Aulas_02_03_SistFlu

Prévia do material em texto

Sistemas Fluidotérmicos
Aulas 02 e 03
© UNIP 2020 all rights reserved
Universidade Paulista
Aulas 02 e 03
Curso de Engenharia Mecânica
Introdução
�Uma das mais importantes máquinas térmicas, foi a locomotiva, criada no século
XIX. No Brasil, conhecida como "Maria-Fumaça", utilizada para o transporte de
cargas. Sua velocidade chegava à 8 km/h.
� As locomotivas com o passar do tempo foram sendo aperfeiçoadas, e seus motores
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
� As locomotivas com o passar do tempo foram sendo aperfeiçoadas, e seus motores
a vapor de combustão externa (a combustão ocorre fora do motor), foram sendo
substituídos por motor diesel de combustão interna e o número de vagões aumentou,
sendo chamadas de "trem".
� O alemão Karl Benz inventor do primeiro carro movido à gasolina. Em 1879 criou
o motor de dois tempos (ciclos de admissão, compressão, expansão e exaustão de
gases a cada volta do eixo) e motor a gás. Seus motores são máquinas térmicas que
produzem o movimento através da queima do combustível no seu interior, por isso
chamadas de motor de combustão interna.
Introdução
�Os motores a álcool ou gasolina são constituídos por um pistão ligado ao
virabrequim ( ou árvore de manivela) através de uma haste chamada biela, e
consequentemente, a uma câmara de combustão que possui duas válvulas, um
cilindro e uma vela de ignição.
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
Figura 1: Motor de
combustão interna .
Introdução
�Atualmente, os automóveis possuem motores com quatro a oito cilindros. Quanto
mais o número de cilindros, maior a potência do motor. Os motores trabalham numa
sequência de quatro movimentos do pistão no cilindro, o que completa um ciclo.
Esse ciclo de funcionamento foi aplicado por Nikolaus Otto, então, chamados
de "motor de 4 tempos" ou "motor Otto“.
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
de "motor de 4 tempos" ou "motor Otto“.
Motor é um exemplo de máquinas térmicas - dispositivo que transforma outras
fontes de energias, como energias térmica, elétrica, termoquímica, atômica, em
energia mecânica.
�As máquinas térmicas trabalham em processos termodinâmicos cíclicos.
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
� Elas recebem calor de uma “fonte quente”, rejeitam calor a uma “fonte fria”
produzindo trabalho mecânico.
Eficiência de uma máquina
térmica que gera trabalho:
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
térmica que gera trabalho:
Neste contexto, será transformado energia termoquímica de um combustível em
trabalho mecânico.
A obtenção de trabalho é ocasionada por uma sequência de processos realizados
numa substância denominada fluido ativo (FA). O FA é formado pela mistura
combustível e ar na entrada, e produtos de combustão na saída do volume de
controle.
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
Quanto ao comportamento do fluido ativo, as máquinas térmicas podem ser
classificadas em:
� Motores de combustão externa (MCE): a combustão, reação de queima do
combustível, ocorre externamente ao FA (ar aquecido pela combustão), sendo apenas
veículo da energia térmica a ser transformado em trabalho mecânico. Exemplos:
máquina à vapor, motor de Stiling.
Aplicação 1 de motor de combustão externa
© UNIP 2020 all rights reserved
Figura 2: Ciclo Rankine representativo de um motor de combustão externa. Fonte: Franco Bruneti;
Motores de Combustão Interna, 2012.
Modelagem do Ciclo de Rankine
Aplicação 2 de motor de combustão externa
© UNIP 2020 all rights reserved
Figura 3: Modelagem do ciclo de Rankine. 
Fonte: Michael J. Moran_Shapiro_Princípios de Termodinamica para Engenharia, 2018.
Uma central de potência com turbina a gás operando num ciclo fechado usa ar como
fluido de trabalho conforme esquema a seguir. Determine a potência líquida e a
eficiência da central.
Exemplo de motor de combustão externa
© UNIP 2020 all rights reserved
� Motores de combustão interna (MCI): o FA participa diretamente da combustão.
Para se obter trabalhotrabalho mecânicomecânico, os MCIs são classificados em:
� MotoresMotores alternativosalternativos: o trabalho é obtido pelo movimento de vai e vem de um
pistão, transformado em rotação contínua por um sistema biela-manivela.
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
pistão, transformado em rotação contínua por um sistema biela-manivela.
� MotoresMotores rotativosrotativos: o trabalho é obtido diretamente por um movimento de rotação.
