propulsão aeronáutica agosto-2014 parâmetros de desempenho de motores a pistão razão de...

Propulsão AeronáuticaAgosto-2014

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



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;



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

L

DL

V

VVRC

L

D

V

V1RC

VL

VD

VL

Razão de Compressão de Motores a Pistão



● RC ~ razão de compressão [-]

L

D

L

DL

V

V1

V

VVRC

● VD ~ volume deslocado no cilindro [m3]

● L ~ curso do pistão (stroke) [m]

● B ~ diâmetro do pistão (bore) [m]

L4

B πV

2

D

Razão de Compressão de Motores a Pistão



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.



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;

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.




válvula de admissão

válvula de escapamento

tempo do ciclo




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

HF, em kJ/kg, sendo expressa na unidade de kW;

FΔHCCEP

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 T para levar em considerações as

perdas térmicas do ciclo termodinâmico;




FTT ΔHC CEPGEP

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:

NQGEP 60

2




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 M:

CEPGEPBEP TMM




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 S;




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 S para levar em considerações as perdas na transmissão:

CEPGEPBEPSEP TMSMSS

CEPGEPBEPSEP TMM

motores com transmissão

motores sem transmissão




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;




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 H:

CEPGEPBEPSEPTEP TMSHMSHSHH

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:

SEPVTTEP H 0




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;

Considerações a Respeito das Potências de Motores a Pistão



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:



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:

Eficiência Propulsiva de Motores a Hélice



A eficiência propulsiva NÃO é igual a eficiência aerodinâmica da hélice;

Matematicamente, a eficiência propulsiva P 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;

Eficiência Propulsiva de Motores a Hélice



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;

Consumo de Combustível de Motores a Pistão

t

MC F

t

MC F 3600

em unidade kg/s

em unidade kg/h



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 F, unidade kg/L, a

qual depende do tipo de combustível utilizado;

t

MCE F

FF 1

t

ME F

F3600

em unidade L/s

em unidade L/h



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):

SEP

CSFC

Consumo Específico de Combustível de Motores a Pistão

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):

BEP

C

SEP

ESFC

F1000



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;



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;

Desempenho Global de Motores a Pistão



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.

Exercício de Seleção de Motor a Pistão Quatro Tempos

propulsão aeronáutica agosto-2014 parâmetros de desempenho de motores a pistão razão de...

Documents