máquinas alternativas

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1. Indique quais são os parâmetros que influenciam a velocidade de rotação de um motor alternativo de combustão interna. Explique a dependência que existe entre eles.
Maiores massas em movimento implica reduzir a velocidade de rotação do motor. Os esforços suportados por unidade de área nos apoios da cambota e das bielas são, aproximadamente, proporcionais ao quadrado da velocidade média do êmbolo. O aumento da robustez do motor, feito à custa de peças mais pesadas, não resolve o problema porque o aumento da massa das peças em movimento aumenta por si só os esforços referidos. Em motores de explosão, a velocidade de propagação da chama pode também limitar a velocidade de rotação. Em motores Diesel, existe um problema equivalente no desencadear da combustão. Podem existir outras razões para limitar a velocidade de rotação, como o ruído, vibrações ou motor acoplado a geradores elétricos. A velocidade de rotação é reduzida numa proporção semelhante à do aumento do curso, de modo a não alterar significativamente a velocidade média. A redução de n implica quase sempre um aumento do rendimento mecânico.
2. Diga, resumidamente o que entende por “knock” indicando qual o tempo onde existe a sua tendência para ocorrer. Qual o significado de RON=91?
O “knock” é a auto-inflamação de parte da mistura composta pelos gases frescos. Este efeito acontece mo tempo de compressão. O índice de octano representa a capacidade de um combustível resistir à sua auto-ignição. O método RON é um método que consiste em promover uma avaliação da resistência à detonação do combustível com o motor em baixa rotação, porém com carga plena. RON 91, basicamente é a sensibilidade do combustível e quanto menor essa sensibilidade, melhor é a resistência ao efeito “knock”.
3. Explique a principal razão desta vantagem dos motores de ignição por compressão para a situação de carga máxima, indicando se a mesma é ainda maior, menor ou independente da carga. Justifique a sua resposta.
O consumo específico mínimo verifica-se geralmente para um regime intermédio entre os máximos das curvas do binário efetivo e da potência efetiva. Nos baixos regimes são, sobretudo, elevadas as perdas de calor através das paredes que justificam o consumo elevado. Para regimes elevados são as perdas por atrito que se tornam predominantes. No motor de explosão a variação do Cs é mais sensível.
4. Trace a evolução típica de uma curva de consumo específico dos motores SI, justificando a evolução.
O consumo específico é uma função inversa do rendimento global do motor. O mínimo da curva de consumo, portanto de máximo rendimento global, não tem relação com qualquer ponto das outras curvas. O consumo específico mínimo verifica-se geralmente para um regime intermédio entre os máximos das curvas do Binário e da Potência. Para baixos regimes, são sobretudo, elevadas as perdas de calor através das paredes, que justificam o consumo elevado. Para regimes elevados são as perdas por atrito que se tornam predominantes. No motor de explosão variação do consumo específico é mais sensível.
5. Do ponto de vista termodinâmico, os motores alternativos de combustão interna a quatro tempos são sistemas fechados ou sistemas abertos. Justifique a sua resposta.
Um exemplo comum de aplicação das leis da Termodinâmica é o motor de quatro tempos. Neste tipo de sistema, a energia é fornecida em forma de calor, pela queima do combustível. Trata-se de um sistema aberto. Isto porque troca massa com o meio externo, ao longo de um ciclo completo. Mas se tratarmos isoladamente cada um dos quatro processos que ocorrem basicamente nele, podemos considerá-los como sistemas fechados ou isolados, em cada caso especial.
6. O que entende por relação de compressão dos motores de combustão interna. Indique, justificando, quais são os seus valores típicos nos valores de ignição por faísca e de ignição por compressão.
A razão de compressão é a razão entre o volume total (cilindrada mais volume da câmara) e o volume da câmara de combustão. No motor Diesel varia de 14 a 22 enquanto no motor de explosão a gasolina encontra-se compreendida entre 6 a 12.
7. O que entende por pressão média, pressão média indicada e pressão média efetiva de um motor de combustão interna.
A pressão média indicada (PMI) representa a razão entre o trabalho fornecido sobre o pistão pelas forças de pressão dos gases, e o volume movimentado pelo pistão “aspirado pelo motor”. A pressão média efetiva (PME) é a pressão constante que, atuando na área do pistão durante seu curso iria produzir o trabalho realizado por ciclo. Durante o ciclo real a pressão só é significante nos tempos de compressão e expansão. Durante o tempo de compressão, trabalho é realizado pelo pistão nos gases no interior do cilindro, enquanto no tempo de expansão os gases no interior do cilindro é que realizam trabalho sobre o pistão.
