Trabalho de maquinas termicas

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ 
CAMPUS RUSSAS 
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
ANNA KETHLEN FEITOSA DOS SANTOS 
CARLOS VINICIUS CASTRO LIMA 
 
 
 
 
 
 
MÁQUINAS TÉRMICAS: 
VISITA TÉCNICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RUSSAS-CE 
2019 
 
ANNA KETHLEN FEITOSA DOS SANTOS 
CARLOS VINICIUS CASTRO LIMA 
 
 
 
 
 
 
 
 
MÁQUINAS TÉRMICAS: 
VISITA TÉCNICA 
 
 
 
 
 
 
 
Relatório apresentado a disciplina de Máquinas 
térmicas do curso de Engenharia mecânica da 
Universidade Federal do Ceará. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RUSSAS 
2019 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
A priori, o seguinte trabalho irá abordar um pouco do assunto que foi trabalhado na 
visita técnica aos laboratórios de motores: motor ciclo Otto e motor ciclo Diesel. O 
objetivo principal, certamente, foi verificar suas características, componentes, 
funcionamento e possibilitar a compreensão de transformações que ocorrem em 
máquinas e equipamentos para a produção de energias uteis em suas situações reais. 
Nesses laboratórios, são desenvolvidos projetos de sistema de energia utilizando motor 
ciclo Otto e motor ciclo Diesel. A partir disso, sistemas térmicos inovadores são 
desenvolvidos no próprio laboratório para estudos e pesquisas teórico-experimentais, 
utilizando sistemas de monitoramento de processo, com instrumentos de controle e 
sistemas de aquisição. Logo, para o maior entendimento segue-se um relatório breve 
a respeito da aula contendo cálculos da eficiência do motor diesel em três condições 
experimentais e relato da experiencia vivenciada. 
 
2 MOTOR CICLO DIESEL 
 
O motor diesel (motor de ignição por compressão) é um tipo de motor de combustão 
interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel, que usa o gasóleo como 
combustível para o ciclo termodinâmico diesel. Pode operar com ciclos de 4 
ciclos (O ciclo do motor é composto por quatro fases: admissão, compressão, 
expansão e descarga) e 2 ciclos e é caracterizado por um curso de pistão mais 
longo e por ter mais torque, capaz de sair da inércia com mais força e movimentar um 
veículo pesado com mais facilidade. 
Seus principais componentes são: cabeçote, bloco de motor e cárter do motor. O 
cabeçote é a parte superior e nele existem válvulas que controlam a entrada e saída dos 
gases no cilindro. O bloco de motor é a parte central do motor, e é composto pelos 
cilindros, virabrequim, pistão e biela. O cárter do motor é parte inferior do motor que, nos 
motores de quatro tempos é basicamente o reservatório de óleo lubrificante. 
Quanto aos combustíveis utilizados em motor diesel, são o óleo diesel, biodiesel e álcool. 
Contudo o óleo diesel é ainda o combustível mais utilizado em motores diesel por suas 
características, é um produto pouco inflamável, medianamente tóxico, pouco volátil, 
límpido, isento de material em suspensão e com odor forte e característico. 
É importante saber que o sistema de alimentação diesel é composto por dois circuitos: o 
circuito de ar e o circuito de combustível. O circuito de ar tem como função conduzir o ar 
do meio ambiente até o interior dos cilindros e depois eliminar os resíduos da combustão 
e o circuito de combustível tem como função conduzir o combustível deste o tanque de 
combustível até o interior dos cilindros. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
https://pt.demotor.net/definicoes/gasoleo.html
2.1 Visita ao laboratório de motores a combustão interna (LMCI) 
 
