SISTEMAS DE ADMISSO E EXAUSTO DOS MOTORES DE

COMBUSTO INTERNA

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.

Filtro de Ar a Seco

Indicao da condio de serviodo filtro

Entrada de ar num motor de ignio por compresso

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.

Silencioso (Mufflers) Direto Dimetro externo = trs vezes o dimetro

do duto interno Preenchimento do espao interno com

material resistente ao calor e absorvedorde rudo

Silencioso (Mufflers) Indireto Os canais de passagem dos gases de

exausto num silencioso de fluxo reversoprovocam a mudana de direo do fluxovrias vezes

Tipos de Silenciosos (Mufflers)

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

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).

Diagrama de um turbocompressor

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=&

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

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.

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

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

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.

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

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.

Valores Caractersticos de

Faixadesejada de operao

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.

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

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 >>

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

Operao do turboalimentador

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).

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.

Intercoolers

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.

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

Famlia de motores

Perguntas ???