Desempenho de Motores a Pistão

Apresentação em tema: "Desempenho de Motores a Pistão"— Transcrição da apresentação:

1 Desempenho de Motores a Pistão
Modelo Algébrico para o Desempenho de um Motor Quatro Tempos de Ciclo Otto Engenharia Aeronáutica

2 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Descrição Geral do Modelo  O modelo algébrico permite calcular o desempenho de um motor quatro tempos com base em parâmetros dimensionais e condições de operação, introduzindo eficiências nos processos de admissão, combustão, expansão e escapamento;  Nos processos de compressão e exaustão admite-se que as razões de pressão estão correlacionadas com a razão de temperatura de acordo com eficiências isentrópicas;  No processo de combustão introduz-se uma eficiência de combustão para reduzir a quantidade de energia liberada;  Nos processos de admissão e exaustão introduz-se respectivas eficiências para simular perda de carga nesses processos;

3 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Parâmetros Geométricos de Entrada para o Modelo:  RC ~ razão de compressão [-]  VL ~ volume livre do cilindro [m3]  VD ~ volume deslocado do cilindro [m3]  n ~ número de cilindros [-]  N ~ rotação do motor [rpm]

4 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Parâmetros Termodinâmicos de Entrada para o Modelo:  T0 ~ temperatura de admissão [K];  P0 ~ pressão de admissão [Pa];  DHf ~ poder calorífico do combustível [J/kg];  R ~ constante do gás ideal [J/kg.K]  ec ~ eficiências isentrópicas de compressão (0.85 a 0.95);  eexp ~ eficiências isentrópicas de expansão (0.85 a 0.95);  hv ~ eficiência volumétrica de admissão (0.8 a 1.5);  hb ~ eficiência térmica de combustão (0.6 a 0.8);  hbo ~ eficiência térmica de exaustão (0.6 a 0.95);

5 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Parâmetros Termodinâmicos Calculados pelo Modelo:  temperaturas [K] e pressões [Pa] ao longo do ciclo;  massa de ar admitida pelo motor [kg];  calor liberado pela combustão [J/kg];  calor rejeitado no escapamento [J/kg];  trabalho de bombeamento da mistura [J/kg];  trabalho útil gerado no ciclo por unidade de massa [J/kg];  eficiência térmica do ciclo [-];

6 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Parâmetros de Desempenho Calculados pelo Modelo:  vazão mássica total no motor [kg/s];  consumo de combustível do motor [kg/s];  torque indicado gerado pelo motor [N.m];  potência indicada gerada pelo motor [kW];  consumo específico de combustível [kg/kW.h];  pressão média efetiva do motor [Pa];

7 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Correlações de Massa no Modelo Algébrico:  Mar ~ massa de ar admitida no cilindro [kg];  Mf ~ massa de combustível no cilindro [kg];  M ~ massa total da mistura ar-combustível [kg];  f ~ razão entre a massa de combustível e a massa total [kg]; obs.: a relação entre Mf e M depende da condição de operação do motor e do combustível utilizado; de uma forma simplificada, adota-se uma massa de combustível como 1/16 da massa total da mistura;

8 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Correlações de Massa no Modelo Algébrico: A relação entre Mf e M depende da condição de operação do motor e do combustível utilizado. As quantidades de massa estão relacionadas com a equação de combustão do combustível em condições estequiométricas: combustível gasolina ar atmosférico

9 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Processos Físicos do Ciclo Termodinâmico 0  1 admissão não-isobárica 1  2 compressão não-adiabática 2  3 combustão incompleta (a volume constante) 3  4 expansão não-adiabática 4  5 exaustão de pressão (blow-down pressure) 5  6 exaustão não-isobárica 6  0 escapamento

10 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Formulação Matemática do Processo de Admissão: (0  1) obs.: processo de admissão isotérmico

11 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Formulação Matemática do Processo de Compressão: (1  2) obs.: a razão de temperatura é a mesma do ciclo ideal equivalente

12 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Formulação Matemática do Processo de Combustão: (2  3)

13 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Formulação Matemática do Processo de Expansão: (3  4) obs.: a razão de temperatura é a mesma do ciclo ideal equivalente

14 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Formulação Matemática do Processo de Exaustão de Pressão: (4  5)

15 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Formulação Matemática do Processo de Escapamento: (5  6  0)

16 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Resultados do Modelo de Desempenho trabalho indicado por unidade de massa total no cilindro:

17 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Resultados do Modelo de Desempenho eficiência térmica do ciclo: vazão mássica do motor: consumo de combustível do motor:

18 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Resultados do Modelo de Desempenho torque indicado gerado pelo motor: potência indicada gerada pelo motor: consumo específico de combustível: pressão média efetiva indicada:

19 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Relações de Potência Geradas no Motor Convencional Potência Teórica (Cycle Horsepower, CHP):  potência da combustão completa ideal Potência Indicada (Indicated Horsepower, GHP):  combustão ideal a menos da eficiência térmica (hT ) Potência Efetiva (Brake Horsepower, BHP):  indicada a menos da eficiência mecânica (hM )

20 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Relações de Potência Geradas no Motor para Propulsão à Hélice Potência de Eixo (Shaft Horsepower, SHP):  efetiva a menos da eficiência da transmissão (hS ) Potência Real (True Horsepower, THP):  de eixo a menos da eficiência da hélice (hH )

21 Modelo Algébrico de um Motor de Ciclo Otto não-Ideal
Considerações sobre o Modelo Algébrico  relativas às simplificações termodinâmicas;  relativas ao processo de admissão;  relativas ao processo de combustão;  relativas ao processo de compressão e expansão;  relativas ao processo de exaustão e escapamento;  relativas aos parâmetros de desempenho;

