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SistTermicos1-CAP1_Motor_Alternativo_rev

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Sistemas Térmicos I
Cap1: Motores Alternativos
Local: 			Campus de Tucuruí
Carga Horária: 	68 h (51h teórica / 17h prática)
Período:		18/08 – 05/09/2014
Professor: 		Ronaldo Moura
			e-mail: rrmoura@ufpa.br
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Introdução / Sistema de avaliação da disciplina;
Motores Alternativos;
Motores Rotativos;
Ciclos;
Relacionamento Motor-Veículo;
Combustíveis;
Combustão nos Motores Alternativos;
Mistura e Injeção em Ciclo Otto;
Sistema de Ignição Aplicados aos Motores;
Sistemas de Injeção para Motores Díesel;
Consumo de Ar nos Motores 4 tempos;
Sistemas de Exaustão /Emissões;
Lubrificação / Lubrificantes;
Sistemas de Arrefecimento;
Projeto de Motores;
Veículos Híbridos.
ROTEIRO
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1-Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo
1-Motor Alternativo
	O motor é a fonte de energia do automóvel. Converte a energia calorífica produzida pela combustão da gasolina em energia mecânica, capaz de imprimir movimento nas rodas. O carburante, normalmente constituído por uma mistura de gasolina e ar (no caso do motor Otto), é queimado no interior dos cilindros do motor.
	O funcionamento de qualquer motor de combustão interna repousa sobre dois princípios físico-químicos básicos:
A combustão ou queima de qualquer material produz sempre calor;
Quando um gás é aquecido ocorre uma expansão do mesmo. Assim, se o volume permanece constante deve haver um aumento de pressão que pode ser aplicado para efetuar um trabalho.
	
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)
	Na maior parte das vezes o combustível utilizado é a gasolina, álcool, diesel ou bio-diesel, muito embora pelo principio da termodinâmica fique assegurado desde logo que poderia ser outro o produto a fornecer a energia necessária.
	O combustível é parcialmente misturado com ar e é parcialmente vaporizado no carburador. Então a mistura é injetada no cilindro onde é comprimido pelo pistão e se queima através de uma centelha elétrica.
1-Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)
	Ora, dissemos que os gases quando aquecidos se expandem e consequentemente há um aumento de pressão. Como a expansão se verifica num local fechado a pressão deve se exercer sobre as paredes deste lugar, mas uma delas é móvel, precisamente a do pistão, que se move para a sua posição original.
	
1- Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo
1-Motor Alternativo
	A mistura gasosa é formada no carburador ou calculada pela injeção eletrônica, nos motores mais modernos, e admitida nas câmaras de explosão. Os pistões, que se deslocam dentro dos cilindros, comprimem a mistura que é depois inflamada por uma vela de ignição. À medida que a mistura se inflama, expande-se, empurrando o pistão para baixo. (ver Figura 1.2)
Figura 1.2 – Funcionamento de um Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)
	O movimento dos pistões para cima e para baixo é convertido em movimento rotativo pelo virabrequim ou eixo de manivelas o qual, por seu turno, o transmite às rodas através da embreagem, da caixa de câmbio, do eixo de transmissão e do diferencial. Os pistões estão ligados ao virabrequim pelas bielas. Uma árvore de cames, também conhecida por árvore de comando de válvulas, movida pelo virabrequim, aciona as válvulas de admissão e escapamento situadas geralmente na parte superior de cada cilindro.
1-Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)
	A energia inicial necessária para por o motor em movimento é fornecida pelo motor de arranque. Este engrena numa cremalheira que envolve o volante do motor, constituído por um disco pesado, fixado à extremidade do virabrequim ou árvore de manivelas.
	O volante do motor amortece os impulsos bruscos dos pistões e origina uma rotação relativamente suave ao virabrequim. Devido ao calor gerado por um motor de combustão interna, as peças metálicas que estão em contínuo atrito engripariam se não houvesse um sistema de arrefecimento. Para evitar desgastes e aquecimento excessivos, o motor inclui um sistema de lubrificação. O óleo, armazenado no cárter sob o bloco do motor, é obrigado a circular sob pressão através de todas as peças do motor que necessitam de lubrificação.
