Defina o que seria a pressão média em um motor de combustão interna, eficiência térmica, mecânica e global.
Passo 1
O que o enunciado pede: definir os seguintes termos relacionados a motor de combustão interna:
- Pressão média (mean effective pressure).
- Eficiência térmica.
- Eficiência mecânica.
- Eficiência global (ou eficiência geral).
Informações relevantes que eu tenho (implícitas no pedido):
- Não foram fornecidos números nem figura — vou explicar conceitos, fórmulas e como calcular cada grandeza a partir das variáveis típicas de motor (torque, deslocamento, potência, consumo de combustível, poder calorífico).
- Vou mostrar também relações úteis entre essas grandezas e exemplos numéricos curtos para fixar a ideia.
Passo 2
Definição intuitiva da pressão média (ideia física)
- A pressão média é uma pressão fictícia, constante e uniforme que, ao atuar sobre o pistão durante o ciclo, produziria o mesmo trabalho útil que o ciclo real. É uma maneira prática de transformar o trabalho por ciclo em uma pressão característica do motor.
Definição matemática básica
- Se
é o trabalho útil (ou indicado) por ciclo do motor e é o volume volumétrico deslocado total do motor (deslocamento total), então a pressão média é definida por:
Expliquei as variáveis:
-
: trabalho total realizado por todos os cilindros durante um ciclo completo (J). -
: deslocamento volumétrico total do motor, soma dos volumes varridos por todos os cilindros entre PMS e PMI (m³). -
: tem unidade de pressão (Pa = N/m²).
Passo 3
Variedades importantes: IMEP, BMEP, FMEP
- Indicated mean effective pressure (IMEP): pressão média referente ao trabalho indicado (trabalho gasoso dentro do cilindro, antes das perdas mecânicas). Fórmula:
- Brake mean effective pressure (BMEP): pressão média referente ao trabalho disponível no eixo (brake), ou seja, após perdas por atrito e acessórios:
- Friction mean effective pressure (FMEP): diferença entre IMEP e BMEP, mede perdas mecânicas internas:
Observação sobre sinais: todas são normalmente positivas; FMEP representa “pressão perdida” convertida em trabalho de atrito.
Passo 4
Relação prática entre pressão média e torque (fórmula útil para provas)
- Potência de freio (shaft power) é
, onde é o torque (N·m) e é a velocidade angular (rad/s). - Para motores de 4 tempos a relação bem utilizada entre BMEP, torque
e deslocamento total é:
Explicação rápida da origem (não precisa decorar sem entender):
- Um “ciclo” do motor de 4 tempos corresponde a duas rotações do virabrequim, e a potência é trabalho por ciclo vezes número de ciclos por segundo. Igualando
(com = revoluções por segundo) e obtém-se a fórmula acima. - Para motores 2-tempos a constante muda e a fórmula fica
— fico só atento ao tipo de motor.
Exemplo rápido (para fixar): suponha
e
(motor 4T).
Interpretação: uma pressão média na ordem de MPa é comum em motores potentes.
Passo 5
Definição de eficiência térmica (o que ela mede e fórmulas)
- Intuição: mede que fração do calor liberado pela queima do combustível foi convertida em trabalho útil (antes das perdas mecânicas, se for indicada) ou em potência no eixo (se for “brake”).
- Definição geral por unidade de tempo (rápida e prática para motor):
onde:
-
é a potência útil considerada (pode ser a potência indicada ou a potência de freio , depende do contexto), -
é a taxa de energia contida no combustível (kg/s × J/kg). - Em muitos textos distingue-se:
- eficiência térmica indicada:
; - eficiência térmica de freio (ou global, veja passo 7):
.
- eficiência térmica indicada:
Exemplo numérico didático:
- Suponha
, (isto é explicado no próximo passo). Então potência indicada . - Suponha consumo de combustível
e . - Energia por segundo do combustível:
. - Eficiência térmica indicada:
Passo 6
Definição de eficiência mecânica (o que ela mede e fórmulas)
- Intuição: mede as perdas mecânicas do motor (atrito, bombas, acessórios). É a razão entre a potência no eixo (freio) e a potência indicada no cilindro:
- Em termos de pressões médias:
- Já falei da FMEP antes; ela é relacionada:
. Quanto maior a FMEP, menor a eficiência mecânica.
Exemplo numérico (continuando o anterior):
Passo 7
Definição de eficiência global (ou eficiência geral / de combustível) e relação entre eficiências
- Intuição: é a eficiência “da bomba para frente”: fração do conteúdo energético do combustível que chega como potência útil no eixo. É a medida prática de quão bem o motor converte energia química do combustível em potência no eixo.
- Fórmula direta:
- Relação com as outras eficiências:
isto é, a eficiência térmica indicada vezes a eficiência mecânica dá a eficiência global (se você usou potência indicada para
). Em palavras: primeiro se perde energia na termodinâmica do ciclo (limita
), depois se perde parte disso em atrito (limita
).
Exemplo com nossos números:
E de fato
.
Passo 8
Resumo prático para a prova — passo a passo do que fazer se derem dados
- Se dão torque
e deslocamento de um motor 4T: calcule . - Se têm trabalho por ciclo
: calcule . - Se têm potência e consumo de combustível
: - calcule
; - calcule
.
- calcule
- Para eficiência mecânica:
. - Use
para checar consistência dos resultados.
Resposta
Pressão média:
. (IMEP e BMEP representam a pressão média indicada e a pressão média de freio; FMEP = IMEP - BMEP.)\n
Eficiência térmica: .\n
Eficiência mecânica: .\n
Eficiência global: .
Eficiência térmica:
Eficiência mecânica:
Eficiência global: