Disciplina:
Motores a Combustão Interna
Ciclos e Processos Ideais de
Combustão
Ciclos de Potência dos Motores a
Pistão
• Aqui serão apresentados ciclos ideais de potência a ar para ciclos onde o trabalho é realizado pelo movimento de pistões em cilindros.
• Os motores mais utilizados em automóveis operam com
vários cilindros (3, 4, 6, 8 ou mais) e cada conjunto cilindro – pistão apresenta diâmetro nominal B.
• O pistão está conectado a um virabrequim (manivela) através de uma biela.
Vela ou injetor de combustível Escapamento Admissão PMS PMI Rman • O ângulo da manivela, ,
varia com a posição do pistão no cilindro. • Curso do pistão: = 2. • Volume deslocado: = − • Relação de compressão: =
O volume deslocado e a relação de
• O trabalho específico líquido em um ciclo completo é utilizado para definir a pressão média efetiva:
= = −
• O trabalho líquido realizado por um cilindro, por sua vez:
= −
• O qual pode ser usado para determinar a potência do motor:
̇ = −
60
Obs.: A potência em motores 4 tempos é a metade desta, pois cada pistão realiza 2 revoluções para que o motor complete o ciclo.
Ciclo – Padrão a Ar Otto
• O ciclo padrão a ar Otto é um ciclo ideal que se aproxima do motor de combustão interna de ignição por centelha.
• O processo 1-2 é uma compressão isoentrópica do ar quando o pistão se move, do PMI para o PMS.
• Na etapa 2-3, calor é transferido a volume constante no
instante em que o pistão se encontra em repouso no PMS. No motor real, este momento é correspondente à ignição da
mistura ar-combustível.
• O processo 3-4 é uma expansão
isoentrópica, e o processo 4-1 é o
de rejeição de calor do ar,
enquanto o pistão está no ponto morto inferior (PMI).
calor absorvido
calor removido
• Como os processos são internamente reversíveis, as áreas nos diagramas p – V e T – S representam o trabalho e o calor
envolvidos, respectivamente. Área interna: trabalho obtido calor absorvido calor removido calor absorvido calor removido
• Admitindo que o calor específico do ar seja constante durante o ciclo, o rendimento térmico pode ser expresso como segue:
é =
−
= 1 −
• QH : calor transferido no corpo em alta temperatura • QL : calor transferido no corpo em baixa temperatura
é = 1 − − − é = 1 − − − = 1 − − 1 − 1
• Como a etapa 1-2 é isoentrópica, − = 0 = − ou = = → = pois = − = − 1
R: cte universal dos gases perfeitos cp0: calor específico a pressão cte.
• Ocorre que para gases perfeitos p1V1k = p2V2k , portanto = → = e = Como V1 = V4 e V2 = V3, = = = V1 = V4 V2 = V3
• Assim = de modo que é = 1 − − 1 − 1 = 1 − como = então é = 1 − = 1 − rv: razão de compressão (rv = V1/V2)
• O rendimento é altamente dependente da razão de compressão! é = 1 − 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Razão de compressão, rv Rendi m ento tér m ic o, té rm ic o Limite aproximado para razão de compressão utilizando gasolina (12)
• Entretanto, o motor de ignição por centelha de ciclo aberto se afasta do ciclo-padrão devido a:
1. Os calores específicos dos gases reais não são constantes em relação à temperatura, aumentando com o aumento desta.
2. O processo de combustão substitui o processo de
transferência de calor a alta temperatura e a combustão pode não ser completa.
3. Existe transferência de calor entre os gases e as paredes do cilindro.
4. Cada ciclo mecânico do motor envolve um processo de
alimentação e de descarga e, devido às perdas de carga dos escoamento nas válvulas, é necessária uma certa quantidade de trabalho para alimentar o cilindro com ar e descarregar os produtos da combustão no coletor de escape.