22 Considerações sobre o Modelo Algébrico
Relativas as Simplificações Termodinâmicas do Modelo  O modelo considera algumas propriedades termodinâmicas constantes ao longo do ciclo, como o calor específico a pressão e volume constantes e a razão entre os calores específicos;  Na prática, esses valores variam em função da temperatura de acordo com equações características;  A massa molar da mistura, e conseqüentemente a constante do gás, também variam ao longo do ciclo, principalmente após a reação de combustão da mistura combustível;  Os processos termodinâmicos de admissão e escapamento não ocorrem a temperatura constante;

23 Considerações sobre o Modelo Algébrico
Relativas ao Processo de Admissão da Mistura:  Para aumentar a eficiência volumétrica do motor comumente são utilizados sistemas de sobre-alimentação;  Esses sistemas entregam ao motor uma quantidade de massa maior do que o motor é capaz de aspirar naturalmente, aumentando a massa específica da mistura no cilindro, aumentando a pressão no final da admissão (0  1);  Entretanto, esses sistemas além de aumentar a pressão na admissão, o que melhora o desempenho do motor, aumentam também a temperatura da mistura, o que prejudica o desempenho;

24 Considerações sobre o Modelo Algébrico
Relativas ao Processo de Admissão da Mistura: No caso de sistemas de sobre-alimentação do tipo Turbocharger:  compressor colocado na admissão: aumento na eficiência volumétrica devido ao aumento de pressão;  turbina colocada no escapamento: redução da eficiência de escapamento devido a restrição para saída dos gases; No caso de sistemas de sobre-alimentação do tipo Superchager:  ausência de turbina no escapamento: melhor eficiência de escapamento;  compressor acionado pelo motor: consumo de potência de eixo do motor;

25 Considerações sobre o Modelo Algébrico
Relativas ao Processo de Combustão:  A eficiência de combustão varia de acordo com a fração de mistura, geometria do cilindro e rotação do motor;  Com o aumento da rotação, aumenta-se a velocidade média do pistão, diminuindo o tempo físico para reação da mistura combustível no cilindro;  A fração de mistura f altera a constante de equilíbrio químico da reação de combustão. Para razões de mistura abaixo da estequiométrica (mistura rica em combustível) ocorre aumento da eficiência. Para valores acima da estequiométrica (mistura pobre em combustível), ocorre redução da eficiência.

26 Considerações sobre o Modelo Algébrico
Relativas ao Processo de Compressão e Expansão:  As eficiências de compressão e expansão variam em função da rotação do motor e da geometria do cilindro;  Os valores de eficiência são introduzidos para introduzirem perda de calor durante os processos não-adiabáticos; Relativas ao Processo de Exaustão Escapamento:  As eficiências exaustão e de escapamento dependem diretamente da perda de carga, ou restrição do escoamento, na saída dos gases do motor.

27 Considerações sobre o Modelo Algébrico
Relativas aos Parâmetros de Desempenho  A potência calculada pelo modelo é a potência indicada do motor  A potência efetiva pode ser estimada através da eficiência mecânica do motor, comumente entre de 85 a 95%;  No caso de propulsão a hélice, a potência de eixo pode ser estimada utilizando como referência uma eficiência da transmissão em torno de 95%;  A potência real é calculada através da eficiência da hélice, a qual pode ser estimada através de curvas em função da rotação do motor. Na prática, essa eficiência varia também em função da geometria das pás e condições de vôo (altitude e velocidade).

28 Considerações sobre o Modelo Algébrico
Relativas aos Parâmetros de Desempenho  Como o modelo algébrico padrão considera todas as eficiências do ciclo constantes, o consumo específico de combustível obtido também será constante, para diferentes condições de operação do motor, ou seja, SFC constante para diferentes rotações do motor;  Na prática, com as eficiências do ciclo variam em função da rotação, o consumo específico de combustível varia em função da condição de operação do motor, ou seja, SFC variável em função da rotação do motor;

29 Comparação do Modelo de Desempenho com Dados Experimentais

30 Conclusões sobre o Modelo Algébrico de Motores
 A grande vantagem do modelo algébrico é sua baixa carga computacional, que o torna adequado para cálculos de desempenho em tempo real;  Entretanto, o modelo exige que os valores das eficiências sejam estimadas antecipadamente;  Para melhorar a precisão do modelo, frente a resultados experimentais, deve-se incluir no modelo sub-rotinas de cálculo para certos parâmetros de desempenho governantes;  A introdução de sub-rotinas no modelo, como por exemplo, para turbocompressores, combustão e hélices, implica em uma mudança significativa do sistema de equações, aumentando a carga computacional.

31 de um Motor a Pistão para Uso Aeronáutico
Análise de Desempenho de um Motor a Pistão para Uso Aeronáutico Engenharia Aeronáutica

32 Análise de Desempenho de um Motor para Uso Aeronáutico
Especificações do Motor: número de cilindros 6 volume deslocado por cilindro 0,0015m3 (1500mL) razão de compressão 8,5:1 temperatura de admissão 288,15K pressão de admissão 101,325K eficiência volumétrica 100% eficiência de compressão e exaustão 95% eficiência de combustão 80% eficiência de blow-down e escapamento 85% poder calorífico do combustível (gasolina) kJ/kg razão de mistura (Mar / Mf) 15 rotação do motor 2500 rpm

33 Análise de Desempenho de um Motor para Uso Aeronáutico
Tabela de Cálculo de Desempenho: células em verde: dados de entrada células em azul: resultados do modelo