada dos gases 12 - regulador de presso

Motor Wankel , de pisto rotativo

MOTORES DE COMBUSTO INTERNA : reas em desenvolvimento - controle de poluioCarros Poluente Impacto%

Caminhes

Emisso Reduo nos Motores em veculos novos (do total) motores IC emisses no controlados fontes % (g/km) (#) (g/km) mveis

Motores Diesel (g/km) 12 17 3 0,5

NO e NOx

CO

Nvoa, txicos txico

40-60 90

2,5 65 10 0,5(*)

75 95 90 40

7 150 17 --

Hidrocarbo- nvoa 60-80 netos no queimados Particulados Reduz visibilidade

(#) valores mdios antes do incio da normatizao (USA - 1968) (*) motores Diesel

- diminuio do consumo de combustvel - novos combustveis : lcool, gs, biogs, gases pobres, hidrognio - competitividade no mercado - diminuio de rudo

Parmetros operacionais e de projeto em motores alternativos relaes geomtricas em motores alternativos seqncia de eventos no processo potncia, trabalho, eficincia mecnica potncia de rodagem presso mdia efetiva consumo especfico de combustvel eficincia volumtrica fatores de correo das eficincias relaes entre parmetros de performance dados de projeto e performance

Principais Parmetros de performance: Potncia mxima (potncia a plena carga, limite) : o mais alto valor de potncia que um motor consegue desenvolver, por um curto perodo de tempo. Potncia normal ou contnua: a mais alta potncia que o motor desenvolve em operao contnua. Velocidade de rotao: deve ser informado o valor da velocidade de rotao do sistema de biela-manivela, correspondente s potncias definidas acima.

relaes geomtricas em motores alternativos

Vc = espao morto Vd = cilindrada L = curso do pisto B = dimetro do pisto

= ngulo de rotao Sp = velocidade instantnea do pisto __ Sp= velocidade mdia do pisto

Parmetros geomtricos: Razo de compresso: rc = mximo volume do cilindro = Vd + Vcmnimo volume do cilindro VcVc = cmara de combusto (espao " morto" superior) Vd = cilindrada (volume varrido pelo cilindro no seu deslocamento)

Razo dimetro/curso do pisto:

Rbs =

B L

Razo brao/rdio do sistema biela-manivela: Valores tpicos Motores de ignio por centelha: Motores Diesel:8 < rc < 12 12 < rc < 24

R=

l a

L = 2a

Motores pequenos e mdios: 0 ,8 < B / L < 1,2 Grandes motores Diesel, de baixa rotao:B / L at 0,5

3 < R < 4 cm 5 < R < 9 cm

Relaes entre parmetros geomtricos : Volume do cilindro B 2 (l + a s ) em funo do deslocamento V = Vc + 4 da biela Distncia entre o pino da biela no pisto e o eixo da manivela rea interna da cmara de combusto s = a cos + l 2 a 2 sen 2

(

)1 / 2

= ngulo de manivelaA = Ac + Ap + B (l + a s )

Ac = rea superior, no topo do cilindro Ap = rea na cabea do pistoSp = 2LN 8 < Sp < 15 m/s

Velocidade mdia do pisto Velocidade instantnea do pisto Relao das velocidades

N = velocidade de rotao da manivela ds Sp = dt Sp cos = sen 1 + 2 2 1/ 2 Sp 2 R sen

(

)

Seqncia de eventos - motor de 4 tempos Volume varrido pelo pisto Taxa de injeo de combustvel

Presso

Taxa de queima de combustvel ngulo de manivela

potncia, trabalho, eficincia mecnicaTorque:

T = Fb F = fora medida no dinammetro b = brao do dinammetro

Potncia

P = 2NT

Wc ,i

Trabalho indicado : o trabalho realizado pelos gases sobre o pisto, somente nos processos de compresso e expanso. O termo indicado refere-se a que obtido em base ao ciclo termodinmico realizado pelos gases. Trabalho de bombeamento: do trabalho entregue pelo motor, parte gasta nos processos de exausto e admisso, esta parte denominada trabalho de bombeamento, este valor resta-se do trabalho indicado. Isto acontece nos motores naturalmente aspirados. Nos motores supercarregados, o trabalho de bombeamento soma-se ao trabalho indicado. Trabalho lquido por ciclo: tirando o trabalho de bombeamento do trabalho bruto, resta o trabalho lquido.

