Motores de Combustao Interna - Franco Brunetti - Vol 1-páginas-60-62

Prévia do material em texto

116
	
Motores de Combustão Interna
Entretanto, se o ciclo Diesel padrão ar pretende representar teoricamente
o ciclo dos motores Diesel, ele corresponderá sempre a uma taxa de compres-
são mais elevada que a dos ciclos Otto, compensando a presença do termo
entre colchetes da equação 2.42. A Figura 2.35 mostra mais claramente essa
afirmação, incluindo o ciclo Misto ou Sabathé que será discutido no item 2.3.5.
71t 70
MIF
117Ciclos
65
60
55
50
Figura 2.36- Diagramas pv e Ts do ciclo Misto.
45
40
35
4
	
6
	
8
	
10
	
12
	
14
	
16
	
18
	
20
	
22
Figura 2.35 -Verificação qualitativa da compensação do rendimento (ou eficiência)
térmico(a) devida à maior taxa de compressão. [G]
2.3.5 Ciclo Misto ou de 5abathé
Na prática, nem o MIF funciona com combustão isocórica, nem o motor de
ignição espontânea funciona com combustão isobárica. Nos dois ciclos indi-
cados, pode-se observar uma subida rápida da pressão no início da combustão
(que poderia ser representada por uma isocórica) e em seguida um pequeno
patamar (que poderia ser representado por uma isobárica).
O ciclo Misto (ou Sabathé) leva em conta essas características e, dosando-
-se o calor fornecido isocoricamente (Q;) e o calor fornecido isobaricamente
(Q','), pode-se chegar a resultados teóricos mais próximos das condições reais
observadas na prática. A Figura 2.36 mostra os diagramas p-V e T-s de um ciclo
Misto.
Neste caso, o calor é fornecido em duas etapas.
Por uma dedução semelhante às anteriores, a expressão da eficiência tér-
mica do ciclo Misto ficará:
k1,3
1	 P2` v2)
-1
1,=1-
--i çp3
-1 +kp3(V2A _1
\ P2	)
	
P2 ` v2
	
/
Se no ciclo Misto for adotado p3A = p3, ele se transforma num ciclo Otto e
a equação 2.41 coincide com a eficiência térmica desse ciclo. Se p2 = p3 obtém-se
'um ciclo Diesel e a equação 2.41 coincide com a eficiência térmica desse ciclo,
já que nesse caso o calor é fornecido apenas isobaricamente.
EXEMPLO 2:
O ciclo real de um motor Diesel a 4T, de cilindrada 7.000 cm 3, a 2.400 rpm é
aproximado ao ciclo teórico representado na figura abaixo, na qual o retângulo
desenhado tem a mesma área do ciclo. A taxa de compressão é 17 e a eficiência
térmica é 0,597 quando 26,3% do calor é fornecido isocoricamente. Adota-se
que o fluido ativo tenha k = 1,35 e R = 240 J/kg.K. Determinar:
Eq. 2.41
118
	
Motores de Combustão Interna
	
Ciclos
	
119
0
O
o
o
a) Os valores de p, T e v nos principais pontos do ciclo;
b) A potência do ciclo;
c) O trabalho de expansão;
d) O. engenheiro achou a temperatura de escape muito elevada e quer
reduzi-la para 720°C, mantido o mesmo consumo de combustível.
Como fazer isto?
e) No caso do item c), qual a nova eficiência térmica?
Solução:
a) Ponto (1)
m3
P1 •v1 =R'T1
	
v —
PT = 0,096.106 =0,757 kg
r^
	
17
	
kg
k
Ri = ^'
=ri,
--> pz = 0,096 . 17 ' ' 35 =4,4 MPa
p, C vz
Tz=
p zvz = 4,4 . 106. 0,0445 =816K
R
	
240
Ponto (3)
Wc
Pm. _ — V
W _ 7,35
Q' _ r1T
	
0,597 — _ 12,31 kJ
Q¡=0,263 Q, = 0,263 . 12,31= 3,24 kJ
Q;'= Q, — Q '= 12,31—3,24=9,07 kJ
Pr ocesso isocórico : Q¡ =mC,(T3 —T2^ :
	
T3= Q' +Tz
mC,
Como já foi visto no exemplo resolvido para ciclo Otto : m =	 Va
7.000 . 10 -6portanto: m =
	
