MÁQUINAS TÉRMICAS E DE FLUÍDOS

Prévia do material em texto

0 
 
UNIVERSIDADE LÚRIO 
FACULDADE DE ENGENHARIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
LICENCIATURA EM ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
Máquinas Térmicas e de Fluídos 
 
 
 
 
 
Balanço energético e exergético do motor SGE – 42HM 
3º Ano 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Pemba, Outubro de 2019 
 
1 
 
UNIVERSIDADE LÚRIO 
FACULDADE DE ENGENHARIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
LICENCIATURA EM ENGENHARIA MECÂNICA 
 
Máquinas Térmicas e de Fluídos 
 
Balanço energético e exergético do motor SGE – 42HM 
3º Ano 
 
 
 
 
 
 
Nome do Estudante: 
Cândido Carlos Uanicela 
 Docente: Nelson Inoque Envelope, Lic. 
 
 
 
Pemba, Outubro de 2019 
 Trabalho de investigação e de carácter 
avaliativo, a ser entregue na disciplina de 
Máquinas Térmicas e de Fluídos, no curso de 
Licenciatura em Engenharia Mecânica, 3º ano. 
2 
 
Resumo 
Os motores a gás, são aqueles que usam o gás como fonte de calor. Estes motores são 
caracterizados por apresentar um baixo consumo de combustível, baixo ruído e baixa poluição 
atmosférica. Estes motores apresentam um rendimento um pouco elevado quando comparados 
com os motores a álcool por exemplo. Este rendimento elevado resulta da capacidade que estes 
motores têm de aproveitar a energia do gás. O principal objectivo deste trabalho foi de fazer um 
balanço energético assim como exergético de um motor a gás da serie SGE – 42HM fabricado 
pela siemens. O trabalho foi feito de forma prática virtual onde a partir de catálogos disponíveis 
na internet assim como com cálculos e simulações dados concretos de balanço foram alcançados. 
Numa primeira fase do trabalho recorre-se às bibliografias para perceber-se melhor o que eram 
os motores de combustão interna em especial os motores a gás. De seguida foi-se à busca dos 
dados técnicos do motor seleccionado no site da SIEMENS. Com os dados técnicos já 
disponíveis, fez se o balanço energético e exergético do motor seleccionado e teve se como 
resultados uma eficiência energética de 25.6% e uma eficiência exergética de 66.09%. 
Palavras-chave: energia, exergia, balanço, motor, eficiência, gás. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 
Índice 
Introdução ....................................................................................................................................... 4 
Objectivos ....................................................................................................................................... 6 
Considerações iniciais ..................................................................................................................... 7 
Capítulo 1: Fundamentação teórica sobre os motores GNL/GNC/GNV ........................................ 8 
Constituição dos motores GLN/GNV/GNC ................................................................................ 8 
Operação de motores a gás ........................................................................................................ 11 
Motores a gás vs motores a gasolina ou diesel.......................................................................... 12 
Motor GNL SGE-42HM ........................................................................................................... 13 
Características principais do motor SGE-42HM ................................................................... 13 
Capítulo 2: Balanço energético do motor GNL SGE – 42HM ..................................................... 16 
Cálculo da vazão massica do combustível ................................................................................ 19 
Cálculo do calor libertado pelo combustível ............................................................................. 19 
Cálculo da vazão de ar admitido no motor ................................................................................ 19 
Cálculo da vazão dos gases ....................................................................................................... 19 
Cálculo dos calores específicos para o cálculo da perda de calor nos gases de escape ............ 20 
Cálculo do calor perdido pelos gases de escapamento exaustão ............................................... 20 
Cálculo dos calores específicos para o cálculo da perda de calor nos pelo radiador ................ 21 
Balanço energético .................................................................................................................... 21 
O rendimento energético ........................................................................................................... 21 
Capítulo 3: Balanço exergético do motor SGE – 42HM .............................................................. 21 
Exergia associada ao calor do combustível ............................................................................... 22 
Cálculo da exergia associada ao fluxo de massa do ar de entrada. ........................................... 22 
Cálculo da exergia associada ao fluxo de massa da água de entrada. ....................................... 24 
Cálculo da exergia associada ao fluxo de massa da água de saída. .......................................... 24 
4 
 
