Sistemas Termicos_MCI_02

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
SISTEMAS TÉRMICOS
Prof. Luís Antônio Bortolaia
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
5. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA ALTERNATIVO
5.1 PRINCÍPIO GERAL DE FUNCIONAMENTO: comum aos motores
alternativos
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
No motor de combustão interna existe uma série de operações
contínuas, denominada de ciclo mecânico, que é o mesmo em
qualquer motor alternativo.
Ciclo mecânico:
1. Introdução do ‘combustível’ no cilindro;
2. Compressão do ‘combustível’ (consumindo trabalho);
3. Queima do combustível (combustão);
4. Expansão dos gases resultantes da combustão (gerando
trabalho);
5. Expulsão dos gases
.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Nos motores alternativos de combustão interna, este ciclo pode
completar-se de duas maneiras:
- ciclo de trabalho de dois tempos;
- ciclo de trabalho de quatro tempos.
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5.2. CICLO A QUATRO TEMPOS (MOTOR A QUATRO TEMPOS)
1º Tempo
Curso de Admissão
2º Tempo
Curso de Compressão
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3º Tempo: Curso
de combustão e
expansão
4º Tempo
Curso de escape
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O ciclo é válido para o motor ciclo Otto (ignição por centelha) e
para o motor ciclo Diesel (ignição por compressão). A diferença
está na forma de introduzir o combustível e na ignição.
Comparação: ciclo Otto x ciclo Diesel 
Tempos Ciclo Otto Ciclo Diesel
1º Tempo Aspiração da mistura ar + 
combustível
Aspiração de ar 
2º Tempo Compressão da mistura ar + 
combustível
Compressão do ar 
3º Tempo Ignição da mistura por meio 
de centelha (vela de ignição), 
expansão dos gases
Injeção do combustível e auto-
ignição da mistura, expansão 
dos gases
4º Tempo Descarga dos gases Descarga dos gases
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3.3. O CICLO DE DOIS TEMPOS
Motores de dois tempos:
• combinam em dois cursos do pistão (uma volta do virabrequim –
360º) as funções dos motores de quatro tempos: aspiração,
compressão, combustão – expansão, escape);
• existe um curso motor para cada volta do virabrequim.
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� O CICLO DE DOIS TEMPOS A GASOLINA
• normalmente não possuem válvulas;
• o cárter é de dimensão reduzida: nele é lançada a mistura ar –
gasolina e óleo de lubrificação. É fechado, pois é onde ocorre a pré-
compressão da mistura.
• existem aberturas (janelas) apropriadas para a entrada da mistura e• existem aberturas (janelas) apropriadas para a entrada da mistura e
saída dos gases.
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A – janela de carga de
admissão da mistura no
cárter
B – vela de ignição
C – janela de carga do
1º Tempo: admissão-
compressão
2º Tempo: combustão e 
escape
C – janela de carga do
cárter ao cilindro
D – janela de descarga
dos gases
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1º tempo: o pistão dirige-se para o PMS, comprimindo a mistura
combustível. As janelas D e C estão fechadas pela superfície do
pistão. A janela de admissão A está aberta e a mistura combustível
entra no cárter.
2º tempo: no PMS a vela produz uma centelha, ocorrendo a
combustão, levando o pistão ao PMI.
Descarga, lavagem:Descarga, lavagem:
Durante o curso de trabalho o pistão passa na janela de descarga
antes de chegar ao PMI. Os gases produtos da combustão escapam e
ao mesmo tempo, pela janela de carga C, entra no cilindro a mistura
ar-gasolina, que foi pré-comprimida no cárter pela parte inferior do
pistão em seu movimento descendente. Esta mistura combustível
limpa o cilindro dos gases queimados, obrigando-os a sair e carrega o
cilindro para o próximo ciclo.
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� O CICLO DE DOIS TEMPOS DIESEL
• este ciclo não trabalha com uma pré-compressão no cárter;
• existe um compressor ou turbocompressor para inserir o ar no
cárter;
• ciclo diesel: comprime apenas o ar e então injeta o combustível
diretamente no ar comprimido;
• o pistão atua como válvula de entrada, abrindo e fechando a• o pistão atua como válvula de entrada, abrindo e fechando a
janela de admissão de ar.
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1. Quando o pistão está no PMS, o cilindro
contém uma carga de ar altamente comprimido.
O combustível diesel é pulverizado no cilindro
pelo injetor e inflama-se.
2. A pressão criada pela combustão empurra o
pistão para baixo. Este é o ciclo de potência.
3. Quando o pistão se aproxima do PMI, as
válvulas de escapamento se abrem. Os gases
queimados são expelidos rapidamente do
cilindro, aliviando a pressão.cilindro, aliviando a pressão.
4. Quando o pistão chega ao PMI, descobre as
janelas de admissão de ar. O ar pressurizado
enche o cilindro, forçando para fora o restante
dos gases queimados.
