Tópicos:
- Comparação do processo de trabalho teórico e real
- Diagrama indicador
- Progressão da pressão durante o processo de quatro tempos de um motor a gasolina
- Progressão de pressão durante o processo de quatro tempos de um motor diesel
- Variação de pressão durante diversas condições de operação
- Perda de fluxo
- Influência do ponto de ignição no diagrama indicador
- Desenvolvimento de pressão no diagrama p-α
- Pressão máxima do gás
- Pressão média do gás
Comparação do processo de trabalho teórico e real:
No processo de trabalho de um motor a gasolina ou diesel estamos perante um diagrama PV (P = pressão, V = volume) que indica a relação entre a pressão e o volume no processo a quatro tempos. Mais informações sobre isso podem ser encontradas na página: Processo Seiliger.
O processo do ciclo teórico ocorre em um motor ideal, no qual não há presença de gases residuais ou perdas. Na realidade, o processo de trabalho teórico difere do processo de trabalho real devido aos seguintes desvios:
- o cilindro contém não apenas carga nova, mas também gás residual do ciclo de trabalho anterior;
- combustão incompleta do combustível;
- a combustão não ocorre exatamente em igual volume ou pressão;
- troca de calor entre o gás e a parede do cilindro;
- ocorrem perdas de fluxo durante a mudança de trabalho;
- sempre há vazamento (mínimo) de gás ao longo dos anéis do pistão;
- o calor específico muda com a pressão e a temperatura, o que afeta a combustão.
O curso do processo de trabalho real é registrado com o diagrama de indicadores.
Diagrama indicador:
O diagrama indicador mostra a pressão do gás no cilindro (acima do pistão) durante duas rotações do virabrequim. O diagrama foi determinado durante uma medição de pressão realizada no cilindro.
O diagrama indicador mostrado é de um motor a gasolina. A linha vermelha indica a variação da pressão em relação ao curso do pistão. Durante uma medição real, um valor é obtido em p Max. Veremos isso mais tarde. Abaixo do diagrama está um cilindro com um pistão dentro. As letras Vs e Vc indicam o volume sistólico e o volume de compressão.
A seguir está uma lista de abreviações usadas na figura:
- p0: pressão atmosférica do ar;
- pmáx: pressão máxima no cilindro;
- S: curso do pistão;
- Vs: volume sistólico;
- Vc: volume de compressão;
- W: trabalhista (+ positivo e – negativo);
- Ign: momento de ignição;
- Io: válvula de entrada abre;
- Nós: a válvula de escape fecha;
- É: a válvula de admissão fecha;
- Uo: válvula de escape abre
Progressão da pressão durante o processo de quatro tempos de um motor a gasolina:
Podemos visualizar o diagrama do indicador em quatro situações diferentes:
- Curso de admissão: o pistão se move de TDC para TDC e suga o ar. O volume aumenta porque o espaço acima do pistão aumenta.
A pressão permanece constante*. A linha vermelha no diagrama do indicador vai de a naar b; - Curso de compressão: o pistão sobe e comprime o ar. O volume de ar diminui enquanto a pressão aumenta. A linha vermelha mostra isso entre os pontos b en c. A ignição ocorre no final do curso de compressão;
- Curso de potência: Depois que a vela acende, leva algum tempo para que a mistura queime completamente. Vemos esse processo entre os pontos c en d. A força liberada pela ignição empurra o pistão para baixo. O volume aumenta e a pressão diminui. Vemos isso entre as letras d en e;
- Curso de escape: A válvula de escape abre e o pistão empurra os gases de escape para fora. O volume diminui, a pressão permanece constante (e naar a).
Os fabricantes de veículos híbridos estão cada vez mais adaptando-o atualmente Princípio de Atkinson-Miller para reduzir a resistência mecânica durante o curso de compressão. Isto se reflete na linha ascendente do curso de compressão no diagrama indicador.
*Na explicação falamos sobre pressão igual durante o curso de admissão. Isto está parcialmente correto. Durante o curso de admissão, a aceleração do pistão é máxima em aproximadamente 60 graus após o PMS. O ar que entra não pode seguir o pistão. Nesse momento é criada a pressão negativa máxima de aproximadamente -0,2 bar. A pressão do cilindro aumenta novamente. A inércia da massa do ar que entra garante que o ar ainda flua para dentro do cilindro enquanto o pistão se move para cima novamente. A magnitude da subpressão depende da posição da válvula borboleta e da velocidade. Uma válvula borboleta ainda fechada proporciona maior vácuo a uma velocidade constante do motor. Negligenciamos o aumento da subpressão durante a aceleração máxima do pistão no texto e nas imagens acima.
