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MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA Tiago Petermann Figueiredo Histórico Acadêmico • 12/2007 – Graduação Engenharia Mecânica com ênfase em Mecatrônica – PUC Minas; • 12/2010 – Pós Graduação – Engenharia Automotiva – UFSC; • 12/2016 – Mestrado – Engenharia Mecânica – USP tiago.figueiredo@kroton.com.br / tiagopetermann@hotmail.com Ementa / Conteúdo • PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • TERMOQUÍMICAS DE MISTURAS AR/COMBUSTÍVEL • MODELOS IDEAIS DOS CICLOS MOTORES • COMBUSTÃO EM MOTORES DE CICLOS OTTO E DIESEL • COMBUSTÍVEIS • MOVIMENTO DA CARGA DENTRO DO CILINDRO • PROCESSOS DE DESCARGA DOS GASES • EMISSÕES Sistema de avaliação 1º bimestre 2º bimestre Av. Parcial 1 Av. Oficial 1 Av. Parcial 2 Av. Oficial 2 30% (1,2) 70% (2,8) 30% (1,8) 70% (4,2) 40% 60% 1º bimestre Av Parcial – 50% - Lista de exercícios (entrega em data a ser definida)* Av Parcial – 50% - Laboratório 2º bimestre Av Parcial – 30% - Lista de exercícios (entrega em data a ser definida)* Av Parcial – 30% - Laboratório Av Parcial – 40% - Seminário *Obs.: 10% de penalty a cada dia de atraso Calendário Calendário Metodologia de avaliação • Raciocínio / fórmula utilizado (a) - 40% • Unidade correta – 30 % • Resultado numérico correto – 30% Bibliografia BIBLIOGRAFIA ADOTADA • BRUNETTI, Franco. Motores de combustão interna. 1. ed. • MARTINS, Jorge. Motores de combustão interna. 3. ed. Porto, Portugal • VAN WYLEN, Gordon J. Fundamentos da termodinâmica clássica. 4 ed. • KREITH, Frank; BOHN, Mark. Princípios de transferência de calor. São Paulo BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR • MORAN, M. J. et al. Introdução à engenharia de sistemas térmicos. • GIACOSA, Dante; GONZÁLES-VALLÉS SÁNCHEZ, José. Motores endotermicos: motores de encendido por chispa : de carburacion y de inyeccion : motores de encendido por compresion diesel, lentos y veloces : motores rotativos - turbinas de gas : teoria - construccion - pruebas. • LEVENSPIEL, Octave. Termodinâmica amistosa para engenheiros. São Paulo: Edgard Blücher, 2002 PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna As máquinas térmicas são dispositivos que permitem transformar calor em trabalho. O calor pode ser obtido por diferentes fontes: • Combustão; • Energia elétrica; • Energia atômica; PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motor de combustão externa: Quanto a combustão se processa externamente ao fluido ativo, que será apenas o veículo da energia térmica a ser transformada em trabalho. Motor de combustão interna: Quando o fluido ativo participa diretamente da combustão. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna • Motores alternativos: quando o trabalho é obtido pelo movimento de vaivém de um pistão, transformado em rotação contínua por um sistema biela-manivela. Exemplo: Motor a Ciclo Otto e Diesel. • Motores rotativos: quando o trabalho é obtido diretamente por um movimento de rotação. Exemplos: turbina a gás e o motor Wankel. • Motores de impulso: quando o trabalho é obtido pela força de reação dos gases expelidos em alta velocidade pelo motor. Exemplo: Motor a jato e foguetes. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos a quatro tempos - 1º Tempo • O pistão desloca-se do PMS ao PMI. Com isto, o pistão dá origem a uma sucção que causa um fluxo de gases através da válvula de admissão, que se encontra aberta. O cilindro é preenchido com a mistura ar combustível (Otto) ou somente ar (Diesel). PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos a quatro tempos - 2º Tempo • Fecha-se a válvula de admissão e o pistão se desloca do PMI ao PMS, comprimindo a mistura (Otto) ou apenas ar (Diesel). No segundo caso, a compressão deverá ser suficientemente elevada para que seja ultrapassada a temperatura de autoignição (TAI). PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos a quatro tempos - 3º Tempo • Nos motores Otto, na proximidade do PMS, ocorre a faísca que provoca a ignição da mistura, enquanto nos motores Diesel é injetado o combustível no ar quente, iniciando uma combustão espontânea. A combustão provoca um grande aumento da pressão, que permite “empurrar” o pistão para o PMI, de tal forma que o fluido ativo sofre um processo de expansão. Este processo realiza um trabalho positivo ou útil no motor. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos a quatro tempos - 4º Tempo • Com a válvula de escapamento aberta, o pistão desloca-se do PMI ao PMS, “empurrando” os gases queimados para fora do cilindro, para reiniciar o cilo pelo tempo de admissão. