Cálculos e curvas características do motor

Colecção Formação Modular Automóvel

C ÁL Á L C U L O S E CU CU VA UR VA UR AS C A R A C TE R Í ST I C A S D O MOTOR

COMUNIDADE EUROPEIA

Fundo Social Europeu

Referências

Colecção

Título do Módulo

Coordenação Técnico-Pedagógica

Direcção Editorial

Autor

Maquetagem

Propriedade

1ª Edição

Depósito Legal

Formação Modular Automóvel

Cálculos e Curvas Características Características do Motor

CEPRA – Centro de Formação Profissional da Reparação Automóvel Departamento Técnico Pedagógico CEPRA – Direcção

CEPRA – Desenvolvimento Desenvolvimento Curricular

CEPRA – Núcleo de Apoio Gráfico

Instituto de Emprego e Formação Profissional Av. José Malhoa, Malhoa, 11 - 1000 Lisboa Portugal, Lisboa, Fevereiro de 2000

147892/00

© Copyright, 2000 Todos os direitos reservados IEFP

“Produção apoiada pelo Programa Operacional Formação Profissional e Emprego, cofinanciado pelo Estado Português, e pela União Europeia, através do FSE” “Ministério de Trabalho e da Solidariedade – Secretaria de Estado do Emprego e Formação”

Cálculos e Curvas Curvas Características Características do Motor

Índice

ÍNDICE DOCUMENTOS DE ENTRADA OBJECTIVOS GERAIS DO MÓDULO .........................................................E.1 OBJECTIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................E.1 PRÉ-REQUISITOS........................................................................................E.3

CORPO DO MÓDULO 0 - INTRODUÇÃO ......................................................................................... 0.1 1 - POTÊNCIA............................................................................................... 1.1 1.1 - FORÇA........................................................................................................1.1 1.1.1 - UNIDADES DA FORÇA................................ ............................................... 1.3

1.2 - TRABALHO ................................................................................................. 1.4 1.2.1 - UNIDADES DO TRABALHO.............................................................. .......... 1.4 1.2.2 - TRABALHO NO INTERIOR DO CILINDRO................................................. 1.7

1.3 - POTÊNCIA...................................................................................................1.8 1.3.1 - UNIDADES DE TRABALHO..................................................... ................... 1.9 1.3.2 - TRABALHO NO INTERIOR DO CILINDRO................................................. 1.9

1.4 - POTÊNCIA ................................................................................................1.10 1.4.1 - UNIDADES DA POTÊNCIA....................................................................... . 1.12 1.4.2 - POTÊNCIA DO MOTOR....................................................... .................... 1.13 1.4.3 - POTÊNCIA INDICADA.......................................... .................................... 1.14 1.4.4 - CONSUMO ESPECÍFICO / POTÊNCIA ESPECÍFICA .............................. 1.16 1.4.4 .1 - CONSUMO ESPECÍFICO...................................................... ....... 1.16 1.4.4 .2 - POTÊNCIA ESPECÍFICO...................................................... ....... 1.17 1.4.5 - POTÊNCIA EFECTIVA .......................................................... ..................... 1.19 1.4.5.1 - FREIO DE PRONY ............................................. .......................... 1.19 1.4.6 - RELAÇÃO PESO / POTÊNCIA......................................... .......................... 1.22

Cálculos e Curvas Características do Motor

Índice

2 - BINÁRIO MOTOR.................................................................................... 2.1 2.1 - BINÁRIO - DEFINIÇÃO ............................................................................. 2.1 2.1.1 - UNIDADES DO BINÁRIO............................................................................. 2.4

2.2 - BINÁRIO MOTOR....................................................................................... 2.5 2.3 - BINÁRIO RESISTENTE.............................................................................. 2.7

3 - RENDIMENTO ......................................................................................... 3.1 3.1 - RENDIMENTO - DEFINIÇÃO ..................................................................... 3.1 3.1 - RENDIMENTO MECÂNICO ....................................................................... 3.2 3.2 - RENDIMENTO TÉRMICO .......................................................................... 3.3 3.4 - RENDIMENTO TOTAL ............................................................................... 3.4 3.5 - RENDIMENTO VOLUMÉTRICO ................................................................ 3.5 3.6 - BALANÇO EFECTIVO................................................................................ 3.6 3.6 - BALANÇO TÉRMICO ................................................................................. 3.7

4 - CURVAS CARACTERÍSTICAS............................................................... 4.1 4.1 - VARIAÇÃO DA CURVA DA POTÊNCIA .................................................... 4.3 4.2 - VARIAÇÃO DA CURVA DO BINÁRIO MOTOR......................................... 4.6 4.3 - COMPARAÇÃO ENTRE AS CURVAS DE MOTORES DIESEL E GASOLINA.............................................................................. 4.12

BIBLIOGRAFIA.............................................................................................C.1

DOCUMENTOS DE SAÍDA PÓS-TESTE .................................................................................................. S.1 CORRIGENDA DO PÓS-TESTE .................................................................. S.6


Objectivos Gerais e Específicos

OBJECTIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS

No final deste módulo, o formando deverá ser capaz de:

OBJECTIVO GERAL

Definir os conceitos de binário motor, potência e rendimento, identificar a sua influência no funcionamento do motor e os factores que os influenciam. Deverá também identificar diagramas de curvas características dos vários tipos de motores e interpretar a evolução das mesmas curvas.

OBJECTIVOS ESPECÍFICOS 1. Definir o conceito de binário motor.

2. Definir o conceito de rendimento térmico de um motor.

3. Definir o conceito de rendimento mecânico de um motor.

4. Definir o conceito de rendimento volumétrico de um motor.

5. Definir o conceito de rendimento total de um motor.

6. Definir o conceito de potência indicada de um motor.


E.1

Objectivos Gerais e Específicos

7. Definir o conceito de potência efectiva de um motor.

8. Definir o conceito de potência específica de um motor.

9. Definir o conceito de potência dissipada de um motor.

10. Definir o conceito de relação peso / potência de um motor. e de um veículo automóvel.

11. Definir o conceito de consumo específico de um motor.

12. Definir o conceito de pressão média eficaz de um motor.

13. Dado um diagrama de curvas características de um motor, interpretar a evolução das curvas em função da rotação do motor.

E.2


Pré-Requisitos

PRÉ-REQUISITOS COLECÇÃ O FORMA ÇÃ O M ODULA R A UTOMÓVEL Componentes do Sistema Eléctrico e sua Simbolo gia

Electricidade Básica

M agnetismo e Electromagnetism o - M otores e Geradores

Tipos de Bat erias e sua M anutenção

Tecnologia dos Semi-Condutores Componentes

Leitura e Interpretação de Esquemas Eléctricos Auto

Características e Funcionamento dos M otores

Distribuição


Sistemas de Admissão e de Escape

Sistemas de Arrefecimento

Lubrificação de M otores e Transmissão

Alimentação Diesel

Sistemas de Alimentação por Carburador

Sistemas de Ignição

Sistemas de Carga e Arranque

Sobrealimentação

Sistemas de Informação

Lâmpadas, F aróis e Farolins

Focagem de Faróis

Sistemas de Aviso Acústicos e Luminosos

Sistemas de Comunicação

Sistemas de Segurança Passiva

Sistemas de Conforto e Segurança

Embraiagem e Caixas de Velocidades

Sistemas de Transmissão

Sistemas de Travagem Hidráulicos

Sistemas de Travagem Antibloqueio

Sistemas de Direcção M ecânica e Assistida

Geometria de Direcção

Órgãos da Suspensão e seu Funcionamento

Diagnóstico e Rep. de Avarias no Sistema de Suspensão

Ventilação Forçada e Ar Condicionado

Sistemas de Segurança Act iva

Sistemas Electrónicos Diesel

Diagnóstico e Reparação em Sistemas M ecânicos

Sistemas de Injecção M ecânica

Sistemas de Injecção Electrónica

Rod as e Pneus

M anutenção Programada

Termodinâmica

Processos de Traçagem e Puncionamento

Processos de Corte e Desbaste

Construção da Instalação Eléctrica . , M icrocontrolador es e M icroprocessado

Análise de Gases de Escape e Opacidade

Electrónicas de Comando, Sensores e Actuadores

Reparação em Sistemas com Gestão Electrónica

Reparação em Sistemas Eléctricos Convencionais

Gases Carburantes e Combustão

Noções de M ecânica Automóvel para GP L

Constituição e Funcionamento do Equipamento C onversor para GPL

Legislação Específica sobre GP L

Processos de Furação, M andrilagem e Roscagem

Noções Básicas de Soldadura

M e t r o l o g ia

Rede Eléctrica e M anutenção de Ferramentas Eléctricas

Poluentes e Dispositivos de Controlo de Emissões

Comp. e M anutenção de Ferramentas Pneumáticas

Ferramentas M anuais

OUTROS MÓDULOS A ESTUDA R Introdução ao Automóvel

Desenho Técnico

M atemática (cálculo)