5. As válvulas de escapamento se fecham e o
pistão começa a voltar a subir, fechando as
janelas de admissão e comprimindo a carga de
ar. Este é o ciclo de compressão.
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6. CICLOS DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
6.1. CICLO PADRÃO A AR
Os motores de combustão interna operam em um ciclo mecânico (o
pistão retorna à sua posição inicial ao final de cada revolução) , e o
fluido de trabalho não passa por um ciclo termodinâmico completo.
Os ciclos reais são complexos. Para a condução da análise em umOs ciclos reais são complexos. Para a condução da análise em um
nível de complexidade adequado, utiliza-se aproximações teóricas
(ciclos teóricos, ciclos ideais ou ciclo padrão a ar).
Hipóteses do ciclo padrão a ar:
1) O fluido de trabalho é o ar (gás ideal), que circula continuamente
em um circuito fechado;
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2) Os processos do ciclo são internamente reversíveis;
3) O processo de combustão é substituído por um fornecimento de
calor a partir de uma fonte externa;
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4) O processo de exaustão é substituído por um processo de
rejeição de calor que restaura o fluido de trabalho ao seu estado
inicial;
5) O ar possui calores específicos constantes.
ALGUMAS DEFINIÇÕES IMPORTANTES:
Volume
morto;morto;
câmara de
combustão
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Cilindrada do motor: É o volume total
deslocado pelo pistão entre o P.M.I e o
P.M.S, multiplicado pelo número de
cilindros do motor.
cilindrosNCurso
D
C ..
4
. 2








=
π
Câmara de Compressão ou de
Combustão, ou Volume Morto: é o
espaço livre que fica acima do pistão
quando este se encontra no P.M.S.
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Taxa (razão) de compressão (r): é definida como a relação entre
os volumes máximo e mínimo do cilindro.
cc
ccc
V
VV
r
+
=
onde:
Vc – volume da cilindrada;
Vcc – volume da câmara de combustão.
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Motor r
gasolina 6 a 10
álcool 7 a 11,5
Motores: relações de compressão típicas
diesel 14 a 22
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Pressão média efetiva (PME): termo muito usado em motores
alternativos. É uma pressão fictícia que, se agisse sobre o pistão
durante todo o curso (ou tempo) motor, produziria a mesma
quantidade de trabalho líquido que a produzida durante o ciclo
real.
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6.2. O CICLO OTTO IDEAL
É composto por:
1-2: compressão isoentrópica
2-3: adição de calor a volume constante
3-4: expansão isoentrópica
4-1: rejeição de calor a volume constante
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Modelagem do Ciclo Otto Ideal:
O ciclo Otto é executado em um sistema fechado e, desprezando
as variações das energias cinéticase potencial, o balanço de
energia dos processos é expresso por unidade de massa, como:
Os dois processos de transferência de calor (processos 2-3 e 4-1
não envolvem trabalho, pois ocorrem a volume constante).
- Fornecimento de calor a volume constante:
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- A rejeição de calor a volume constante:
- A eficiência térmica do ciclo Otto:
23
41
23
4123
23
1234
e
L
t
q
q
1
q
qq
q
ww
q
w
−=
−
=
−
==η
232323e qqqq
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onde:
- r é a razão (taxa) de compressão
- k é a razão dos calores específicos
- Os processos 1-2 e 3-4 são isoentrópicos e v2=v3 e v4=v1 . Assim:
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6.3. O CICLO DIESEL IDEAL
É composto por:
1-2: compressão isoentrópica
2-3: adição de calor a pressão constante
3-4: expansão isoentrópica3-4: expansão isoentrópica
4-1: rejeição de calor a volume constante
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
- Fornecimento de calor a pressão constante:
- Rejeição de calor a volume constante:
- Eficiência térmica do ciclo Diesel:
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Razão de corte: 
Razão de corte
Razão de compressão
Razão de corte
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Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
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6.4. CICLO OTTO REAL 
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Diferenças entre o Ciclo Otto real (indicado) e ideal (teórico)
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A – PERDA POR TRANSMISSÃO DE CALOR: os processos de compressão
e expansão não são adiabáticos, e sim politrópicos com n k, visto que
o cilindro é refrigerado e o fluido refrigerante (ar ou água) efetua
transferência de calor. Isso provoca uma perda de trabalho útil.
B - PERDA DE TRABALHO POR COMBUSTÃO NÃO INSTANTÂNEA: a
combustão, no ciclo ideal ou teórico é suposta a volume constante, ou
seja, instantânea. Como a combustão é uma reação química, elaseja, instantânea. Como a combustão é uma reação química, ela
necessita de um certo tempo para se realizar (a combustão é uma
queima ordenada da mistura do vapor de combustível com o ar. A
ignição acontece nas proximidades dos eletrodos da vela e a frente da
chama avança expandindo-se esfericamente a partir deste ponto. A
frente da chama leva um certo tempo para se deslocar do ponto inicial
até a superfície mais distante da câmara de combustão).
