O volume e a área do pistão podem ser relacionados com o diâmetro e curso, através das Equações 25 e 26:
(Eq. 23) (Eq. 24)
(Eq. 25) (Eq. 26)
A vazão de combustível no motor é feita conforme as Equações 27 a 29, e dependem do consumo específico de combustível, que é o consumo de combustível por unidade de potência gerada.
(Eq. 27) (Eq. 28)
(Eq. 29)
O consumo específico de combustível é uma variável que diminui quanto maior o diâmetro do cilindro do pistão do motor, ou seja, para motores maiores, o consumo de combustível, para gerar a mesma potência, é menor (FERGUSON;
KIRKPATRICK, 2000).
A eficiência volumétrica é a eficiência com o qual o motor movimenta o ar entre os compartimentos, em especial, para dentro e para fora dos cilindros onde ocorre o processo de combustão. Ele é calculado como a razão da densidade do ar na entrada da atmosfera e na entrada do cilindro.
EXEMPLO
Um motor de 2 cilindros a 4 tempos, com rotação de 600 RPM, possui um pistão com 10 cm de diâmetro e curso de 15 cm. Se a pressão efetiva média na câmara de combustão é de 100 kPa, calcule a potência indicada, a potência de freio e a potência de atrito.
SOLUÇÃO
A área e volume deslocado podem ser calculados pelas Equações 25 e 26:
O torque no motor pode ser calculado pela Equação 22:
A pressão indicada e a pressão de freio são calculadas pelas Equações 18 e 19:
TÓPICO 4 — PERFORMANCE
A potência de atrito é a diferença entre as duas:
4 VELOCIDADE DO MOTOR E DO PISTÃO
A Figura 15 mostra um exemplo típico de curva de um motor. Está relacionando a rotação do motor no eixo horizontal e a potência de freio no eixo vertical.
Na Figura 15, pode ser observado que a potência aumenta com a rotação do motor até atingir um máximo, que é diferente para diferentes motores. Após esse máximo, a potência diminui, com o aumento da rotação. O torque do motor apresenta, exatamente, o mesmo comportamento, mas com um máximo em uma rotação ligeiramente mais baixa do que o máximo da potência.
FIGURA 15 – ROTAÇÃO DO MOTOR X POTÊNCIA DE FREIO
FONTE: <https://cutt.ly/ZfY6myy>. Acesso em: 29 abr. 2020.
O comportamento da potência de freio, na Figura 15, pode ser explicado pelas Equações 30 e 31, que relacionam a potência de freio com a potência indicada e com a rotação do motor, respectivamente:
(Eq. 30)
(Eq. 31)
Você pode perceber, na Equação 31, que a potência de freio aumenta linearmente com a rotação do motor N, o que descreve o comportamento observado na parte esquerda da Figura 15, para rotações baixas. Para rotações muito altas, as eficiências do motor, ηmec, ηi, e ev caem, resultando em uma potência de freio menor.
A potência indicada, em uma curva como a da Figura 15, seguiria um percurso similar ao da potência de freio, mas ligeiramente mais alta (HEYWOOD, 1988).
Pode-se, também, criar uma curva para o consumo específico de combustível (bsfc), que é o que você pode observar na Figura 16. O bsfc, em geral, diminui com o aumento da rotação do motor, até chegar a um mínimo, e, após esse ponto, começa a aumentar. Isso ocorre pois o bsfc é inversamente proporcional à potência, como visto na Equação 29, portanto, quando a potência começa a diminuir, o bsfc começa a aumentar.
FIGURA 16 – CURVA DE VELOCIDADE, CONSUMO E CONSUMO ESPECÍFICO DO COMBUSTÍVEL
FONTE: < https://cutt.ly/ofUqEnz >. Acesso em: 29 abr. 2020.
TÓPICO 4 — PERFORMANCE
Geralmente, deseja-se uma alta potência, além de um baixo consumo específico de combustível nos automóveis. Devido ao que foi observado nas curvas e ao fato citado, essas duas condições geralmente ocorrem para as mesmas velocidades, ou muito próximas.
5 MAPAS DE DESEMPENHO
Uma forma de combinar a análise dos esforços e a da rotação no motor é o chamado mapa de desempenho, que é um gráfico de contorno, ou seja, possui regiões contornadas com a variável assumindo diferentes valores em cada região.
Um exemplo de mapa de desempenho é mostrado na Figura 17. Nessa, você pode perceber que é utilizada a rotação do motor no eixo horizontal, além da pressão média efetiva na câmara de combustão no eixo vertical. Cada ponto desse plano representa um certo valor de rotação e pressão, e há um consumo de combustível, que corresponde a esses valores.