Exergia associada ao fluxo de massa dos gases de escapamento .............................................. 24 
Tabela de dados consultados ..................................................................................................... 25 
Tabelas de dados calculados ..................................................................................................... 26 
Plano de manutencao do motor SGE – 42HM .............................................................................. 26 
Manutenção preventiva dos componentes do motor GNV (Gás Natural Veicular) .................. 27 
Conclusão ...................................................................................................................................... 29 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
Introdução 
Os motores de combustão interna são motores que usam a energia térmica do combustível para 
gerarem trabalho mecânico. Estes podem ser alternativos ou rotativos, sendo que em termos de 
combustível estes podem ser alternativos ou rotativos a gasolina, álcool, gasóleo e gás. Os 
motores a gás (vulgarmente GNV) são aqueles que utilizam o gás natural veicular, liquefeito ou 
comprimido como fonte de energia térmica. Independentemente do combustível que o motor use, 
em nenhum caso a quantidade energia térmica fornecida pelo combustível é a mesma 
aproveitada para a realização do trabalho. Sendo assim no projecto de motores de combustão 
interna deve-se fazer um balanço energético e exergético do mesmo de modo a apurar a 
quantidade de energia térmica aproveitada pelo motor. O balanço energético é feito subtraindo 
no poder calorífico do combustível, as energias térmicas perdidas no radiador, na radiação, na 
lubrificação, na admissão e mais. No trabalho terminado, far-se-á o balanço energético e 
exergético de um motor de combustão interna alternativo a gás veicular (SGE – 42 HM) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 
Objectivos 
Geral 
Fazer um balanço energético e exergetico do motor SGE – 42HM 
Específicos 
 Conceituar os motores de combustão interna 
 Caracterizar o motor seleccionado 
 Fazer o levantamento de todas as características técnicas do motor seleccionado; 
 Estudar o princípio de funcionamento do motor seleccionado 
 Elaborar um plano de manutenção para o motor seleccionado 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 
Considerações iniciais 
As máquinas térmicas são dispositivos que permitem transformar calor em trabalho. Este calor 
pode ser obtido de diferentes fontes: combustão, energia eléctrica, energia atómica, etc. Este 
documento preocupa-se apenas com o caso em que o calor é obtido pela queima do combustível, 
isto é,energia química em trabalho mecânico. Em outras palavras isto quer dizer que o foco 
deste documento está nos Motores de Combustão Interna (MCI). 
O motor é toda a máquina destinada a converter qualquer forma de energia (térmica, eléctrica, 
hidráulica, etc.) em energia mecânica. No caso dos motores de combustão interna, há 
transformação de energia térmica (queima de combustível) em energia mecânica. 
De uma forma geral, os MCIs são aqueles em que o combustível ou o fluido de trabalho participa 
na actividade de combustão. Podendo ser eles alternativos ou rotativos dependendo do 
disposição e movimentação dos pistões. 
Existe uma vasta gama de classificação dos MCIs, porém neste documento, enfatizar-se-ão as 
classificações dos MCIs quanto a disposição dos cilindros assim como o combustível usado 
Quanto ao combustível os motores de combustão interna podem ser: 
 Motores a diesel: aqueles que operam com o ciclo Diesel, ou seja, aqueles que usam o 
Diesel como combustível ou como fonte parcial de energia térmica 
 Motores a gasolina: aqueles que operam com o ciclo Otto, ou seja, aqueles que usam a 
gasolina como fonte parcela de energia térmica. 
 Motores a gás: aqueles que operam com o ciclo de Brayton ou de Miller, ou seja, aqueles 
que usam o Gás Natural Liquefeito (GNL) ou Gás Natural Comprimido (GNC), ou 
ainda Gás Natural Veicular (GNV) para a obtenção de energia térmica. 
Quanto a disposição de cilindros os MCIs podem ser de: arranjo V, arranjo L, arranjo W, arranjo 
em linha. 
Apesar da diversidade dos motores de combustão interna, este documento, focar-se-á nos 
motores de combustão interna alternativos a gás de arranho dos pistões em V, mas 
especificamente o Motor GLN SGE – 42HM. 
8 
 
Capítulo 1: Fundamentação teórica sobre os motores GNL/GNC/GNV 
É cada vez mais comum encontrar veículos com motores a gás em todo o mundo, e eles 
ganharam popularidade como uma alternativa menos poluente em comparação aos motores a 
diesel ou a gasolina. Para entender o que faz os veículos com motores a gás serem especiais, é 
importante saber como eles são constituídos e como eles funcionam. 
Constituição dos motores GLN/GNV/GNC 
Os motores a gás têm a mesma constituição com os demais motores como de gasolina, diesel, 
álcool e mais. Um detalhe nos motores a gás centra-se nos elementos de fluxo de combustível 
que apresentam tolerâncias menores comparando com os motores a combustível líquido. Outro 
detalhe centra-se nas propriedades dos materiais das tubulações e filtros que os constituem. De 
uma forma gera os motores a GNL tem a seguinte constituição 
Elementos estacionários Elementos Moveis incorporados 
 O bloco  As Bielas; 
 A polia e anti-vibrador; 
 A bomba de óleo; 
 A bomba de água; 
 A árvore de manivelas. 
 Os pistões e anéis de segmentos […]. 
 A cabeça  As Válvulas; 
 O eixo comando de válvulas; 
 O conjunto de accionamento das 
válvulas; 
 As velas de ignição e incandescentes; 
 A tampa de válvulas […]. 
 O Cárter  O orifício de dreno 
 A vareta visualizadora de nível de óleo 
 O Colector de Admissão 
 O Colector de Escape 
 O carburador; 
 O tubo de escape e o silenciador […]. 
Tabela 1: Componentes de um motor a gás (Fonte: O autor) 
 
Figura 1: Componentes estacionários
Figura 2: Componentes 
 
 
 
estacionários os motores de combustão interna (Fonte: Santos & Verelha, 2010)
 
Figura 2: Componentes móveis dos motores a gás (Fonte: Santos & Verelha, 2010)
9 
 
(Fonte: Santos & Verelha, 2010) 
 
dos motores a gás (Fonte: Santos & Verelha, 2010) 
 
Figura 3: Componentes Figura 3: Componentes móveis dos motores a gás (Fonte: Santos & Verelha, 2010
10 
 
dos motores a gás (Fonte: Santos & Verelha, 2010)
11 
 
Operação de motores a gás 
Um veículo com motor a gás funciona, como os motores a gasolina e diesel, com um processo de 
combustão interna. Ele usa gás natural comprimido ou veicular (GNC ou GNV) ou gás de 
petróleo liquefeito (GNL) como fonte de energia, em vez de um combustível líquido, como 
gasolina ou diesel. Esse gás natural comprimido queima dentro dos cilindros do motor, mas 
também pode funcionar sem problemas com gasolina ou diesel. No caso do GNL, o gás é uma 
mistura de propano (C3H8) e butano (C4H10), enquanto no caso do GNV ou GNC o gás é o 
metano (CH4). Normalmente, os motores a gás GNC são usados em veículos pequenos e Vans, 
enquanto o gás natural liquefeito é reservado para caminhões, navios, reboques e mais. 
A longo prazo, os motores que usam gás natural têm uma vida útil mais longa e maior taxa de 
retorno por quilómetro, o que os torna uma opção mais barata que o uso de gasolina ou diesel. 
Quanto aos ciclos de trabalho, os motores a gás tem os mesmos dos motores a combustível 
líquido: Admissão, Compressão, Combustão, Exaustão. 
 