Ciclo real: a-b-c’-d’-e’-b-a
Taxa de compressão = 6:1 Volume relativo P res s ão [k P a] P res s ão [ps i]
• O gráfico abaixo compara as eficiências indicadas de um motor de ignição por centelha (gasolina) com eficiências de um ciclo de ar ideal correspondente.
• Verifica-se que o ciclo de ar fornece uma boa previsão das
tendências de eficiência versus razão de compressão.
F/Fc: razão combustível-ar dividida pelo estequiométrico
Combustível butano, 1200 rpm
Ciclo – Padrão a Ar Diesel
• Abaixo encontra-se a representação do ciclo ideal para o
motor Diesel, também conhecido como motor de ignição por compressão.
• No ciclo de ar-padrão Otto (direita) é considerado que a
adição de calor ocorre enquanto o pistão se encontra no PMS, a volume constante. Já no ciclo de ar-padrão diesel,
considera-se que a adição de calor ocorre a pressão constante, iniciando-se quando o pistão atinge o PMS.
Ciclo padrão a ar: Diesel Ciclo padrão a ar: Otto
calor absorvido calor removido calor absorvido calor removido
• Assim como no caso do ciclo a ar-padrão Otto, neste ciclo
ideal os processos são internamente reversíveis, de modo que as áreas nos diagramas p – V e T – S representam o trabalho e o calor envolvidos, respectivamente.
Área interna: trabalho obtido calor absorvido calor removido calor absorvido calor removido
• Como já dito, na etapa 2-3 o calor é transferido para o gás a partir do momento em que o pistão alcança o PMS (ponto 2). Como o gás expande com o calor, durante o início do
movimento do pistão (do ponto 2 até o ponto 3) a pressão permanece constante.
Ciclo padrão a ar: Diesel
calor absorvido
calor removido
2 3
• Este processo corresponde à injeção e
queima do combustível no motor diesel real. • A partir do ponto 3, a transferência de calor
• Após cessar a transferência de calor no 3, o gás sofre uma expansão isoentrópica (etapa 3 – 4) até que o pistão atinja o PMI.
• A rejeição do calor ocorre a volume constante, ou seja, no momento em que o pistão se encontra no PMI (etapa 4 – 1).
Ciclo padrão a ar: Diesel
calor absorvido calor removido 4 3
• A rejeição de calor na etapa 4 – 1 simula os processos de descarga e de admissão do motor real.
• Assim como para o ciclo Otto, o rendimento térmico pode ser expresso como segue:
é =
−
= 1 −
• QH : calor transferido no corpo em alta temperatura • QL : calor transferido no corpo em baixa temperatura
• Entretanto, no ciclo Diesel a absorção de calor se passa a pressão constante, portanto
é = 1 −
− −
• Como k = cp / cv, então é = 1 − − − é = 1 − − 1 − 1
• Observa-se que a relação de compressão (etapa 1 – 2) é maior do que a relação de expansão isoentrópica (etapa 3 – 4).
• Analisando-se a equação do rendimento térmico, verifica-se que, fixando o estado do fluido nos pontos 1 e 2, o
rendimento diminui com o aumento da temperatura máxima (T3).
é = 1 −
− 1
• Sabe-se que p2 = p3 , então, considerando a equação de estado do gás ideal (p = .R.T), tem-se que
= → =
Ciclo padrão a ar: Diesel
calor absorvido calor removido 4 3 1 2
• A razão V3/V2 é denominada de razão de corte rc, pois a partir de alcançado o volume V3 não haverá mais adição de calor, de modo que:
• Lembrando que, como a etapa 1 – 2 e 3 – 4 são isoentrópicas,
= = = =
Ciclo padrão a ar: Diesel
calor absorvido calor removido 4 3 1 2
• Isto porque V1 = V4 , então:
= . = . =
de modo que
• Utilizando estas equações e um pouco de esforço algébrico, o rendimento térmico pode ser expresso em função da razão de compressão e da razão de corte:
é = 1 − 1 . − 1 − 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 rc = 1,5 rc = 2 rc = 3 Razão de compressão, r Rendi m ento tér m ic o, té rm ic o Região aproximada adequada para o ciclo diesel
• O gráfico abaixo compara as eficiências indicadas de um motor diesel real com a eficiência de um ciclo de ar ideal correspondente. Verifica-se que o ciclo de ar fornece uma razoável previsão das tendências de eficiência versus razão ar/combustível.