1-Motor Alternativo
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1-Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)
	A estrutura do motor deve ser suficientemente rígida para poder suportar as elevadas pressões a que estão sujeitos os mancais do virabrequim e as demais peças internas. É constituída basicamente por duas partes ligadas por meio de parafusos: a superior chamada de cabeçote do motor e a inferior chamada de bloco do motor, que contém o virabrequim. Tanto o cabeçote como o bloco podem ser de ferro fundido, embora também se utilize o alumínio na sua fabricação por ser mais leve e permitir uma melhor dissipação do calor.
1-Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)
	Atualmente, quase todos os motores apresentam as válvulas no cabeçote. No cabeçote do motor existe, para cada cilindro uma câmara de explosão, um coletor de admissão, um coletor de escapamento, uma válvula de escapamento, uma válvula de admissão e um orifício com rosca para o alojamento da vela. 
	O motor recebe a mistura gasosa através das válvulas de admissão e expele os gases resultantes da combustão através das válvulas de escapamento. O mecanismo de abertura e fechamento das válvulas situa-se normalmente na parte superior do cabeçote do motor.
1-Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)
	No bloco do motor encontram-se os cilindros e os mancais do virabrequim, no qual estão ligadas as bielas que, por sua vez, estão ligadas aos pistões. O bloco do motor pode ainda alojar a árvore de comando o qual comanda o abrir e o fechar das válvulas. 
	Às vezes, a árvore de comando está alojada no cabeçote do motor. Tanto o cabeçote como o bloco do motor contém uma série de dutos denominados câmaras de água nos quais circula a água de arrefecimento.
1-Motor Alternativo
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1-Motor Alternativo
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1-Motor Alternativo
	A energia calorífica, resultante da combustão da mistura gasosa, converte-se em energia mecânica, por intermédio dos pistões, bielas e virabrequim. 
	O rendimento do motor depende da quantidade de energia calorífica que é transformada em energia mecânica.
	Quanto maior for o volume da mistura de gasolina e ar admitida no cilindro e a compressão dessa mistura, maior será a potência específica do motor. 	A relação entre os volumes da mistura gasosa no cilindro, antes e depois da compressão, é designada por taxa ou relação de compressão.
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)
	Quando a faísca da vela de ignição inflama a mistura comprimida, a explosão deve propagar-se rapidamente, progressiva e uniformemente na cabeça do pistão que limita a câmara de explosão. Se a taxa de compressão for demasiada elevada para o tipo de gasolina utilizada, a combustão não será progressiva. A parte da mistura que se encontrar mais afastada da vela de ignição vai se inflamar violentamente ou detonará. Quando sucede tal fato, ou quando o motor tem muito avanço, costuma-se dizer que o motor “grila” ou está adiantado.
1-Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)
	Esta detonação poderá causar um aquecimento excessivo, além de perda de rendimento e, caso persista, danificará o motor. O excessivo aquecimento, e a diminuição de rendimento num motor pode resultar na pré-ignição (auto-ignição), ou seja, inflamação de parte da mistura antes de soltar a faísca, devido à existência de velas defeituosas ou de valor térmico inadequado ou até mesmo à presença – na câmara de explosão – de depósitos de carvão que se mantêm continuamente incandescentes.
A pré-ignição, tal como a detonação, pode causar graves danos e reduz a potência do motor.
1-Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)
	Os motores de automóveis, em sua grande maioria, têm um ciclo de funcionamento de 4 tempos, ou ciclo Otto. Como as válvulas de admissão e escapamento devem abrir-se uma vez em cada ciclo, a árvore de comando que as aciona gira a metade da velocidade de rotação do virabrequim, a qual completa duas rotações em cada ciclo. 	Também existem motores de 2 tempos nos quais se dá uma explosão cada vez que o pistão desce, ou seja, uma vez em cada rotação do virabrequim. Este ciclo, basicamente mais simples do que o ciclo de 4 tempos, é muito utilizado em motocicletas.