1. Admissão 
À medida que o pistão move-se do Ponto Morto Superior (PMS) para o Ponto Morto Interior 
(PMI), a válvula de admissão abre se e a mistura de ar e gás liquefeito vaporizada é aspirada 
para o interior do cilindro. A árvore de manivelas realiza meia volta (180°). 
2. Compressão 
A seguir, a válvula de admissão fecha-se. À medida que o pistão desloca-se para o PMS, 
comprime a mistura de combustível e ar. A árvore de manivelas faz outra meia volta, 
completando a primeira volta completa (360°). 
3. Combustão/Expansão 
Pouco antes de o pistão atingir o PMS, o sistema de ignição transmite corrente eléctrica à vela, 
fazendo saltar uma centelha entre os eléctrodos desta, que inflama a mistura fortemente 
comprimida. Os gases em expansão, resultantes da combustão, forçam o pistão do PMS para o 
PMI. A árvore de manivelas efectua outra meia volta (540°). 
4. Exaustão 
Depois da queima da mistura e expansão dos gases, a válvula de escape se abre. Os gases 
queimados são forçados para fora do cilindro, quando o pistão se movimenta do PMI para o 
 
PMS. A árvore de manivelas executa outra meia
(720°). 
A figura abaixo resume os quatro tempos dos motores de 
combustível usado. 
Figura 4: Princípio de funcionamento do motor de 
Motores a gás vs motores a gasolina ou di
Existem diferenças importantes entre os motores a gás e os motores a gasolina ou diesel: 
1. Os ciclos de reacção 
combustão interna de combustível líquido
um ciclo de partida (
último (o combustível)
combustíveis líquidos devem ser 
combustão. 
2. Os motores a gás precisam de energia externa para produzir a 
normalmente é realizada por uma vela de ignição, enquanto nos motores a diesel a 
mistura é inflama devido à pressão e às temperaturas na câmara de combust
lado, a ignição da vela de ignição é geralmente muito mais rápida do que nos motores a 
gasolina e é produzida com um volume constante.
PMS. A árvore de manivelas executa outra meia-volta, completando a segunda volta completa
A figura abaixo resume os quatro tempos dos motores de combustão independentemente do 
de funcionamento do motor de combustão interna (Fonte: Santos & Verelha, 2010
motores a gasolina ou diesel 
Existem diferenças importantes entre os motores a gás e os motores a gasolina ou diesel: 
 são mais curtos nos motores a gás, pois, para que um motor de 
de combustível líquido inicie seu ciclo de partida, é necess
um ciclo de partida (mistura entre ar e combustível). No caso de motores a gás, este 
(o combustível) já está misturado quando chega aos cilindros, enquanto os 
combustíveis líquidos devem ser injectados anteriormente sob pressão na câmara 
motores a gás precisam de energia externa para produzir a reacção
normalmente é realizada por uma vela de ignição, enquanto nos motores a diesel a 
inflama devido à pressão e às temperaturas na câmara de combust
lado, a ignição da vela de ignição é geralmente muito mais rápida do que nos motores a 
gasolina e é produzida com um volume constante. 
12 
volta, completando a segunda volta completa 
independentemente do 
 
Fonte: Santos & Verelha, 2010) 
Existem diferençasimportantes entre os motores a gás e os motores a gasolina ou diesel: 
são mais curtos nos motores a gás, pois, para que um motor de 
inicie seu ciclo de partida, é necessário criar 
. No caso de motores a gás, este 
já está misturado quando chega aos cilindros, enquanto os 
anteriormente sob pressão na câmara de 
reacção de combustão, que 
normalmente é realizada por uma vela de ignição, enquanto nos motores a diesel a 
inflama devido à pressão e às temperaturas na câmara de combustão. Por outro 
lado, a ignição da vela de ignição é geralmente muito mais rápida do que nos motores a 
13 
 