Física, Química e M a t e r ia i s

Organização Oficinal

LEGENDA

Módulo em estudo

Pré-Requisito

Cálculos e Curvas Características dos Motores

E.3

Introdução

0 - INTRODUÇÃO Binário e Potência. Duas palavras míticas, talvez as mais ouvidas no meio automobilístico. São utilizadas como factores principais de comparação entre automóveis. Poucos são aqueles que não sabem os valores da Potência máxima e Binário máximo desenvolvidos pelo motor do seu veículo e a que valores de rotação (rpm) do motor eles acontecem. O mesmo em relação ao automóvel do vizinho, aos automóveis daqueles que lhe são mais chegados e, aos automóveis dos seus sonhos (os tais que têm valores de potência e binários fabulosos). No entanto, apesar de muitos estarem convencidos de que será melhor e mais desejável o automóvel que apresentar valores mais elevados de Potência e Binário, também é verdade que são poucos aqueles que têm a noção correcta do significado dos termos Potência e Binário aplicados ao automóvel. Ainda menos são aqueles, que sabem que num motor não interessa apenas os valores máximos de Potência e Binário desenvolvidos, mas também o comportamento ou evolução da Potência e do Binário ao longo de todo o regime de rotações do motor. Esta evolução é representada nas chamadas curvas características do motor, que são a imagem de marca das performances do motor. Outro conceito também importante, é o rendimento do motor. O profissional da reparação automóvel que conheça e domine os conceitos de binário, potência e rendimento do motor, bem como os factores que os influenciam e a sua influência no comportamento do motor, tem meio caminho andado para a execução de um bom trabalho.


0.1

Potência

1 – POTÊNCIA 1.1 – FORÇA Define-se por força uma causa que permite alterar o estado de movimento ou de repouso de um corpo, ou que pode provocar-lhe uma deformação. Uma força pode colocar em movimento um corpo que se encontre parado, provocar uma aceleração num corpo que se encontre em movimento uniforme (a velocidade constante) ou, provocar a sua desaceleração. Uma força pode provocar, também, a deformação de um corpo. A força é uma grandeza física vectorial (representada por um vector), definida por 4 (quatro) parâmetros:

Ponto de aplicação da força.

Direcção da força.

Sentido da força.

Intensidade da força.


1.1

Potência

A figura 1.1 mostra um exemplo de representação da aplicação de uma força a uma mola. Trata-se de uma força com uma intensidade de 1500 N, com ponto de aplicação num dos extremos da mola, de direcção horizontal e de sentido da esquerda para a direita.

1 – Ponto de aplicação; 2 – Direcção; 3 – Sentido; 4 – Intensidade

Fig.1.1 - Representação gráfica de uma força

NOTA:

Não confundir direcção da força com sentido da força. Direcção da força, diz respeito ao facto da força ser horizontal, vertical, ou em qualquer direcção na diagonal. Sentido da força, diz respeito ao facto da força, após definida a sua direcção, ser da esquerda para a direita, da direita para a esquerda, de cima para baixo, ou de baixo para cima.

1.2


Potência

EXEMPLO 1:

Na figura 1.2, o operador aplicou uma força (F) à caixa e esta desloca-se sob a acção dessa força (F) a uma velocidade (v) na mesma direcção e sentido da força aplicada. Na figura 1.3, a caixa está a deslocar-se a uma velocidade (v) segundo uma direcção e o operador está a aplicar-lhe uma força (F) na mesma direcção mas no sentido contrário com o objectivo de a fazer parar.

Fig.1.2 – Força aplicada a uma caixa para a fazer andar

Fig.1.3 – Força aplicada a uma caixa para a

EXEMPLO 2:

Se quisermos levantar uma caixa a uma altura h (Fig.1.4), temos de lhe aplicar uma força com intensidade superior ao seu peso, com a direcção vertical e sentido de baixo para cima. O ponto de aplicação da força, será situado na base da caixa. Fig.1.4 – Força aplicada a uma caixa para a elevar

1.1.1 - UNIDADES DA FORÇA A unidade em que se exprime a força no Sistema Internacional (S.I.) é o Newton que se representa-se pela letra N. Outra unidade utilizada é o Quilograma-força que é representada por kgf .


1.3

Potência

O Newton e o Quilograma-força, relacionam-se da seguinte forma:

1 kgf = 9,8 N

EXEMPLO:

Considere uma força de 4 kgf. Qual é seu valor em Newtons (N)?

4 Kgf = 4 x 9,8 = 39,2 N

Considere uma força de 4 N. Qual é seu valor em Quilograma-força (Kgf) ?

4N=

4 9,8

=

0,4081 K gf

1.2 - PRESSÃO A uma força aplicada a uma determinada superfície dá-se o nome de pressão, ou seja, a pressão é definida como sendo uma força por unidade de superfície:

Pressão

=

Força Superfície

1.2.1 – UNIDADES DA PRESSÃO A unidade em que se expressa a pressão no Sistema Internacional (S.I.), é o Pascal (Pa).

1.4


Potência

O Pascal relaciona-se com o Newton (N) e o com o metro quadrado (m 2) da seguinte forma:

1 Pa = 1 N/m2 = 1 N.m-2

O Newton (N) é uma unidade de força e o metro quadrado (m 2) é uma unidade de superfície. Ou seja: Uma força de 1 N aplicada perpendicularmente sobre uma superfície plana com 1 m2 ,corresponde a uma pressão uniforme de 1 Pa. A pressão pode também ser expressa em outras unidades, como mostra a tabela 1.1:

UNIDADE

SIMBOLO

RELAÇÕES ENTRE UNIDADES

Pascal

Pa

1 Pa = 1 N/m2 = 1 N.m-2

Atmosfera

atm

1 atm = 1 bar

Bar

bar

1 bar = 105 Pa = 1 kg/cm2

Tab.1.1 Unidades da pressão


1.5

Potência

1.2.2 – PRESSÃO SOBRE O ÊMBOLO No caso dos cilindros do motor, a pressão que é gerada sobre o êmbolo é resultado da força dos gases aplicada à superfície da coroa do êmbolo, como mostra a figura 1.5.

Fig.1.5 – Pressão exercida pelos gases sobre a superfície da coroa do êmbolo

Ou seja: Pressão sobre o êmbolo

=

Força dos gases sobre a coroa do êmbolo superfície da coroa do êmbolo

EXEMPLO:

Considere-se um motor a gasolina que funcione num ciclo a 4 tempos com êmbolos cujos diâmetros têm de 84 mm de diâmetro. Se a força aplicada sobre as coroas dos êmbolos devido ao processo de combustão for de 2836 kg, qual o valor da pressão exercida sobre a coroa de cada êmbolo ? Resolução: A superfície (área) da coroa do êmbolo é calculada pela seguinte fórmula: S – Superfície da coroa do êmbolo D – Diâmetro do êmbolo. D = 85 mm

1.6

S=

D2 4

π×


Potência

S=

D2 4

π×

π× =

852 4

=

5672 mm2 = 56,72 cm2

A pressão na coroa do êmbolo é calculada pela seguinte fórmula:

p=

F S

p – pressão sobre a coroa do êmbolo. F – Força aplicada à coroa do êmbolo. S – Superfície (área) da coroa do êmbolo. F = 2836 kg

p=

F S

=

2836 2 = 50 kg /cm 56,72

=

50 bar

1.2.2 – PRESSÃO MÉDIA EFICAZ Num motor real, a pressão dos gases exercida sobre o êmbolo não é constante ao longo do curso motor (tempo de expansão). De facto, essa pressão vai diminuindo ao longo do curso motor. Considere-se um motor imaginário em que a pressão exercida sobre o êmbolo é sempre constante ao longo de todo o curso motor (situação impossível de realizar) e que produz um trabalho igual aquele que é efectivamente produzido pelo motor real deduzidas as perdas devido aos atritos entre os vários componentes em movimento do motor e à energia despendida no accionamento dos órgãos auxiliares do motor.


1.7

Potência

A esta pressão constante fictícia dá-se o nome de pressão média eficaz. A pressão média eficaz (pme) pode ser calculada em Kg / cm2 a partir da seguinte expressão:

Pme- Pressão média eficaz (em Kg / cm 2). P – Potência ( em CV).

Pme

V – Cilindrada (em litros).

=

0,9 × P V ×n

n – Número de rotações do motor (em rpm).

A pressão média eficaz (pme) permite comparar motores de potência e cilindradas diferentes. É referida muitas vezes nas especificações e características dos diferentes motores.