1-Motor Alternativo
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Fig. 1.4 – Nomenclaturas referente às posições do pistão
1- Motor Alternativo
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Onde:
PMS: 	é a posição na qual o pistão está o mais próximo possível do cabeçote.
PMI:	é a posição na qual o pistão está o mais afastado possível do cabeçote.
S:	Curso do pistão – é a distância percorrida pelo pistão quando se 	desloca do PMS ao PMI ou vice-versa.
V1:	Volume total – é o volume compreendido entre a cabeça do pistão e o 	cabeçote, quando o pistão está no PMI.
V2:	Volume morto – é o volume compreendido entre a cabeça do pistão e o 	cabeçote, quando o pistão está no PMS.
Vdu:	Cilindrada unitária – também conhecido como volume deslocado útil ou 	deslocamento volumétrico, é o volume deslocado pelo pistão de um ponto 	morto a outro.
Z:	Número de cilindros do motor.
D:	Diâmetro dos cilindros do motor.
Vd:	Volume deslocado do motor, deslocamento volumétrico do motor ou 	cilindrada total.
1- Motor Alternativo
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1- Motor Alternativo
Da Figura 2.1 temos:
Vdu= V1-V2= (π.D2/4) . S
Assim, para um motor multicilindro:
Vd= Vdu . Z = (π.D2/4) . S . Z
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1- Motor Alternativo
pois:
Vdu + V2 = V1 => Vdu = V1 – V2
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1- Motor Alternativo
Nomenclatura Cinemática
Fig. 1.5 – Nomenclatura cinemática.
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1- Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)	
	A força exercida pelo gás sobre o pistão é transmitida para a árvore de manivelas que gira os moentes que se encontravam no ponto morto superior para o ponto morto inferior. Preso á árvore de manivelas está o volante, que transforma em movimento rotativo os movimentos parciais que recepta da árvore de manivelas.
	Para a continuidade do movimento, isto é, operação constante do motor, é suficiente que estes movimentos se repitam ordenadamente. Cada movimento completo recebe o nome de um ciclo do motor.
1 – Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)	
	O número de tempos que o pistão leva para completar o ciclo varia segundo o tipo de motor. No motor de quatro tempos verificam-se dois giros completos da árvore de manivelas, ou seja, quatro tempos de pistão (ver figura 1.6).
	Cada um destes tempos recebe o nome de:
Admissão;
Compressão;
Explosão;
Descarga.
1-Motor Alternativo
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 Figura 1.6 – Os quatro tempos
1-Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)	
1 - Admissão:
	Verifica-se a entrada da mistura ar-combustível, pois com a descida do pistão, para o ponto morto inferior, a pressão interna do cilindro torna-se menor que a exterior o que força a entrada de um gás para o equilíbrio e esta se verifica através da válvula de admissão. (Figura 1.6).
1- Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)	
2 - Compressão:
	Verifica-se a volta ascensional do pistão que comprime a mistura gasosa fechando desta forma as duas válvulas. A compressão da mistura gera ainda mais calor, o que facilita a consecução de uma maior homogeneidade da mesma, e quando tal se verifica ocorre a emissão da centelha pela vela. (Figura 1.6)
1- Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)	
3 - Explosão:
	Verifica-se a expansão dos gases pela queima da mistura e uma pressão relativamente intensa é exercida sobre todas as paredes do cilindro. Uma das paredes do cilindro é constituída pelo pistão, que é móvel. Este se desloca do ponto morto superior que havia atingido nesta fase para o ponto morto inferior. Que fique claro que estes pontos nada tem a ver com o ponto morto da alavanca de câmbio e que durante a explosão as duas válvulas, a de exaustão e a de admissão, permanecem fechadas. (Figura 1.6)
1-Motor Alternativo
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)	
4 - Descarga ou Exaustão:
	O pistão voltou para o ponto morto inferior produzindo um abaixamento da pressão interior do cilindro, o que força a abertura da válvula de exaustão. Como os gases provenientes da combustão, são mais leves do que a mistura admitida, são forçados a sair. (Figura 1.6)
1- Motor Alternativo
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1-Motor Alternativo (4T)
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1-Motor Alternativo (4T)
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1-Motor Alternativo (4T)
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1.1-Princípios de Funcionamento do Motor Alternativo (cont.)	
