A3 Motores curva

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Propriedades e curvas dos 
motores
Prof. Felippe Celestino
Fração Residual de gases
• No final do escape permanece massa de gases do produto da 
combustão no volume morto. Essa massa fará parte da mistura no 
próximo ciclo;
• A massa remanescente de gases queimados é denominado massa 
residual;
• Logo, a fração residual de gases é dado por:
𝑓 =
𝑚𝑟𝑒𝑠
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
=
𝑚𝑟𝑒𝑠
𝑚𝑎𝑟 +𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 +𝑚𝑟𝑒𝑠
• Admitindo algumas hipóteses simplificadoras, é possível estimar o 
valor da fração residual para os ciclos de padrão ar.
Fração Residual de gases
Após o fim da expansão (4), a válvula de escapamento abre e os gases saem de tal forma 
que a pressão no cilindro cai para um valor próximo a pressão ambiente. Depois o pistão se desloca 
para o PMS durante a exaustão dos gases (5). Então:
𝑓 =
𝑚𝑟𝑒𝑠
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
=
𝑚5
𝑚4`
𝑓 =
 𝑉5 𝑣5
 𝑉4` 𝑣4`
Como o volume específico se mante num processo de 
escape (𝑣5=𝑣4`):
𝑓 =
𝑉5
𝑉4`
, ou
𝑓 =
𝑉2
𝑉4`
=
 𝑉2 𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
 𝑉4` 𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
=
𝑣2
𝑣4`
(5)
Torque
• Como mostra a figura abaixo, o 
conjunto pistão-biela-manivela, faz 
aparecer um momento instantâneo 
(Ta) no eixo do motor, causado pela 
força tangencial (Ftan).
• Embora o raio da manivela seja 
constante, esse momento varia com 
o ângulo.
Freio Dinamométrico
• Para medir o torque numa dada rotação é necessário impor ao eixo um momento 
externo resistente de mesmo valor que o produzido pelo motor. Equipamento destinado 
a isso para determinar o torque e a potência efetiva de um motor de combustão interna 
chama-se freio dinamométrico. 
• Basicamente se compõe de um rotor e um estator com um elemento de acoplamento 
entre eles, que pode ser água ou um fluxo elétrico, sendo chamado de dinamômetro 
hidráulico ou dinamômetro elétrico respectivamente.
Freio de Prony
• É um elemento didático que utilizado 
para se compreender o funcionamento 
dos dinamômetros;
• Ao apertar a cinta do freio sobre o rotor, 
aplica-se uma força de atrito 𝐹𝑎𝑡𝑟 sobre o 
mesmo de modo a obter uma situação de 
equilíbrio dinâmico:
𝑇 = 𝐹𝑎𝑡𝑟r
• Esse momento é equilibrado pelo 
momento gerado pela força de reação na 
balança:
𝑇 = 𝐹𝑎𝑡𝑟r = 𝐹 b
Freio de Prony
Para o cálculo da Potência efetiva ou útil :
𝑁 = 𝜔 𝑇, ou
𝑁 = 2𝜋 𝑛 𝑇
𝑁 = 2𝜋 𝑛 𝐹 𝑏
𝑁 = 𝐾 𝑛 𝐹
Onde :
• F é a leitura do medidor de força (célula 
de carga);
• N é a leitura do tacômetro;
• K é a constante do dinamômetro.
Dinamômetro hidráulico
• A água, admitida para a carcaça, passa através
de furos existentes nos alvéolos, atingindo os
do rotor. A força centrífuga originada pelo
movimento de rotação do rotor imprime
movimento à água, forçando-a de volta aos
alvéolos da carcaça. Este movimento, altamente
turbulento, será mantido enquanto o rotor
girar;
• A potência do motor sob prova é absorvida
pelo escoamento contínuo de água através do
dinamômetro. A absorção de energia se
manifesta pelo aumento de temperatura da
água, que deve estar disponível em quantidade
suficiente para absorver a potência máxima.
Dinamômetro elétrico
• Existem dois tipos, o dinamômetro de correntes parasitas (ou de corrente
de Foucault) e o de corrente alternada.
• O dinamômetro de corrente parasita possui rotor em forma de uma
engrenagem feita de material de alta permeabilidade magnética. No
centro do rotor existe uma bobina alimentada por corrente contínua.
