Curso Mecânica - capitulo_08
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SISTEMAS DE ADMISSO E EXAUSTO DOS MOTORES DE
COMBUSTO INTERNA
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Filtros de ar Primeiros filtros: filtros a banho de leo. O leo
de um reservatrio localizado na base do filtrode ar movimentado para cima em uma malhade tal forma que as impurezas ficam retidas no leo.
Novos filtros de ar a seco utilizam a ao daturbulncia (ar movimentando em redemoinho) para separar a partculas maiores e o papelretm as partculas menores. A perda de cargano filtro menor que 0,50 Pa.
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Filtro de Ar a Seco
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Indicao da condio de serviodo filtro
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Entrada de ar num motor de ignio por compresso
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Silencioso (Mufflers) Serve para reduzir a velocidade dos gases
de exausto pelo aumento da presso. Reduz o nvel de rudo. Serve para reter fagulhas necessrio em
indstrias/ambientes com muitos resduos. Dois tipos: A) direto, and B) fluxo reverso.
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Silencioso (Mufflers) Direto Dimetro externo = trs vezes o dimetro
do duto interno Preenchimento do espao interno com
material resistente ao calor e absorvedorde rudo
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Silencioso (Mufflers) Indireto Os canais de passagem dos gases de
exausto num silencioso de fluxo reversoprovocam a mudana de direo do fluxovrias vezes
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Tipos de Silenciosos (Mufflers)
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Silencioso (Mufflers) Silenciosos causam a reduo da
velocidade dos gases e aumento dapresso ajudando a reduzir o rudo.
Grande rea superficial facilita a dissipao de calor
A perda de carga no silencioso significadaperda de potncia para o motor
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Motores superalimentados Os superalimentadores comprime o ar
de admisso aumentando a capacidadede alimentao de combustvel e produzindo maior potncia.
Os superalimentadores podem ser movimentados mecanicamente ou pelosgases de exausto (turbocompressores).
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Diagrama de um turbocompressor
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Taxa de alimentao de ar
O consumo de ar terico em um motor de quatrotempos pode ser calculado por:
em que mat o consumo de ar terico, kg/h; a a massa especfica do ar, kg/m3; Ne a rotao do motor, em rpm; De o volume deslocado, L.
aeeat NDm 03,0=&
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Razo de alimentao de ar
A razo de alimentao de ar (eficinciavolumtrica), ev, dada por,
Em que ma o consumo real de ar pelo motor, kg/h.
Eficincia volumtrica de motores aspirados de 0,85
at
av
m
me
&
&=
-
Razo de alimentao de ar
A Lei dos Gases Perfeitos pode ser usada paraestimar ev,
Em que o subscrito 1 denota a condio do arentrando no compressor, e 2, o ar saindo do compressor.
=
2
1
1
2
TT
pp
ev
-
Mapa de desempenho de um compressor
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Mapa do Compressor A eficincia tipicamente varia entre 0,5 e
0,8. O mapa inclui linhas de velocidade
constante do compressor. A linha limite define a regio ( esquerda)
em que a operao do turbo instvel.
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Razo de presso da turbina
A razo de presso da turbina, pt, definida por,
Em que os subscritos 3 e 4 denotam osgases entrando e saindo da turbina, respectivamente.
=
4
3
pp
pt
-
Mapas de desempenho dasturbinas
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Fluxo na Turbina vs. Compressor
A razo entre o fluxo de massa na turbina e o fluxo de massa no compressor pode ser definidopor,
Em que o fluxo de massa saindo do motor (mt) igual ao fluxo de massa de combustvel (mf) e de ar (mc) entrando no motor; e F/A a relaocombustvel/ar utilizada pelo motor, em massa.
AF
m
m
c
t += 1&
&
-
Selecionando um turboalimentadorpara um motor
A razo de presso do compressor deve ser primeiramente definida por,
Em que a presso de boost pressure o aumento de presso fornecido pelo compressor.