		De acordo com as leis da termodinâmica todo o calor gerado não pode ser transformado integralmente em outra forma de energia.
		Além disso outras perdas podem ser arroladas: motores muito usados, carburação incompleta, fraca ignição, sem se levar em conta que de 70 a 80% do total do calor gerado é absorvido pelo sistema de arrefecimeto e pela própria exaustão do gás. Outras perdas ainda são devidas ao projeto do veículo, temperatura do motor, e inclusive a viscosidade do óleo utilizado para lubrificação.
1- Motor Alternativo
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1- Motor Alternativo
1.2- Classificação dos Motores - Quanto a ignição:
Motores de ignição por faísca (Otto)
	Nesses motores, a mistura ar-combustível é admitida, previamente dosada ou formada no interior dos cilindros quando há injeção direta de combustível (GDI) gasoline direct injection, e inflamada por uma faísca que ocorre entre os eletrodos de uma vela.
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1- Motor Alternativo
1.2- Classificação dos Motores - Quanto a ignição:
Motores de ignição por faísca (Otto) (cont)
	Nesses motores, a taxa de compressão será relativamente baixa para não provocar autoignição, já que o instante apropriado da combustão será comandado pela faísca.
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1 – Motor Alternativo
1.2- Classificação dos Motores - Quanto a ignição:
Motores de ignição espontânea (Diesel)
	Nesses motores, o pistão comprime somente ar, até que o mesmo atinja uma temperatura suficientemente elevada. Quando o pistão aproxima-se do PMS, injeta-se o combustível que reage espontaneamente com o oxigênio presente no ar quente, sem a necessidade de faísca. A temperatura do ar necessária para que aconteça a reação espontânea do combustível denomina-se “temperatura de autoignição (TAI)”. 
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1- Motor Alternativo
1.3- Motores Quanto ao número de tempos de operação:
Motores alternativos de 4 tempos
Motores alternativos de 2 tempos
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1- Motor Alternativo
1.4- Motores Quanto ao sistema de alimentação de combustível:
Por meio de um carburador;
Por meio de um sistema de injeção direta de combustível.
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1- Motor Alternativo
1.5- Motores Quanto à disposição dos órgãos internos:
Cilindros em linha, em V e opostos ou boxer
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1- Motor Alternativo
1.6- Motores Quanto ao sistema de arrefecimento: 
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1- Motor Alternativo
1.7- Classificação dos Motores Quanto as Válvulas:
Motores com duas válvulas por cilindro;
Motores com quatro válvulas por cilindro;
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1-Motor Alternativo
1.8- Classificação dos Motores Quanto à alimentação de ar:
Motor aspirado;
Motor sobrealimentado (turbocompressor)
Nota : Nestes motores turbo existem dispositivos que elevam a pressão no coletor de admissão acima da pressão atmosférica.
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1- Motor Alternativo
1.9- Classificação dos Motores Quanto à relação entre 	diâmetro e curso do pistão: 
Motor quadrado: quando o diâmetro do pistão é igual ao curso (D=s). Estes motores apresentam bom desempenho em todas as rotações;
Motor subquadrado: quando o diâmetro é menor do que o curso (D<s). Esses motores apresentam torque e potência em baixas rotações.
Motor superquadrado: quando o diâmetro é maior do que o curso (D>s). Caracterizando motores de veículos esportivos com torque e potência em altas rotações.
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1- Motor Alternativo
1.10 - Classificação dos Motores Quanto à Rotação
Rápidos: n > 1500 rpm
Médios: 600 < n < 1500 rpm
Lentos: n < 600 rpm.