8. Desenhe qualitativamente, num único diagrama de pressões no interior de um cilindro de um motor de ignição por faísca a quatro tempos em função do deslocamento angular da cambota.
9. Indique quais são os principais poluentes que se encontram nos gases de escape de um motor de ignição por faísca. Sobre quais é que os catalisadores atuam e de que forma?
Principais poluentes que se encontram nos gases de escape: CO2, H2O, N2, H2, CO, HCs, NOx, SO2 e PM10. Os catalisadores de 2 vias oxidam o CO e os HCs, mas aumentam muito os NOx porque são combustões muito quentes e não há CO suficiente para reduzir os NOx. Os catalisadores de 3 vias, na primeira parte são reduzidos os NOx e na segunda parte são oxidados os CO e HCs, entre as duas partes é injetado ar atmosférico. Nos catalisadores de 3 vias com sonda lambda trabalham com misturas estequiométricas, fazendo primeiro a redução e depois a oxidação. A sonda lambda assegura o controlo da riqueza da mistura.
10. Trace, no diagrama P-v e T-s, o ciclo Diesel teórico indicando as transformações termodinâmicas que o fluído operativo sofre durante o ciclo.
1 – 2 Compressão adiabática.
2 – 3 Fornecimento instantâneo de calor a pressão constante.
3 – 4 Expansão adiabática.
4 – 1 Rejeição instantânea de calor a volume constante.
11. Defina o conceito de rendimento volumétrico e indique de que modo está expresso no ciclo representado na alínea anterior.
Rendimento volumétrico: Relação entre a massa real de ar introduzida no cilindro na unidade de tempo ou por ciclo e a massa de ar admitida em situação de reversibilidade em condições normais de P e T. Fatores que influenciam o rendimento volumétrico: Densidade da carga fresca e diluição originada pelos gases residuais, desenho dos coletores de admissão e escape e tempos de abertura e fecho das válvulas. O ciclo Diesel é aquele que dispõe do valor mais elevado da relação de compressão que resulta na prática no meio mais eficaz para aumentar o rendimento volumétrico.
12. Represente um ciclo real característico de um motor de ignição por faísca, explicando a origem da sua diferença relativamente ao ciclo teórico durante o tempo de expansão do fluído operativo.
A origem da sua diferença relativamente ao ciclo teórico durante o tempo de expansão do fluído operativo, devem-se à dissociação na combustão. A reassociação acontece no final da expansão e consequentemente liberta algum calor.
13. Obtenha a equação estequiométrica genérica relativa à combustão de um hidrocarboneto expressa em função do número de moléculas do combustível.
CH4 + 2(O2 + 3,76N2) → CO2 + 2H2O + 7,52N2
14. Em que consiste o conceito de consumo específico de um motor. Obtenha a expressão de rendimento global de um motor em função do consumo específico. Indique, explicando, qual é a evolução típica do consumo específico, em regime de plena carga, com a velocidade de rotação de um motor.
O consumo específico é uma função inversa do rendimento global do motor. O mínimo da curva de consumo, portanto de máximo rendimento global, não tem relação com qualquer ponto das outras curvas. O consumo específico mínimo verifica-se geralmente para um regime intermédio entreos máximos das curvas do Binário e da Potência. Para baixos regimes, são sobretudo, elevadas as perdas de calor através das paredes, que justificam o consumo elevado. Para regimes elevados são as perdas por atrito que se tornam predominantes. No motor de explosão variação do consumo específico é mais sensível. O rendimento global do motor pode definir-se da forma habitual: razão entre o que se obtém e o que se fornece. Neste caso, será a razão entre a potência efetiva Ne e a energia contida no combustível consumido por unidade de tempo.
15. A figura seguinte representa um sistema utilizado no controlo da emissão de poluentes em motores de combustão interna.
Catalisador de 3 vias com sonda lambda: Trabalham com misturas estequiométricas, fazendo primeiro a redução e depois a oxidação. A sonda lambda assegura o controlo da riqueza da mistura.
1 – Gases de escape;
2 – Sonda lambda;
3 – Catalisador;
4 – Unidade de controlo;
5 – Sistema de alimentação.
16. Estabelece a correspondência entre os ciclos teóricos e os tipos de motores indicados:
	A – Ciclo Diesel
	1 – Motor de ignição por faísca
	B
	B – Ciclo Otto
	2 – Motor de ignição por compressão lento
	A
	C – Ciclo Misto
	3 – Motor de ignição por compressão rápido
	C
17. Trace, no diagrama P-v, o ciclo Misto teórico de um motor a quatro tempos indicando as transformações termodinâmicos que o fluído operativo sofre e identificado cada tempo do motor. Explique o conceito de pressão média de um ciclo.
