Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão

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

1 Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
Razão de Compressão, Potências Relativas a Motores a Pistão, Torque Gerado pelo Motor a Pistão, Consumo Específico de Combustível Engenharia Aeronáutica

2 Introdução aos Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão
 O desempenho termodinâmico de um motor a pistão pode ser caracterizado através de alguns parâmetros característicos;  Os parâmetros de desempenho do motor a pistão envolvem parâmetros geométricos do motor e parâmetros termodinâmicos;  Dentre os parâmetros geométricos, têm-se a razão de compressão no cilindro do motor e o volume deslocado pelo motor;  Dentre os parâmetros termodinâmicos têm-se as taxas de energia geradas dentro do motor, chamadas de potências do motor, a eficiência térmicas e eficiência propulsiva, o consumo de combustível e o consumo específico de combustível;  A seguir serão apresentados os principais parâmetros aplicados a um motor a pistão do tipo quatro tempos;

3 Razão de Compressão de Motores a Pistão
 Razão de Compressão RC (Compression Ratio): Razão entre o volume total do cilindro com o pistão no PMI (volume deslocado mais o volume livre do cilindro) e o volume livre do cilindro com o pistão no PMS VL VD

4 Razão de Compressão de Motores a Pistão
● RC ~ razão de compressão [-] ● VD ~ volume deslocado no cilindro [m3] ● L ~ curso do pistão (stroke) [m] ● B ~ diâmetro do pistão (bore) [m]

5 Volume Deslocado no Cilindro de Motores a Pistão
 Volume Deslocado no Cilindro (Displaced Volume): Corresponde ao volume que é deslocado pelo pistão, durante o movimento do PMS até o PMI, o qual depende do curso do pistão, distância linear da linha do PMS ao PMI, e do diâmetro da cabeça do pistão;  Para um motor a pistão, geralmente é apresentado, nas especificações técnicas desse motor, o volume total deslocado em todos os cilindros. Para determinar o volume deslocado em cada cilindro é necessário dividir o volume total deslocado pelo número de cilindros;  Comercialmente, o volume total deslocado do motor é expresso pela simbologia 2.0, que corresponde a um volume total deslocado de 2L;  Do ponto de vista matemático, o volume deslocado em cada cilindro deve ser expresso na unidade de volume do SI, m3.

6 Definição de Potências de Motores a Pistão
 Em motores a pistão, o movimento rotativo do eixo de manivelas é proveniente da energia, na forma de trabalho, que é disponibilizada pela combustão da mistura ar-combustível em processo de expansão;  A liberação de energia térmica de combustão, que é convertida em trabalho para movimentação do pistão, e consequentemente do eixo de manivelas, ocorre durante o terceiro tempo do ciclo termodinâmico;  A energia na forma de trabalho sobre o pistão é convertida em energia rotacional no eixo do motor, na forma de torque, devido ao acoplamento articulado excêntrico da biela com o eixo de manivelas;  As quantidades de energia por tempo (taxas de energia) que caracterizam o ciclo de funcionamento do motor são chamadas de potência do motor, e são divididas em: potências teórica, indicada, efetiva, de eixo e real;

7 Definição de Potências de Motores a Pistão
O terceiro tempo é chamado de combustão; Os gases de combustão são expandidos dentro do cilindro do motor, forçando o pistão em movimento descendente;  A energia de combustão aumenta de forma progressiva a pressão no cilindro, e o movimento descendente do pistão causa aumento progressivo do volume dentro do cilindro;  Esse efeito conjugado de aumento de volume e pressão dentro do cilindro gera energia na forma de trabalho sobre pistão e energia rotacional, na forma de torque, sobre o eixo de manivelas.

8 Definição de Potências de Motores a Pistão
válvula de escapamento válvula de admissão tempo do ciclo

9 Potências Relativas a Motores a Pistão
 Potência Teórica (Cycle Horsepower): É a potência do motor estimada pelo ciclo termodinâmico ideal, através da taxa de energia liberada pela combustão completa do combustível (máxima liberação de energia) em condições ideais no cilindro, para movimentação do pistão;  A potência teórica do motor, por ciclo de funcionamento, é apresentada pela notação CEP (do inglês, cycle engine power);  Matematicamente, a potência teórica é calculada pelo produto entre o consumo de combustível C, em kg/s, e o poder calorífico do combustível DHF, em kJ/kg, sendo expressa na unidade de kW;

10 Potências Relativas a Motores a Pistão
 Potência Indicada (Indicated Horsepower ou Gross Horsepower): É a potência desenvolvida pela combustão sobre o pistão, que equivale a taxa de energia útil no ciclo. Corresponde a uma parcela da potência teórica, devido a perdas térmicas que ocorrem no ciclo termodinâmico;  As perdas térmicas ocorrem devido: processo real de combustão incompleta e perdas de calor na compressão e na expansão (visto que os processos reais são não-adiabáticos);  A potência indicada, por ciclo de funcionamento, é apresentada pela notação GEP (do inglês, Gross Engine Power), expressa em unidade kW;  Essa potência pode ser calculada como uma parcela da potência teórica, introduzindo uma eficiência térmica hT para levar em considerações as perdas térmicas do ciclo termodinâmico;