lp: eficiência do ciclo de ar de pressão limitada, r = 16
: eficiência real, motor diesel, r = 16
F/Fc: razão combustível-ar
Ciclo Diesel e Otto: Comparação
• É possível fazer comparações entre o ciclo Diesel e o Otto a partir dos respectivos ciclos-padrão a ar.
• Considere o ciclo Otto 1-2-3”-4-1 e o Diesel 1-2-3-4-1 abaixo. • Estes tem o mesmo estado
no início do curso de compressão, mesmo
deslocamento volumétrico e mesma relação de
compressão. Pode-se ver que, nestas condições, o ciclo Otto tem rendimento maior que o ciclo Diesel.
• Ocorre que, na prática, o ciclo Diesel opera com taxas de compressão (de 11 a 22, aproximadamente) mais altas do o ciclo Otto (de 6 a 12, aproximadamente).
• Isto porque motores de ignição por centelha comprimem uma mistura de ar-combustível e a pré-detonação é um sério
problema em altas taxas de compressão. Este problema não ocorre no motor Diesel porque somente ar é comprimido durante o processo de compressão.
0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Otto Diesel Razão de compressão, r Rendi m ento tér m ic o, té rm ic o rc= 1,5
Motores a Jato: Ciclo-Padrão
• Neste ciclo, o trabalho efetuado pela turbina é exatamente igual ao necessário para acionar o compressor.
Admissão de ar
Saída de gases aquecidos
combustível
difusor compressor turbina bocalcâmara de
combustão
Esquema de motor turbo-jato puro, sem fan para by-pass (turbofan) ou pós-queimador
• Os gases são expandidos na turbina até uma pressão tal que o trabalho da turbina é exatamente igual ao trabalho
consumido no compressor (são interligados mecanicamente). Então, a pressão na seção de descarga da turbina será
superior à do meio, e o gás pode ser expandido em um bocal até a pressão do meio ambiente.
Admissão de ar
Saída de gases aquecidos
combustível
difusor compressor turbina bocalcâmara de
• Como os gases saem do bocal a alta velocidade, estes
apresentam uma variação de quantidade de movimento e disto resulta um empuxo sobre o avião no qual o motor está instalado.
Admissão de ar
Saída de gases aquecidos
combustível
difusor compressor turbina bocalcâmara de
• O ciclo padrão a ar é mostrado abaixo. Este ciclo opera de modo similar ao do ciclo de Brayton e a expansão no bocal é modelada como adiabática e reversível.
Câmara de combustão
turbina
• O rendimento do ciclo padrão pode ser expressado desta forma:
é = 1 − = 1 −
− −
• Sabendo-se que
= = =
então
é = 1 − = 1 −
é = 1 − = 1 −
1
• Observa-se que, quanto maior a diferença entre a
temperatura da câmara de combustão e a do meio ambiente, maior a eficiência do motor a jato. Teoricamente, o limite
superior desta temperatura seria dado pelo limite
estequiométrico do combustível (para o JP4, seria cerca de 2400oC), mas a resistência dos materiais usados no
compressor, estatores e turbina decai rapidamente em
temperaturas acima de 960oC, de modo que a temperatura T 2
• Outra característica do motor a jato puro (turbojato) é que a potência no compressor pode representar de 40 a 80% da potência desenvolvida na turbina.
• Assim, no motor real, o rendimento global diminui
rapidamente com a diminuição das eficiências do compressor e da turbina.
• Se estas eficiências caírem abaixo de 60%, será necessário que todo o trabalho realizado na turbina seja utilizado no