Progressão da pressão durante o processo de quatro tempos de um motor diesel:
Aqui vemos um diagrama indicador de um motor diesel.
- curso de admissão: o pistão se move de PMS para PMS e suga o ar (se o motor estiver sobrealimentado);
- curso de compressão: o pistão se move em direção ao ODP. O ar é comprimido e a temperatura sobe para mais de 100 graus Celsius devido ao aumento da pressão. No final do curso de compressão o óleo diesel é injetado. A injeção de combustível começa 5 a 10 graus antes do TDC e termina entre 10 e 15 graus após o TDC;
- curso de potência: como o óleo diesel é injetado no final do curso de compressão, ele começa a queimar enquanto a pressão permanece constante. A pressão na parte (quase) horizontal permanece constante, enquanto o volume aumenta.
No curso de potência vemos a dissipação de calor isobárica do processo do ciclo teórico.
Tal como acontece com o motor a gasolina, vemos que a válvula de escape abre antes que o pistão atinja o PMS. A sobreposição da válvula também ocorre porque a válvula de admissão abre antes do fechamento da válvula de escape.
Variação de pressão durante diversas condições de operação:
Além das propriedades do motor que determinam o diagrama indicador, as condições de operação (leia-se: carga do motor) também influenciam isso. A alta pressão acima do pistão nem sempre está presente ou é necessária.
Os três diagramas indicadores abaixo mostram a variação da pressão em relação aos graus do virabrequim. Os diagramas foram registrados nas seguintes condições:
- carga parcial: 3/4 carga em n = 4200 rpm;
- carga total: em n = 2500 rpm;
- frenagem do motor: em n = 6000 rpm com a válvula borboleta fechada.
Vemos diferenças na pressão máxima do gás no cilindro entre carga parcial e carga total. Durante a “frenagem do motor”, a válvula borboleta é fechada e há um alto vácuo no trato de admissão e no cilindro. Devido a esta pressão negativa, a pressão de compressão não é superior a 3 a 4 bar.
Perda de fluxo:
Durante o curso de admissão, é criado um vácuo no cilindro. Inspirar ar custa energia. Também vemos isso no diagrama do indicador. Entre os pontos aeb a linha vermelha cai abaixo de p0 (a pressão atmosférica externa). Existe um vácuo abaixo desta linha pontilhada (área -W). Chamamos isso de perdas de fluxo ou perdas de descarga.
O trabalho negativo (-W) custa energia e é, portanto, indesejável. Enxaguar exige trabalho. A pressão de saída é maior que a pressão de entrada. O circuito de lavagem é no sentido anti-horário em motores autoescorvantes.
Os fabricantes aplicam técnicas para limitar as perdas de fluxo:
- temporização de válvula variável;
- abertura rápida e grande da válvula;
- dimensionamento ideal dos canais de entrada;
- curso suave dos canais no trato de admissão (evitando transições bruscas);
- sobrealimentação (por meio de turbo e/ou compressor mecânico).
Os motores equipados com sobrealimentação apresentam menos ou nenhuma tendência negativa no diagrama indicador. O loop da bobina funciona no sentido horário e agora produz trabalho. A pressão de reforço ajuda a empurrar o pistão para baixo (do TDC ao ODP) durante o curso de admissão. O trabalho necessário do compressor é extraído dos gases de escape, porque a roda do compressor do turbo é acionada pela roda da turbina. Isto significa que os motores sobrealimentados são muito mais eficientes nas mesmas condições em comparação com os motores autoaspirados.
Influência do ponto de ignição no diagrama indicador:
Para alcançar o menor consumo de combustível possível e a alta eficiência, é importante alcançar o seguinte:
- um curto tempo de combustão, portanto uma alta velocidade de combustão. Isto tem a ver com a composição da mistura;
- faseamento correto da combustão em relação ao movimento do pistão. Isso está diretamente relacionado ao ponto de ignição. O centro de gravidade da combustão deve estar aproximadamente 5 a 10 graus do virabrequim após o PMS. O centro de gravidade é a liberação de calor que ocorre durante a combustão.