A visita foi realizada no laboratório de motores a combustão interna (LMCI), onde estava 
o motor que opera com o ciclo Diesel. Esse laboratório dispõe de uma área dividida em 
ambientes para testes dinamométricos (relativo à carga) e análises computacionais. O 
LMCI utiliza motores diesel-turbo de médio porte em testes de combustão convencional 
(também conhecido como motor de explosão), combustão dual diesel/homogênea e 
HCCI (ignição por compressão de carga homogénea) que, basicamente, são motores de 
combustão interna no qual a mistura ar-combustível é comprimida e esquentada ao 
ponto da autoignição. 
Durante a visita foi possível observar que o LMCI conta com uma estrutura voltada para 
ensaios experimentais e uma bancada dinamométrica ativa, totalmente automatizada e 
instrumentada onde todas as atividades são feitas por alunos sob supervisão dos 
professores. O laboratório também realiza simulações computacionais dos processos 
ocorrentes nos cilindros dos motores diesel, empregando uma versão com bibliotecas 
próprias do software KIVA 3 VR2 e um computador de alto desempenho da marca Bull 
com 172 processadores. Com o software é possível controlar a pressão e temperatura 
do óleo e dos gases, vazão (auxilia os cálculos estequiométricos), aceleração do motor, 
torque (indica a capacidade do motor gerar o próprio trabalho) entre outros. 
Durante a visita foi brevemente explicado o funcionamento do motor, a importância da 
eficiência e como ela vai variando com a carga (torque), quando mais carga mais 
eficiente. Foram feitos três testes, o motor trabalhou em três condições: Baixa, média 
e alta eficiência, que serão analisadas nos próximo tópicos. 
 
 
 
 Motor ciclo Diesel- LMCI 
 
 
 
 
2.2 Cálculo da eficiência 
 . . 
 Ƞ = W / Q 
 
Onde o numerador corresponde a potência produzida, calculada pelo torque 
multiplicado pela rotação do motor e o denominador corresponde o calor fornecido, 
calculado pelo fluxo do combustível multiplicado pelo PCI (valor tabelado). 
 
 
2.2.1 Eficiência na etapa 1 (baixa) 
 
 
 
Tela de comando para análise de dados Dados e cálculos utilizados 
 
 
 
Para que fosse possível calcular a eficiência na condição baixa, foi preciso coletar 
torque: 77,0075 (em N.m), a rotação do motor: 1702 Rpm (foi feita uma conversão de 
unidades de Rpm para Rps), o fluxo de combustível: 6183,82 g/h (foi feita uma 
conversão de unidades de g/h para kg/s) e o PCI: 43 MJ/kg (foi feito uma conversão de 
MJ/Kg para kJ/Kg) que é o poder calorifico do combustível Diesel, um valor tabelado 
encontrado facilmente na internet. 
 
 
 
 
 Resultado (18,58%) 
 
 
2.2.2 Eficiência na etapa 2 (intermediaria) 
 
 
Tela de comando para análise de dados Dados e cálculos utilizados 
 
 
Para que fosse possível calcular a eficiência na condição média, foi preciso coletar 
torque: 163,654 (em N.m), a rotação do motor: 1763 Rpm (foi feita uma conversão de 
unidades de Rpm para Rps), o fluxo de combustível: 9828,41 g/h (foi feita uma 
conversão de unidades de g/h para kg/s) e o PCI: 43 MJ/kg (foi feito uma conversão de 
MJ/Kg para kJ/Kg) que é o poder calorifico do combustível, um valor tabelado 
encontrado facilmente na internet. 
 
 
 
 
 Resultado (25,74%) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.2.3 Eficiência na etapa 3 (alta) 
 
 
 
Tela de comando para análise de dados Dados e cálculos utilizados 
 
 
Para que fosse possível calcular a eficiência na condição alta, foi preciso coletar torque: 
308,63 (em N.m), a rotação do motor: 1875 Rpm (foi feita uma conversão de unidades 
de Rpm para Rps), o fluxo de combustível: 19227,9 g/h (foi feita uma conversão de 
unidades de g/h para kg/s) e o PCI: 43 MJ/kg (foi feito uma conversão de MJ/Kg para 
kJ/Kg) que é o poder calorifico do combustível, um valor tabelado encontrado facilmente 
na internet. 
 
