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Aula 3 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 28/08/2017 Curso: Engenharia Mecânica Série: 10º Semestre Sistemas Fluidotérmicos Aula 3 – O Ciclo Diesel Segunda 21:00 às 22:40 Aula 3 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 28/08/2017 2 2017-SF_Aula03_Ciclo Diesel 1 – Introdução O motor a diesel é um motor a combustão interna no qual a ignição do combustível que é injetado na câmara de combustão é causada pela alta temperatura que o ar alcança quando comprimido. Motores a diesel funcionam comprimindo apenas o ar. Isto eleva a temperatura dentro do cilindro de modo que o diesel atomizado que é injetado na câmara de combustão entra em ignição. Na versão do motor a diesel de dois tempos, uma pequena perda de eficiência também é evitada comparada à versão de dois tempos à gasolina, uma vez que combustível não queimado não está presente durante o tempo em que os tempos de admissão e exaustão se sobrepõem, e deste modo o combustível não queimado não flui diretamente para a exaustão. Aula 3 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 3 28/08/2017 Na figura 12.16, é apresentado, esquematicamente, o ciclo padrão a ar Diesel. Este é o ciclo ideal para o motor a diesel que também é conhecido por motor de ignição por compressão. Neste ciclo, o calor é transferido ao fluido de trabalho à pressão constante. Este processo corresponde à injeção e queima do combustível no motor a diesel real. Como o gás expande durante a transferência de calor no ciclo padrão a ar, a transferência de calor deve ser apenas suficiente para manter a pressão constante. Quando se atinge o estado 3, a transferência de calor cessa e o gás sofre uma expansão isoentrópica (processo 3-4) até que o pistão atinja o ponto morto inferior. Esta rejeição simula os processos de descarga e de admissão do motor real. O rendimento do ciclo padrão Diesel é dado pela relação: 2 – O Ciclo Diesel Figura 12-16 – Ciclo padrão a ar Diesel. 𝜂 = 1 − 𝑄𝐿 𝑄𝐻 = 1 − 𝐶𝑣 𝑇4 − 𝑇1 𝐶𝑝 𝑇3 − 𝑇2 = 1 − 𝑇1 𝑇4 𝑇1 − 1 𝑘𝑇2 𝑇3 𝑇2 − 1 Eq. 12.13 2017-SF_Aula03_Ciclo Diesel Aula 3 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 4 28/08/2017 É interessante notar que a relação de compressão isoentrópica no ciclo Diesel é maior que a relação de expansão isoentrópica. E também para um dado estado antes da compressão e uma dada relação de compressão (isto é, dados os estados 1 e 2), o rendimento do ciclo diminui com o aumento da temperatura máxima. Isso é evidente analisando-se o diagrama T-s do ciclo. As linhas de pressão constante e de volume constante convergem. Assim, aumentando-se a temperatura de 3 para 3’, necessita-se de uma grande adição de calor (área 3-3’-c-b- 3) e o aumento do trabalho realizado correspondente à alteração do ciclo é relativamente pequeno (area 3-3’-4’-4- 3). Podemos fazer várias comparações entre os ciclos Otto e Diesel, porém mencionaremos apenas duas. Considere o ciclo Otto 1-2-3’’-4-1 e o Diesel 1-2-3-4-1, que têm o mesmo estado no início do curso de compressão, o mesmo deslocamento volumétrico do pistão e a mesma relação de compressão. É evidente, pelo diagrama T-s, que o ciclo Otto tem um rendimento maior. Entretanto, na prática, o motor a diesel pode operar com uma relação de compressão maior que a do motor de ignição por centelha. Figura 12-16 – Ciclo padrão a ar Diesel. 2017-SF_Aula03_Ciclo Diesel Aula 3 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 5 28/08/2017 A razão disso é que num motor de ignição por centelha, comprime-se uma mistura ar-combustível e a detonação (batida) torna-se um sério problema se for usada uma alta relação de compressão. Esse problema não existe no motor a diesel porque somente o ar é comprimido durante o curso de compressão. Portanto, precisamos comparar o ciclo Otto com um ciclo Diesel e, em cada caso, selecionar uma relação de compressão que pode ser conseguida na prática. Tal comparação pode ser feita considerando-se o ciclo Otto 1-2’- 3-4-1 e o ciclo Diesel 1-2-3-4-1. A pressão e a temperatura máximas são as mesmas para ambos os ciclos, o que signmifica que o ciclo Otto tem uma relação de compressão menor que a do ciclo diesel. É evidente, pelo diagrama T-s, que nesse caso o ciclo Diesel tem um rendimento maior. Assim, as conclusões tiradas entre estes dois ciclos devem ser sempre relacionadas às bases em que a comparação é feita. O ciclo aberto real de ignição por compressão difere do ciclo padrão a ar Diesel da mesma maneira que o ciclo aberto de ignição por centelha difere do ciclo padrão a ar Otto. Figura 12-16 – Ciclo padrão a ar Diesel. 2017-SF_Aula03_Ciclo Diesel Aula 3 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 6 28/08/2017 Exemplo 12.8 – Um ciclo padrão a ar Diesel apresenta relação de compressão igual a 20 e o calor transferido ao fluido de trabalho, por ciclo, é 1800 kJ/kg. Sabendo-se que no início do processo de compressão, a pressão é igual a 0,1 MPa e a temperatura é 15 oC, determine: 1. A pressão e a temperatura em cada ponto do ciclo; 2. O rendimento térmico; 3. A pressão média efetiva. Figura 12-16 – Ciclo padrão a ar Diesel. Sistema: Ar contido no cilindro; Diagrama: Figura 12-16; Informação do processo: Quatro processos conhecidos (Figura 12-16). Também sabemos que rv = 20 e qH= 1800 kJ/kg. Modelo: Gás ideal com calor específico constante e avaliado a 300 K. 3 – O Ciclo Diesel 2017-SF_Aula03_Ciclo Diesel Aula 3 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 7 28/08/2017 Exercício 12.84 – A temperatura e a pressão do ar antes do processo de compressão num motor a diesel são iguais a 290 K e 95 kPa. Sabendo-se que a pressão e a temperatura máximas no ciclo são iguais a 6 MPa e 2400 K, determine a relação de compressão e a eficiência térmica do motor. Figura 12-16 – Ciclo padrão a ar Diesel. Sistema: Ar contido no cilindro; Diagrama: Figura 12-16; Informação do processo: Quatro processos conhecidos (Figura 12-16). Também sabemos que rv = 20 e qH= 1800 kJ/kg. Modelo: Gás ideal com calor específico constante e avaliado a 300 K. 2017-SF_Aula03_Ciclo Diesel Aula 3 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 8 28/08/2017 Borgnakke, C. e Sonntag, R.E., “Fundamentos da Termodinâmica”, 7ª Ed., Editora Edgard Blucher, 2010. Bibliografia 2017-SF_Aula03_Ciclo Diesel
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