Exemplos: turbina a gás, motor Wankel;
� MotoresMotores dede impulsoimpulso: o trabalho é obtido pela força de reação dos gases expelidos
em alta velocidade pelo motor. Exemplos: motor a jato e foguetes.
MotoresMotores alternativosalternativos
Embora a maioria das turbinas a gás seja motores de combustão interna, o nome é
usualmente aplicado a motores de combustão interna alternativos do tipo comumente
usado em automóveis, caminhões e ônibus.
Algumas definições:
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
Algumas definições:
� As posições extremas dentro do cilindro são denominadas respectivamente, de
ponto morto superior (PMS) e ponto morto inferior (PMI).
� Diz-se que o pistão está no ponto morto superior quando ele se moveu até uma
posição em que o volume do cilindro é um mínimo. Esse volume mínimo é
conhecido por volume morto.
� Diz-se que o pistão está no ponto morto inferior quando o pistão se moveu até a
posição de volume máximo do cilindro.
PMS (Ponto Morto Superior): posição na qual
o pistão está o mais próximo possível do
cabeçote.
PMI (Ponto Morto Inferior): posição na qual o
pistão está o mais afastado possível do
cabeçote.
S (Curso do pistão): distância percorrida pelo 
Motores de combustão interna - Terminologia do Motor
© UNIP 2020 all rights reserved
Figura 4: Nomenclatura referente às posições
do pistão.
Fonte: Franco Bruneti; Motores de Combustão 
Interna, 2012.
S (Curso do pistão): distância percorrida pelo 
pistão no deslocamento de um ponto morto ao 
outro ou vice-versa.
V1 (Volume total) - volume compreendido
entre a cabeça do pistão e o cabeçote, quando o
pistão está no PMI.
V2 (Volume morto ou volume da câmara de
combustão): volume compreendido entre a
cabeça do pistão e o cabeçote, quando o pistão
está no PMS (Conhecido também com Vm).
Vdu (Cilindrada unitária) : conhecida como volume deslocado útil ou deslocamento 
volumétrico, que é o volume deslocado pelo pistão de um ponto morto a outro.
(1) 
nos quais, S = 2⋅ r (raio da manivela); D = diâmetro do cilindro. 
S
D
SAVVV cildu ⋅=⋅=−=
4
2
21
π
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
nos quais, S = 2⋅ r (raio da manivela); D = diâmetro do cilindro. 
Vd (Volume deslocado do motor ou volume máximo da câmara de combustão):
deslocamento volumétrico do motor ou cilindrada total. Para um motor com z
cilindros (multicilindros), Vd é dado por:
(2)
no qual, z = número de cilindros do motor. 
zS
D
zVV dud ⋅⋅=⋅=
4
2
π
Taxa de compressão
rv (taxa de compressão ou Relação volumétrica): razão entre o volume total, V1
(volume no ponto inferior ) e o volume morto superior, V2 , e representa em quantas
vezes V1 é reduzido. O movimento alternativo do pistão é convertido em movimento
de rotação por um mecanismo de manivela.
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
(3)
Pela equação (1), tem-se:
(4)
2
1
V
V
rv =
1
22
2
+=⇒
+
=
V
V
r
V
VV
r duv
du
v
Motores de combustão interna - Nomenclatura cinemática
De acordo com a figura 5, algumas características
referentes à cinemática dos motores são descritas:
V.E.: válvula de escapamento.
V.A.: válvula de admissão.
r: raio da manivela.
n: frequência da árvore de manivelas. 
© UNIP 2020 all rights reserved
Figura 5: Nomenclatura cinemática. 
Fonte: Franco Bruneti; Motores de 
Combustão Interna, 2012.
n: frequênciada árvore de manivelas. 
ωωωω: velocidade angular da árvore de manivelas. 
Vp : velocidade média do pistão. 
L: comprimento da biela.
x: distância para o pistão atingir o PMS.
αααα = ângulo formado entre a manivela e um eixo 
vertical de referência. 
αααα = 0°, quando o pistão está no PMS.
αααα = 180°, quando o pistão está no PMI.
Velocidade angular:
(5)
onde T = é o período [s].
