Parâmetros de Desempenho de Motores a Pistão

O desempenho termodinâmico de um motor a pistão pode ser caracterizado através de parâmetros geométricos do motor e parâmetros termodinâmicos. Dentre os parâmetros geométricos, tem-se a razão da compressão no cilindro do motor e o volume deslocado pelo motor. Já os parâmetros termodinâmicos têm-se as taxas de energia geradas dentro do motor, chamadas de potências do motor, as eficiências térmica e propulsiva, o consumo de combustível e o consumo específico de combustível.

Razão de Compressão

A razão de compressão (RC) é a razão entre o volume total do cilindro com o pistão no PMI e o volume livre do cilindro com o pistão em PMS.

Volume Deslocado

O volume deslocado no cilindro ocorre no movimento do pistão de PMS até PMI. Esse volume depende do curso do pistão, da distância linear da linha do PMS até o PMI e do diâmetro da cabeça do pistão.

Potências de Motores a Pistão

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 da energia térmica de combustão, que é convertida em trabalho para o pistão, 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 excêntrico da biela com o eixo de manivelas.

As quantidades de energia por tempo que caracterizam o ciclo de funcionamento são chamadas de potência motor. Elas são divididas em potências teórica, indicada, efetiva, de eixo e real.

O terceiro tempo é chamado de combustão. Os gases de combustão são expandidos dentro do cilindro do motor, forçando o pistão a ter um movimento descendente.

A energia de combustão aumenta de forma progressiva no cilindro e o movimento descendente do pistão causa aumento progressivo do volume dentro do cilindro. Esse efeito conjugado de aumento de pressão e volume dentro do cilindro gera energia rotacional, na forma de torque, sobre o eixo de manivelas.

Potência Teórica

A potência teórica é a potência do motor estimada pelo ciclo termodinâmico ideal, através da taxa de energia liberada pela combustão completa do combustível em condições ideais no cilindro.

Essa potência é calculada pelo produto entre o consumo de combustível C(kg/s) e o poder calorífico Hf(KJ/Kg).

Potência Indicada

A potência indicada 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 principais causas da perda térmica são o processo real de combustão incompleta e as perdas de calor na compressão e na expansão. Isso ocorre devido a processos reais serem não adiabáticos.

Essa potência pode ser calculada como uma parcela da potência teórica, introduzindo uma eficiência térmica

Potência Efetiva

A potência efetiva 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 acionamento de acessórios do motor.

Essa potência também é chamada de Potência de Freio, pois pode ser obtida experimentalmente em dinamômetros. Ela é calculada a partir da eficiência mecânica nM.

Potência de Eixo

A potência de eixo, no caso de motores a hélice, é a potência entregue pelo 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.

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 da hélice é a própria efetiva do motor.

No caso de motores turbo hélices, o acionamento da hélice, geralmente, é realizado através de um sistema de transmissão, baseado em redutores de velocidade de rotação.

A potência de eixo é calculada considerando a eficiência da transmissão de potência nS.

No caso de motores a pistão, a potência de eixo é a parcela da potência efetiva do motor. Se não há transmissão, então nS = 1.

Potência Real

A potência real, 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 grupo moto-propulsor, formado pelo conjunto motor + hélice.

A potência real no grupo moto-propulsor é calculada como a parcela da potência de eixo do motor, através da eficiência aerodinâmica da hélice nH.

Outra maneira de calcular a potência real é através do produto da força propulsiva(T), gerada pelo elemento propulsivo da hélice, e a velocidade de voo da aeronave V0.

Eficiência Térmica de Motores a Pistão

A eficiência térmica do ciclo de motores a pistão corresponde a razão entre a quantidade de energia útil aproveitada no ciclo e a quantidade de energia introduzida no ciclo, na forma de calor de combustão.

A taxa de Energia Útil corresponde à 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 por:

Eficiência Propulsiva de Motores a Hélice

A eficiência propulsiva de motores a hélice, como nos motores baseados 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 do grupo moto-propulsor da hélice, a taxa de energia entregue ao escoamento de ar corresponde a potência real(TEP) e a taxa de energia útil no ciclo corresponde à potência indicada(GEP). Dessa forma, a eficiência propulsiva para motores a hélice é expressa por:

Um ponto importante é que a eficiência propulsiva não é igual a eficiência aerodinâmica da hélice. Para mostrar isso, basta escrever a eficiência propulsiva da forma:

Da fórmula, vemos que a eficiência propulsiva será igual a eficiência aerodinâmica somente se as eficiências mecânica e de transmissão forem unitárias.

Consumo de Combustível

O consumo de combustível corresponde a quantidade de combustível introduzida no motor por unidade de tempo, podendo ser apresentando tanto por base mássica quanto por base volumétrica.

Na base mássica, o consumo de combustível corresponde a massa de combustível MF consumida por tempo de operação t, apresentado pela notação C.

Na base volumétrica, o consumo de combustível corresponde ao volume de combustível consumido por tempo de operação, apresentado pela notação E.

Consumo Específico de Combustível

O consumo específico de combustível, na base mássica, corresponde a razão entre o consumo de combustível mássico e a potência de eixo.

O consumo específico de combustível, na base volumétrica, corresponde à razão entre o consumo de combustível volumétrico e a potência de eixo.

Desempenho Global de Motores a Pistão

Potência Máxima

É a potência efetiva máxima que o grupo motor do pistão pode desenvolver em uma dada condição atmosférica. Pode ser utilizada somente em intervalos pequenos de tempo sob pena de danificar o motor.

Potência Máxima Contínua

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

É a potência efetiva do motor necessário para manter a aeronave em voo de cruzeiro. Essa potência, geralmente, é apresentada na forma de tabela e gráficos para cada condição de voo, em função do peso da aeronave, velocidade de cruzeiro, aceleração do motor e altitude.