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1- Motor Alternativo
1.11 - Motores Quanto à potência específica
	ex: aspirado (65 kW/L) ou sobrealimentado (110 kW/L). 
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1- Motor Alternativo
2- Torque:
A Figura 1.22 mostra o sistema pistão-biela-manivela de um motor alternativo formando o mecanismo responsável pelo estabelecimento de um momento torçor em seu eixo de manivelas composta por Fr e pela força normal.
A força F resultante no pistão composta pela força Fr e pela força normal Fn transmite-se à biela e desta à manivela, dando origem a uma força tangencial (Ftan) e consequentemente a um momento instantâneo no eixo do motor. 
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1- Motor Alternativo
Fig. 1.22 – Sistema pistão-biela-manivela
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1- Motor Alternativo
2- Torque (cont):
	A força de pressão F depende da posição ângular da manivela, a Ftan é variável. Logo, apesar do braço r ser fixo, o momento no eixo do motor varia com o ângulo α, medido a partir do PMS.
	Com o motor funcionando, obtém-se um momento torçor médio positivo, denominado torque (T). Desprezando outros efeitos, a força F aplicada no pistão é função da pressão p gerada pela combustão e esta é função da rotação e a carga.
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1- Motor Alternativo
2- Torque (cont):
	Para medir o torque numa dada rotação é necessário impor ao eixo um momento externo resistente de mesmo valor que o produzido pelo motor. Esse efeito pode ser obtido com o uso de um freio denominado dinamômero.
	Nessa situação, o torque T produzido pelo motor deverá ser equilibrado pelo torque resistente produzido pela força r. Fatr . 
Fig. 8.6 – Freio de Prony
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1- Motor Alternativo
2- Torque (cont):
Portanto: 		 T = Fat . R
	A força de atrito Fatr transmite-se em sentido contrário ao movimento do rotor. Observe que o freio tenderia a girar no mesmo sentido do rotor, não fosse o apoio na “balança” que mantém em equilíbrio estático. Logo:
Fatr . r = F . b
	Onde F é a ação do braço b sobre o dinamômetro, que fornece a leitura da mesma. Donde:
T = F.b
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1- Motor Alternativo
2- Torque (cont):
	Conhecido o comprimento b do braço do dinamômetro e com a leitura obtida pelo medidor de força, pode-se obter o valor do torque no eixo do motor quando a velocidade angular ω é mantida constante.
	Para o cálculo da potência disponível no eixo do motor, também denominada potência efetiva ou útil, basta lembrar que:
N = ω . T = 2π . n . T
Usando n em rps, T em N.m, obtem-se N em w (watt), assim:
 
n: rpm
T: kgf.m
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1- Motor Alternativo
3- Potência Efetiva (Ne):
	É a potência medida no eixo do motor.
Ne = ω . T = 2π . n . T
Onde ω é a velocidade angular do eixo (rad/s) e n é a rotação.
	Ne = 2π.b.F.n = K.F.n
Onde K é uma constante do dinamômetro cujo valot é função das unidades de F, de n e da unidade desejada para Ne.
 
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3- Potência Efetiva (Ne) - cont:
Unidades mais utilizadas:
1CV = 0,735 Kw
1HP = 1,014 CV
n: rpm
T: kgf.m
Ne: CV
n: rpm
T: Nm
Ne: kW
1- Motor Alternativo
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4- Potência Indicada (Ni):
	É a potência desenvolvida pelo ciclo termodinâmico do fluido ativo. Essa potência pode ser medida com um indicador de pressões, que permita traçar o ciclo do fluido ativo.
	Como potência é trabalho por unidade de tempo, dado o trabalho, a potência pode ser obtida multiplicando o trabalho pela frequência com que o mesmo é realizado.
n: rotação do motor
x: 1 para motor 2T e 2 para motor 4T
Z: número de cilindros do motor
1- Motor Alternativo
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5- Relação entre as potências
	
 Como o motor de combustão é uma máquina térmica, a produção de potência provém do fornecimento de calor da combustão da mistura ar-combustível.