 
 
 Resultado (26,39%) 
 
 
 
2.2.4 Dados e resultados gerais 
 
 
 
 Dados e resultados gerais 
 
 Com os resultados é fácil perceber que durante o experimento, na medida que o torque 
vai aumentando em cada etapa, quanto mais carga sendo injetada no motor maior a 
sua eficiência. 
3 MOTOR CICLO OTTO 
 
O motor de combustãoou de explosão é um motor que o combustível resulta de uma 
mistura com o ar fora da câmara de combustão e necessita de uma faísca (criada 
pelas velas) para dar início ao processo da queima. Este tipo de mecânica pode operar 
em dois ou quatro tempos, respeitando as várias etapas de funcionamento. Os seus 
principais componentes são: Bloco do motor, Cabeçote, Carter. O bloco de motor é feito 
de alumínio ou ferro fundido que aloja os cilindros bem como os suportes de apoio da 
cambota, o virabrequim. O cabeçote é a cabeça do motor é a peça fundamental para o 
bom desempenho, já que determina a forma da câmara de combustão, a passagem dos 
gases de admissão e escape, o funcionamento das válvulas e seu comando. Já o cárter 
é um recipiente metálico que protege e assegura a lubrificação de certos mecanismos. 
 
3.1 Visita ao laboratório de combustão e energias renováveis (LACER) 
 
No início foi-nos apresentado o laboratório de motores a combustão de energias 
renováveis (LACER) e seus respectivos bolsistas que trabalham, atualmente, com 
biogás e desenvolvem pesquisa com o motor ciclo Otto (motor de combustão interna 
que funciona de acordo com o ciclo criado e melhorado por Nikolaus Otto, em 1876) e 
que pretendem posteriormente operar com ciclo Otto e ciclo Diesel. 
Fomos conduzidos a conhecer o motor de um Santana Volkswagen Alta Performance 
2.0 onde foi mostrado seu funcionamento e de que maneira ele está contribuindo para 
a pesquisa dos bolsistas. O motor em questão estava acoplado a um gerador, mas a 
energia que gerava não estava ligada em nenhuma rede e em nenhum equipamento, 
isso porque do lado de fora do laboratório existem resistências que são, basicamente, 
efeito joule ou efeito térmico que pegam essa potência gerada e dissipam em calor, 
verifica-se pelo fato deles ainda não terem um controle da energia gerada então é 
preferível queimar em calor do que usar em algum equipamento e acabar danificando, 
pois é utilizado muito biogás de composições diferentes nos experimentos (estão em 
fase de testes), e não se tem controle de como a combustão vai estar (estável ou 
instável) , a vista disso, usam a resistência como forma de segurança. 
Não foi possível ligar o motor pela falta de gasolina, mas com o motor parado aos poucos 
fomos nos familiarizando com os seus componentes e funcionamentos, o gerador, por 
exemplo, gira a 1800 Rpm para a frequência ficar em 60 htz e motor para ter a faixa de 
torque máximo dele tem de girar em 3600 Rpm. No meio do motor tem uma caixa de 
redução, que consiste num conjunto de engrenagens que visa reduzir a velocidade 
angular e aumentar o torque, e no lugar de bico injetor tem vela porque é ciclo Otto. 
Em um caso específico do motor, em fase teste, uma das velas foi trocada por um sensor 
que une vela com sensor de pressão e que consegue medir a pressão dentro da câmara 
de combustão. O sensor mede a pressão, manda para um equipamento que condiciona 
o sinal e manda para o computador juntando o sinal da pressão com outro sinal que é 
Encoder (dispositivo cuja a finalidade é transformar posição em sinal elétrico) que fica 
acoplado ao virabrequim que mede a rotação do eixo do brequim em graus em uma 
precisão de 0,1 graus. Com esses dois sinais é possível fazer uma curva de pressão do 
eixo y e graus no eixo x, e como a precisão é de 0,1 graus o gráfico fica bem detalhado 
