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Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 04/09/2017 Curso: Engenharia Mecânica Série: 10º Semestre Sistemas Fluidotérmicos Aula 4 – O Ciclo Dual Segunda 21:00 às 22:40 Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 04/09/2017 2 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual 1 – Ciclo de Ar Padrão Dual Considerando-se o melhor desempenho para os ciclos Otto e Diesel, verifica-se que o motor ideal funcionaria por ignição por compressão, mas operaria conforme o ciclo Otto. A ignição por compressão funcionaria com rendimento mais elevado nas taxas de compressão mais altas, enquanto que a combustão em volume constante do ciclo Otto daria o melhor rendimento para uma dada taxa de compressão. Os motores modernos de alta rotação com ignição por compressão conseguem este objetivo em parte simplesmente por uma mudança no funcionamento dos motores diesel antigos. Figura 1: Diagrama PxV do Ciclo Dual “real”. Ao invés de injetar o combustivel “com atraso” no tempo de compressão, os motores modernos com ignição por compressão iniciam a injeção do combustível muito antes no ciclo, próximo ao ponto máximo superior do pistão, como era feito nos motores antigos, cerca de 20º antes do ponto máximo superior. O diagrama PxV deste ciclo é apresentado na figura 1. Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 04/09/2017 3 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual O combustível então entra em ignição tarde no tempo de compressão e parte da combustão ocorre quase que a volume constante no ponto máximo superior, assim como no ciclo Otto. A pressão máxima permanece alta no tempo de expansão devido ao tempo necessário para a injeção do combustível. A última parte de combustível ainda está sendo injetada no ponto máximo superior e a combustão desta parte mantém a pressão alta no tempo de expansão. O ciclo resultante na figura 2 é um cruzamento entre um motor de ignição por centelha e um motor de ignição por compressão antigo. O ciclo padrão utilizado para o estudo de motores de ignição por compressão modernos é o ciclo Dual, ou algumas vezes denominado ciclo de pressão limitada. Ele é um ciclo dual porque o processo de entrada de calor da combustão ocorre parte a volume constante e parte a pressão constante. Figura 2: Ciclo Dual: a) Diagrama Pv; b) Diagrama Ts. b) a) x 3 4 1 2 x 3 4 1 2 Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 04/09/2017 4 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual Durante o processo 1 => 2 de compressão isoentrópica não há transferência de calor e o trabalho é dado por: Figura 2: Ciclo Dual: a) Diagrama Pv; b) Diagrama Ts. a) b) 𝑤1⇒2 = 𝑢2 − 𝑢1 x 3 4 1 2 x 3 4 1 2 Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão x 3 4 1 2 x 3 4 1 2 04/09/2017 5 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual No processo 2 => x não há trabalho e o calor transferido é: Figura 2: Ciclo Dual: a) Diagrama Pv; b) Diagrama Ts. a) b) 𝛼 = 𝑃𝑥 𝑃2 = 𝑃3 𝑃2 A pressão máxima é: 𝑃𝑥 = 𝑃𝑚á𝑥 = 𝑃2 𝑇𝑥 𝑇2 A razão de pressões é definida como a razão entre as pressões máxima e de início da combustão: 𝑞2⇒𝑥 = 𝑢𝑥 − 𝑢2 Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão x 3 4 1 2 x 3 4 1 2 04/09/2017 6 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual No processo x => 3 existe trabalho e transferência de calor: Figura 2: Ciclo Dual: a) Diagrama Pv; b) Diagrama Ts. a) b) 𝑄𝑖𝑛 = 𝑄2⇒𝑥+ 𝑄𝑥⇒3= 𝑚𝑐𝑄𝐻𝑉 𝑒 𝑞𝑖𝑛 = 𝑞2⇒𝑥 + 𝑞𝑥⇒3 = 𝑢𝑥 − 𝑢2 + ℎ3 − ℎ𝑥 𝑤𝑥⇒3 = 𝑞𝑥⇒3 − 𝑢3 − 𝑢𝑥 Razão de corte: 𝛽 = 𝑣3 𝑣𝑥 = 𝑣3 𝑣2 = 𝑇3 𝑇𝑥 Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão x 3 4 1 2 x 3 4 1 2 04/09/2017 7 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual Durante o processo 3 => 4 de expansão isoentrópica não há transferência de calor e o trabalho é: Figura 2: Ciclo Dual: a) Diagrama Pv; b) Diagrama Ts. a) b) 𝑤3⇒4 = 𝑢3 − 𝑢4 Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão x 3 4 1 2 x 3 4 1 2 04/09/2017 8 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual Finalmente, o processo 4 => 1 de rejeição de calor a volume constante envolve