1.3 - TRABALHO Se se aplicar uma força a um corpo provocando o seu deslocamento (segundo a direcção da força), como mostra a figura 1.6, está-se a produzir trabalho. O trabalho exprime-se pelo produto entre a força aplicada e o deslocamento provocado por essa força. O trabalho é representado pela letra W.

W = F × d W – Trabalho. F - Força aplicada. d - Deslocamento.

Fig.1.6 - Trabalho para elevar 2 metros uma caixa de 5 kg de peso

1.8


Potência

Nota:

Uma força só produz trabalho sobre um corpo que se desloque segundo a direcção dessa força.

1.3.1 - UNIDADES DO TRABALHO No Sistema Internacional (S.I.), a unidade que define o trabalho é o Joule que se representa por J, ou o Newton-metro que se representa por N.m. O Joule e o Newton-metro são equivalentes e relacionam-se da seguinte forma:

1J= 1N.m

Ou seja, o Joule resulta da multiplicação do valor da força aplicada (em Newton) pela deslocamento percorrido pelo corpo (em metros). Outra unidade utilizada para definir o trabalho, é o Quilograma metro que se representa por kg.m. Esta unidade é relacionada com as anteriores, da seguinte forma:

1 kg.m = 9,8 J = 9,8 N.m

1.3.2 – TRABALHO NO INTERIOR DO CILINDRO Os gases que se encontram sob elevada pressão no interior do cilindro do motor (quando se dá a combustão), exercem uma força vertical sobre a superfície superior do êmbolo (coroa do êmbolo) fazendo-o deslocar-se.


1.9

Potência

Multiplicando o valor da força aplicada na coroa do êmbolo pelo deslocamento do mesmo, obtém-se o valor do trabalho produzido. Exemplo:

Força aplicada na coroa do êmbolo pelos gases: F = 5000 N Deslocamento do êmbolo: d = 0,08 m Trabalho produzido: W = F × d = 5000 0,08 = 40 N.m = 40 J

1.4 - POTÊNCIA A potência é definida como sendo o trabalho realizado por unidade de tempo. Quanto maior for o trabalho realizado no menor intervalo de tempo, maior é a potência desenvolvida. Vejamos o seguinte exemplo prático que ajuda a visualizar o conceito de potência: Num armazém de peças de automóveis, dois funcionários (funcionário A e funcionário B) têm que arrumar 60 caixas de velas de ignição numa prateleira situada a 1 m do solo. Após arrumarem todas as caixas na prateleira verificou-se o seguinte: Funcionário A : - Número de caixas arrumadas: 30 caixas - Tempo gasto: 6 minutos Funcionário B: - Número de caixas arrumadas: 30 caixas - Tempo gasto: 5 minutos

1.10


Potência

Conclusões: Conclui-se que ambos os funcionários realizaram o mesmo trabalho (ambos arrumaram 30 caixas na prateleira situada a 1m do solo). No entanto, o funcionário B realizou o trabalho em menos tempo. Ou seja com uma maior potência desenvolvida: Funcionário A:

Potência

30 caixas

=

=

6 minutos

5

caixas

/ min uto

Funcionário B:

Potência

=

30 caixas 5 minutos

=

6

caixas / min uto

Qualquer um dos funcionários, para aumentar a potência desenvolvida tem 3 (três) formas possíveis: 1) Aumentar o número de caixas que arruma no mesmo tempo. 2) Aumentar o número de caixas que arruma e diminuir o tempo. 3) Arrumar o mesmo número de caixas e diminuir o tempo. Em qualquer área profissional, a rapidez com que um trabalho é realizado é de grande importância. Entre duas máquinas que realizam o mesmo trabalho, com a mesma perfeição, preferimos sempre aquela que é mais rápida (executa o mesmo trabalho em menos tempo). É para medir esta rapidez na realização de um trabalho, que é definido o conceito de potência. Em termos automobilísticos, pode-se dizer que, para dois veículos iguais com potências diferentes, o mais potente realiza o mesmo trajecto em menos tempo. No entanto, há que ter em conta que isto só acontece com relações de caixa e diferenciais iguais, assim como com pneus com as mesmas dimensões.


1.11

Potência

A potência exprime-se da seguinte forma:

P – Potência. W – Trabalho. F - Força aplicada.

P=

W t

=

F×d t

d - Deslocamento t - Tempo

1.4.1 - UNIDADES DA POTÊNCIA No Sistema Internacional (S.I.), a unidade que define a potência é o Watt que se representa por W. Normalmente utiliza-se um múltiplo do Watt, o kiloWatt que se representa por kW (1 kW = 1000 W). Sendo a potência definida como trabalho por unidade de tempo, a unidade Watt pode ser relacionada com as unidades Joule e segundo da seguinte forma:

1 W= 1 J / s = 1 J.s-1

Ou seja, a potência de 1 Watt corresponde à produção de 1 Joule de trabalho por segundo. Outra unidade utilizada para definir a potência, é o Cavalo Vapor que se representa por CV. O Watt e o Cavalo Vapor, relacionam-se da seguinte forma:

1 CV= 735,5 W

1.12


Potência

Pode-se então fazer as seguintes conversões. 10 CV =10 x 735,5 =7355 W = 7,355 kW 100 CV =100 x 735,5 =73550 W = 73,550 kW em que, 1 kW (kilowatt) = 1000 W EXEMPLO:

A Figura 1.7 mostra um exemplo em que existe produção de trabalho e consequentemente de potência. Através da força do cavalo, desenvolve-se a potência de 1 CV, quando o cavalo eleva 1 metro, um peso de 75 kg, em 1 segundo.

1 metro em 1 segundo

Fig.1.7 – Produção de potência

1.4.2 - POTÊNCIA DO MOTOR No interior do cilindro de um motor, durante a combustão, dá-se a transformação da energia química do combustível em energia calorífica. Parte dessa energia calorifica é transformada em trabalho mecânico.


1.13

Potência

O trabalho mecânico é o produto entre uma força aplicada e o deslocamento provocado pela aplicação dessa força. EXEMPLO:

Considere-se que se aplica a um êmbolo de um cilindro, uma força constante que o faz deslocar desde o PMS ao PMI. Se a força aplicada ao êmbolo for uma força constante de 1100 kg e o curso do êmbolo for de 70 mm, o trabalho mecânico desenvolvido será:

F = 1100 kg W = F × d = 1100 0,07 = 77 kgm

d = 70 mm = 0,07 m

Se o êmbolo demorar o tempo de 0,1 segundos a percorrer o curso, a potência desenvolvida será:

t = 0,1 s

P=

W = 77 kgm

W t

=

77 = 770 kgms 0,1

1

−

1.4.3 - POTÊNCIA INDICADA A potência indicada, é a potência que é realmente desenvolvida no interior do cilindro pela combustão e transmitida ao êmbolo. É a potência que o motor produziria se não houvessem perdas por atrito durante o seu funcionamento.

1.14


Potência

A força que actua sobre o êmbolo, no interior do cilindro, é dada pelo produto entre a pressão média indicada e a área da superfície do êmbolo onde a força actua (área da coroa do êmbolo). A pressão média indicada é a pressão que seria necessário actuar sobre o êmbolo durante o seu percurso de trabalho (tempo de expansão), para que em condições ideais a potência desenvolvida fosse igual à potência devida à combustão (potência indicada). Esta pressão varia com a velocidade de rotação do motor e com a relação de compressão. O trabalho realizado por esta força durante o percurso útil do êmbolo (tempo de expansão), é dado pelo produto entre a força e o deslocamento do êmbolo (curso do êmbolo).

F – Força que actua sobre o êmbolo. D – Diâmetro do êmbolo.

W = F × C = pmi ×

C – Curso do êmbolo. 2

π × D

D2 ×C 4

π×

- Pressão média indicada.

4 Sabendo que a cilindrada unitária (cilindrada de um cilindro) é dada pelo produto entre a área da coroa do êmbolo e o curso do êmbolo: VC – Cilindrada unitária. D – Diâmetro do êmbolo. C – Curso do êmbolo.

Vc

D2 ×C 4

π× =

D2 - Área da coroa do êmbolo. 4

π×

Conclui-se que o trabalho desenvolvido num percurso útil do êmbolo, pode também ser dado pelo produto entre a pressão média indicada e a cilindrada unitária. A potência indicada é dada pelo produto entre o trabalho desenvolvido durante um percurso útil do êmbolo (tempo de expansão) e o número de percursos úteis realizados pelo êmbolo por unidade de tempo.

W

=

pmi × Vc Cálculos e Curvas Características do Motor

1.15

Potência

Num motor de 4 (quatro) tempos, cada ciclo completo corresponde a duas rotações do motor e, como tal:

PI – Potência Indicada W – Trabalho.