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos a quatro tempos 1 Expansão Escape Admissão Compressão 2 Escape Admissão Compressão Expansão 3 Compressão Expansão Escape Admissão 4 Admissão Compressão Expansão Escape º 0 180 360 540 720 PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Diferença entre motores Otto e Diesel: • Maior robustez (maior taxa de compressão) - Diesel; • Mistura ar – combustível já homogeneizada , com exceção dos motores de centelha de injeção direta (GDI)– Otto; • Combustível injetado pulverizado no final da compressão – Diesel; • Difícil obter rotações elevadas, devido ao fato de, ao aumentar o ritmo do pistão, torna-se improvável a combustão completa do combustível – Diesel. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos a dois tempos � Nesses motores o ciclo completa-se com apenas dois cursos do pistão, correspondendo a uma única volta do eixo do motor. � Os processos indicados nos motores 4T são realizados da mesma maneira, entretanto, alguns deles se sobrepõem num mesmo curso. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos a dois tempos – 1º tempo O pistão está no PMS e a mistura comprimida, ao saltar a faísca, inicia-se a combustão, e o pistão é “empurrado” ao PMI. Durante o deslocamento do PMS ao PMI, o pistão comprime o conteúdo do cárter, e em um determinado ponto ocorre a passagem dos gases de escapamento (janela B). Na sequência ocorre a abertura da janela C, que comunica o cárter com o cilindro, fazendo o preenchimento de uma nova mistura. COMPRESSÃO ADMISSÃO NO CÁRTER PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos a dois tempos – 1º tempo Observa – se num instante do processo que as janelas B e C estão simultaneamente abertas, podendo haver fluxo de mistura nova junto com os gases de escapamento. Um projeto adequado das janelas de admissão e escapamento em conjunto com o formato do topo do pistão pode minimizar esse fenômeno chamado de “curto – circuito”. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos a dois tempos – 2º tempo O pistão desloca-se do PMI ao PMS. Ao longo de seu deslocamento, fecha a janela de admissão (C) e fecha a janela de escapamento (B), abrindo então a janela de passagem (A), preenchendo o cárter com uma nova mistura. Observa-se que ao mesmo tempo,a parte superior do pistão comprime a mistura previamente admitida. EXPANSÃO ADMISSÃO NO CILINDRO DESCARGA PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos a dois tempos – 2º tempo O motor 2T deveria produzir o dobro de potência do motor 4T para uma mesma rotação. Porém isto não acontece devido a precariedade dos diversos processos decorridos da superposição de acontecimentos. Outra desvantagem do 2T em relação ao 4T é devido à lubrificação. A lubrificação ocorre misturando-se lubrificante em uma pequena porcentagem com o combustível (1:20, 1 litro de lubrificante para 20 de combustível). PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos a dois tempos – 2º tempo A lubrificação é realizada por aspersão pela própria mistura admitida no cárter, esta queima do lubrificante com o combustível, dificultando a combustão e comprometendo os gases emitidos. O ponto positivo do motor a 2T é devido a ausência de sistema de válvulas, o que torna o projeto mais simples, leve e de baixo custo. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores Rotativos: Turbina a gás A turbina a gás é um motor rotativo de combustão interna, uma vez que utiliza os gases produzidos por uma combustão para o seu acionamento. O ciclo de Brayton representam a turbina a gás. Configurações de uma turbina a gás obtida pelo agrupamento de três subsistemas: • Umm compressor que comprime ar em uma câmara de combustão; • Uma câmara de combustão onde ocorre a queima do ar e combustível; • Uma turbina, que gira com o acionamento dos gases queimados. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores Rotativos: Turbina a gás PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores Rotativos: Motor Wankel Este motor é constituído de um rotor, aproximadamente triangular e de um estator, cujo formato geométrico é gerado pela posição dos três vértices do rotor durante o seu movimento. Apesar de ser considerado um motor rotativo, o rotor sofre movimentos de translação associados à rotação. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores Rotativos: Motor Wankel O trabalho do motor Wankel é similar aos motores alternativos 2T. A ausência de válvulas e a simplicidade do motor tornam seu uso interessante, nas mesmas aplicações do motor alternativo. As desvantagens básicas são as seguintes: • Necessidade de lubrificante misturado com o combustível, assim como no motor 2T; • Desgaste prematuro das lâminas de vedação dos vértices do rotor. • Grande diferença de temperaturas entre o lado quente e o lado frio, provocando deformação da pista do estator sobre a qual gira o rotor. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores Rotativos: Motor Wankel Para a produção de maiores potências, podem-se utilizar dois ou mais rotores em série sobre o mesmo eixo, com posições defasadas, o que auxilia no balanceamento. