Todos os motores de aeronaves são classificados de acordo com sua capacidade de realizar trabalho e produzir energia. Esta seção apresenta uma explicação sobre trabalho e potência e como eles são calculados. Também são discutidas as várias eficiências que governam a potência de um motor alternativo.
Trabalhar
Um físico define trabalho como força vezes distância. O trabalho realizado por uma força que atua sobre um corpo é igual ao módulo da força multiplicado pela distância pela qual a força atua. Trabalho (W) = Força (F) × Distância (D).
O trabalho é medido por vários padrões. A unidade mais comum é chamada pé-libra (ft-lb). Se uma massa de uma libra é elevada em um pé, um pé-lb de trabalho foi realizado. Quanto maior a massa e/ou quanto maior a distância, maior o trabalho realizado.
Potência
A unidade comum de potência mecânica é a potência (hp). No final do século 18, James Watt, o inventor da máquina a vapor, descobriu que um cavalo de batalha inglês poderia trabalhar a uma taxa de 550 pés-lb por segundo, ou 33.000 pés-lb por minuto, por um período de tempo razoável. De suas observações veio a unidade de cavalo-vapor, que é a unidade padrão de potência mecânica no sistema de medida inglês. Para calcular a potência nominal de um motor, divida a potência desenvolvida em ft-lb por minuto por 33.000, ou a potência em ft-lb por segundo por 550. Um hp = ft-lb por min / 33.000 ou Um hp = ft- lb por segundo / 550
Como dito acima, o trabalho é o produto da força pela distância, e a potência é o trabalho por unidade de tempo. Conseqüentemente, se um peso de 33.000 lb é levantado por uma distância vertical de 1 pé em 1 minuto, a potência gasta é de 33.000 ft-lb por minuto, ou exatamente 1 hp.
O trabalho é realizado não apenas quando uma força é aplicada para levantar; força pode ser aplicada em qualquer direção. Se um peso de 100 lb é arrastado ao longo do solo, uma força ainda está sendo aplicada para realizar o trabalho, embora a direção do movimento resultante seja aproximadamente horizontal. A quantidade desta força dependeria da rugosidade do terreno.
Se o peso fosse preso a uma balança de mola graduada em libras, depois arrastada puxando a alça da balança, a quantidade de força necessária poderia ser medida. Suponha que a força necessária seja de 90 lb e que o peso de 100 lb seja arrastado 660 pés em 2 minutos. A quantidade de trabalho realizado nos 2 minutos é de 59.400 pés-lb ou 29.700 pés-lb por minuto. Como 1 hp é 33.000 pés-lb por minuto, o hp gasto neste caso é 29.700 dividido por 33.000, ou 0,9 hp.
Deslocamento do pistão
Quando outros fatores permanecem iguais, quanto maior o deslocamento do pistão, maior a potência máxima que um motor é capaz de desenvolver. Quando um pistão se move de BDC para TDC, ele desloca um volume específico. O volume deslocado pelo pistão é conhecido como deslocamento do pistão e é expresso em polegadas cúbicas para a maioria dos motores fabricados nos Estados Unidos e centímetros cúbicos para outros.
O deslocamento do pistão de um cilindro pode ser obtido multiplicando a área da seção transversal do cilindro pela distância total que o pistão se move no cilindro em um curso. Para motores multicilindros, este produto é multiplicado pelo número de cilindros para obter o deslocamento total do pistão do motor.
Como o volume (V) de um cilindro geométrico é igual à área (A) da base multiplicada pela altura (h), ele é expresso matematicamente como: V = A × h. A área da base é a área da seção transversal do cilindro.
Área de um círculo
Para encontrar a área de um círculo, é necessário usar um número chamado pi (π). Este número representa a razão entre a circunferência e o diâmetro de qualquer círculo. Pi não pode ser declarado exatamente porque é um decimal sem fim. É 3,1416 expresso com quatro casas decimais, o que é preciso o suficiente para a maioria dos cálculos.