Pi

=

VC – Cilindrada unitária.

W 2

×

n 60

=

W × n pmi × Vc × n = 120 120

n – Número de rotações do motor. pmi- Pressão média indicada.

Se se considerar a cilindrada unitária (V C) dada em litros e a pressão média (P mi) dada em kg/, a potência indicada num motor a 4 (quatro) tempos é dada em CV a partir da seguinte expressão:

PI – Potência Indicada VC – Cilindrada unitária. n – Número de rotações do motor.

Pi

=

p mi × V c × n 120 × 75

p mi =

Vc 900

×

×

n

pmi- Pressão média indicada.

No caso de um motor a 2 (dois) tempos cada ciclo completo corresponde a uma rotação do motor, sendo a potência indicada dada pela seguinte expressão:

PI – Potência Indicada VC – Cilindrada unitária. n – Número de percursos úteis do êmbolo

Pi

=

p mi

×

Vc

×

n

450

pmi- Pressão média indicada.

1.4.4 - CONSUMO ESPECÍFICO / POTÊNCIA ESPECÍFICA A potência específica e o consumo específico de combustível são parâmetros que permitem comparar motores distintos, mesmo com cilindradas e potências diferentes.

1.16


Potência

1.4.4.1 - CONSUMO ESPECÍFICO O consumo específico consiste no consumo horário de combustível de um motor por cada unidade de potência desenvolvida. Normalmente, o consumo horário é dado em unidade de peso (Quilograma ou grama) por unidade de tempo (hora), ou seja, Quilogramas por hora (Kg / h) ou gramas por hora (gr / h). E a potência é dada em QuiloWatt (kW), O consumo específico é expresso em Quilograma por QuiloWatt-hora (kg / kW.h) ou em grama por QuiloWatt-hora (gr / kW.h).

Sendo o consumo específico o consumo referido à potência desenvolvida, o seu valor é máximo quando o motor funciona no regime mínimo de rotação. Isto porque, a este regime a potência desenvolvida é mínima. O consumo específico de combustível de um motor é medido num banco de ensaios de motores. É medida a quantidade de combustível necessária para a obtenção de uma determinada potência durante um determinado intervalo de tempo. O motor é posto a trabalhar no banco de ensaios a uma velocidade de rotação e potência regulares. É então medido o tempo de passagem (em segundos) de determinado valor de combustível (por exemplo 100cm 3). O resultado da medição pode então ser convertido em grama por QuiloWatt-hora (gr / kW.h). O consumo específico pode ser utilizado como forma de comparar níveis de economia de consumo de combustível.

1.4.4.2 - POTÊNCIA ESPECÍFICA A potência específica define-se como sendo a potência efectiva por unidade de cilindrada do motor.


1.17

Potência

Se a cilindrada for expressa em litros (l) e a potência efectiva em QuiloWatt (kW), a potência específica será dada em: QuiloWatt por litro de cilindrada (kW / l). EXEMPLO:

Considere-se um motor de 2 l (2 litros) de cilindrada e com 110 kW de potência. A potência específica é: 110/2 = 55 kW / l. Existem vários factores que têm influência na potência específica, tais como: Relação de compressão.

Forma da câmra de combustão.

Grau de enchimento dos cilindros.

Grau de expulsão dos gases de escape.

Grau de turbulência da mistura gasosa ar /combustível.

Relação curso do êmbolo / diâmetro do êmbolo.

Número de rotações do motor.

Dimensões e disposição das válvulas de admissão e escape.

Ângulos de abertura e de fecho das válvulas de admissão e escape.

Disposição das velas de ignição.

Etc.

1.18


Potência

A tabela 1.2 mostra intervalos de valores comuns (apenas de referência) de potência específica para diferentes tipos de motores.

TIPO DE MOTOR

POTÊNCIA ESPECÍFICA

Motor a gasolina aspirado

De 35 kW/l a 35 kW/l

Motor a gasolina sobrealimentado

Até 100 kW/l

Motor Diesel

De 22 kW/l a 44 kW/l

Tab.1.2 – Potências específicas

1.4.5 - POTÊNCIA EFECTIVA A potência efectiva é medida no veio do motor (cambota). É a potência utilizada para pôr em movimento o conjunto da transmissão e rodas, de modo a que o veículo de desloque. A potência efectiva resulta da diferença entre a potência indicada e a potência dissipada pelas perdas mecânicas do motor (devido aos atritos internos entre os vários componentes em movimento do motor e ao accionamento dos órgãos auxiliares do motor). A potência efectiva é gerada a partir do binário motor. E também é conhecida por potência ao freio.

Pe – Potência efectiva Pi - Potência indicada.

Pe = Pi - Pd

Pd - Potência dissipada.


1.19

Potência

1.4.5.1 – FREIO DE PRONY A potência efectiva também é conhecida por potência ao freio, pelo facto de para a sua medição ser utilizado um dispositivo frenante. Este dispositivo é aplicado ao veio motor, opondo-se ao binário motor permitindo assim a medição do seu valor. Um dos dispositivos frenantes utilizados para o efeito, é o chamado freio de Prony. Este dispositivo não é utilizado actualmente (hoje existem dispositivos eléctricos e hidráulicos mais sofisticados). No entanto, o principio de medição que utiliza é o mesmo dos dispositivos actuais e a sua simplicidade permite ter uma ideia clara do modo com é feita a medição da potência efectiva. O freio de Prony é um dispositivo constituído por um tambor de raio r, umas sapatas frenantes reguláveis (Z), e um braço (B) de cujo extremo livre se encontra pendurado um peso (F) a uma distância R do eixo do tambor, como mostra a figura 1.8.

Z – Sapatas frenantes reguláveis B – Braço F – Peso Fig.1.8 – Freio de Prony

O tambor de raio r, é solidário ao veio motor e abraçado pelas sapatas (Z).

1.20


Potência

Quando o veio motor roda arrastando o tambor de raio r, o atrito entre este e as sapatas (Z) tende a fazer rodar o braço (B), o qual é mantido em equilíbrio pelo peso (F) que pende do extremo livre do braço (B).

O sistema funciona da seguinte maneira: O motor é montado sobre um suporte adequado e no seu veio motor é acoplado o freio de Prony, como mostra a figura 1.9. No braço do freio de Prony é colocado um peso (F).

Fig.1.9 – Freio de Prony montado num motor

O ensaio com o freio de Prony é realizado com o motor a rodar a uma velocidade de rotação uniforme. Nestas condições, vai-se apertando regularmente as sapatas (Z) contra o tambor de raio r, travando o motor até se conseguir o regime de rotação ao qual se deseja medir o binário motor. Durante o ensaio, faz-se rodar o motor a diferentes regimes de rotação e faz-se variar o peso (F) até se conseguir o equilíbrio de forças (forças de acção e reacção que se geram no veio do motor e no suporte de fixação do motor. O produto do peso (F) pelo comprimento do braço B do freio de Prony (distância R entre o veio motor e a linha da acção do peso (F) dá o valor do binário motor em cada condição de equilíbrio do sistema, nos diferentes regimes de rotação do motor.


1.21

Potência

Em cada condição de equilíbrio do sistema, a potência efectiva em CV pode ser dada pela seguinte expressão:

Pe – Potência efectiva (em CV)

Pe

F – Peso F (em Kg)

=

R×F×n 716

n – Número de rotações do motor (em rpm) R – Comprimento do braço do freio de Prony (em metros) A potência efectiva resulta da diferença entre a potência indicada e a potência dissipada pelas perdas mecânicas do motor (devido aos atritos internos entre os vários componentes em movimento do motor, ao accionamento dos órgãos auxiliares do motor e às perdas por bombagem). Pe – Potência efectiva

Pe = Pi - Pd

Pi.- Potência indicada. Pd.- Potência dissipada (por perdas mecânicas).

1.4.6 – RELAÇÃO PESO / POTÊNCIA

A relação peso/potência do veículo é dada pelo quociente entre o peso do veículo e a potência máxima do motor.

Relação peso /potência (do veículo) =

Peso do veículo Potência máxima do motor

A relação peso / potência do veículo pode ser expressa em kg / kW ou em kg / CV

1.22


Potência

A tabela 1.3 mostra intervalos de valores (apenas de referência) de relação peso / potência em kg / CV para diversos tipos de automóveis a gasolina.

TIPOS DE AUTOMÓVEIS

RELAÇÃO PESO / POTÊNCIA [ kg / CV ]

Automóveis normais de turismo

8 – 16

Automóveis desportivos

4–7

Automóveis de competição

2 – 2,35

Automóveis de Grande Prémio (Fórmula 1)

1,3 – 1,5

Tab.1.3 – Relação peso / potência

Também se pode estabelecer a relação peso / potência de um motor, ou seja, o quociente entre o peso do motor e a sua potência máxima.