A Figura 17 mostra o consumo específico de combustível, em g/kWh, para um motor diesel 3 cilindros com 1,5 L de volume deslocado. Você pode perceber que o menor consumo de combustível é de 206 g/kWh, que ocorre para rotações de, aproximadamente, 2200 RPM e BMEP de 15,5 bar.
O consumo de combustível aumenta conforme se distancia desse ponto, chegando até valores de 400 g/kWh ou mais, basicamente, o dobro do consumo de combustível comparado ao ponto ideal.
FIGURA 17 – MAPA DE DESEMPENHO PARA UM MOTOR DIESEL 3 CILINDROS COM 1,5 L DE VOLUME DESLOCADO
6 ATIVIDADE PRÁTICA – TESTE DE DESEMPENHO DE MOTOR À GASOLINA COM DINAMÔMETRO
Os motores à gasolina são amplamente utilizados, mas seu funcionamento eficiente depende de inúmeros fatores. É importante caracterizar o torque, potência de freio, faixa de velocidades de operação e consumo de combustível dos motores para obter o melhor resultado.
OBJETIVO
Realizar medições com dinamômetro em um motor à gasolina para determinar as curvas de potência de freio, consumo de combustível, pressão média efetiva de freio e torque em função da velocidade, assim como a eficiência volumétrica e a razão ar-combustível.
MATERIAL
• Motor de teste à gasolina de um cilindro a dois tempos.
• Cronômetro.
• Tacômetro digital.
• Dinamômetro.
Os números nos contornos do gráfico da Figura 17 representam o consumo específico de combustível, em g/kWh, mas tome cuidado, pois nem todo mapa de desempenho é utilizado para mostrar essa variável. Alguns mapas de desempenho possuem contornos nos quais os números representam as emissões de poluentes no motor.
ATENCAO
O tacômetro é o equipamento utilizado para medir a frequência de rotação de um objeto, sendo também chamado de conta-rotações ou contravoltas. A maioria dos tacômetros utilizados hoje em dia é digital, mas existem modelos ópticos e de contato.
O dinamômetro é um aparelho cuja função é medir forças, geralmente, utilizando um sistema de molas internas ao aparelho.
NOTA
TÓPICO 4 — PERFORMANCE
PROCEDIMENTO
1. Antes de iniciar o motor, certifique-se de que o combustível e lubrificantes foram aplicados corretamente.
2. Zere o dinamômetro.
3. Ligue o motor e aguarde atingir o regime permanente.
4. Ajustar a carga do dinamômetro até obter a velocidade desejada, anotando o consumo de combustível.
5. Ajustar o dinamômetro para outras velocidades, sempre anotando os valores observados na Tabela 5.
6. Realizar os cálculos a partir dos dados experimentais, montando a Tabela 6.
7. Desenhar os gráficos das variáveis em função da velocidade.
TABELA 5 – MEDIÇÕES REALIZADAS
1 O que é a eficiência volumétrica?
2 Qual a relação entre a potência indicada e a potência de freio?
UNI
DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR-GERADOR CICLO DIESEL SOB DIFERENTES CONCENTRAÇÕES DE BIODIESEL DE SOJA
INTRODUÇÃO
A autoprodução representa uma opção para os consumidores que procuram uma alternativa para redução de suas tarifas e veem nela a possibilidade de gerar sua própria energia elétrica a partir de fontes descentralizadas de energia, como o diesel, biodiesel e gás natural.
Vários estudos têm mostrado e ratificado a importância do uso da biomassa como fonte de energia. O uso de óleos vegetais transesterificados (biodiesel), em substituição ao óleo diesel de petróleo, promove a redução das emissões de poluentes na atmosfera, visto que a ausência de enxofre, na sua composição, reduz a emissão de gases de enxofre, material particulado e hidrocarbonetos não queimados.
Assim, o objetivo do presente trabalho foi avaliar alguns parâmetros de desempenho e de emissões gasosas em um grupo gerador a diesel, submetido a diferentes combinações de concentrações de biodiesel de soja e cargas resistivas.
MATERIAL E MÉTODOS
Nos ensaios, utilizou-se um grupo gerador de ciclo diesel, da marca Branco, Modelo BD2500CF, com motor monocilindro, quatro tempos, com potência nominal de 3,73 kW (5 Hp) e capacidade nominal do gerador de 2,2 kW.