12
1 1p
ppp boost
pc +==
-
Selecionando um turboalimentadorpara um motor
A correspondente razo de temperatura no compressor pode ser estimada por,
Em que ec a eficincia do compressor.
c
pc
eTT 11
286,0
1
2 +=
-
Passos para o dimensionamentode um turbo
1) Selecione uma potncia a ser atingidapelo motor em questo (pbme
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Passos para o dimensionamentode um turbo
4) Selecione um compressor, e o ponto no mapa do compressor no qual o motor ir operar na rotaoe potncia nominais. As equaes apresentadasanteriormente podem ser usadas para encontraresse ponto,
Essa equao deve ser resolvida interativamenteassumindo um valor para ec (eficincia do compressor), e determinando pc.(razo de presso do compressor).
aee
a
pcc
cpc
NDm
e
e
03,01286,0&
=
+
-
Passos para o dimensionamentode um turbo
4) Usando o mapa do compressor para o valor de ma e pc, determina-se ec. Se o valor de ec obtido pelaequao no bater com o valor de ec obtido pelomapa do compressor, ento esse valor de ec (do mapa) deve ser usado para obter um novo pc, e o processo repetido.
5) Selecione uma turbina e o ponto de operao no mapa da turbina.
Lembre-se que a turbina e o compressor devem trabalhar namesma rotao.
O fluxo na turbina deve ser o fluxo de ar do compressor vezes o fator (1+F/A).
A turbina deve fornecer suficiente potncia para acionar o compressor e vencer a frico nos rolamentos.
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Eficincia mecnica do turboalimentador
A eficincia mecnica de um turboalimentador(em) pode ser estimada por,
Em que Cpc o calor especfico do ar ambiente presso contante e Cpt o calor especfico do ar aquecido presso constante.
)()(
43
12
TTCmTTCm
PP
eptt
pcc
t
cm
==
&
&
-
Eficincia mecnica do turboalimentador
A equao anterior pode ser reformuladapara equaes dos valores caractersticos,
( )1
31TT
eeeAF
mtcdisponvel +=
=
u
pt
pc
pt
pcnecessrio C
C
11286,0
( )kk
u
=
1
Cpc = calor especfico a pressoconstante do ar ambiente, kJ/(kg.K)
Cpt = calor especfico a pressoconstante do ar aquecido, kJ/(kg.K)
ec = eficincia do compressor et = eficincia da turbina em = eficincia mecnica do
turboalimentador kpc = razo de presso do
compressor
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Eficincia mecnica do turboalimentador
A eficincia mecnica tpica do sistema turboalimentador de 0,98.
Valores para Cpc, Cpt and k devem ser obtidos de tabelas em que os dois ltimos valores so dependentesda temperatura e devem se referir temperatura dos gases de exasto (T3).
disponvel deve ser maior que requerido ou a turbina no iracionar o compressor na rotao suficiente para atingir o boost necessrio.
T3-T2 (aumento de temperatura) provocado pelapassagem do ar pelo motor funo da relao F/A (combustvel/ar) geralmente esse aumento de temperatura est entre 480 e 580o C.
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Valores Caractersticos de
Faixadesejada de operao
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Exemplo Um turboalimentor deve ser dimensionado para
um motor diesel de 10 L, que tem rotaonominal de 2400 rpm e fornece potncia de 180 kW. A massa especfica do ar de 1,16 kg/m3, a razo Ar/Combustvel desejada para o turbo alimentador de 30:1, e estimado que o consumo especfico de combustvel do motor seja de BSFC = 0,25 kg/kWh.