Relação peso /potência (do motor) =

Peso do motor Potência máxima do motor

É um critério de comparação entre motores, sendo um motor tanto melhor (segundo este critério) quanto mais baixo for o valor da relação peso/potência.


1.23

Binário Motor

2 – BINÁRIO MOTOR 2.1 – BINÁRIO - DEFINIÇÃO Chama-se binário a um conjunto de duas forças paralelas, com a mesma intensidade (F) e com sentidos opostos, aplicadas a um sistema rígido fixo por um ponto central (fulcro). As forças são aplicadas à mesma distância (L) do fulcro, como mostra a figura 2.1

Fig.2.1 – Exemplo de aplicação de um binário

Como mostra a figura 2.1, a aplicação de cada força a uma determinada distância do fulcro (distância L) tende a fazer girar o sistema rígido em torno desse mesmo fulcro. O conjunto das duas forças pode ser substituído por uma única força, com o dobro da intensidade de cada uma das duas forças. Se cada uma das duas forças tiver uma intensidade (F), a força única terá uma intensidade (2 × F) , ou seja (2F).


2.1

Binário Motor

EXEMPLO:

A figura 2.2 mostra a aplicação de um binário para fazer rodar um volante em torno do eixo A (fulcro). O mesmo binário pode ser aplicado de duas formas:

Através de duas forças com a mesma intensidade (F) mas de sentidos opostos, aplicadas à mesma distância (r) do eixo de rotação (A) (é o caso em que se faz rodar o volante com as duas mãos).

Através de uma única força com o dobro da intensidade, ou seja (2F) aplicada à mesma distância (r) do eixo de rotação (A) (é o caso de se fazer rodar o volante com apenas uma mão).

Fig.2.2 – Exemplo de aplicação de um bi nário a um volante

O binário pode então ser definido como sendo o esforço (através da aplicação de uma força) que tende a movimentar um determinado corpo, ou sistema rígido, em torno de um eixo de rotação.

2.2


Binário Motor

A figura 2.3 mostra um exemplo simples de aplicação de um binário para a abertura de uma tampa roscada de um frasco de vidro.

Fig.2.3 – Exemplo de aplicação de um bi nário para a abertura de uma tampa roscada

Matematicamente, o binário é o resultado da aplicação de uma força a uma determinada distância do centro de rotação. A essa distância dá-se o nome de braço da força: Para a determinação do binário aplicado, utiliza-se a seguinte fórmula: T – Binário. F – Força aplicada. d - Distância entre a força aplicada

T=F×d

e o eixo de rotação ou fulcro (braço da força).

A figura 2.4 ilustra a aplicação de um binário a uma porca de um parafuso através de uma chave de boca simples. Como mostra a figura 2.4, pode-se facilmente retirar da interpretação da fórmula do binário (T = F × d), o seguinte: Para a mesma força (F) aplicada, quanto maior for a distância (d) entre o ponto de aplicação desta e o eixo de rotação maior será o binário resultante (T), ou seja, maior será a facilidade de rodar o corpo (neste caso a chave de boca simples).

F1 = F2 = F d2 =2 × d1

}

T2 = 2 × T1


2.3

Binário Motor

Fig.2.4 –Em igualdade de força o binário é duplicado se d 2 = 2 X d 1

No caso concreto da figura 2.4., mostra-se que duplicando o comprimento da chave de boca e, mantendo a mesma força aplicada, o valor do binário aplicado duplica.

2.1.1 - UNIDADES DO BINÁRIO O binário, exprime-se em N.m (Newton-metro), como mostra a tabela 1.1.

BINÁRIO T = F × d [N.m] GRANDEZA Força Comprimento

SIMBOLO

UNIDADE

SIMBOLO

F

Newton

N

metro

m

d (ou l )

Tab.1.1 –Unidades do binário

Um binário T =1 N.m pode ser representado por uma força F = 1N aplicada na extremidade do braço de uma chave de boca simples com o comprimento d = 1m.

2.4


Binário Motor

2.2 - BINÁRIO MOTOR O binário motor é o binário responsável pela rotação da cambota do motor. No caso concreto de um motor em funcionamento tem-se o seguinte: A pressão criada devido ao processo de combustão no interior do cilindro, produz uma força sobre a coroa do êmbolo. Esta força durante o tempo de expansão (tempo motor) é aplicada à biela e transmitida por esta à manivela da cambota fazendo-a rodar (sistema biela manivela). Ao esforço de rotação assim criado dá-se o nome de binário motor . A figura 2.5.mostra por analogia, uma comparação entre o binário motor gerado através do sistema biela - manivela e o binário gerado a partir de uma manivela manual.

F – Força aplicada na coroa do êmbolo.

F – Força aplicada pelo braço à manivela.

M – Binário motor. R - Raio da manivela da cambota

M – Binário. R - Raio da manivela.

Fig.2.5 – Comparação entre o binário motor gerado pelo sistema-biela manivela e o binário gerado por uma manivela manual


2.5

Binário Motor

A figura 2.6 mostra a decomposição das forças que dão origem a o binário motor.

Cilindro

Êmbolo

Cavilhão

Biela

Moente de biela Cambota

Moente de apoio

Fig.2.6 – Forças aplicadas à biela e ca mbota que provocam a rotação da cambota

Analisando com algum cuidado a decomposição das forças que mostra a figura 2.6, temse: No ponto (B), a força F0 provocada pela pressão (P) dos gases sobre a coroa do êmbolo, decompõe-se nas forças F1 e F2. No ponto (A), a mesma força F1 decompõe-se nas forças F e F’. É a força (F) aplicada no ponto (A), que dá origem ao binário motor da seguinte forma: T – Binário motor. F – Força aplicada.

T = F × dOA

dOA – Distância entre o ponto (O) e o ponto (A) (braço da força).

Quanto maior for o binário motor desenvolvido por um motor, maior será a sua capacidade de gerar o movimento rotativo da cambota, beneficiando o seu poder de resposta às várias solicitações de aceleração.

2.6


Binário Motor

Como vimos atrás, o valor do binário motor é T = F × d OA. No entanto, este valor não é constante, variando a cada momento. Isto porque, a força F e a posição da biela variam ao longo do curso do êmbolo. O binário obtido é um binário médio. Num motor funcionando num ciclo a 4 (quatro) tempos, apenas o tempo de expansão (tempo motor) produz um binário motor. Os restantes tempos do ciclo produzem um binário resistente.

O binário motor atinge o seu valor máximo no regime de rotação em que se verificar o maior valor de pressão dentro do cilindro.

Devido a diferentes causas, o maior valor da pressão no interior do cilindro não acontece no regime máximo de rotação do motor, mas sim a um valor mais baixo. Por esta razão, o binário motor máximo não se obtém no regime de rotação máximo do motor, mas sim a um regime de rotação mais baixo.

2.3 - BINÁRIO RESISTENTE Os atritos internos do motor entre os seus vários componentes em movimento e as resistências externas ao motor, provocam forças que se opõem à rotação do motor. Estas forças, aplicadas ao veio motor provocam o chamado binário resistente. Este binário opõem-se ao binário motor. O binário motor varia fundamentalmente de acordo com a quantidade de combustível que enche e é queimado no interior do cilindro. E esta depende da posição de abertura da borboleta de aceleração (que é controlada pelo condutor do veículo através do pedal do acelerador). Assim sendo, a velocidade do motor depende do valor do binário resistente e da posição de abertura da borboleta de aceleração.


2.7

Binário Motor

A velocidade de rotação do motor depende do equilíbrio entre as forças que produzem a rotação da cambota e aquelas que se opõem a essa mesma rotação (equilíbrio entre o binário motor e o binário resistente). Estabelecido um determinado regime de rotação do motor, se variar o binário resistente (aumentar ou diminuir) é criado um desequilibro. Para restabelecer o equilíbrio é necessário fazer variar a posição de abertura da borboleta de aceleração (abrir ou fechar). Quando o motor roda ao ralenti (regime de rotação mínimo) a borboleta de aceleração está quase fechada. O binário motor está em equilíbrio com o binário resistente e são ambos muito pequenos. Quando a borboleta de aceleração está completamente aberta (Fig.2.7) e o esforço aplicado ao motor é constante, com uma amplitude tal que o motor funcione à velocidade de rotação prevista, o binário motor e o binário resistente encontram-se em equilíbrio e a rotação do motor permanece constante. É o caso em que o veículo se desloca numa estrada plana (Fig.2.8.) e o condutor leva o pedal do acelerador pisado a fundo.

