Transferência de Calor em Motores de Combustão Interna

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LABORATÓRIO DE TÉRMICA 
TRANSFERÊNCIA DE CALOR NOS MOTORES 
DE COMBUSTÃO INTERNA 
PRIMEIRA AULA PRÁTICA 
 
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RELEVÂNCIA 
• Temperatura de pico do gás queimado: 2200 ºC (2500 K) 
• Temperatura máxima do material da parede do cilindro: 
� Ferro fundido 400 ºC (673 K) 
� Alumínio 300 ºC (573 K) 
� Lubrificante 180 ºC (453 K) 
• Fluxo de calor no pico: 0,5 a 10 MW/m2 
CONSEQÜÊNCIAS 
• Aquecimento da vela => pré-ignição 
• Variação da temperatura de exaustão => emissões 
• Temperatura máxima na parede do cilindro => Maior 
potência nas bombas ou ventiladores 
• Alta temperatura dos gases queimados => material para as 
válvulas de exaustão 
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RELEVÂNCIA 
 
Exemplo de fluxo de calor 
em um motor de 
combustão interna 
monocilindro, 
mistura rica (9:1). 
 
Sinal negativo indica calor 
transferido do gás para o 
sistema de resfriamento. 
 
0 90 180 270 360 450 540 630 720
Ângulo do Virabreqim (graus)
-0.50
-0.40
-0.30
-0.20
-0.10
0.00
0.10
F
l
u
x
o
 
d
e
 
C
a
l
o
r
 
(
M
W
/
m
^
2
)
Admissão
Compressão
Combustão
Exaustão
Blow
down
 
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MODOS DE TRANSFERÊNCIA 
 
• CONDUÇÃO 
dx
dTk
A
QqCN −==
�
�
 
• CONVECÇÃO 
( )gw,ggCV TT hA
Qq −==
�
�
 
• RADIAÇÃO 
( )4 gw,4gfR TT� � fA
Qq −==
�
�
 
 
 
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BALANÇO DE ENERGIA 
 
 
 
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BALANÇO DE ENERGIA 
 
• Usado para estimar as cargas térmicas envolvidas na operação 
do motor. 
• Projeto e Ensaios. 
• Exemplo para um 
motor Diesel. 
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BALANÇO DE ENERGIA 
 Motor OTTO Motor DIESEL 
Potência útil 33 38 
Calor de resfriamento 30 27 
Convecção e radiação 7 6 
Exaustão 30 27 
Radiador de óleo 0 2 
Total 100% 100% 
( ) rad&convresfarexuf QQHHPH ����� +++−+= Hci
 
onde, 
PCImH ff �� =
 
( ) exgp,arfex TcmmH ��� +=
 
fuT HP� �=
 
ararp,arar TcmH �� =
 
( )EntradaSaídaáguap,águaresf TTcmQ −= ��
 
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MODELOS PARA O INTERIOR DO CILINDRO 
 
• Análise Dimensional (Tubos) 
 
k
�c
Pr
�
�VDRe
k
hDNu p===
 
 
• Dittus e Boelter, 1930 (tubos com escoamento interno); 
Deissler, 1955 (tubos curtos) 
 
 
 
 
z
D
LnPr
m
ReANu �
�
�
�
�
�
=
�
�
�
	
�
�
�
�
�
�
�
�
+=
0,7
D
L1
0,3
Pr
0,8
Re0,023Nu
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MODELOS PARA O INTERIOR DO CILINDRO 
• Annand 
0,7
Re0,35Nu =
 
Obs: Annand usa a velocidade média do pistão ( )pV no número de 
Reynolds. 
 
• Woschni 
0,8
Re0,035Nu =
 
 
Obs: Woschni usa uma relação empírica para calcular a 
velocidade dentro do cilindro. 
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MODELOS PARA O INTERIOR DO CILINDRO 
• Woschni 
( )md2p1 PPVP
TVCVCV −+=
 
onde, C1 = 6,18 e C2 = 0 para a admissão e exaustão 
 C1 = 2,28 e C2 = 0 para a compressão 
 C1 = 2,28 e C2 = 3,24x10-3 para a queima e expansão 
 Pm = pressão do ciclo de compressão sem queima 
 
dV
 = volume deslocado pelo pistão 
• Barros, 2003, utiliza a relação proposta por Deissler, 1955, sendo 
que a velocidade do gás é calculada pela equação de conservação 
da quantidade de movimento. 
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MEDIDAS EXPERIMENTAIS DA TAXA INSTANTÂNEA 
 
• Utiliza termopares na superfície interna e em algum outro ponto 
da parede do cilindro. 
• Os valores de temperatura são utilizados para calcular o fluxo 
instantâneo de calor levando em conta que existe uma defasagem 
temporal entre o gradiente de temperatura medido e o fluxo 
radiante. A freqüência dada pela rotação do motor é usada para 
estimar esta defasagem. 
• O fluxo convectivo é medido com o motor rodando sem 
combustão. 
• O fluxo radiante é medido por meios óticos. 
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
 
Heywood, Cap. 12, pg. 668 
 
Plint e Martyr, Cap. 11, pg. 200 
 
Horlock e Winterbone, Vol. II, Cap. 12, pg. 773 
(escrito por Annand) 
 
Barros, Tese de Doutorado, itens 4.2.4 e 4.2.6 
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EXERCÍCIOS 
 
1) Fazer o balanço de energia para um motor ciclo OTTO de 
1000 cm3, a gasolina, que desenvolve uma potência efetiva de 
70 kW. Desenhar o balanço como na transparência 6. Considerar: 
 PCI da gasolina = 42,5 MJ/kg 
 Densidade da gasolina = 0,84 kg/l 
 Consumo específico = 0,25 kg/kWh 
 Densidade do ar = 1,20 kg/m3 
 Razão ar/combustível = 15:1 
 Incremento permitido na temperatura da água de 
resfriamento = 10 ºC 
 Calor específico da água = 4,18 kJ/kg/ºC 
Calcular a eficiência térmica do motor. 
 
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EXERCÍCIOS 
 
2) Descrever os itens necessários a sala dinamométrica de 
bancada, do Laboratório de Motores da UFMG, para ser possível 
realizar o balanço térmico de um motor a ser ensaiado.