Quando ligado, a bobina gera um campo magnético que é concentrado
nos dentes do rotor, que girando gera correntes parasitas, aquecendo. O
calor gerado é absorvido pelo estator e retirado deste por um adequado
sistema de resfriamento, a água. Este dinamômetro pode ser regulado
pela intensidade da corrente que passa pela bobina.
• O dinamômetro de corrente alternada é dependendo da necessidade, um 
gerador ou um motor elétrico
Propriedades do motor
• Além do Torque, existem outras propriedades que descrevem a característica
do motor:
• Potência efetiva (Medida no eixo do motor):
𝑁𝑒 = 𝑇 𝜔 = 𝐾 𝐹 𝑛
• Potência indicada (Potência desenvolvida no ciclo):
𝑁𝑖 = 𝑊𝑖
𝑛
𝑥
𝑍
• Fluxo de calor gerado pela combustão do combustível:
 𝑄 = 𝑚𝑐 𝑝𝑐𝑖
Onde,
 𝑚𝑐 é consumo, fluxo ou vazão de combustível;
pci é o poder calorífico inferior do combustível;
x é a correção para o número de tempos do motor;
Z é o número de cilindros.
Relações entre potência
• Lembrando a definição de:
Eficiência térmica:
𝑛𝑡 =
𝑁𝑖
 𝑄
Podemos observar que:
𝑁𝑖 = 𝑁𝑒 +𝑁𝑎
Logo a eficiência global:
𝑛𝑔 =
𝑁𝑒
 𝑄
E a eficiência mecânica:
𝑛𝑚 =
𝑁𝑒
𝑁𝑖
Conclui-se que:
𝑛𝑔 = 𝑛𝑡 𝑛𝑚
Propriedades do motor
• Das equações acima, podemos definir a potência efetiva da seguinte 
forma:
𝑁𝑒 = 𝑚𝑐 𝑝𝑐𝑖 𝑛𝑡 𝑛𝑚
• A partir da relação combustível-ar (respectivos consumo que 
compõem a mistura):
𝐹 =
 𝑚𝑐
 𝑚𝑎
Logo:
𝑁𝑒 = 𝑚𝑎 𝑝𝑐𝑖 𝐹 𝑛𝑡 𝑛𝑚
Relação combustível-ar estequiométrica
• É a relação combustível / ar quimicamente correta, para uma 
combustão completa. O seu valor servirá como referência.
Fração relativa 
É a relação entre uma relação combustível-ar qualquer e a relação 
estequiométrica de um determinado combustível:
𝐹𝑟 =
𝐹
𝐹𝑒
• Se Fr < 1 teremos mistura pobre;
• Se Fr = 1 teremos mistura estequiométrica;
• Se Fr > 1 teremos mistura rica.
Fração relativa 
• Mistura muito rica : O excesso de combustível dificulta a propagação da chama, 
provocando uma instabilidade na rotação do motor. Provoca também um 
resfriamento da câmara de combustão e em conseqüência disso a extinção da 
chama, impedindo o motor de funcionar. (motor “afogado”)
• Mistura de máxima potência: É uma mistura levemente rica, que na condição de 
plena carga do motor produz a máxima potência.
• Mistura econômica: É uma mistura levemente pobre, que devido ao excesso de ar 
permite a queima completa do combustível. Nesta condição o motor pode 
produzir o mínimo consumo específico.
• Mistura muito pobre: Devido ao excesso de ar, a chama se torna excessivamente 
lenta, mantendo a combustão durante grande parte da expansão, provocando o 
superaquecimento da câmara de combustão. Esta condição pode provocar a 
fusão da “cabeça” do pistão.
Consumo específico
• É a relação entre o consumo de combustível e a potência efetiva:
𝐶𝑒 =
 𝑚𝑐
𝑁𝑒
𝑘𝑔/𝑘𝑊ℎ
Pode-se verificar que a relação está diretamente ligada à eficiência global :
𝐶𝑒 =
 𝑚𝑐
 𝑚𝑐 𝑝𝑐𝑖 𝑛𝑡 𝑛𝑚
=
1
𝑝𝑐𝑖 𝑛𝑔
Logo quanto maior a eficiência menor deve ser o consumo específico.
• A potência efetiva é medida no freio dinamométrico e o consumo de 
combustível é medido de diferentes maneiras, o que possibilita o calculo 
do consumo específico.