e a partir desse gráfico de pressão consegue-se tirar várias conclusões: potência do 
motor, como a queima está fluindo, como está o avanço de ignição do motor, etc. 
https://blog.takao.com.br/pecas-para-motor-certificadas/
Nas imagens é possível identificar o tubo azul, no qual, entra o ar na sala. O ar sai por 
um dispositivo, passa pelo gerador para arrefecer, vai arrefecendo todo o motor e entra 
onde o ar vai de fato queimar com gasolina, com gás ou com biogás. O mesmo ar que 
está circulando e arrefecendo tudo passa pelo radiador, o radiador vai arrefecer a água 
que no fim sai pelo tubo verde. 
O motor Otto fica mais quente que o motor diesel, em um teste feito no laboratório no 
motor já chegou a 900°C o ar de exaustão. É valido ressaltar que, tanto no tubo azul 
como no verde tem ventiladores para forçar a ventilação e tais ventiladores são 
controlados por um inversor que controla apenas a rotação dos ventiladores para não 
soprar pouco nem soprar exageradamente. 
O sensoriamento é composto por termopares que medem, por exemplo, água que está 
entrando no radiador, a água que está saindo, o ar que está entrando no motor (que 
deve estar entre 25°C e 30°C), o ar de exaustão (o ar que está saindo), entre outros. 
Foi relatado também que, entre os sensores tem um anemômetro que mede a 
velocidade do ar para que se consiga calcular a proporção ar/combustível, também tem 
termopares nos combustíveis tanto no Co2 (dióxido de carbono) como no Ch4 (metano) 
para saber em que condições eles estão entrando. Durante a visita, foi possível observar 
que tem um sensor na parte de cima da sala que mede a pressão e a umidade do 
ambiente, que também são condições de teste. 
Outrossim, é importante saber que, no motor mostrado o acelerador está no controle 
de admissão como em um carro comum e serve apenas para dosar a quantidade de ar. 
Dentro do motor tem um modulo de injeção eletrônica a partir da posição da borboleta 
ele consegue saber o quanto de ar que está entrando e calcular o quanto de combustível 
tem que entrar para ficar estequiométrico. O controle é feito fora do motor que tem seu 
próprio modo de injeção que calcula o quanto de combustível tem que entrar, e para dar 
uma resposta pro motor, transfere da sonda lambida que fica no escapamento de 
exaustão, que é um dispositivo que envia um sinal elétrico à injeção eletrônica indicando 
a presença de oxigênio nos gases e calcula o quanto está saindo, essa medida serve 
para saber se tem muito ou pouco oxigênio, e com isso relacionar a mistura que injetou 
lá no cilindro, se era uma mistura rica (mais combustível do que ar) ou mistura pobre 
(mais ar que combustível) tudo isso dentro da válvula de injeção. 
O ciclo ideal Otto, na teoria, o pistão chega lá em cima e a vela solta lá em cima, mas 
na prática quando o pistão ainda está chegando no topo, a vela solta antes e já centelha 
antes, isso acontece porque o combustível demora a queimar, então a vela centelha 
para quando o pistão subir o combustível está de fato queimando, e então descer com 
força. 
O motor originalmente, de fábrica, era à gasolina, mas foi feita uma adaptação em prol 
das pesquisas. De acordo com análises e cálculos, perceberam que antes quando era a 
gasolina o avanço estava a 5°C quando mudaram para biogás avançaram 15°C, 
concluindo que o biogás queima mais lento que a gasolina. 
Observando os gráficos é-nos mostrado que é preciso adiantar mais um pouco, o que 
estão planejando em fazer no futuro, o ideal seria a combustão começar em 0° C, mas 
ela está começando depois, tem que adiantar mais um pouco para começar perto de 
0° C (está sendo feito um estudo para melhorar isso). 
Motor ciclo Otto-LACER Motor ciclo Otto-LACER 
 