Fig.2.7 – Borboleta de aceleração total-

Fig.2.8 – Veículo numa estrada plana

mente aberta

2.8


Binário Motor

Se por exemplo, o veículo começar a subir uma encosta (Fig.2.9.), o esforço aplicado ao motor aumenta (aumenta o binário resistente) reduzindo a velocidade do veículo.

Fig.2.9 – Veículo a subir uma encosta

Se além do veículo subir a encosta, este for sujeito ao carregamento de uma carga pesada (Fig.2.10.) o esforço aplicado ao motor aumenta mais (aumenta o binário resistente) reduzindo mais a velocidade do veículo. Nesta situação, para aumentar a velocidade a borboleta de aceleração teria que ser mais aberta.

Fig.2.10 – Veículo a subir uma encosta carregado


2.9

Binário Motor

Se pelo contrário, o veículo começar a descer uma encosta e sem carregamento (Fig.2.11), o esforço aplicado ao motor diminui (diminui o binário resistente) aumentando a velocidade do veículo. Nesta altura, pode-se fechar um pouco a borboleta de aceleração (levantar o pé do acelerador).

Fig.2.11 – Veículo a descer uma encosta

Como se vê, existe um número infinito de combinações possíveis entre a posição da borboleta de aceleração e o esforço a que está submetido o motor (binário resistente), para se obter a velocidade de rotação do motor desejada para cada caso.

2.10


Rendimento

3 – RENDIMENTO 3.1 - RENDIMENTO - DEFINIÇÃO Todas as máquinas térmicas ou mecânicas, qualquer que seja a forma de energia que utilizem, não podem transformar toda a energia que lhes é fornecida integralmente em trabalho útil. Isto porque, no funcionamento das máquinas existem perdas de energia que são essencialmente de dois tipos:

Perdas térmicas

Perdas mecânicas

No caso dos motores térmicos (o caso dos motores de automóveis), as perdas térmicas dão-se através do sistema de escape e do sistema de arrefecimento e as perdas mecânicas dão-se através dos vários atritos internos entre as superfícies dos componentes do motor em funcionamento .

De uma maneira geral, o rendimento é definido como sendo a relação entre a quantidade de energia em forma de trabalho que o motor produz e a quantidade de energia que é fornecida ao motor.

η=

Trabalho produzido pelo motor × 100 Energia fornecida ao motor

O rendimento é um valor adimensional (não tem unidades) e é dado em percentagem. Exemplo: η = 80 %.


3.1

Rendimento

Como se disse, devido às perdas durante o seu funcionamento (térmicas e mecânicas) nenhum motor consegue transformar toda a energia que recebe em trabalho útil. Por esse facto, o rendimento é sempre um valor inferior a 100%.

η < 100 %

3.2 - RENDIMENTO MECÂNICO O rendimento mecânico pode ser dado pela relação entre a potência efectiva produzida pelo motor (potência medida no veio motor) e a potência indicada (potência realmente produzida pela combustão e transmitida ao êmbolo). Em que, ηm – Rendimento

mecânico

Pe – Potência efectiva Pi – Potência indicada

ηm =

Pe Pi

Como se viu no sub-capítulo 1.3.3, a potência indicada é a potência que seria produzida pelo motor se não houvessem perdas por atrito no seu funcionamento. Os factores que têm influência no rendimento mecânico são:

Perdas por atrito entre os componentes em movimento do motor (êmbolos, segmentos, cambota, etc). As perdas por atrito são sob a forma de calor.

Perdas devido ao accionamento de equipamentos auxiliares do motor (bomba de água, alternador, bomba de óleo, etc).

Perdas por bombagem (por depressão no tempo de admissão e por contrapressão no tempo de escape).

3.2


Rendimento

O rendimento mecânico nos motores actuais é da ordem dos 85%. Os restantes 15% são perdidos devido aos vários factores acima citados.

3.3 - RENDIMENTO TÉRMICO O rendimento térmico pode ser dado pela relação entre a potência indicada (potência realmente produzida pela combustão) e a potência teórica (potência que seria produzida pelo motor se toda a energia calorífica do combustível se transformasse em energia mecânica). Em que, ηt – Rendimento

térmico

Pi – Potência indicada PT – Potência teórica

ηt =

Pi PT

Como já se viu atrás, parte da energia fornecida ao motor não é transformada em trabalho mecânico perdendo-se sob a forma de calor. Para se obter um rendimento térmico elevado (num motor de ciclo a 4 (quatro) tempos), deve-se ter em atenção o seguinte: 1) Manter os cilindros a uma temperatura elevada. 2) Reduzir o mais possível a duração do tempo de expansão. 3) Diminuir a superfície das paredes do cilindro. 4) Aumentar o curso de expansão. 5) Reduzir ao máximo a contrapressão no tempo de escape. 6) Reduzir ao máximo a depressão no tempo de admissão. 7) Aumentar a temperatura dos gases antes de serem introduzidos no cilindro. 8) Utilizar uma compressão elevada.


3.3

Rendimento

3.4 - RENDIMENTO TOTAL O rendimento total pode ser dado pela relação entre a potência efectiva (potência medida no veio motor) e a potência teórica (potência que seria produzida pelo motor se toda a energia calorífica do combustível se transformasse em energia mecânica). Em que, ηtotal – Rendimento total

Pe – Potência efectiva

ηtotal =

PT – Potência teórica

Pe PT

O rendimento total pode também ser dado pelo produto entre o rendimento térmico e o rendimento mecânico. Em que, ηtotal – Rendimento ηt – Rendimento ηm – Rendimento

total ηtotal = ηt × ηm

térmico mecânico

A tabela 3.1 mostra os valores obtidos em média para os rendimentos térmico, mecânico e total:

MOTOR

Rendimento Térmico ηt

Rendimento Mecânico ηm

Rendimento Total ηtotal = ηt × ηm

A Gasolina

0,30

0,85

0,25

Diesel

0,45

0,85

0,38

Tab.3.1 – Valores médios dos rendimentos térmico, mecânico e total

O rendimento total pode também ser calculado a partir da medição do seu consumo específico.

3.4


Rendimento

3.5 - RENDIMENTO VOLUMÉTRICO O rendimento volumétrico pode ser dado pela relação entre a massa de gases realmente introduzida no cilindro em cada ciclo de funcionamento do motor e o peso de uma carga completa (massa de gases correspondente ao volume total do cilindro). Em que, – Rendimento volumétrico

ηv

Me – Massa de gases introduzida no cilindro Mc – Massa de gases de uma carga completa

ηv =

Me Mc

O rendimento volumétrico varia com:

A velocidade média do êmbolo A secção e forma das condutas de admissão O tamanho e posição das válvulas A temperatura de funcionamento do motor Forma da câmara de combustão

O rendimento volumétrico pode ser bastante aumentado, através da compressão do ar de admissão antes de este ser introduzido no cilindro. É o caso dos motores sobrealimentados. A utilização de um intercooler pode aumentar ainda mais o rendimento volumétrico.


3.5

Rendimento

3.6 – RENDIMENTO EFECTIVO O rendimento efectivo de um motor, pode ser determinado a partir do consumo horário de combustível, do consumo especifico de combustível e da potência efectiva do motor, num determinado regime de rotação. É utilizada a seguinte fórmula:

– Rendimento efectivo.

ηe

Pe – Potência efectiva.

ηe =

3600 × Pe Ch × PC

=

3600 Ce × PC

Ch – Consumo horário de combustível [kg / h]. Ce – Consumo específico de combustível [kg /kW.h]. PC – Poder calorífico do combustível [kJ / kg]

O valor 3600 que aparece na fórmula, é para efectuar a conversão de consumo

Nota:

horário (por hora) em consumo por segundo. Notar que 1 hora tem 3600 segundos. Para um motor a gasolina, o rendimento efectivo é cerca de 20 a 35 %, ,enquanto num motor diesel pode ser superior a 35%. Em termos práticos, um rendimento na ordem dos 25%, significa que apenas um quarto da energia disponível no combustível, se transforma em energia mecânica que é aproveitada para a propulsão do veículo.

EXEMPLO:

Considere-se um motor diesel que funciona segundo um ciclo de 4 (quatro) tempos e tem um consumo específico de 0,22 kg / kW.h. O poder calorífico do combustível é de 42496 kJ / kg. Pretende-se determinar o valor do rendimento efectivo do motor.

3.6


Rendimento

Resolução: Ce = 0,22 kg / kW.h PC = 42496 kJ / kg Utilizando a fórmula tem-se:

ηe =

3600 Ce × PC

=

3600 0,22 × 42496

= 0,385 = 38,5 %

O motor tem um rendimento efectivo de 38,5 %.