calor mas não trabalho: Figura 2: Ciclo Dual: a) Diagrama Pv; b) Diagrama Ts. a) b) 𝑄4⇒1 = 𝑄𝑜𝑢𝑡 = 𝑚𝑚𝑐𝑣 𝑇1 − 𝑇4 ; 𝑞4⇒1 = 𝑢1 − 𝑢4 = 𝑐𝑣 𝑇1 − 𝑇4 Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão x 3 4 1 2 x 3 4 1 2 04/09/2017 9 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual O rendimento do ciclo Dual é dado por: Figura 2: Ciclo Dual: a) Diagrama Pv; b) Diagrama Ts. a) b) 𝜂𝐷𝑢𝑎𝑙 = 𝑤𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 1 − 𝑞𝑠𝑎𝑖 𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 1 − 𝑞4⇒1 𝑞2⇒𝑥 + 𝑞𝑥⇒3 = 1 − 𝑢4 − 𝑢1 𝑢𝑥 − 𝑢2 + ℎ3 − ℎ𝑥 E pode ser rearranjado para: 𝜂𝐷𝑢𝑎𝑙 = 1 − 1 𝑣𝑟 𝑘−1 𝛼𝛽𝑘 − 1 / 𝑘𝛼 𝛽 − 1 + 𝛼 − 1 Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 04/09/2017 10 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual Nas figuras 3 e 4, são comparados os ciclos Otto, Diesel e Dual, considerando-se as mesmas condições de entrada e mesma taxa de compressão. O rendimento térmico de cada ciclo pode ser escrito como: 𝜂 = 1 − 𝑞𝑠𝑎𝑖 𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 A área abaixo das linhas no diagrama T-s é igual à transferência de calor, assim os rendimentos térmicos podem ser comparados. Para todos estes ciclos o calor que sai é o mesmo (processo 4=>1). O calor que entra em cada ciclo é diferente e verifica-se que: 𝜂𝑂𝑡𝑡𝑜 > 𝜂𝐷𝑢𝑎𝑙 > 𝜂𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 Figura 3: Comparação entre ciclos: Diagrama Ts. 2 – Comparação entre os ciclos Otto, Diesel e Dual Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 04/09/2017 11 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual Contudo, esta não é a melhor maneira de se comparar estes três ciclos, uma vez que eles não operam na mesma taxa de compressão. Motores de ignição por compressão que operam no ciclo Dual ou ciclo Diesel têm taxas de compressão muito mais elevadas do que os motores com ignição por centelha que operam no ciclo Otto. Um modo mais realista de se comparar estes três ciclos seria por meio de uma limitação da pressão máxima nos motores. Isto é feito nas figuras 5 e 6. Figura 4: Comparação entre ciclos: Diagrama Pv. Figura 5: Comparação entre ciclos (limitação da pressão máxima): Diagrama Pv. Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 04/09/2017 12 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual Nesta comparação verifica-se que: 𝜂𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 > 𝜂𝐷𝑢𝑎𝑙 > 𝜂𝑂𝑡𝑡𝑜 Comparando-se as ideias sugere-se que o motor de melhor rendimento teria combustão o mais próiximo possível da condição de volume constante, mas funcionaria com ignição por compressão e operaria na maior taxa de compressão necessária. Esta é uma área onde mais pesquisa e desenvolvimento são necessários. Figura 6: Comparação entre ciclos (limitação da pressão máxima): Diagrama Ts. Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 13 04/09/2017 Exercício 1 – Um pequeno caminhão com motor de quatro cilindros e quatro litros, com ignição por compressão, opera no ciclo padrão a ar no tipo Dual utilizando combustível diesel numa proporção de 19. A taxa de compressão do motor é de 16:1 e o diâmetro do cilindro é de 10,0 cm (0,1 m). No início do tempo de compressão, as condições no interior do cilindro são 60oC e 100kPa, com um resíduo de gases de exaustão de 2%. Pode ser assumido que metade do calor da combustão seja a volume constante e a outra metade seja à pressão constante. Determine: 1) As temperaturas e pressões em cada um dos estadosdo ciclo; 2) Rendimento térmico; 3) Temperatura de exaustão; 4) Temperatura do ar no coletor de admissão; 5) Rendimento volumétrico do motor. 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual Figura 1: Ciclo Dual: a) Diagrama Pv; b) Diagrama Ts. a) b) x 3 2 4 1 x 2 1 3 4 Dados: k = 1,35; rar = 1,181 kg/m 3; cv = 0,821 kJ/(kgK); cp = 1,108 kJ/(kgK); QHV = 42500000 J/kg. Aula 4 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 14 04/09/2017 Pulkrabek, Willard W, “Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine”, Prentice Hall. Bibliografia 2017-SF_Aula04_Ciclo Dual
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