Motor GNL SGE-42HM 
O motor GNL SGE-42HM é o motor que constitui o objectivo de estudo mo presente 
documento. O motor GNL SGE-42HM é um motor de combustão interna alternativo, com 
arranjo dos pistões em V e que usa o gás natura liquefeito como reservatório térmico (fonte de 
energia térmica). Este motor é composto por 12 pistões dispostos seis a seis em forma de V, ou 
tecnicamente V12. Possui dois eixos de comando de válvulas e as válvulas são válvulas são 
accionados pelo conjunto de balancins, tuchos e varetas, ou tecnicamente o motor e DOHV. 
A referência do motor (GNL SGE-42HM) significa: 
 GNL – significa que o combustível usado é gás natura liquefeito 
 SGE – Gas Engines Serial (Serie de Motores a Gás) 
 42HM – Modelo do motor 
A série de motores HM já foi comprovada pela SAE e outras entidades de normalização e 
oferece um design robusto com o ciclo de Miller. Esta é a primeira referência do mecanismo do 
modelo 42HM lançado recentemente. É uma solução compacta e económica para geração de 
energia e processos de cogeração. 
Características principais do motor SGE-42HM 
Sistema de controlo 
 O motor é proprietário e é totalmente integrado com um sistema de controlo para 
optimizar o desempenho e o seu diagnóstico. 
Sistemas de admissão e escape 
O motor SGE-42HM conta com: 
 Um turbocompressor de alta eficiência; 
 Sistema de refrigeração por água; 
 Dois estágios, com motor integrado; 
 Um refrigerador de carga; 
 Dois colectores de admissão fora do motor; 
 Colectores de escape secos, dentro do motor; 
Sistema de combustão 
 Duas árvores de comando de válvulas (i.e. o motor é DOHV); 
 Opera com o ciclo Miller; 
14 
 
 Cabeça de cilindro projectada para atingir a eficiência volumétrica máxima com assentos 
de válvula de escape refrigerados a água; 
 Velas de ignição de pré-câmara. 
Sistema de lubrificação 
 O / C no circuito HT ou LT 
 Bomba de óleo interna 
 Filtro de óleo centrífugo para aplicações W2P 
Sistema de arrefecimento 
 Este motor possui dois sistemas de arrefecimento, sendo um principal que usa um 
radiador e um auxiliar que usa um intercooler de dois estádios que resfria o ar 
comprimido pelo motor. 
Trem de força 
 Pistões de alta rotação optimizados para alta eficiência; 
 Anéis projectados para óleo optimizado consumo. 
 
Aplicabilidades do motor SGE-42HM 
O motor SGE-42HM pode ser aplicado: 
 Na geração de corrente eléctrica; 
 Para mover navios 
 Para mover camiões (ex. camiões da SCANIA) 
 
Referências do produto para casos de compra 
 Sokołowie Podlaskim – Polónia - Este fornece dois grupos geradores SGE-42HM com 
Potência de saída de 2 MW 
 LouwSon Energy Rússia – fornece geradores da serie SGE-42HM 
E salientar que este motor é fabricado pelo conglomerado industrial Alemão SIEMENS, sendo 
assim este motor pode ser directamente adquirido na fabrica. 
 Estes motores também são caracterizados por apresentar baixo impacto ambiental 
Na página que segue, estão algumas imagens deste motor em diversas aplicações. 
 
 
 
Figura 5: Características principais do motor SGE 
Figura 6: Motor SGE – 42HM em varias aplicações
+42HM&client=opera&hs=an6&so
CzwQ_AUIESgB#imgrc=Ek17aAy7ceoVdM
Figura 5: Características principais do motor SGE – 42HM 
42HM em varias aplicações (Fonte: https://www.google.com/search?q=Motor+SGE+
+42HM&client=opera&hs=an6&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjGmZDei4XlAhUCnVwKHUbQ
CzwQ_AUIESgB#imgrc=Ek17aAy7ceoVdM:) 
15 
 
 
https://www.google.com/search?q=Motor+SGE+-
urce=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjGmZDei4XlAhUCnVwKHUbQ
 
Capítulo 2: Balanço energético do motor GNL SGE 
O Balanço energético de um motor de 
cambiar o quanto de energia
trabalho mecânico subtraindo tod
refrigeração, por lubrificação 
Figura 7: Representação das entradas e perdas térmicas no MCI geral (
Neste documento não se considerará
lubrificação, ou seja, a análise
no escapamento. Para tal dados técnicos do motor SGE 
De acordo com o Catálogo (SGE
– 42HM tem as características técnicas
Parâmetro técnico 
Número de pistões 
Número de anéis por pistão 
Dimensões do motor 
Capítulo 2: Balanço energético do motor GNL SGE 
energético de um motor de combustão interna (MCI) é uma tarefa técnica 
energia térmica produzida pelo combustível resta para a 
subtraindo todos os calores perdidos por radiação, por escapamento, por 
 e mais. Em suma, esta análise baseia se no esquema abaixo: 
das entradas e perdas térmicas no MCI geral (Fonte: Martyr &
considerará a energia térmica perdida por 
análise será feita apenas subtraindo os calores perdidos na 
no escapamento. Para tal dados técnicos do motor SGE – 42HM são necessários para a tarefa
SGE-H series gas engines and gen-sets natural gas
características técnicas mostradas na tabela das páginas seguintes.
Valor numérico ou descrição 
12 
3 
1.937 ×1,497×1,289 
16 
Capítulo 2: Balanço energético do motor GNL SGE – 42HM 
é uma tarefa técnica que visa 
resta para a realização do 
, por escapamento, por 
baseia se no esquema abaixo: 
 
Martyr & Plint, 1990. p. 363) 
erdida por radiação nem por 
perdidos na refrigeração e 
42HM são necessários para a tarefa. 
sets natural gas), o motor SGE 
radas na tabela das páginas seguintes. 
 Unidade 
-- 
-- 
m 
17 
 