3.7 – BALANÇO TÉRMICO Como já foi dito atrás, só uma pequena parte da energia calorífica do combustível que é queimado durante o funcionamento do motor, é transformada em energia mecânica. A parte restante perde-se sob diversas formas. A figura 3.1. mostra o balanço térmico de um motor de características médias.

Fig.3.1 – Balanço térmico

A figura 3.1 mostra que dos 100% do poder calorífico do combustível, perdem-se 20% no sistema de refrigeração, 35% no sistema de escape, 15% em atritos mecânicos internos. Apenas 30% podem ser aproveitados para a propulsão do veículo.


3.7

Curvas Características

4 – CURVAS CARACTERÍSTICAS As curvas características de um motor a gasolina ou Diesel, representam a evolução da potência e do binário do motor em função do regime de rotação do motor. As curvas características são apresentadas na forma de um gráfico onde no eixo das ordenadas (eixo vertical) são representados os valores da potência e do binário motor e no eixo das abcissas (eixo horizontal) os valores de rotação do motor , como mostra a figura 4.1.

[CV]

Curva de Potência Curva de Binário

[r.p,m.]

Fig.4.1 – Curvas características (binário motor e potência)

Normalmente, as unidades da potência utilizadas no gráfico das curvas características são o kw (unidade adoptada pela União Europeia) ou o CV, e as unidades do binário motor são o N.m ou o kg.m. As rotações do motor são representadas em rpm (número de rotações por minuto).

NOTA:

O ponto de intersecção das duas curvas características (potência e binário motor) do motor não tem qualquer significado. Ele surge apenas por acaso, devido ao facto das duas curvas estarem representadas num mesmo gráfico.

Qualquer uma das curvas características (potência e binário motor) podem ser representadas em gráficos independentes.


4.1


Por vezes é representado no mesmo gráfico, a curva que representa a evolução do

consumo específico de combustível em função do regime de rotação do motor, como mostra a figura 4.2.

r.p.m. Fig.4.2 – Curvas características de um motor (binário motor, potência e consumo específico)

A curva do consumo específico apresenta-se geralmente como uma curva inversa à do binário motor, verificando-se o seu valor mínimo no mesmo regime de rotação em que se verifica o binário motor máximo. Como se viu atrás, o consumo específico é referido à potência desenvolvida, pelo que o seu valor é máximo quando o motor funciona no regime mínimo de rotação. Isto porque, a este regime a potência desenvolvida é mínima.

Através das curvas características podem-se tirar conclusões sobre o comportamento de um motor ao longo do regime de rotação utilizável.

4.2



As curvas características do motor (potência, binário motor e consumo específico) são obtidas em bancos de ensaio de motores. A figura 4.3 mostra um exemplo de um ban-

co de potência.

Fig.4.3 – Banco de potência Os ensaios são efectuados em carga máxima, ou seja , com o acelerador a fundo, apresentando os valores máximos, ao longo de todo o regime de rotação utilizável.

Nota:

As curvas características obtidas nos bancos de ensaios não são tão regulares como aquelas que são representadas ao longo deste módulo. Os diagramas apresentados são representações idealizadas para facilitar a sua compreensão. Os processos químicos e físicos que acontecem durante o funcionamento do motor decorrem com irregularidade e velocidades variáveis em função de vários parâmetros.

4.1 - VARIAÇÃO DA CURVA DA POTÊNCIA Em função das curvas de potência do motor, podemos classificar os motores como:


4.3


Elásticos – Quando a potência desenvolvida se mantém sensivelmente igual num amplo intervalo de rotações, como mostra a figura 4.4.

Pontudos - Quando a potência desenvolvida tem valores perto do valor máximo, num pequeno intervalo de rotações, como mostra a figura 4.4. Potência[ CV ] Motor Pontudo

Motor Elástico

Rotações [ r.p.m. ] Fig.4.4 – Comparação de curvas de potência entre motores

A figura 4.5. mostra um exemplo das curvas características obtidas num banco de ensaios de um motor pontudo. Notar a evolução da curva de potência.

Características do motor: -

4 (quatro) cilindros em linha

-

Cilindrada total: 2302 cm

-

Binário máximo: 25,45 kgm às

3

a i c n ê t o P

4600rpm -

Potência máxima: 223,21 CV às 6750 rpm

-

Potência

específica:

95,57

Binário

CV / litro

Fig.4.5 – Curvas características de um motor pontudo (binário motor e potência)

Podemos ter dois motores com potências máximas iguais mas com curvas de potência completamente diferentes.

4.4



A potência, que é função do binário motor e da rotação do motor, vai subindo à medida que a rotação sobe, atingindo o seu pico (valor máximo) perto do regime máximo de rotação mas antes de este ser atingido.

A potência não sobe indefinidamente, nem o seu valor máximo coincide com o valor máximo de rotações do motor. Há uma diminuição da potência perto do regime de rotação máximo, antes de se atingir esse mesmo regime de rotação máximo (a cerca de 90 % do regime máximo de rotação). Isto porque:

Quanto maior é a velocidade de rotação do motor, menor é o tempo em que as válvulas de admissão permanecem abertas, chegando-se a uma situação em que a quantidade dos gases que entram no cilindro é insuficiente.

Há um aumento dos atritos internos com as rotações do motor, o que provoca a diminuição do rendimento mecânico.

Nos regimes elevados de rotação do motor , a potência do motor pode ser aumentada devido a: Aumento da secção das condutas de admissão.

Aumento do tamanho das válvulas do motor.

Aumento do número de válvulas do motor (motor multiválvulas).

Aumento do tempo de abertura das válvulas do motor (as válvulas abrirem mais cedo e fecharem mais tarde).


4.5


Isto porque, qualquer um destes aumentos (da secção das condutas de admissão, do tamanho das válvulas, do número de válvulas e do tempo de abertura das válvulas) melhora o rendimento volumétrico, conseguindo-se um melhor enchimento do cilindro nos regimes de rotação elevados. Em contrapartida, nos baixos regimes de rotação do motor qualquer um destes aumentos (da secção das condutas de admissão, do tamanho das válvulas, do número de válvulas e do tempo de abertura das válvulas) provoca uma diminuição do rendimento volumétrico e uma consequente diminuição da potência desenvolvida pelo motor. Isto porque, o enchimento do cilindro far-se-á com maior dificuldade devido à baixa velocidade de entrada dos gases no mesmo. Nos automóveis desportivos, nos quais se pretende obter a máxima potência possível, são utilizadas soluções tais como, grandes secções das condutas de admissão, válvulas com grandes dimensões e com elevados tempos de abertura. O número de rotações máximo de um motor representa um índice de maior ou menor aproveitamento da cilindrada. Entre dois motores com igual cilindrada, que tenham o mesmo rendimento volumétrico que funcionem a um diferente regime de rotação, tem maior potência aquele que rodar a uma maior velocidade de rotação. Por este facto, quando os projectistas de motores pretendem obter motores com gran-

des potências mas com pequenas cilindradas, adoptam para esses motores regimes de rotação elevados.

4.2 - VARIAÇÃO DA CURVA DO BINÁRIO MOTOR A curva de binário motor ideal, seria uma curva com um elevado valor de binário motor máximo e praticamente horizontal. Isso significaria que o motor teria valores de binário motor elevados ao longo de todos os regimes de rotação do motor. O veículo que tivesse esse motor teria uma boa força de tracção e poder de resposta em toda a gama de rotações.

4.6



No entanto, a curva de binário motor ideal não existe. De um modo geral, o binário motor cresce desde um valor mínimo correspondente ao regime mínimo de rotação do motor, tem o seu valor máximo nos regimes de rotação médios do motor (altura em que o enchimento do cilindro se faz de forma mais eficaz), e decresce novamente até o motor atingir o seu regime máximo de rotação. A figura 4.6 mostra o exemplo da variação da curva de binário motor em 3 (três) tipos diferentes de motores: motor de grande cilindrada, motor sobrealimentado e motor

multiválvulas.

Motor 1 – Motor de grande cilindrada; Motor 2 – Motor sobrealimentado; Motor 3 – Motor multiválvulas. Fig.4.6 – Curvas de variação do binário motor com as rotações do motor em 3 (três) motores diferentes

Motor 1 – Motor de grande cilindrada Neste caso, a curva de binário motor é uma curva bastante plana. O binário motor é praticamente constante e elevado ao longo de toda a gama de rotações do motor. Isto acontece porque os motores de grande cilindrada produzem uma elevada força resultante da combustão e também porque as dimensões dos êmbolos são elevadas, produzindo assim um elevado efeito de força e consequente binário motor elevado.

Estes motores são ideais para a utilização em veículos pesados de mercadorias ou em furgões ligeiros.