De acordo com recomendações do fabricante, ao se dar início ao funcionamento do grupo gerador, foi necessário deixá-lo ligado em funcionamento por cerca de cinco minutos, sem carga, para que a temperatura do cárter estabilizasse; dessa forma, antes de ser iniciado o experimento e em cada sequência de ensaios, seguiu-se tal recomendação para que a temperatura de funcionamento do motor não influenciasse nos resultados obtidos.
Quando necessária a troca de combustível, o motor permaneceu ligado consumindo 50 mL da nova mistura antes de quantificar as variáveis em análise-procedimento, que serviu para a adaptação do sistema de alimentação do motor e para a eliminação do combustível anterior.
Como componente nas misturas estudadas no ensaio, foi utilizado óleo diesel interior proveniente de uma mesma batelada, o qual contava com 5% de biodiesel, de acordo com a legislação em vigor.
Já o biodiesel de soja, utilizado nos ensaios, foi fornecido por uma empresa comercial produtora desse tipo de combustível, localizada no município de Anápolis, GO. Dessa forma, todas as misturas ensaiadas estavam em conformidade com as especificações em vigor.
LEITURA COMPLEMENTAR
TÓPICO 4 — PERFORMANCE
Para simular as cargas demandadas, foram conectadas lâmpadas incandescentes associadas em paralelo, correspondentes às cargas 500, 1.000, 1.500 e 2.000 W e sem carga (0 W), as quais foram controladas por quatro interruptores, conforme figura a seguir, permitindo avaliar o comportamento do motor em diferentes condições de trabalho do grupo gerador.
Ensaio do grupo gerador: cargas acopladas (A); medição do consumo de combustível (B); e monitor ambiental para a medição da emissão de gases (C).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A análise de variância demonstrou que a interação entre as cargas aplicadas e o tipo de combustível influenciaram, significativamente, nas seguintes variáveis:
consumo-horário, dióxido de carbono (CO2), óxido de nitrogênio (NOx), dióxido de enxofre (SO2), eficiência de combustão, e temperatura dos gases de escape e oxigênio (O2). Para as emissões de monóxido de carbono (CO), a interação entre os fatores não foi significativa, todavia, constatou-se efeito das cargas e do tipo de combustível na emissão de CO quando esses fatores foram analisados de forma isolada.
Houve variação do consumo-horário do combustível em função das diferentes cargas aplicadas e diferentes percentuais de mistura de biodiesel em que a equação gerada se apresentou altamente significativa, mostrando que o modelo é capaz de explicar as variações dos dados experimentais.
De maneira geral, as emissões de dióxido de carbono (CO2) aumentaram em função da ação conjunta da elevação da carga aplicada e do aumento da concentração de biodiesel no combustível, conforme figura:
Emissão de dióxido de carbono em função da carga e da concentração de biodiesel
CONCLUSÕES
1. Houve aumento no consumo de combustível quando foram aumentadas a concentração de biodiesel na mistura e a carga aplicada no sistema.
2. As emissões dos gases O2, CO, SO2 e CO2 são maiores quando utilizado o diesel (B5) em relação aos outros combustíveis avaliados. Comportamentos diferentes foram observados com as emissões do óxido de nitrogênio (NOx), que apresentaram maiores valores quando prevalecia o biodiesel na mistura.
3. As emissões de enxofre decresceram até serem praticamente anuladas quando utilizadas concentrações acima de 80% de biodiesel na mistura.
4. Verificou-se que, com o aumento da concentração de biodiesel na mistura, ocorreu aumento da eficiência do processo de combustão.
FONTE: REIS, E. F. et al. Desempenho e emissões de um motor-gerador ciclo diesel sob diferentes concentrações de biodiesel de soja. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, v. 17, n. 5, p. 565-571, 2013.
RESUMO DO TÓPICO 4
Neste tópico, você aprendeu que:
• A potência do motor pode ser separada em várias potências, com a potência indicada, a potência de freio e a potência de atrito sendo as mais comuns.
• A potência indicada é aquela calculada através da pressão na câmara de combustão.
• A potência de freio é sempre menor do que a potência indicada, e é a potência necessária para frear o motor até a parada.
• A potência do motor apresenta uma curva rotação x potência, que possui um máximo no centro, enquanto a curva rotação x consumo específico de combustível (bsfc) apresenta um mínimo próximo do mesmo ponto.
• O mapa de desempenho é uma das ferramentas que pode ser utilizada para caracterizar o consumo de combustível ou emissões de um motor, sendo um gráfico de contornos com rotação no eixo horizontal e Pressão média efetiva (BMEP) no eixo vertical.