Velocidade média do pistão (velocidade que o pistão atinge dentro do cilindro)
Motores de combustão interna - Nomenclatura cinemática
T
oufoun
π
ωπωπω
⋅
=⋅⋅=⋅⋅=
2
22
© UNIP 2020 all rights reserved
Velocidade média do pistão (velocidade que o pistão atinge dentro do cilindro)
(6)
A equação para a posição do pistão, x, em função da posição angular da manivela e das
dimensões da manivela e da biela, fica:
(7) e (8)







⋅





−−+−= αα
2
2
11)cos1( sen
L
r
Lrx
4
2
2
p
d
D
xVV
π
⋅+=
60
2
2
RPMS
VnSV pp
⋅⋅
=⇒⋅⋅=
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
Figura 6: Nomenclatura para motores alternativos 
cilindro-pistão.
Figura 7: Diagrama de pressão-volume para um 
motor de combustão interna alternativo
Fonte: Michael J. Moran_Shapiro_Princípios de Termodinamica para Engenharia, 2018.
Motores de combustão interna
De acordo com a figura (7) que fornece um diagrama pressão-deslocamento pode-se
observar que:
i. Com a válvula de admissão aberta, o pistão executa um curso de admissão quando
absorve uma carga fresca para dentro do cilindro. No caso de motores com ignição
por centelha, a carga é uma mistura de ar e combustível. Para motores com ignição
por compressão a carga é somente ar.
© UNIP 2020 all rights reserved
ii. Com ambas as válvulas fechadas, o pistão passa por um curso de compressão,
elevando a temperatura e a pressão da carga . Esta fase exige fornecimento de
trabalho do pistão para o conteúdo do cilindro. Inicia-se então um processo de
combustão, que resulta em uma mistura gasosa de alta pressão e alta temperatura.
� Motores com ignição por centelha: a combustão é induzida através da vela
próxima ao final do curso de compressão.
� Motores com ignição por compressão: a combustão é iniciada pela injeção
de combustível no ar quente comprimido, começando próximo ao final do
curso de compressão e continuando através da primeira etapa da expansão.
iii. Um curso de potência vem em seguida ao curso de compressão, durante o qual
a mistura gasosa se expande e é realizado trabalho sobre o pistão à medida que
este retorna ao ponto morto inferior.
iv. O pistão então executa um curso de escape no qual os gases queimados são
expulsos do cilindro através da válvula de escape aberta.
Motores de combustão interna
© UNIP 2020 all rights reserved
Os ciclos de potência que realizam trabalho a partir do movimento de um pistão num
cilindro (os processos que envolvem trabalho não ocorrem a volume constante).
O trabalho líquido (WLiq ) para um ciclo é :
(9)
Ciclos de Potência dos Motores com Pistão
)( 21 VVpW mefLiq −=
© UNIP 2020 all rights reserved
Um parâmetro usado para descrever o desempenho de motores alternativos a pistão é 
a pressão média efetiva (pmef). 
A pressão média efetiva é a pressão constante teórica que, se atuasse no pistão
durante o curso de potência, produziria o mesmo trabalho líquido que é realmente
produzido em um ciclo, ou seja:
(10)
onde Vdesl = velocidade de deslocamento.
desl
Liq
mef
V
W
p =
Utilizando o resultado da equação (9) para determinar a potência do motor, , tem-se:
(11)
Para o cálculo da potência dos motores de quatro tempos, o resultado da quação (11)
Ciclos de Potência dos Motores com Pistão
60
RPM
VpW deslmef=
⋅
⋅
W
© UNIP 2020 all rights reserved
Para o cálculo da potência dos motores de quatro tempos, o resultado da quação (11)
deverá ser corrigido para o fator ½. Isso ocorre porque são necessários duas
revoluções completas para que o motor de quatro tempos complete o ciclo.
1) Um motor de 6 cilindros tem uma cilindrada de 5,2 L. O diâmetro dos cilindros 
é 10,2 cm e o volume morto é 54,2 cm3. Determine:
a) O curso;
b) Taxa de compressão;
c) Volume total de um cilindro. 
2) O motor da Ferrari Fl – 2.000 possui 10 cilindros montados em V, 40 válvulas,
Motores de combustão interna – Exercícios
© UNIP 2020 all rights reserved
2) O motor da Ferrari Fl – 2.000 possui 10 cilindros montados em V, 40 válvulas,
cilindrada total de 2.997 cm3 e potência de 574 kW (770 HP) . Os cilindros têm
diâmetro de 96 mm, motor a 4T, diâmetro dos pistões de 10 cm, raio do
virabrequim de 4,5 cm, volume da câmara de combustão de 78,5 cm3 e rotação
de 14.500 rpm. Determine:
a) O curso (mm);
b) A cilindrada unitária (m3);
c) A taxa de compressão;
d) A velocidade média do pistão (m/s);
e) A velocidade angular da árvore comando de válvulas (rad/s).