= 9,82 . 10 -3 kg
0,757—0,0445
Pela equação 2.8: C, =	 R =	 240 = 686 kJ
k—1 1,35—1
	
kg.K
3Logo: T3 —
9,82 . 10 3
,.10-3
.686 + 816 =1297 K
_ RT3 — 240-1297 -a
p3
	
v3
	
0,0445 '10=7 MPa
p (MPa)
(35 , - -,,(3 A')
(3):	 (3A)
(2)
1.038K
(4)
	 'r	 (1) 303K
Ponto (3A)
Pela equação 2.21, processo isobárico de gás perfeito : Q^ = mCp (T 3A — T3
Logo:
	
- - - ! +
mCP
Cp =kC, = 1,35 . 686= 926 J
kg.K
Ponto (2)
s
v
	
v, — 0,757 = 0,0445 m
Z —-
W^ = pmc . Va =1,05 . 106. 7.000 . 10-6 = 7.350 J = 7,35 kJ
1.05
0,096
v, - vz
(4') (993K= 720 °C)
;r
120
	
Motores de Combustão Interna
9, 07.103	 +1297=2294KEntão : T3A = 9,82.10.-3 .926
_ RT3A 240.2294 = 0 0786 m3
V3A
	
—
	P3A
	
7.106
	
kg
Ponto (4)
	
k
	
1,35
P4 _
II
I/
v3A
	
P4
= 7
	
= 0,329 MPa
P3A
—
\ v 4 /
	
(0,0786)
0,757
p4v4 — 0, 329 . 106. 0,757_ =1.038K = 765 °C
T R
	
240
b)
	
p meVdn - 1,05 . 106. 7.000 . 10-6 • 2.400 10_3 =-
	
Ne—
	
—
	x
	
2 . 60
	
=147kW •	 1	 = 200 CV
0,736
C) Wezp = W3,3A + W3A,4
(3A
W3.3A —j3 PdV = P(V3A —V3) =pm ( v3A —v3)
W3 3A = 7 . 106. 9, 82 . 10-3 • (0,0786 — 0,0445) = 2.344) = 2,344 kJ
O trabalho de (3A) a (4) em módulo é obtido pela Primeira Lei, lembrando
que nesse processo, por hipótese, o calor é nulo.
Portanto: W3A 4 = U3A — U4 = me, (T3A — T4) _
=9,82 • 10-3. 686 . (2.294—1.038)=8.461 J
Wexp = 2.344 + 8.461=10.805J .10,10,8 kJ
d) Se todo o calor fosse fornecido isocoricamente, isto é, se o ciclo fosse
Otto e não misto:
Q
	
12 31 . 10 3
Q, = mC„ (T3, — T2)
	
T3. =
	
- + Tz = 9, 82' 10 3.686 +816= 2 643 KmC,
k
	
x '35(0.0445v
T4, = T3. (—2. = 2.643 .1)
	= 980K = 707 °C
44 ) \0,757
Logo, a solução seria possível fornecendo quase todo o calor isocoricamen-
te e apenas uma pequena parcela isobaricamente.
Ciclos
	
121
O novo ponto (3A') pode ser obtido por tentativas a partir da temperatura
de escape desejada de 993 K.
e) Qz = mCv (T4,—T,)=9,82 . 10-3. 686•(993—303 =4.648J =— 4,65 kJ
=1— Q z
=1— 4'65 = 0,622 ou 62,2%
Q,
	
12,31
2.3.6 Ciclo Brayton (representativo do ciclo simples da turbina a gás)
O ciclo simples da turbina a gás é realizado utilizando três dispositivos. O com-
pressor (CP) cuja função é comprimir o ar para a câmara de combustão (CC),
onde um combustível é queimado continuamente com parte do ar admitido.
Os produtos são expandidos continuamente através da turbina (TB) produzindo
trabalho útil. A turbina e o compressor estão montados num eixo comum, de
tal forma que o trabalho necessário para a compressão do ar é obtido por uma
parte do trabalho produzido pela turbina (Figura 2.37).
Para efeito da construção do ciclo-padrão a ar representativo desses pro-
cessos, supõe-se que a compressão e a expansão sejam isoentrópica, que a
combustão seja isobárica e, para fechar o ciclo, admite-se a existência de mais
um processo (4)-(1), considerado isobárico, onde existiria a troca de calor num
trocador (TC) necessária para retornar ao estado inicial (Figura 2.38).
No dispositivo real o processo (4)-(1) não existe e é considerado apenas
para o estudo termodinâmico do ciclo, entretanto, num dispositivo mais com-
plexo é possível se imaginar os gases de escape passando por um trocador de
calor para aproveitar parte de sua energia.
combustível—►r
..diflidra úe
ar comprimido	 , Ièa^mbus̀tão (CC)
Figura 2.37- Representação esquemática da turbina a gás simples,
o