Cilindrada total 42,2 Litros 
Diâmetro do pistão 160 mm 
Curso do pistão 175 mm 
Número de válvulas de admissão 24 -- 
Arranjo dos cilindros V -- 
Número de válvulas de exaustão 12 -- 
Combustível GNV - Metano (���� = 0,656 ) -- 
Ignição Centelha -- 
Sistema de injecção Directa -- 
Razão de compressão 11.9:1 -- 
Sistema de arrefecimento Por água --- 
Estágios do intercooler Dois -- 
Tipo de colector de escape Seco -- 
Ordem de disparo 1b 1a, 5b 5a, 3b 3a, 6a 6b, 2b 2a, 4a 4b -- 
Trem de válvulas DOHV -- 
Frequência 1500 à 1800 RPM 
Vazão mássica do ar de combustão 4840 (1800RPM) ou 4980 (1500RPM) kg/h 
Velocidade média do pistão 10,5 (1800RPM) ou 8,8 (1500RPM) m/s 
Fluxo empacotado de ar de ventilação 72800 m3/h 
Capacidade do liquido de arrefecimento 
do motor (Circuito principal) 
240 Litros 
 
Capacidade do liquido de arrefecimento 
do motor (Circuito auxiliar) 
75 Litros 
Capacidade do óleo lubrificante 403 Litros 
Consumo do óleo lubrificante 0.15 g/kWh 
Calor da água do revestimento 586 kW 
Calor da água do intercooler 60 kW 
Calor de exaustão - resfriado a 120 ° C 538 kW 
Calor por radiação do motor 70 kW 
Consumo de combustível 9.1 litros/h 
18 
 
Temperatura máxima da água do 
revestimento 
90 ° C 
Temperatura mínima da água de 
revestimento 
41 (1800 RPM) ou 57 (1500 RPM) ° C 
Vazão máxima da água do radiador 70 m3/h 
Temperatura do liquido refrigerante do 
intercooler 
55 ° C 
Vazão mínima do liquido refrigerante do 
intercooler 
25 (1800 RPM) ou 20 (1500 RPM) m3/h 
Vazão máxima do liquido refrigerante 
do intercooler 
30 m3/h 
Temperatura de exaustão dos gases 455 (1800 RPM) ou 422 (1500 RPM) ° C 
Temperatura de escoamento dos gases 510 - 523 ° C 
Diâmetro de entrada do ar 84.2 mm 
Vazão massica dos gases de exaustão 5020 (1800 RPM) ou 4940 (1500 RPM) kg/h 
Contra-pressão de exaustão 45 mbar 
Perda máxima de pressão na frente do 
filtro de ar 
5 mbar 
Faixa de pressão do combustível 0.73-3.48- (50 - 240) 
Capacidade necessária para a bateria departidas 24 V 
280 A.h 
Tabela 2: Características técnicas do motor SGE – 42HM (Adaptado o catalogo da SIEMENS) 
No que refere às temperaturas de entrada do ar, do combustível e da água no radiador assim 
como no intercooler, escrituras auxiliares referentes a esses motores afirmam que estas são muito 
próximas à temperatura do ambiente em que este está operando. Todavia, o motor SGE – 42HM 
foi projectado para operar em locais de baixa temperatura ambiente (Alemanha, Rússia…) 
devido à imflamabilidade do gás. Sendo assim assume-se que as temperaturas supracitadas 
variam de 1°C a 5°C. Como se sabe, as temperaturas dos países mencionados acima são muito 
baixas chegando de atingir valores negativos, sendo assim, a faixa das temperaturas de entrada 
do ar, agua e do gás natural veicular está relacionada com o aumento da temperatura devida ao 
19 
 
movimento das moléculas destes fluidos quando são seccionados dos seus reservatórios e 
também porque estes (água e combustível) encontram-se em locais fechados. 
Com estes dados, pode-se fazer o balanço energético deste motor da seguinte forma: 
Cálculo da vazão mássica do combustível (�̇���) 
Dados 
���� = 0.8 ��/�
� 
�̇ = 9.1 ���/ℎ (Catálogo) 
�̇ = 0.025277 ��/� 
Cálculo 
�̇��� = ���� ∗ �̇ 
�̇��� = 0.8 ∗ 0.025277 
�̇��� = �. ������ ��/� 
�̇ - Vazão volúmica do combustível 
Cálculo do calor libertado pelo combustível (�̇���) 
Dados 
�̇��� = 0.0728 ��/� 
������ = 9631 ����/�
� 
������ = 12038.75 ����/�� 
Cálculo 
 �̇��� = �̇��� ∗ ������ 
�̇��� = 0.020222 ∗ 12038.75 ∗ 4.2 
�̇��� = ����. � �� 
PCI – Poder Calorífico Interior 
Cálculo da vazão de ar admitido no motor (�̇��) 
Dados 
��� = 992.2 ��/�
�; � = 9.81 �/�� 
��� = 1.184 ��/�
� e ℎ = 1.289 � 
h = 1.289 m 
Cálculo 
 O catálogo já fornece a vazão de entrada do ar 
de ���� ��/� que equivale a �. ��� ��/� 
Com essa vazão � = �� �� 
h – altura do motor, �á��� - massa especifica da água e d – diâmetro do colector de ar 
Cálculo da vazão dos gases (�̇�����) 
Dados 
�̇��� = 7.28
��
�
= 2.022� − 3 ��/� 
�̇�� = 1.344 ��/� 
Cálculo 
�̇����� = �̇�� + �̇��� 
 �̇����� = 1.346 ��/� 
 
 
20 
 
Cálculo do calore específico para o cálculo da perda de calor nos gases de escape (��) 
Dados 
 �� = +1.0189134 ∗ 10
� 
�� = −1.3783636 ∗ 10
�� 
�� = +1.8943397 ∗ 10
�� 
�� = +4.2399242 ∗ 10
�� 
�� = −3.7634489 ∗ 10
��� 
����������� = 522 °� = 795.15 � 
��� = −3,5949415 � + 02 
��� = +4,5163996 � + 00 
��� = +2,8116360 � − 03 
��� = −2,1708731 � − 05 
��� = +2.8688783 � − 08 
��� = −1.2226336 � − 11 
 