• O comportamento de um motor, incluindo potência, bsfc e eficiência, pode ser caracterizado através de um experimento utilizando dinamômetro.
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CHAMADA
1 A potência do motor não é um absoluto, existem várias potências que podem ser medidas ou calculadas, e que descrevem energias diferentes do motor. Com base nesses conceitos, classifique em V para as verdadeiras e F para as falsas:
( ) A potência de atrito é a potência necessária para parar o motor em movimento.
( ) A potência indicada é calculada a partir da pressão no cilindro.
( ) A diferença entre a potência indicada e a potência de freio é a potência de atrito.
( ) A potência de freio é sempre maior do que a potência indicada.
Assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) V – F – F – V.
b) ( ) F – F – V – V.
c) ( ) V – V – F – F.
d) ( ) F – V – V – F.
2 O tamanho do motor é uma das principais variáveis que afeta o seu funcionamento. Suponha que possuímos um motor a 2 tempos, com certo diâmetro de pistão, velocidade de pistão e pressão média no cilindro. Se dobrarmos o diâmetro do pistão, sem alterar os outros valores, deduza o que ocorrerá com o torque e a potência indicada e assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) O torque dobra e a potência triplica.
b) ( ) O torque aumenta em 4 vezes e a potência aumenta em 4 vezes.
c) ( ) O torque cai pela metade e a potência aumenta em 4 vezes.
d) ( ) O torque aumenta em 4 vezes e a potência duplica.
AUTOATIVIDADE
UNIDADE 3 — RESFRIAMENTO E TURBOCOMPRESSORES
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
PLANO DE ESTUDOS
A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:
• identificar as formas de reduzir o atrito em um motor à combustão;
• medir o atrito de cada componente do motor;
• realizar o balanço de calor em um motor à combustão;
• dimensionar turbocompressores e supercompressores.
Esta unidade está dividida em três tópicos. No decorrer da unidade você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.
TÓPICO 1 – ATRITO E LUBRIFICAÇÃO
TÓPICO 2 – TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA TÓPICO 3 – SUPERCOMPRESSOR E TURBOCOMPRESSOR
Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos CHAMADA
UNIDADE 3
1 INTRODUÇÃO
Caro acadêmico, estamos iniciando a terceira unidade deste livro, na qual você estudará algumas funções complementares dos motores à combustão interna e do seu funcionamento.
Nem toda a potência gerada pelos pistões de um motor à combustão é disponível para ser utilizada, ou seja, potência indicada, parte dela sendo perdida na forma de atrito, que é a chamada potência de atrito, com a sua diferença sendo a potência de freio.
Neste tópico, você aprenderá sobre o atrito que ocorre nos motores à combustão, incluindo as partes que sofrem atrito, o cálculo da dissipação por atrito, a lubrificação dos motores e os lubrificantes utilizados.
2 FUNDAMENTOS DO ATRITO
O atrito ocorre sempre que há superfícies em movimento relativo entre si, algo que, no motor, costuma ocorrer com a presença de lubrificante, de forma a minimizar essa perda por atrito nos componentes (HEYWOOD, 1988).
O atrito gerado entre os componentes retira energia do seu movimento, diminuindo a energia cinética. Pela lei da conservação da energia, você sabe que essa energia não pode desaparecer, e sim, deve ser convertida em outra forma.
TÓPICO 1 — ATRITO E LUBRIFICAÇÃO
“Nada se ganha, nada se perde, tudo se transforma”. Essa frase de Antoine Lavoisier ilustra a ideia por trás da lei da conservação da energia. A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma para outra. Por exemplo: energia mecânica sendo convertida em energia elétrica em uma turbina.
NOTA
No caso do atrito, a energia é transformada, principalmente, em calor, o que aumenta a temperatura do motor, que já era elevada devido ao processo de combustão, o que nos dá mais um motivo para desejar minimizar o atrito, além da perda da potência disponível.
A lubrificação é um processo que busca minimizar o atrito entre duas superfícies. Existem cinco formas principais de lubrificação que são utilizadas na indústria (BUDYNAS; NYSBETT, 2011):
• Hidrodinâmica: é quando as superfícies em contato são separadas completamente por uma camada de fluido lubrificante, cujo comportamento segue as leis da mecânica dos fluidos.
• Hidrostática: é quando as superfícies são separadas completamente por uma camada de lubrificante sob alta pressão, o que não requer movimento relativo entre as superfícies para que isso aconteça.
• Elasto-hidrodinâmica: é a lubrificação com uma camada de lubrificante em superfícies que se encontram em contato de rolamento, como nos próprios mancais de rolamento.