4.7


A figura 4.7. mostra um exemplo das curvas características obtidas num banco de ensaios de um motor deste tipo. Note-se que a curva do binário motor é é uma curva bastante plana.


6 (seis) cilindros em linha

-


-

Binário

i a c n ê t o P

3

máximo:

22,64

kgm às 4600rpm -

Potência máxima: 160 CV às 5800 rpm

-

Potência específica: 61,56

Binário

CV / litro -

Combustível : Gasolina

Fig.4.7 – Curvas características de um motor de grande cilindrada (binário motor e potên-

Motor 2 – Motor sobrealimentado No motor sobrealimentado (Fig.4.8.), o valor de binário motor máximo produzido é superior ao caso anterior (motor 1 – motor de grande cilin-

drada). No entanto a curva de binário motor não é tão plana. Ou seja, o binário motor é elevado apenas num pequeno intervalo de rotações.

Fig.4.8 – Motor sobrealimentado

4.8



O valor elevado de binário motor (que acontece apenas num pequeno intervalo de rotações) é devido ao sobreenchimento dos cilindros por acção do turbocompressor. No entanto a determinado regime de rotação, quando o turbo perde eficácia (não consegue encher muito mais os cilindros) o motor continua a aumentar a rotação mas o binário motor cai rapidamente.

a i c n ê t o P

Binário


6 (seis) cilindros em V

-


-

Binário máximo: 29,98 kgm

3

às 3200rpm -


-

Potência

específica:

81,3

CV / litro

Fig.4.9 – Curvas características de um motor sobrealimentado (binário motor e potência)


4.9


Motor 3 – Motor multiválvulas Neste caso, o binário motor máximo é atingido a um regime elevado de rotações. A baixos regimes de rotação, o binário motor tem valores baixos. Os motores multiválvulas (Fig.4.10) têm duas ou mais válvulas de admissão por cilindro. Isto permite um bom enchimento dos cilindros a elevados regimes de rotação do motor e consequente valor elevado de binário motor a esses regimes de rotação.

Fig.4.10 – Motor multiválvulas No entanto, a baixos regimes de rotação o enchimento dos cilindros não se dá facilmente devido ao elevado número de válvulas, o que provoca um baixo valor de binário motor. Em altos regimes de rotação este motor ( motor multiválvulas) é mais eficaz que os anteriores ( motor de grande cilindrada e motor sobrealimentado). Este tipo de motor ( motor multiválvulas) é utilizado em veículos de turismo familiares e estradistas ou com tendências desportivas. Permitem atingir elevadas velocidades de cruzeiro em motores com baixo valor de cilindrada. Produzem elevados valores de potência máxima e binário motor elevado a altos regimes de rotação, em detrimento de um binário motor fraco a baixos regimes de rotação.

4.10



A figura 4.11 mostra um exemplo das curvas características obtidas num banco de ensaios de um motor deste tipo ( motor multiválvulas). Note-se o binário motor máximo é atingido a um regime elevado de rotações, tendo o binário motor valores baixos a baixos regimes de rotação.


4 (quatro) cilindros em linha.

-


-

Binário máximo: 18,41 kgm às

3

i a c n ê t o P

5500rpm -


-

Potência específica: 83,98 CV / litro

-

Binário

Combustível : Gasolina

Fig.4.11 – Curvas características de um motor multiválvulas (binário motor e potência)

NOTA:

Cada um destes 3 (três) exemplos ( motor de grande cilindrada , motor sobrealimen-

tado e motor multiválvulas) representa uma situação típica de construção. Hoje em dia pretende-se que o binário motor se mantenha o mais constante possível ao longo de todo o regime de rotação, de modo a originar um maior conforto de condução e poder de resposta em todos os regime de rotação. Para este fim, muitas vezes recorre-se à mistura destes três tipos de motores ou a outras tecnologias tais como sistemas de admissão variável ou de distribuição variá-

vel.


4.11


4.3 – COMPARAÇÃO ENTRE AS CURVAS DE MOTORES DIESEL E GASOLINA Entre as curvas características (binário motor e potência) dos motores diesel e gasolina existem em geral as seguintes diferenças:

No motor diesel, as curvas características (binário motor e potência) são em geral mais planas.

Os valores máximos das curvas características do motor diesel são obtidos a regimes de rotação do motor inferiores.

O regime de rotação máxima do motor diesel é em geral inferior, pois a massa dos componentes móveis do motor diesel é bastante superior gerando forças de inércia maiores.

A figura 4.12 mostra um diagrama de curvas características (binário motor e potência) de um motor diesel.

Fig.4.12 – Curvas características (binário motor e potência) de um motor diesel

4.12


Bibliografia

BIBLIOGRAFIA

FORD - Formação Técnica – Noções básicas sobre os motores a gasolina – Noções básicas

CROUSE, W.H. – Motores de Automovil, Boixareu Editores

ALONSO, J.M. - Técnicas del Automovil – Motores, Editorial Paraninfo

BRIOULT, Roger – Moteurs à essence, Rta

LUCCHESI, Domenico – O automóvel – Curso técnico – vol.2, Editorial Presença

RENAULT PORTUGUESA - Tecnologia Automóvel – O motor a gasolina a 4 tempos - princípio de funcionamento

CEPRA - Módulo de Motores – Rover


C.1

Pós-Teste

PÓS-TESTE Em relação a cada um dos exercícios seguintes, são apresentadas 4 (quatro) respostas das quais apenas 1 (uma) está correcta. Para cada exercício indique a resposta que considera correcta, colocando uma cruz ( X) no quadradinho respectivo.

1 – O binário motor de um motor multiválvulas tem o seu valor máximo:

a) A um baixo regime de rotação do motor..............................................

□

b) A um regime médio de rotação do motor.............................................

□

c) A um elevado regime de rotação do motor...........................................

□

d) Ao longo de todo o regime de rotação do motor..................................

□

2 – Indique em que unidades pode ser dado o binário motor

a) Newtons

□

b) Newton-Metro [Nm].............................................................. ................

□

c) Quilogramas [kg].................................................................. ................. □

d) Watts [W]..............................................................................................

□


S.1

Pós-Teste

3 – A potência é definida como sendo:

a) Uma força por unidade de área .......................................................... .

□

b) Uma força por unidade de tempo.........................................................

□

c) Trabalho por unidade de comprimento.................................................

□

d) Trabalho por unidade de tempo ...................................... ....................

□

4 – Indique quando é que a potência do motor é máxima:

S.2

a) Perto do regime máximo de rotações do motor...................................

□

b) No regime máximo de rotações do motor............................................

□

c) Num regime médio de rotações do motor............................................

□

d) No regime mínimo de rotações do motor.............................................

□


Pós-Teste

5 – A pressão é definida como sendo:

a) Uma força por unidade de superfície ..................................................

□

b) Uma força por unidade de tempo.........................................................

□

c) Uma força por unidade de comprimento..............................................

□

d) Uma força por unidade de volume.......................................................

□

6 – A potência específica de um motor é definida como sendo:

a) A potência efectiva multiplicada pela cilindrada do motor....................

□

b) A potência média desenvolvida pelo motor..........................................

□

c) A potência efectiva por unidade de cilindrada do motor.......................

□

d) A potência indicada por unidade de cilindrada do motor.....................

□


S.3

Pós-Teste

7 – O valor da potência efectiva :

a) É sempre inferior ao da potência indicada...........................................

□

b) É sempre bastante superior ao da potência indicada..........................

□

c) É sempre ligeiramente superior ao da potência indicada.....................

□

d) É sempre igual ao da potência indicada, excepto no caso dos motores diesel em que é superior...............................................................

□

8 – Indique em que unidades pode ser dada a potência de um motor.

a) Newtons [N]..........................................................................................

□

b) Newton-Metro [N.m].......................................................... ...................

□

c) Quilogramas [kg].................................................................. ................. □

d) Watts [W]..............................................................................................

S.4


□

Pós-Teste

9 – Indique em que unidades pode ser dado o consumo específico de um motor.

a) QuiloWatt por litro [kW / l].....................................................................

□

b) QuiloWatt por Quilograma-hora [kW / kg.h]...................................... ....

□

c) Quilograma por QuiloWatt-hora [kg / kW.h]....................... ...................

□

d) QuiloWatt por hora [kW / h]............................ ......................................

□

10 –O aumento das perdas mecânicas por atritos entre os componentes móveis do motor:

a) Aumenta o rendimento mecânico do motor..........................................

□

b) Diminui o rendimento mecânico do motor............................................

□

c) Não tem influência no rendimento mecânico do motor........................

□

d) Aumenta a relação entre a potência efectiva e a potência indicada....

□


S.5

Cálculos e curvas características do motor

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