 
Cálculo 
 Para o ar seco 
���� = �� + �� ∗ � + �� ∗ �
� + �� ∗ �
� + �� ∗ �
� 
Substituindo, 
���� = ����. � �/��. � 
 Para os produtos da combustão 
���,� = ��� + ��� ∗ � + ��� ∗ �
� + ��� ∗ �
� +
��� ∗ �
� + ��� ∗ �
� . Substituindo, 
���,� = 1677.7 �/��. � 
� =
�̇���
�̇��
 ∴ � = 1.5044� − 3 
�� = ���� +
� ∗ ���,�
1 + �
 
Substituindo, 
�� = ����. ��� �/��. � 
f - relação das vazões mássicas do GNV e do ar 
Cálculo do calor perdido pelos gases de escapamento exaustão (�̇�����) 
Dados 
�� = 1094.320 �/��. � 
��������� = −10 °� = 263.15� 
�������ã� = 422 °� = 695.15� 
�̇����� = 1.346 ��/� 
Cálculo 
�̇����� = �̇����� ∗ �� ∗ (�������ã� − ���������) 
Substituindo, 
�̇����� = ���. �� �� 
21 
 
Cálculo dos calores específicos para o cálculo da perda de calor nos pelo radiador (�̇á���) 
Dados 
 A vazão volúmica da água do radiador já 
foi dada no catálogo sendo de �� ��/� 
Convertendo para vazão mássica, 
�̇á��� = ���� ∗ �̇á��� 
Substituindo, 
�̇á��� = ��. ���� ��/� 
A temperatura de saída da água é de 
aproximadamente �� °� = ���. ��� 
A temperatura de entrada da agua é de 
aproximadamente �°� = ���. ��� 
Cálculo 
 �� = �� + �� ∗ � + �� ∗ �
� + �� ∗ �
� , Onde: 
�� = 92.053; 
�� = −3.9953� − 2 ; 
�� = −2.1103� − 4 ; 
�� = 5.3469� − 7 
Substituindo, 
�� = 75.320 �/��. � 
�̇á��� = �̇á��� ∗ �� ∗ (���í�� − ��������) 
Substituindo, 
�̇á��� = ���. �� �� 
 
Balanço energético ou calor aproveitado pelo motor (����) 
Dados 
 �̇����� = 636.3 kW 
�̇���� = 123.51 �� 
�̇��� = 1022.5 �� 
Cálculo 
 ���� = �̇��� − �̇����� − �̇���� 
Substituindo, 
���� = ���. �� �� 
 
O rendimento energético fica: Ƞ
��������
=
����
�̇���
 ∴ Ƞ
��������
= ��. �% 
Isso quer dizer que apenas 25.6 da energia térmica do GNV é aproveitada pelo motor 
 
 
 
 
 
22 
 
Capítulo 3: Balanço exergético do motor SGE – 42HM 
O termo exergia é definido como sendo o máximo trabalho que pode ser obtido a partir de uma 
forma de energia, para tal, parâmetros ambientais como o estado de referência (estado morto) são 
utilizados. 
Desta forma, a exergia pode ser estabelecida como o padrão mais adequado para avaliação da 
variação da qualidade da energia na análise de sistemas térmicos. A parte de qualquer forma de 
energia que pode ser convertida em trabalho de eixo é denominada energia disponível. A exergia 
significa esta energia disponível. As leis da Termodinâmica são então reduzidas a uma discrição 
simples: a soma de exergia e energia permanecem constantes em todo processo. Processos 
naturais convertem exergia em energia, e é somente para processos reversíveis que exergia é uma 
propriedade conservada. 
A seguir estão calculados todos os parâmetros do balanço exergético do motor seleccionado. 
Exergia associada ao calor do combustível (�����) 
Este parâmetro já foi calculado no item 2 do balanço energético, sendo ele de 1022.5 kW. 
Cálculo da exergia associada ao fluxo de massa do ar de entrada (�����) 
����� = �̇��[ℎ − ℎ� − ��(� − ��), ���� 
 h0 = entropia na T0 e p0 em [kJ/kg] 
 T0 = Temperatura de entrada do ar no motor (5°C na Alemanha) 
 S0 = entalpia na T0 e p0 em [kJ/kg K] 
 h = entalpia na temperatura de exaustão [kJ/kg] 
 s = entropia na temperatura de exaustão [kJ/kg.K] 
Tendo em conta que a temperatura de entrada de ar no motor é de aproximadamente 5°C (na 
Alemanha) que equivale a 278.15K, pode se recorrer à tabela de propriedades termodinâmicas do 
ar para encontrar as entalpias (h) e entropias (s) correspondentes a essa temperatura. Todavia, a 
tabela em uso não apresenta exactamente os dados necessários na temperatura de referência, mas 
apresenta os dados para as temperaturas adjacentes a esta (270K e 280K). Sendo assim uma 
pequena interpolação pode resolver o problema para obtermos os dados na temperatura exacta, 
isto é, para a temperatura de 270 K a � = ���. �� ��/�� e � = �. ����� ��/��. �. Para a 
23 
 
temperatura de 280 K � = ���. �� ��/�� e � = �. ����� ��/��. � . Sendo assim para 
encontrar a entalpia na temperatura de 278.15 faz-se a seguinte matriz: 
�� = �
270 270.11 1
278.15 ℎ 1
280 280.13 1
� 
Anulando o determinante da matriz H pelo métodos de Sarrus teremos: 
�
270 270.11 1
278.15 ℎ� 1
280 280.13 1
� = 0 ∴ |��| = �
270 270.11 1 
278.15 ℎ� 1 
280 280.13 1
 