Wp

A potncia do motor pode ser calculada a partir do trabalho por ciclo, levando em conta o tipo de motor (2 ou 4 tempos), e o nmero de revolues, assim: Potncia por cilindro:

Wc ,i N Pi = nR

nR = 1 (2 tempos) nR = 2 (4 tempos)

Potncia bruta = potncia lquida + potncia de frico Na potncia de frico se consideram reunidas todas as perdas devidas ao bombeamento da carga no motor, atrito mecnico das peas do motor, etc. Eficincia Mecnica

m =

Potncia lquida Potncia bruta

Eficincia de converso do combustvel

f =

P & mfQHV

& m f = vazo de combustvel [kg/s] QHV = poder calorfico do combustvel [kJ/kg]

potncia de rodagemDenomina-se potncia de rodagem potncia necessria para impulsionar um veculo numa estrada plana a velocidade constante. Ela depende das caractersticas do veculo (tamanho, forma, peso) e da velocidade, na forma:

1 Pr = CR Mv g + aCD Av Sv 2 Sv 2

CR = coeficinte de resistnci a rodagem Mv = massa do veculo g = acelerao da gravidade a = densidade do ar ambiente CD = coeficiente de arraste A v = rea frontal do veculo S v = velocidade do veculo

0,012 < CR < 0,015

0,3 < CD < 0,5

presso mdia efetiva um valor indicativo, determinado a partir da potncia por ciclo, por cilindro:mep = PnR Vd N

Conceitualmente, a presso mdia efetiva seria igual presso constante que os gases teriam que ter dentro do cilindro para produzir o mesmo efeito que produzido na condio real, que implica numa presso variando ao longo dos processos

consumo especfico de combustvel& m A / F = ar & mf

sfc =

& mf P

kg kJ & mf F/A= & mar

relao ar / combustvel

ou

& mfRazo de equivalncia combustvel /ar, na combusto Razo de equivalncia ar /combustvel

=

& mf & mar estequiomtrica & mar & mf

& mar

=

& mar & mf estequiomtrica

eficincia volumtricaOnde:

& nR mar v = ar ,iVd NOu:

& mar = vazo de ar que entra no motor mar = massa de ar que entra em cada admisso

ar ,i = densidade do ar na entrada do motorVd = cilindrada

v =

mar ar ,iVd

N = nmero de revolues

Motor de 6 cilindros, IC, Vd = 3,8 litros , B = 96,8 mm, L = 86 mm, rc =8,6 Pi = potncia indicada Pf = potncia de atrito Pb = potncia lquida = Pi -Pf imep = presso indicada mdia equivalente bmep = presso lquida mdia equivalente fmep = presso de atrito mdia equivalente m = eficincia mecnica bsfc = consumo especfico de combustvel isfc = consumo indicado de combustvel

Fator de correo para a potnciaA presso, umidade e temperatura do ar ambiente, afetam a quantidade de ar que admitida no cilindro, e portanto, a performance do motor. Uma correo entre as condies padro e as condies reais de medio necessria. Adotam-se como condies padro uma presso de ar seco de 736,6 mmHg, presso do vapor de gua 9,65 mmHg, e uma temperatura de 29,4 C. O coeficiente de correo da potncia :

Pi ,s = CF Pi ,m

Onde o subndice m, indica valores nas condies de medida e s, valores em condies padro. Considerando que a potncia de frico no seja afetada pelas condies ambiente, a potncia de freio : O fator de correo dado por:onde : ps ,d = presso absoluta do ar seco, padro pm = presso absoluta do ar, ambiente2

Pb ,s = CF Pi ,m Pf ,m

ps ,d Tm CF = T pm pv ,m s

1

pv ,m = presso parcial do vapor de gua, ambiente Tm = temperatura ambiente Ts = temperatura padro

Explicao: A base para o fator de correo o escoamento de um gs atravs de uma restrio de seo = AE( +1) 2 2 p p A p & = E o m p RTo 1 po o

1

2

Assumindo que a relao de presses se mantenha constante, a vazo de ar que entra no motor depender de:

& ma

po To

Por este motivo, o fator de correo inclui somente os efeitos de presso e temperatura.

Correo da eficincia volumtricaA eficincia volumtrica depende do cociente da vazo mssica do ar e a densidade. Por sua vez, a densidade proporcional ao cociente da temperatura e presso. O fator de correo resulta ento:

T CF ' = v ,s = s v ,m Tm

1

2

Relaes entre parmetros de performancePotncia

P=

f mar NQHV ( F / A ) nR

P=

f v NVd ar ,i QHV ( F / A ) nR nR = 1 ou 2

torque

T =

f vVd ar ,i QHV ( F / A ) nR 2mep = f v ar ,i QHV ( F / A )

Presso mdia efetiva

Potncia especfica = potncia por unidade de rea da seo do pisto

NL ar ,i QHV ( F / A ) P = f v nR AP

ou

f v Sp ar ,i QHV ( F / A ) P = AP 2nR

Eficincia de converso da energia do combustvel:

f =

Wc P = & mf QHV mf QHV

Eficincia de combusto:

c =

(Hr H p )p0 ,T0mf QHV

Eficincia de primeira lei do ciclo motor, ou eficincia de converso trmica:

t =

Wc (Hr H p )