 
Em seguida, foi-nos mostrado alguns gráficos e os controles gerais das salas, que leem 
todos os termopares, anemômetros e demais sensores, da água, dos gases de escape, 
gases de admissão e outros. Em uma aba na tela de um dos computadores tem cerca 
de 10 botões que ligam as 10 resistências que estão fora do laboratório. 
As medidas que são usadas nos gráficos são: Pressão, em bar e ângulo de manivela 
que vai de -360 até +360. As medidas são feitas em tempo real, se o gerador estivesse 
ligado daria para ver um gráfico que mostra a curva de tensão (uma onda cm 60 htz). 
Mas foi possível ver um gráfico salvo com 500 medidas realizadas. 
Os bolsistas pegam os 500 ciclos e fazem cálculos posteriores relacionados a eles para 
saber como o combustível está. É utilizado um softwareque contém fórmulas embutidas, 
cálculos simples, e como cada ciclo é diferente é feito uma a média dos 500 ciclos, 
calculada no software e assim criando uma curva média com os valores obtidos. A partir 
da média é calculado o IMEP (Pressão Media Efetiva Indicada), que seria como pegar a 
curva obtida dos valores médios e criar uma pressão equivalente, o IMEP é muito útil 
para dar noções de potência do motor, por exemplo, o motor a gasolina vai ter sempre 
um IMEP maior do que um motor AGNV, que vai ter um IMEP maior que um motor a 
biogás com 5% de Co2, que tem um IMEP maior que um motor com 10% de Co2 e assim 
por diante. No software também é calculado quanto o cilindro perde de calor, a 
temperatura, que é importante para relacionar com as emissões, a principal emissão que 
tem nesse tipo de motor é o Nox, quanto maior a temperatura mais Nox, também é útil 
calcular o MBF (Fração de Combustível Queimado), que calcula por padrão que em 5% 
de combustível queimado começa a combustão e 95% termina, isso serve para ver o 
desenvolvimento da queima. 
Encerrando a visita foi explicado os gráficos de referência das pesquisas realizadas no 
laboratório, que basicamente, consiste em variar o gás e ver como o motor reage em 
cada ciclo de pressão. 
 
REFERÊNCIAS 
 
BLOCO DE MOTORES 
http://carrosinfoco.com.br/2015/09/bloco-dos-motores-de-combustao-interna-
automotivos/ 
 
BASTOS, Cleverson Leite; KELLER, Vicente. Aprendendo a aprender: introdução à 
metodologia científica. 19. ed. Petrópolis: Vozes, 2006. 
 
MOTORES 
http://www.ufrrj.br/institutos/it/deng/varella/Downloads/IT154_motores_e_tratores/Literat
ura/No%E7%F5es%20B%E1sicas%20de%20Motores%20Diesel.pdf 
 
PODER CALORIFICO/PCI 
http://www.antoniolima.web.br.com/arquivos/podercalorifico.htm 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ. Biblioteca Universitária. Guia de 
normalização de trabalhos acadêmicos da Universidade Federal do Ceará. 
Fortaleza, 2013. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANEXOS 
 
“Baixa eficiência” 
“Torque” 
T= 77,0075 [N*m] 
“Rotação do motor” 
r=1702*Convert(rpm;rps) 
“Trabalho” 
w_dot=T*r*2*pi*Convert(N*m/s;KJ/s) 
“Fluxo de combustível” 
m_dot=6183,82*Convert(g/h;kg/s) 
“Poder calorífico” 
PCI=43*Convert(MJ/kg;kJ/kg) 
“Calor” 
Q_dot=m_dot*PCI 
“Eficiência” 
n_baixa=w_dot/Q_dot 
 
“Eficiência média (moderada)” 
“Torque” 
T2= 163,654[N*m] 
“Rotação do motor” 
R2=1763*Convert(rpm;rps) 
“Trabalho” 
w_dot_2=T*r*2*pi*Convert(N*m/s;KJ/s) 
“Fluxo de combustível” 
m_dot_2=9828,41*Convert(g/h;kg/s) 
“Poder calorífico” 
PCI_2=43*Convert(MJ/kg;kJ/kg) 
“Calor” 
Q_dot_3=m_dot*PCI 
“Eficiência” 
n_moderada=w_dot/Q_dot 
 
“Alta eficiência” 
“Torque” 
T3= 308,63 [N*m] 
“Rotação do motor” 
R3=1875*Convert(rpm;rps) 
“Trabalho” 
w_dot_3=T*r*2*pi*Convert(N*m/s;KJ/s) 
“Fluxo de combustível” 
m_dot_3=19227,9*Convert(g/h;kg/s) 
“Poder calorífico” 
PCI_3=43*Convert(MJ/kg;kJ/kg) 
“Calor” 
Q_dot_3=m_dot*PCI 
“Eficiência” 
n_alta=w_dot/Q_dot