270 270.11
278.15 ℎ�
280 280.13
� 
270ℎ� + 153548.9595 = 280ℎ� + 150766.1965 ∴ �� = ���. ���� ��/�� 
O mesmo far-se-á para a entropia, isto é. 
�� = �
270 1.59634 1
278.15 �� 1
280 1.63279 1
� ∴ |��| = �
270 1.59634 1
278.15 �� 1
280 1.63279 1
 
270 1.596341
278.15 ��
280 1.63279
� 
270�� + 884.8755492 = 280�� + 901.13157385 ∴ �� = �. ����� ��/��. � 
Para a temperatura de exaustao de 695.15� teremos, as temperaturas adjacentes são 690K e 
700K. Com o mesmo processo de interpolação linear teremos: 
� = �
690 702.52 1
695.15 ℎ 1
700 713.27 1
� ∴ |�| = �
690 702.52 1
695.15 ℎ 1
700 713.27 1
 
690 702.52
695.155 ℎ
700 713.27
� 
690ℎ + 491764 + 495829.6405 = 700ℎ + 492156.3 + 488356.778 ∴ � = ���. �� ��/�� 
O mesmo far-se-á para a entropia, ou seja, 
� = �
690 2.55371 1
695.15 � 1
700 2.57277 1
� ∴ |�| = �
690 2.55371 1
695.15 � 1
700 2.57277 1
 
690 2.55371
695.155 �
700 2.57277
� 
690ℎ + 1787.5+ 1788.46 = 700ℎ + 1775.21 + 1775.11 ∴ � = �. ����� ��/��. � 
Com estes dados, a exergia associada ao fluxo de massa do ar de entrada fica: 
����� = 1.344 [708.05 − 278.2763 − 278.15(2.56353 − 1.62602 ) ∴ ����� = ���. � �� 
24 
 
Cálculo da exergia associada ao fluxo de massa da água de entrada (������ ��) 
������ �� = �̇�� ���[ℎ − ℎ� − ��� ���(� − ��) 
Sabendo que as temperaturas de entrada e de saida da água no motor seleccionado são de 5°C e 
90°C respectivamente, a partir da tabela das propriedades termodinamicas da agua pode-se 
encontrar a entropia e a entalpia referente a essas temperaturatemperaturas, ou seja, 
Temperatura [°C] Entalpia [kJ/kg] Entropia [kJ/kg.K] 
5 20.98 0.0761 
90 376.90 1.1924 
Tabela 3: Dados termodinâmicos nas temperaturas de entrada e saída da água (Fonte: O autor) 
Com esses dados, e sabendo que a vazão de entrada da agua no radiador é de 70 m3/h que 
equivale a 19.2927 kg/s, a exergia associada ao fluxo de agua de entrada fica: 
������ �� = 19.2927[376.90 − 20.98 − 278.15(1.1924 − 0.0761) 
������ �� = ���. � �� 
Cálculo da exergia associada ao fluxo de massa da água de saída (������ ���) 
������ ��� = �̇��� ���[ℎ − ℎ� − ���� ���(� − ��) 
Tendo em conta que a vazao de saida da agua no radiaor é de �. ��� ��/� , a temperatura de 
saida da agua é de 278.15K e recorrendo aos dados da tabela 3, a exergia associada so fluxo de 
massa da agua de saida fica: 
������ ��� = 6.8902[376.90 − 20.98 − 278.15(1.1924 − 0.0761) 
 ������ ��� = ���. �� �� 
Exergia associada ao fluxo de massa dos gases de escapamento (�������� ���) 
�������� ��� = �̇�����[ℎ − ℎ� − ���� ���(� − ��) 
�������� ��� = 1.346[ℎ − ℎ� − ���� ���(� − ��) 
Sabendo que o produto da combustao é o dioxido carbono (CO2) e a água em estado de vapor 
saturado, ou seja, o no escapamento sai o CO2 + H2O, logo as entalpias e as entropias para o 
25 
 
calculo da exergia assiciada ao fluxo mássico dos gases de escapamento podem ser encontradas 
a pertir da tabela de propriedades termodinâmicas do dióxido de carbono (CO2) ou da água 
(H2O). Neste caso utilizaremos a água em vapor uma ves eu sai em forma gasosa. 
Com isso, 
�������� ��� = 1.346[376.90 − 20.98 − 278.15(1.1924 − 0.0761) 
�������� ��� = ��. � �� 
Com todas as exergias já calculadas, a eficiência exergética do motor seleccionado fica: 
Ƞ
��������
=
∑ �������� − ∑ ������
∑ ��������
 ∴ Ƞ
��������
=
(227.1 + 876.3) − (312.96 + 61.2)
(227.1 + 876.3)
 
Ƞ
��������
= ��. ��% 
Tabela de dados consultados 
Grandeza Valor Unidade 
h0 da agua (25 C) 104.87 kJ/kg 
h da água de entrada (5C) 20.98 kJ/kg 
h da água de saída (90C) 376.90 kJ/kg 
s0 da agua (25 C) 0.3673 kJ/kg K 
s da água de entrada (5C) 0.0761 kJ/kg K 
s da água de saída(90C) 1.1924 kJ/kg K 
PCI do GNV 12038.75 kcal/kg 
Tabela 4: Dados consutados em tabelas termodinâmicas (Fonte: O autor) 
 