Tanto o ponto de ignição muito cedo quanto muito tarde levam ao aumento da liberação de calor através da parede do cilindro e, portanto, a uma redução na qualidade.
- Ignição muito precoce: a pressão aumenta muito cedo porque a combustão começa cedo durante o curso de compressão. O pistão é fortemente freado antes do PMS pela pressão de combustão. A ignição muito precoce leva a pressões superiores elevadas, resultando numa redução da eficiência mecânica e no risco de defeitos do motor.
- Ignição muito baixa: a combustão é iniciada tarde demais. O pistão já está se movendo em direção ao ODP, fazendo com que a pressão no espaço em expansão se torne insuficientemente alta. Os gases ainda em chamas também passaram pelas válvulas de escape. Como resultado, a temperatura sobe muito. Uma mistura pobre dá o mesmo resultado: o gás queima muito lentamente. Se a mistura for muito pobre, o gás ainda queimará no início do curso de admissão. Por esta razão, o tiro pode ocorrer pela culatra em motores com carburador.
Um moderno sistema de gerenciamento do motor determina o ponto de ignição correto a partir de seus parâmetros: em todas as circunstâncias, o ponto de ignição deve estar o mais próximo possível do limite de detonação.
Desenvolvimento de pressão no diagrama p-α:
O diagrama indicador pode ser convertido no diagrama de força tangencial. Isto mostra a força tangencial em função do ângulo da manivela (alfa). Transformamos o diagrama indicador em um diagrama no qual a pressão (p) é representada em função do ângulo (α): o diagrama p-α.
Na imagem a seguir vemos o perfil de pressão no cilindro durante plena carga.
Os pontos azuis indicam, como na seção “diagrama indicador”, a que horas as válvulas abrem e fecham:
- Abrindo (Io) e fechando (Is) válvulas de entrada
- As válvulas de escape abrem (Uo) e fecham (Us).
Além disso, podemos ver pelos graus do virabrequim em que curso o motor está trabalhando:
- 0 graus: TDC (fim do curso de escape, início do curso de admissão)
- 180 graus: ODP (fim do curso de admissão, início do curso de compressão)
- 360 graus: TDC (fim do curso de compressão, início do curso de potência)
- 540 graus: ODP (fim do curso de potência, início do curso de exaustão)
Pressão máxima do gás:
O pico de pressão do gás é mais alto durante o curso de potência. O nível de pressão depende da carga do motor: quando o motor fornece muita potência, a pressão de combustão será maior do que em carga parcial.
As quatro imagens abaixo mostram isso: a abertura do acelerador TP (Throttle Position) dá uma indicação de até que ponto o motor está carregado em relação à rotação do virabrequim CA (Crank Angle). Num motor a gasolina médio, é criada uma pressão de, em média, 4000 kPa durante a combustão em carga parcial e, neste caso, cerca de 5000 kPa em plena carga. Em motores com injeção em camadas, ajuste da árvore de cames e elevação variável das válvulas, a pressão pode subir acima de 6000 kPa.
Pressão média do gás:
Durante o processo de trabalho, a pressão no cilindro varia enormemente. Durante o curso de admissão há vácuo (se um turbo de gás de escape fornecer aumento da pressão do ar de admissão) e após o curso de compressão há um pico de pressão. Quanto maior o pico de pressão do gás, mais potente será a combustão.
Para determinar a pressão média do processo de combustão, podemos dividir o diagrama indicador em pequenos retângulos de larguras iguais. A imagem a seguir mostra retângulos azuis e verdes. Calculando a área dos retângulos azuis podemos calcular a pressão positiva. Em seguida, subtraímos disso a área dos triângulos verdes. Ficamos então com a pressão média do pistão.
Com a pressão média do pistão podemos determinar, entre outras coisas, a potência indicada e efetiva do motor. Visite a página: ativos, perdas e retornos para ler mais sobre isso.
Na imagem vemos que a linha vermelha fica fora dos retângulos azuis: se diminuíssemos a largura de cada retângulo e pudéssemos, portanto, colocar mais retângulos próximos uns dos outros, obteríamos cada vez menos desvio. Podemos aplicar isso ad infinitum. É claro que, na realidade, não vamos fazer isso. Ao aplicar funções matemáticas podemos determinar a superfície matematicamente. Fazemos isso com integrar.