=

p0 ,T0

Wc = f c mf QHV c

Eficincia de segunda lei do ciclo motor, ou eficincia de converso da energia livre da reao de combusto:

a =

Wc (Bp Br )

p0 ,T0

Detonao no motor

Octanagem A ocorrncia de detonao no motor depende fundamentalmente do tipo de combustvel, mas tambm das caractersticas do motor. O nmero de octanos uma medida da maior ou menor tendncia do combustvel de apresentar o fenmeno de detonao no motor. A escala de octanagem foi definida arbitrariamente: Escala n-heptano isooctanon C7H16 C8H18

0 100

Determinao da octanagem de um combustvel feita segundo dois tipos de procedimentos: Norma ASTM D-2699 - mtodo de pesquisa Norma ASTM D - 2700 - mtodo do motor Os valores obtidos so ligeiramente diferentes, sendo sempre menores queles referentes ao mtodo do motor. Exemplos: Gasolina metano propano benzeno metanol etanol pesquisa 92-98 120 112 106 107 motor 80-90 120 97 115 92 89

DADOS DE PROJETO E OPERAO, TPICOS, DE MOTORES DE COMBUSTO INTERNA

Mximosciclos Razo Dimetro de pisto compres so rc Bm Motores pequenos carros caminhes grandes Wankel IC 2 ,4 4 4 2, 4 4 6 - 11 8-10 7-9 8 - 12 9 0,05- 0,085 0,07 - 0,1 0,09 - 0,13 0,22 - 0,45 0,57 l/cmara 0,075 - 0,1 0,1 - 0, 15 0,1 - 0, 15 0,15 - 0,4 0,4 - 1 Velocidade Presso Potncia Peso/ Curso/ Melhor mdia / volume Potncia consumo dimetro lquida KW/ litro Kg / kw especfico rev / min pisto g / kWh atm L/B 1,2 - 0,9 4500 - 7500 4 - 10 1,1 - 0,9 4500 - 6500 7 - 10 1,2 - 0,7 3600 - 5000 6,5 - 7 1,1 - 1,4 300 - 900 6,8 - 12 6000 - 8000 9,5 10,5 1,2 - 0,9 4000 - 5000 1,3 - 0,8 2100 - 4000 1,3 - 0,8 2100 - 4000 1,1 - 1,3 1,2 - 3 425 - 1800 110 - 400 5 - 7,5 6-9 12 - 18 7 - 23 9 - 17 20 - 60 20 - 50 25 - 30 3-7 35 - 45 5,5 - 2,5 4-2 6,5 - 2,5 23 - 35 1,6 - 0,9 350 270 300 200 300

Motores Diesel carros 4 caminhes 4 Caminhes 4 (TC) Locomotivas 4, 2 Estacionrios 2 grandes

17-23 16 - 22 14 - 20 12 - 18 10 - 12

18 - 22 15 - 22 18 - 26 5 - 20 2-8

5 - 2,5 7-4 7 - 3,5 6 - 18 12 - 50

250 210 200 190 180

Questes3- Calcule a velocidade mdia do pisto, presso mdia efetiva,, e potncia especfica, em funcionamento a plena carga, para os motores das tabelas que seguem. Comente as diferenas entre os resultados obtidos. De ignio por centelha: Tipo / marca Chrysle r General Motors marino No. Cilindra Dimetro cilindros da [l] cilindro [mm] 42,2 87,5 4tempos 6 (em V) 2,8 89,0 4 tempos 2 0,737 2 tempos Curso pisto [mm] 92 76 Razo de Potncia compres mxima so [kW] 8,9 65 8,5 86 41 Rev./ min (*) 5.000 4.800 5.500

(*) Nmero de revolues a que foi obtida a potncia mxima.

Diesel: Tipo / marca Injeo No. Cilin Dimetro Curso Razo Potncia Rev. cilindros drada cilindro pisto de mxima /min [l] [mm] [mm] compre [kW] (*) sso 6 10 125 136 16,3 168 2.100 a 246 4 1,47 76,5 80 37 5.000 6 137,2 165,1 200 a 300 17 188 1.600 a 2100 2.300

Cummins Volks wagen Caterpillar

Direta turbo indireta Direta Turbo + Ps resf. direta

8 em V

13,4

128

130

4.- O primeiro dos motores de ignio por centelha da tabela do problema 1 opera a uma velocidade mdia do pisto de 10 m/s. O fluxo de ar medido de 60 g/s. Calcule a eficincia volumtrica para ar atmosfrico em condies padro.

5.- A eficincia efetiva de converso de combustvel de um motor de ignio por centelha em torno de 0,3 e varia pouco com o tipo de combustvel. Calcular o consumo especfico efetivo de combustvel para a) gasolina, b) Diesel c)gs natural.