11 Potências Relativas a Motores a Pistão
 Matematicamente, a potência indicada é calculada em função da potência teórica e da eficiência térmica por:  A potência indicada pode ser calculada ainda através do produto da energia rotacional transmitida ao eixo de manivelas através do pistão, na forma de torque Q expresso em unidade N.m, e da rotação do eixo N, expressa em unidade rpm:

12 Potências Relativas a Motores a Pistão
 Potência Efetiva (Brake Horsepower): É a potência que o conjunto pistão-biela fornece ao eixo de manivelas do motor. Corresponde a potência indicada menos as perdas mecânicas por atrito e devido a acionamento de acessórios do motor (bomba de óleo e bomba d’água);  Essa potência é chamada também de Potência ao Freio, pois pode ser obtida experimentalmente em dinamômetros, e é apresentada pela notação BEP (do inglês, Brake Engine Power), expressa em unidade kW;  Matematicamente, a potência efetiva é calculada a partir da potência indicada e de uma eficiência mecânica do eixo hM:

13 Potências Relativas a Motores a Pistão
 Potência de Eixo (Shaft Horsepower): No caso de motores a hélice, é a potência entregue pela eixo de manivelas a hélice, através de um sistema de transmissão de potência. Corresponde a potência efetiva menos as perdas por atrito na transmissão da hélice (quando aplicável);  Nos motores a pistão, o acionamento da hélice é realizado diretamente pelo motor. Dessa forma, não existe um sistema de transmissão e a potência entregue pelo eixo a hélice é a própria potência efetiva do motor;  No caso dos motores turbo-hélice, comumente o acionamento da hélice é realizado através de um sistema de transmissão, baseado em redutores de velocidade de rotação (devido as altas rotações da turbina no núcleo);  Nesse caso, a potência de eixo é calculada considerando uma eficiência da transmissão de potência, expressa por hS;

14 Potências Relativas a Motores a Pistão
 A potência de eixo é apresentada pela notação SEP (do inglês, Shaft Engine Power), expressa em unidade kW;  Matematicamente, a potência de eixo pode ser calculada como uma parcela, ou não, da potência efetiva do motor, introduzindo a eficiência da transmissão hS para levar em considerações as perdas na transmissão: motores com transmissão motores sem transmissão

15 Potências Relativas a Motores a Pistão
 Potência Real (True Horsepower): Para motores a hélice, é a potência entregue pela hélice ao escoamento de ar. Corresponde à potência de eixo ou efetiva do motor, dependendo do tipo de motor, menos as perdas aerodinâmicas da hélice;  As perdas aerodinâmicas ocorrem principalmente devido ao deslizamento do escoamento ao atravessar o aerofólio das pás da hélice;  Com relação ao grupo moto-propulsor de uma aeronave, as potências teórica, indicada, efetiva e de eixo estão associadas ao elemento motor do grupo, enquanto a potência real esta associada ao grupo moto- propulsor todo, formado pelo conjunto motor e hélice;  A potência real do grupo moto-propulsor é apresentada pela notação TEP (do inglês, True Engine Power), expressa em unidade kW;

16 Potências Relativas a Motores a Pistão
 Matematicamente, a potência real pode ser calculada como uma parcela da potência de eixo do motor (em motores sem transmissão, a potência efetiva), através da eficiência da aerodinâmica da hélice hH:  A potência real pode ser calculada ainda através do produto da força propulsiva T gerada pelo elemento propulsivo hélice, em unidade N e da velocidade de vôo da aeronave V0, em unidade m/s:

17 Considerações a Respeito das Potências de Motores a Pistão
 Comumente, as potências são expressas em unidade hp (do inglês, horsepower), diferentemente da unidade no SI, o W (Watt) [1hp = 745W];  Por questões de facilitação interpretativa, todas as potências quando apresentadas em unidade hp são renomeadas pela letra H (para identificar o horsepower) e expressas em unidades de potência em hp precedidas de uma letra que identifica o tipo de potência: ● potência teórica CEP renomeada para CHP em unidade chp; ● potência indicada GEP renomeada para GHP em unidade ihp; ● potência efetiva BEP renomeada para BHP em unidade bhp; ● potência de eixo SEP renomeada para SHP em unidade shp; ● potência real TEP renomeada para THP em unidade thp;

18 Eficiência Térmica de Motores a Pistão
 A eficiência térmica do ciclo de motores a pistão corresponde a razão entre a quantidade de energia útil (ou taxa de energia útil) aproveitada no ciclo e a quantidade de energia introduzida no ciclo (ou taxa de energia introduzida), na forma de calor de combustão;  A taxa de energia útil corresponde a potência indicada do motor GEP e a taxa de energia introduzida corresponde a potência teórica CEP;  Dessa forma, a eficiência térmica para motores a pistão é expressa matematicamente por:

19 Eficiência Propulsiva de Motores a Hélice
 A eficiência propulsiva de motores a hélice, como nos motores baseados em motores a pistão, corresponde a razão entre a taxa de energia entregue pela hélice ao escoamento de ar e a taxa de energia útil no ciclo;  No caso de grupo moto-propulsores a hélice, a taxa de energia entregue ao escoamento de ar corresponde a potência real TEP e a taxa de energia útil no ciclo corresponde a potência indicada GEP;  Dessa forma, a eficiência propulsiva para motores a hélice é expressa matematicamente por:

20 Eficiência Propulsiva de Motores a Hélice
 A eficiência propulsiva NÃO é igual a eficiência aerodinâmica da hélice;  Matematicamente, a eficiência propulsiva hP corresponde a razão entre a potência real do grupo moto-propulsor TEP e a potência indicada do motor a pistão GEP;  Dessa forma, a relação entre eficiência propulsiva do motor e eficiência aerodinâmica da hélice é dada pela equação:  A eficiência propulsiva somente será igual a eficiência aerodinâmica da hélice se as eficiências mecânica e da transmissão forem unitárias;

21 Consumo de Combustível de Motores a Pistão
 O consumo de combustível corresponde a quantidade de combustível introduzida no motor por unidade de tempo, podendo ser apresentado na base mássica ou volumétrica;  Na base mássica, o consumo de combustível corresponde a massa de combustível MF consumida por tempo de operação t, apresentada pela notação C, em unidade kg/s ou kg/h; em unidade kg/s em unidade kg/h

22 Consumo de Combustível de Motores a Pistão
 Na base volumétrica, o consumo de combustível corresponde ao volume de combustível consumido por tempo de operação, apresentada pela notação E, em unidade L/s ou L/h;  O consumo de combustível em volume corresponde ao consumo em massa dividido pela massa específica do combustível rF, unidade kg/L, a qual depende do tipo de combustível utilizado; em unidade L/s em unidade L/h

23 Consumo Específico de Combustível de Motores a Pistão
 O consumo específico de combustível na base mássica, em kg/kW.h corresponde a razão entre o consumo de combustível mássico e a potência de eixo (em motores sem transmissão, a potência efetiva):  O consumo específico de combustível na base volumétrica, em L/kW.h corresponde a razão entre o consumo de combustível volumétrico e a potência de eixo (em motores sem transmissão, a potência efetiva):

24 Desempenho Global de Motores a Pistão
 Potência Máxima (Maximum Power Rating): Potência efetiva máxima que o grupo motor a pistão pode desenvolver em uma dada condição atmosférica. Somente pode ser utilizada em pequenos intervalos de tempo sob pena de danificar o motor;  Potência Máxima Contínua (Maximum Continuous Power Rating): É a potência efetiva máxima que o grupo moto-propulsor pode desenvolver em operação contínua. Varia de acordo com as condições atmosféricas;  Potência Nominal de Cruzeiro (Nominal Cruise Power Rating): É a potência efetiva do motor necessária para manter a aeronave em vôo de cruzeiro. Geralmente essa potência é apresentada na forma de tabela e gráficos para cada condição de vôo, em função do peso da aeronave, velocidade de cruzeiro, aceleração do motor e altitude;

25 Desempenho Global de Motores a Pistão
 Relação Peso-Potência do Motor (Engine Weight-to-Power Ratio): É a razão entre o peso máximo do motor em unidade N, ou massa do motor em unidade kg, e a potência máxima contínua em kW ou bhp. Essa relação é fixa para um dado motor a pistão. No peso do motor estão incluídos acessórios e fluídos do motor, como água e óleo;  Relação Peso-Potência da Aeronave (Aircraft Weight-to-Power Ratio): Razão entre o peso da aeronave em unidade N, ou a massa da aeronave em unidade kg e a potência efetiva desenvolvida pelo motor, em unidade kW ou bhp. Essa relação varia para cada regime de vôo da aeronave;  Razão Tração-Potência do Motor (Engine Thrust-to-Power Ratio): É a razão entre a força propulsiva gerada pelo grupo moto-propulsor em unidade N e a potência efetiva desenvolvida pelo motor, em kW ou bhp;

26 Exercício de Seleção de Motor a Pistão Quatro Tempos
 Escolher um motor aeronáutico a pistão de quatro tempos, apresentando uma imagem do motor e da aeronave que utiliza esse motor;  Obter na literatura os parâmetros de desempenho listados a seguir: ● geometria do motor: curso, diâmetro do pistão e número de cilindros; ● volume total deslocado do motor; ● razão de compressão e combustível utilizado pelo motor; ● peso do motor ou razão peso-potência do motor; ● potência efetiva máxima do motor, em kW ou bhp, e condição ambiente; ● consumo específico de combustível do motor, em kg/kW.h ou kg/bhp.h;  Alguns dados obtidos para o motor serão utilizados no tópico seguinte para cálculo de desempenho do motor a pistão.