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Assim, é necessário que a combustão se inicie antes que o pistão
alcance o PMS, para que não haja perda de trabalho útil.
C – PERDA DE TRABALHO POR ABERTURA DA VÁLVULA DE ESCAPE
(DESCARGA): no ciclo ideal é suposto que a rejeição de calor ocorre
justamente no PMI. Na realidade a abertura da válvula de escape
ocorre antes do PMI, pois com isto uma grande parte dos gases são
expelidos devido a pressão reinante no cilindro, reduzindo assim oexpelidos devido a pressão reinante no cilindro, reduzindo assim o
trabalho realizado pelo pistão para terminar a expansão.
D – PERDA DE TRABALHO POR BOMBEAMENTO: durante a admissão
da mistura a pressão no cilindro é inferior à pressão atmosférica, e
durante o escape a pressão é superior à atmosférica. A área D
representa o trabalho realizado durante a admissão e o escape.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Detalhe ampliado da pressão nos tempos de admissão e escape.
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E – DIMINUIÇÃO DAS TEMPERATURAS E PRESSÕES MÁXIMAS: o
fluido de trabalho não é ar ideal e com isto haverá um aumento dos
calores específicos com a temperatura e uma conseqüente redução
do valor do expoente k.
Haverá a redução da pressão e temperatura máximas, diminuindo o
rendimento térmico.
Ocorrerá também o fenômeno da dissociação (que é uma reação que
absorve calor), o que implica em uma menor temperatura máximaabsorve calor), o que implica em uma menor temperatura máxima
alcançada.
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6.5. O CICLO DIESEL REAL
Diferença entre o ciclo Diesel real e ideal
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
• as diferenças correspondentes à variação dos calores específicos,
às perdas de calor e à abertura antecipada da válvula de escape
correspondem (se assemelham) às do ciclo Otto.
• as perdas de bombeamento e de dissociação diferem ligeiramente
das do ciclo Otto, sendo estas menores no ciclo Diesel.
A dissociação não exerce influência acentuada, pois o excesso de ar e
a mistura dos gases de escape são tal que diminuem a temperaturaa mistura dos gases de escape são tal que diminuem a temperatura
máxima, e conseqüentemente a dissociação dos produtos da
combustão.
• no motor Diesel o que mais se evidencia é a diferença na
combustão, que não se verifica a pressão constante no ciclo real. Na
prática, a pressão varia durante a combustão.
Unidade 2 Motores de Combustão Interna
Na realidade, parte da combustão se efetua a pressão constante e
outra a volume constante, de forma muito semelhante ao ciclo Otto
real.
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6.6. POTÊNCIAS E RENDIMENTOS
6.6.1. Potências
� Potência de eixo (ou potência efetiva): é a potência obtida no eixo
motor, já descontadas as perdas. É a potência líquida de saída.
� Potência indicada: é a potência realmente desenvolvida no interior� Potência indicada: é a potência realmente desenvolvida no interior
dos cilindros.
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onde:
Pind – potência indicada (kW)
n – rotação (rpm)
Z – números de cilindros
i = 1 : motor 2 tempos
i = 2 : motor 4 tempos
pmi – pressão média indicada (kPa)
V – volume da cilindrada (m3)Vc – volume da cilindrada (m
3)
� Potência do combustível: calor liberado pela queima do
combustível.
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- vazão em massa de combustível (kg/s)
PCI - poder calorífico inferior do combustível (kJ/kg)
� Potência de atrito
6.6.2. Rendimentos
� rendimento volumétrico:
Volume admitido
Volume da cilindrada
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� rendimento mecânico: relação entre a potência de eixo e a
potência indicada.
� rendimento indicado: relação entre a potência indicada e a
potência do combustível.
� rendimento global ou efetivo: relação entre a potência de eixo e a
potência do combustível.
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Exercícios:
1. Um motor Diesel de 4 tempos com dois cilindros apresenta relação
de compressão 14, relação de corte 1,8, rotação de 200 rpm e
consume 13,7 kg de óleo por hora. Sabendo-se que o rendimento
total é de 50 %, pede-se determinar a potência de eixo e a pressão
média efetiva do motor.
Considere que o cilindro possui um diâmetro de 30,5 cm e um cursoConsidere que o cilindro possui um diâmetro de 30,5 cm e um curso
de 45,7 cm. O poder calorífico inferior do combustível usado é de
10000 kcal/kg.
2. Um motor Otto de 4 cilindros, 375 cm³, relação de compressão de
7, desenvolve uma potência efetiva de 50 CV a 4000 rpm. Calcule o
aumento de rendimento, da pressão média efetiva e da potência
quando a relação de compressão aumentar para 8,5.