1- Motor Alternativo
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5- Relação entre as potências (cont.)
	
No caso,
Q: fluxo de calor fornecido pela combustão (kcal/h, kW, CV, etc)
mc : consumo ou vazão mássica (kg/s, kg/h, etc.)
PCI: poder calorífico inferior do combustível (kcal/kg, MJ/kg, etc.)
A relação entre algumas unidades é:
1kcal = 427 kgm = 4185 J 
1kcal/s = 427 kgm/s = 5,69 CV = 4185 J/s
1- Motor Alternativo
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5- Relação entre as potências (cont.)
	 Eficiência Térmica:
	
Na: potência de atrito , onde Ta = b . F (indicada pelo 
 dinamômetro) 
Eficiência Global ou Térmica Efetiva:
1- Motor Alternativo
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5- Relação entre as potências (cont.)
	Eficiência Mecânica:
Relação combustível - ar
ma: massa de ar
mc: massa de combustível
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5- Relação entre as potências (cont.)
Eficiência volumétrica:
ma: consumo de ar
ηv: eficiência volumétrica
Considerando o ar como um gás perfeito ρ = p/RT donde:
ρ i < ρe 
Índice i : massa específica do ar de admissão
Índice e: massa específica do ar atmosférico local
1- Motor Alternativo
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5- Relação entre as potências (cont.)
Desta forma podemos escrever:
Variação da Potência do Motor:
	Ne = K . n
A potência efetiva é diretamente proporcional à rotação!
1- Motor Alternativo
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6- Consumo específico:
Se PCI estiver em kcal/kg e Ce em kg/CVh
Nota:	 A potência efetiva é medida no dinamômetro e o consumo de 	combustível é medido gravimetrica ou volumetricamente.
1- Motor Alternativo
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7- Aplicações:
7.1- Aplicações Motores OTTO 4T:
1- Motor Alternativo
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7- Aplicações:
7.3- Aplicações Motores OTTO 2T:
1- Motor Alternativo
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7- Aplicações:
7.1- Aplicações Motores Diesel 4T:
1- Motor 
Alternativo
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Exercício 1:
	Um motor de 6 cilindros e 4 tempos ensaiado em dinamômetro a 4000 rpm forneceu a indicação de uma força de 34 kgf e apresentou um consumo específico de 0,240 kg/CV.h . O braço do dinamômetro mede 0,8m. Na mesma rotação, o motor de combustão, acionado pelo dinamômetro, apresentou indicação de força de 9,0 kgf. A cilindrada do motor é de 4 litros e a relação combustível-ar medida foi 0,08. Determinar:
Potência efetiva
Potência indicada
Eficiência mecânica
Eficiência global
Eficiência térmica
Massa de ar consumida por hora
Eficiência volumétrica
Sabendo: condições de entrada do ar: p=1 kgf/cm2, T= 27°C e pci=10.000 kcal/kg
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ω . T 
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ω . T 
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ω . T 
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ω . T 
71
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ω . T 
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ω . T 
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Controle ou variação
da potência do motor:
	Retomando-se a equação:
Pode – se escrever: Ne = 2π . n. T, pode ser escrita,
Mostrando que, para uma dada cilindrada, ambiente e combustível, fixada a relação combustível-ar, o torque varia com 
1- Motor Alternativo

ω . T 
74
Controle ou variação da potência do motor (cont.):
Se supuséssemos as eficiências constantes para um motor, em qualquer condição, o que obviamente não é verdade, o torque seria constante em qualquer rotação. Além disto teríamos: 
Ne = K . n
O que mostra que para as hipóteses admitidas a potência é diretamente proporcional à rotação.
1- Motor Alternativo
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ω . T 
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ω . T 
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ω . T 
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ω . T 
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ω . T 
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ω . T 
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Relações envolvendo pressão média (cont.):
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ω . T 
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Relações envolvendo pressão média (cont.):
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ω . T 
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Relações envolvendo pressão média (cont.):
1- Motor Alternativo
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ω . T 
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