Medição de consumo de combustível
• Medição gravimétrica: Utilizando-se um
medidor de massa onde é capaz de calcular
a variação de massa (uma balança por
exemplo) e mede-se o tempo necessário
para o determinado consumo. Esse método
é mais vantajoso, pois considera a variação
da massa específica devido a variação da
temperatura.
• Medição volumétrica: Utiliza-se um rotâmetro
(medidor de vazão em volume), na linha de
alimentação de combustível para o motor, que
irá fornecer direto o volume de combustível
consumido por unidade de tempo. A
desvantagem deste método é que é necessário
se conhecer a massa específica do combustível,
para se determinar à vazão em massa.
Eficiência Volumétrica
• É a relação entre a massa de ar realmente admitida pelo motor e a massa 
de ar que poderia ser admitida se as condições de entrada, 𝑝𝑎𝑡𝑚, 𝑇𝑎𝑡𝑚, 
fossem mantidas:
𝑛𝑣 =
 𝑚𝑎
 𝑚𝑎𝑒
• Como 𝑇𝑖>𝑇𝑒 e 𝑝𝑖<𝑝𝑒, e 𝜌 =
𝑃
𝑅 𝑇
. 
Então, 𝜌𝑖<𝜌𝑒.
E as vazõespodem ser calculadas como:
 𝑚𝑎𝑒 =
𝜌𝑒 𝑉 𝑛
𝑥
 𝑚𝑎 =
𝜌𝑖 𝑉 𝑛
𝑥
=
𝜌𝑒 𝑉 𝑛
𝑥
𝑛𝑣
Medição de consumo de ar
• A figura mostra um equipamento que utiliza uma “placa de orifício” (diafragma) para a medida de 
consumo de ar.
• Princípio básico de funcionamento : Como se sabe a admissão de ar para o motor é pulsante, não 
sendo portanto um escoamento em regime permanente, para resolver esse problema a tomada 
de ar para o motor é feita em um tanque, que devido ao seu tamanho, elimina a pulsação, 
fazendo que pelo “orifício”, exista uma vazão constante de ar.
• A pressão dentro tanque será medida por um manômetro diferencial.
Medição de consumo de ar
Desta forma:
 𝑚𝑎 = 𝐾 𝜌𝑎ℎ
onde, 𝐾 = 𝐶𝐷𝑏𝐴𝑏 2 𝛾𝑚 e 𝜌𝑎 é a densidade dedo ar ambiente
• Aplicando a equação de bernoulli entre (1) e (2):
Controle ou variação da potência
• A partir das medidas feitas durantes teste nos motores, chegamos as seguintes 
equações para potência e torque, respectivamente:
𝑁𝑒 = 𝑚𝑎𝑒𝐹 𝑝𝑐𝑖 𝑛𝑔 𝑛𝑣 =
𝜌𝑒𝑉 𝑛
𝑥
𝐹𝑝𝑐𝑖 𝑛𝑔 𝑛𝑣
𝑇 =
𝜌𝑒𝑉
2𝜋𝑥
𝐹𝑝𝑐𝑖 𝑛𝑔 𝑛𝑣
• Mostrando que para uma dada cilindrada, ambiente e combustível, fixada a 
relação combustível ar, o torque varia com 𝑛𝑡 𝑛𝑚 𝑛𝑣;
• Observa-se que a potencia do motor pode variar com a rotação ou comandada 
pela variação do acelerador (Otto) ou no débito da bomba injetora (Diesel);
• No banco de provas, é possível efetuar dois tipos de ensaios básicos:
• Medição das propriedades do motor, mantido a carga e variando a rotação;
• Medição das propriedades do motor, mantido a rotação e variando a carga.
Curva característica dos motores
As propriedades dos motores apresentadas em função das condições de funcionamento. E desta 
forma é construída curvas características a partir de ensaios realizados que possam descrever o 
comportamento do motor.
Mapeamento do motor
• É utilizado para agrupar num único gráfico os ensaios de variação de 
consumo específico, com rotação e a carga. Lançando essas variáveis no 
gráfico.
Banco de teste de veículos
• Pode ser utilizados os freios para realizar testar o veículo todo, oque 
permite:
• Eficiência dos demais sistemas do conjunto;
• Realizar teste de emissões 
Exercício