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motores alternativos 4T: Onde: PMS: Ponto Morto Superior – é a posição na qual o pistão está o mais próximo possível do cabeçote; PMI: Ponto Morto Inferior – é a posição na qual o pistão está o mais afastado possivel do cabeçote; S: Curso do pistão; PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna ��: Volume total – é o volume compreendido entre a cabeça do pistão e o cabeçote, quando o pistão está no PMI; ��: Volume morto ou volume da câmara de combustão – é o volume compreendido entre a cabeça do pistão e o cabeçote, quando o pistão está no PMS; ���: Cilindrada unitária – é o volume deslocado pelo pistão entre V1 e V2. z: Número de cilindros do motor; D: Diâmetro dos cilindros do motor; ��: Volume deslocado do motor ; PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna �� = π � 4 . �. � ��� = π � 4 . � h PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Exercícios: Um motor de 6 cilindros tem uma cilindrada de 3,6 Lts. O diâmetro dos cilindros é de 12 cm. Deseja-se alterar a cilindrada para 4800 cm3, sem se alterar o virabrequim. Qual deverá ser o novo diâmetro dos cilindros? h PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna �� Relação volumétrica ou taxa de compressão – é a relação entre o volume total (V1) e o volume morto (V2) e representa em quantas vezes o volume é reduzido. �� = �� �� ��� = �� − �� �� = �� �� = ��� + �� �� = ��� �� + 1 �2 = π � 4 . ℎ PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna M= ��� ��� M – Torque do motor; P – potência do motor; K – 97,44 para potência em KW; K – 716,2 para potência em cv; K – 5.252 para potência em hp; Rpm – velocidade do giro do motor em rotações por minuto; PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna !"� = ! �� !"�– potência efetiva específica; ! – potência efetiva; �� – cilindrada total; � Aumento da potência e torque sem aumentar a cilindrada total – utilizando a sobrealimentação (turbo); � Redução da cilindrada total, mantendo a mesma potência; � Redução do número de cilindros; PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna O objetivo principal na atualidade é reduzir o consumo de combustível e emissão de gases poluentes, com as seguintes técnicas: � Redução de perdas por bombeamento em decorrência do menor volume varrido pelos pistões a cada revolução do motor e da maior pressão no interior da câmara de combustão; � Redução da transferência de calor devida à redução da área de superfície interna, consequentemente, maior aproveitamento da energia térmica na realização de trabalho de expansão; � Redução nas perdas de atrito devido à menor dimensão das partes móveis; � Redução nas perdas de atrito com a utilização de lubrificantes com viscosidade menor, exemplo de óleo motor 0W20. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Temperatura de Autoignição – TAI (ºC) Diesel Etanol Hidratado Metanol Gasolina E22 250 420 478 400 Relação ou taxa de compressão MIF MIE Etanol Hidratado Gasolina E22 Diesel 10 – 14 8,5 – 13 15-24 MIF – Motor de ignição por faísca MIE – Motor de ignição espontânea PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Motor de combustão interna Quadrado Subquadrado Superquadrado D=S D<S D>S • Motor quadrado: Esses motores apresentam bom desempenho em todas as rotações; • Motor subquadrado: Esses motores apresentam torque e potência em baixas rotações; • Motor superquadrado: Característica de motores esportivos com torque e potência em altas rotações; PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Exercícios: • Calcular ��� $ �� % ℎ utilizando os seguintes dados e informar se o motor é quadrado, subquadrado ou superquadrado: TC z D S (��-��) Firefly 13,2 3 70mm 86,5mm PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Exercícios: • Calcular ��� $ �� % ℎ utilizando os seguintesdados e informar se o motor é quadrado, subquadrado ou superquadrado: TC z D S (��-��) TSI 9,6 4 82,5mm 92,8mm PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Exercícios: • Calcular ��� $ �� % ℎ utilizando os seguintes dados e informar se o motor é quadrado, subquadrado ou superquadrado: TC z D S (��-��) Hellcat 9,5 8 103,9mm 90,9mm PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Exercícios: • Calcular ��� $ �� % ℎ utilizando os seguintes dados e informar se o motor é quadrado, subquadrado ou superquadrado: TC z D S (��-��) Cummins Série C 19 6 114mm 135mm PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO DE MOTORES • Introdução aos motores de combustão interna Exercícios: • Calcular ��� $ �� utilizando os seguintes dados e informar se o motor é quadrado, subquadrado ou superquadrado: Z D S (��-��) 14RT (Navio) 14 96cm 2,5m
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