1 – 2 Compressão adiabática;
2 – 3 Fase de combustão com volume constante;
3 – 4 Combustão a pressão constante;
4 – 5 Expansão adiabática;
5 – 1 Volume constante.
18. Diga o que entende por “ar estequiométrico” e escreva a equação de combustão estequiométrica do iso-octano (C8H18).
O processo ideal de combustão em que o combustível é totalmente queimado em ar teórico, é designado por combustão estequiométrica ou teórica. O ar teórico é também referido como a quantidade de ar quimicamente correta, ou 100% de ar teórico. Um processo de combustão com uma quantidade de ar inferior à teórica será sempre incompleto.
19. Qual é o objetivo da sobrealimentação dos motores de combustão interna? Explique a diferença que existe entre um turbocompressor simples, um turbocompressor com válvula de descarga e um turbocompressor de geometria variável.
Com o aumento de pressão do ar, antes de entrar nos cilindros, consegue-se colocar mais ar no mesmo volume e, consequentemente, mais combustível ainda que mantendo a relação A/F. O resultado é maior potência no cilindro o que pode aumentar significativamente a relação peso/potência do motor. O turbocompressor é um equipamento adicionado aos motores de combustão interna que aproveita os gases de escape para injetar ar nos cilindros. O turbocompressor fica ligado ao coletor de escape de um motor de combustão interna, e aproveita a energia dos gases de escape, gerados no motor, para girar uma turbina conectada por meio de um eixo comum a um rotor o qual tem a função de bombear ar para os cilindros. Os turbocompressores com válvula de descarga controlam a pressão no sistema, a válvula é responsável pelo controle da quantidade de ar que é direcionada ao coletor de admissão ou ao filtro de ar. Os turbocompressores de geometria variável permitem variar o tamanho interno do compressor de forma que a quantidade de ar admitida seja compatível com a faixa de rotação a ser aplicada.
20. Explique a diferença que existe entre o funcionamento de um motor de ignição por faísca a quatro e a dois tempos.
4 Tempos: Admissão – Compressão – Combustão e Expansão – Escape.
2 Tempos: Combustão (Expansão/ Escape) – Lavagem (Admissão/ Compressão).
Num motor de 4 tempos um ciclo realiza-se em 2 voltas da cambota enquanto num motor de 2 tempos um ciclo realiza-se em 1 volta da cambota.
21. Indique três diferenças entre os motores de ignição por compressão e motores de ignição por faísca.
A grande diferença entre o motor a Diesel e o motor de explosão é a ignição. Enquanto no motor a Diesel a explosão do combustível acontece devido ao aumento da temperatura provocado pela compressão da mistura, no motor de explosão, a combustão da mistura ar + combustível é provocada por uma faísca produzida pela vela de ignição no momento em que a compressão na câmara de combustão é máxima. O motor de ignição por faísca opera sobre o ciclo Otto e de ignição por compressão de acordo com o ciclo Diesel. Na maior parte dos motores Otto, o ar e combustível são introduzidos na câmara de combustão sob a forma de mistura gasosa. A mistura é transportada para o carburador, e regulando a quantidade de mistura introduzida é obtida por meio de uma válvula de borboleta. Em motores de ignição por Diesel (ignição por compressão), o ar é introduzido na câmara de combustão através de condutas que conduzem para a válvula de aspiração. Neste tipo de motores de calor de combustível é introduzido diretamente através de um injetor. A mistura de ar-combustível é efetuada na câmara de combustão. O valor dos motores de ciclo Otto taxa de compressão varia de 6 a 10, salvo em casos excecionais, enquanto nos motores de ignição por compressão (ciclo Diesel) varia de 14 a 22. O motor Diesel é geralmente mais pesado do que um motor a gasolina de igual cilindrada. Isto é porque o motor Diesel funciona a pressão substancialmente mais elevada e, por conseguinte, precisa de elementos maiores de forma a suportar com segurança essa pressão.
22. Quais são os gases de escape cujas concentrações são necessárias quantificar de modo a obter o valor da riqueza da mistura baseada na análise de Orsat.
Permite conhecer as percentagens volumétricas de CO2, CO e O2 nos gases de escape. São recolhidas amostras dos gases de combustão e colocadas à temperatura e pressão ambientes, medindo-se o seu volume.
23. Trace, no diagrama P-v e T-s, o ciclo Otto teórico indicando as transformações termodinâmicas que o fluído operativo sofre durante o ciclo.
1 – 2 Transformação isentrópica adiabática (sem troca de calor com o exterior).
2 – 3 Volume constante. 
3 – 4 Transformação adiabática. 
4 – 1 Volume constante.