• Contorno: é quando a camada de lubrificante não é espessa o suficiente para separar as duas superfícies em todos os pontos, ocorrendo, ainda, contato parcial entre elas.
• Filme sólido: é quando é utilizado um lubrificante sólido, por exemplo, o grafite.
O atrito de uma superfície lubrificada por lubrificação hidrodinâmica apresenta um comportamento particular, que você pode visualizar na Figura 1, na qual é possível ver, no eixo y, o coeficiente de atrito e, no eixo x, uma combinação das três variáveis que o afetam: viscosidade, velocidade e carga. Com o aumento desse parâmetro no eixo x, o coeficiente de atrito, inicialmente, diminui, até chegar na região 2, e, em seguida, aumenta na região 3.
A conclusão é que não basta, simplesmente, colocar uma grande quantidade de lubrificante, além de declarar o atrito diminuído. Existe um ponto ótimo acima do qual a adição de mais lubrificante aumenta o atrito. Isso ocorre porque o nível de óleo maior entre as duas superfícies gera uma nova fonte de atrito, devido à viscosidade, resultando na região de atrito de regime hidrodinâmico. Por outro lado, a ausência de lubrificante gera um rápido aumento no atrito, que é o atrito seco no regime limítrofe.
TÓPICO 1 — ATRITO E LUBRIFICAÇÃO
FIGURA 1 – DIAGRAMA DE STRIBECK
FONTE: <https://cutt.ly/8fUdEnu>. Acesso em: 15 jun. 2020.
A condição entre os dois é a região de atrito misto, que resulta no menor atrito entre as superfícies. Idealmente, desejamos que a máquina opere sob essa condição de atrito para minimizar as perdas (HEYWOOD, 1988).
O coeficiente de atrito pode ser calculado através da Equação 1, que o relaciona com os coeficientes de atrito para os dois regimes extremos:
(Eq. 1)
A superfície de atrito, ou seja, as superfícies em movimento relativo, podem ser visualizadas na Figura 2. Observe que, com a vista ampliada, é possível perceber as imperfeições presentes na superfície. O contato entre essas imperfeições faz com que haja uma força na direção tangencial, que é o atrito.
FIGURA 2 – SUPERFÍCIE DE CONTATO EM ATRITO
FONTE: <https://cutt.ly/7fUd68Z>. Acesso em: 19 jun. 2020.
Devido às imperfeições do material, a área de contato real entre as duas superfícies é menor do que a área de contato aparente, pois alguns pontos se tocam e outros não, como você pode visualizar na vista aproximada da Figura 2.
Essa área pode ser calculada a partir da força normal de contato e da tensão de escoamento do material, conforme a Equação 2 (HEYWOOD, 1988):
(Eq. 2)
A partir disso, pode-se calcular qual a força necessária para que os dois objetos sofram movimento relativo tangencial, utilizando a resistência ao cisalhamento do material, conforme a Equação 3:
(Eq. 3)
O coeficiente de atrito pode ser determinado conforme a Equação 4, sendo a relação entre a força tangencial e normal. Essa equação é análoga à equação do atrito seco dinâmica e estático, que você pode ver na Equação 5:
(Eq. 4)
TÓPICO 1 — ATRITO E LUBRIFICAÇÃO
(Eq. 5)
EXEMPLO
Dois blocos possuem material com limite de escoamento de 50 MPa para um dos blocos e 100 MPa para o outro, com as tensões de resistência ao cisalhamento sendo 70 e 140 Mpa, respectivamente. Se for aplicada uma força normal entre eles de 300 N, calcule qual será o coeficiente de atrito.
SOLUÇÃO
A área real pode ser calculada usando a Equação 2, com o material mais fraco:
A força tangencial é dada pela Equação 3:
O coeficiente de atrito é dado pela Equação 4:
Quando os dois materiais são diferentes, deve-se utilizar as propriedades do material menos resistente no cálculo do coeficiente de atrito. Esse coeficiente é válido para situações em que se possui lubrificação de contorno.
A lubrificação de contorno acontece, principalmente, durante a partida ou parada do movimento de uma peça, podendo afetar pistões, anéis, mancais, entre outros componentes (HEYWOOD, 1988).
Para motores de combustão interna, a lubrificação de maior interesse é a hidrodinâmica, na qual o fluido preenche espaços entre duas superfícies.
Um exemplo disso é a Figura 3, em que o mesmo conceito é mostrado para o
Um exemplo disso é a Figura 3, em que o mesmo conceito é mostrado para o