 
 
 
26 
 
 
Tabelas de dados calculados 
Grandeza Valor Unidade 
mGNV 0.0728 kg/s 
QGNV 1022.5 kW 
mar 1.344 kg/s 
mgases 1.346 kg/s 
 Qgases 636.32 kW 
Qágua 123.51 kW 
Exf-a.e(água de entrada) 876.3 kW 
Exf-a.s(água desaída) 312.96 kW 
Exf-ar 227.1 kW 
Exf-gases 61.2 kW 
ExGNV 1022.5 kW 
Tabela 5: Dados calculados no trabalho (Fonte: O autor) 
Plano de manutencao do motor SGE – 42HM 
Nos primeiros 1500 quilómetros após a instalação do motor GNV, levar o veículo para revisão 
com o cilindro de gás Natural veicular, acima da metade de sua capacidade de armazenagem, e 
deverá ser revisado: 
 Revisão dos componentes do sistema; 
 Inspecção do filtro de ar; 
 Inspecção das velas de ignição; 
 Inspecção das conexões eléctricas; 
 Revisão e reaperto das demais conexões; 
 Revisão e reaperto das braçadeiras das tubulações; 
 Reaperto das cintas de fixação do cilindro; 
 Verificação de vazamentos de gás no sistema; 
 Reajuste de carburação e regulagem (se necessário); 
27 
 
 Inspecção visual externa do cilindro de gás Natural Veicular (GNV) 
 Com 10000 quilómetros após a instalação do motor GNV verificar: 
 Trocar filtro de ar; 
 Verificar estado das velas de ignição, trocando se for necessário; 
 Fazer um exame cuidadoso para verificar a existência de vazamentos, junto a conexões, e 
reapertá-las ou substituí-las; 
 Verificar a emissão de gases de combustão de seu motor, e ajustar a carburação e 
regulagem, se necessário; 
 Verificar o desempenho do motor, especialmente o consumo de combustível; 
 Reaperto das cintas de fixação do cilindro; 
 Inspecção visual externa do cilindro de gás Natural Veicular (GNV) 
Com 20000 quilómetros após a instalação do sistema do motor GNV verificar: 
 Rever todos os itens verificados na revisão dos 10000 quilómetros; 
 Verificar o filtro regulador de pressão de gás e substitui-lo se for necessário; 
 Substituir as juntas dos componentes. 
Com 40000 quilómetros após a instalação do motor GNV verificar: 
 Rever todos os itens verificados na revisão dos 20000 quilómetros; 
 Verificar os cabos de velas e substitui-los se for necessário; 
Com 60000 quilómetros após a instalação do motor GNV verificar: 
 Rever todos os itens verificados na revisão dos 40000 quilómetros; 
 Inspeccionar o regulador de pressão de gás e substitui-lo se for necessário; 
 Inspeccionar a válvula de abastecimento e substituí-la se necessárias 
Manutenção preventiva dos componentes do motor GNV (Gás Natural Veicular) 
 Manter em perfeitas condições o sistema de ignição velas e cabos; 
 O filtro de ar, estando sujo, não permite a passagem do ar, a mistura não será adequada, 
gerando maior consumo, causando problemas no funcionamento; 
28 
 
 O radiador como todo o sistema de circulação de água, deve estar sempre limpos, utilizar 
sempre água adictivada (anticorrosivo); 
 Manter sempre o tanque de combustível com pelo menos ¼ da capacidade de tanque 
preenchido, pois isto permitirá alcançar um posto de abastecimento de GNV e também a 
refrigeração da bomba de combustível líquido, evitando-se a queima da mesma 
 Exija peças originais de reposição; 
 O desgaste é um processo natural e gradual, logo recomenda-se que sejam feitas 
manutenções preventivas nos componentes do sistema de GNV. 
Os seguintes procedimentos devem ser seguidos ao abastecer do sistema o motor: 
 Desligar o motor, lanternas, e todo o sistema elétrico; 
 Nenhuma pessoa deve permanecer no interior do veículo; 
 Não fume na área do posto de abastecimento; 
 Solicite o aterramento do veículo, antes e durante a operação de abastecimento; 
 O bico de abastecimento deve ser aberto lentamente nos primeiros segundos do 
abastecimento, até que ocorra a equalização da pressão, sem golpesa Após a equalização, 
a abertura deve ser total; 
 Não utilize celular enquanto estiver no posto de abastecimentoa 
 
 
 
 
 
 
 
 
29 
 
Conclusão 
Findo o trabalho, pode se concluir que o motor SGE -42HM aproveita 25.6% do calor fornecido 
pelo gás veicular para a realização do trabalho em termos energéticos e 66.09% em termos 
exergéticos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
30 
 
Bibliografias consultadas 
Boles, M.A & Çengel, Y.A. (2011). Termodinâmica. (7ª.ed). McGRAW Editora. 
Colucci, C.C & Savi, A.A. (2010). Termodinâmica. Maringá: Eduem Editora. 
Martyr, A. & Plint, M. (1999). Engine Testing: theory and Practice. 2nd. ed. Oxford: 
Butterworth-Heinemann, 2001, c. 363 p. 
Santos, G.S. & Verelhaa, C.A.A. (2010). Noções básicas de motores diesel. Rio de Janeiro: 
UFRRJ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
31