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Soluo1. Potncia do motor (fornecida)
2. Consumo de combustvel
3. Massa de ar consumida
4. Eficincia volumtrica
kWPb 180=
hkgBSCFPm bf 0,4525,0180 ===&
s
gs
hkg
ghkg
FA
mm fa 37536001
1100013503045 ===
= &&
62,116,124001003,0
135003,0
=
=
==
aee
a
at
av ND
m
m
me
&
&
&
-
Soluo5. Usando a equao 8.7 (passo 4 do dimensionamento de turbo),
admitindo ec=0,7
Entrando no mapa do compressor com ma=375 g/s, kpc = 2,2 encontra-se ec=0,77. Retornando na equao 8,7 com ec =0,77, obtm-se kpc=2,11. Buscando no mapa um ponto ma=375 g/s, kpc = 2,11 encontra-se ec=0,77. Portanto, a resposta estcompatvel e o ponto de funcionamento do compressor foiencontrado. A rotao de trabalho nesse ponto de aproximadamente 47000 rpm. Assumindo p1 = 100 kPa, tem-se
170,070,0
62,11 286,0286,0 +
===
+
pc
pcv
pcc
cpc
kk
eke
ek 2,2=pck
kPapkp pc 21110011,212 ===
kPappboost 11110021112 ===
-
Soluo6. Seleo da turbina. A rotao da turbina tal que:
O fluxo de massa na turbina :
Entrando no mapa de desempenho da turbina obtm-se et = 0,67 e kpt = 2,46. Usando a equao 8.9 para determinar os valorescaractersticos assumindo em = 0,98 e T3/T1=3 tem-se
Usando valores tpicos de Cpc, Cpt e k obtm-se o seguinte valor caracterstico requerido
rpmNN tc 47000==
s
gh
kgAF
mm at 4691688301113501 ==
+=
+= &&
57,1398,067,077,030111
1
3=
+=
+=
TT
eeeAF
mtcdisponvel
12,146,21
111,2186,1107,1
11
245.0
286,0286,0
=
=
=u
pt
pc
pt
pcrequerido k
kCC
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Soluo Como
A turbina acionar facilmente o compressor, na realidadea rotao de trabalho do sistema ser superior a 47000 rpm, aumentando-se o boost at que o equilbrio entre o disponvel se iguale ao requerido. Na realidade, a turbina emquesto no a ideal para acionar esse compressor. Uma turbina que trabalhe a 47000 rpm com um kpt emtorno de 2,46 e um fluxo de ar de 469 g/s maisrecomendvel.
requeridodisponvel >>
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Soluo A temperatura de entrada no cilindro do motor
ser de:
Assim, assumindo T1 = 293 K (20o C), a temperatura de entrada no motor ser de 384 K (111o C). Se essa temperatura for diminuda(usando um intercooler), aumenta-se a vida tildo motor e a eficincia volumtrica
31,177,0
111,211
1286,0286,0
1
2=
+=
+=c
pc
e
kTT
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Operao do turboalimentador
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Operao A lubrificao crtica na vida de um turboalimentador,
de partida no motor e permita que o mesmo trabalhesem carga por um tempo para assegurar que osmancais esto adequadamente lubrificados.
Um atraso na resposta do turboalimentador ocorrequando a alimentao de combustvel aumentadarapidamente. Existe um pequeno perodo de tempo emque o turboalimentar falha em extrair a quantidadesuficiente de energia para suplir o ar necess rio (paraatingir a relao A/F ideal) isso resulta em gerao de fumaa preta (combustvel no queimado).
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Compensao com relao altitude
Quando os motores so utilizados em elevadas altitudes o ar e menos denso, e portanto, o motores naturalmenteaspirado produzem menos potncia e precisam ter suacondio nominal redefinida nesses casos.
Os turboalimentadores tendem a compensar essamenor densidade do ar uma vez que aumenta-se a diferena de presso na turbina (a rotao de trabalhoda turbina aumenta) forando o compressor a movimentar mais ar para o motor assim, essa reduona potncia nominal do motor no se faz necessria.
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Intercoolers
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Intercoolers Os intercoolers resfriam o ar entre o compressor e a
entrada do motor (reduo de 15 a 20o).
Os intercoolers podem ser do tipo ar-ar ou ar-gua.
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Resfriamento
Aproximadamente a reduo de temperatura no intercooler pode ser obtida por,
Em que mai o fluxo de massa de ar do motor quepassa pelo intercooler e ms o fluxo de massa do ar de resfriamento.
aiai
pss
s
ai
CmCm
TT
&
&=
-
Resfriamento
A eficincia volumtrica de um motor com turboalimentador e intercooler pode ser estimadapor,
Em que T2i a temperatura aps o intercooler.
ipcv T
TTT
e2
2
2
1
=
-
Variao da temperatura em um intercooler ar-ar
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Famlia de motores
-
Perguntas ???