A área de um círculo, como em um retângulo ou triângulo, deve ser expressa em unidades quadradas. A distância que é a metade do diâmetro de um círculo é conhecida como raio. A área de qualquer círculo é encontrada elevando o raio (r) ao quadrado e multiplicando por π. A fórmula é: A = πr2. O raio de um círculo é igual a ½ do diâmetro: r = d /2.
Taxa de compressão
Todos os motores de combustão interna devem comprimir a mistura ar/combustível para receber uma quantidade razoável de trabalho de cada curso de potência. A carga de combustível/ar no cilindro pode ser comparada a uma mola helicoidal, pois quanto mais comprimida, mais trabalho é potencialmente capaz de realizar.
A taxa de compressão de um motor é uma comparação do volume do espaço em um cilindro quando o pistão está na parte inferior do curso com o volume do espaço quando o pistão está no topo do curso. Esta comparação é expressa como uma razão, daí o termo razão de compressão. A taxa de compressão é um fator de controle na potência máxima desenvolvida por um motor, mas é limitada pelos tipos de combustível atuais e pelas altas velocidades do motor e pressões de admissão necessárias para a decolagem. Por exemplo, se houver 140 polegadas cúbicas de espaço no cilindro quando o pistão estiver na parte inferior e houver 20 polegadas cúbicas de espaço quando o pistão estiver no topo do curso, a taxa de compressão será de 140 a 20. essa proporção é expressa em forma de fração, seria 140/20 ou 7 para 1, geralmente representada como 7:1.
As limitações impostas às taxas de compressão, pressão do coletor e o efeito da pressão do coletor nas pressões de compressão têm um efeito importante na operação do motor. A pressão do coletor é a pressão absoluta média do ar ou da carga de combustível/ar no coletor de admissão e é medida em unidades de polegadas de mercúrio ("Hg). A pressão do coletor depende da velocidade do motor (ajuste do acelerador) e do grau de sobrealimentação. A operação do supercharger aumenta o peso da carga que entra no cilindro. Quando um supercharger verdadeiro é usado com o motor da aeronave, a pressão do coletor pode ser consideravelmente maior do que a pressão da atmosfera externa. A vantagem desta condição é que uma quantidade maior de carga é forçada em um determinado volume de cilindro, e uma maior produção de cavalos de potência resulta.
A razão de compressão e a pressão do coletor determinam a pressão no cilindro naquela parte do ciclo de operação quando ambas as válvulas estão fechadas. A pressão da carga antes da compressão é determinada pela pressão do coletor, enquanto a pressão na altura da compressão (logo antes da ignição) é determinada pela pressão do coletor vezes a taxa de compressão. Por exemplo, se um motor estivesse operando a uma pressão de admissão de 30 "Hg com uma taxa de compressão de 7:1, a pressão no instante anterior à ignição seria de aproximadamente 210 "Hg. No entanto, a uma pressão múltipla de 60 "Hg, a pressão seria de 420" Hg.
Sem entrar em grandes detalhes, foi demonstrado que o evento de compressão aumenta o efeito da variação da pressão do coletor, e a magnitude de ambos afeta a pressão da carga de combustível imediatamente antes do instante da ignição. Se a pressão neste momento ficar muito alta, ocorre pré-ignição ou detonação e produz superaquecimento. A pré-ignição é quando a carga de ar combustível começa a queimar antes que a vela de ignição acenda. A detonação ocorre quando a carga de ar do combustível é inflamada pela vela de ignição, mas em vez de queimar a uma taxa controlada, ela explode, fazendo com que as temperaturas e as pressões do cilindro aumentem muito rapidamente. Se esta condição persistir por muito tempo, o motor pode ser danificado ou destruído.
Potência indicada
A potência indicada produzida por um motor é a potência calculada a partir da pressão efetiva média indicada e dos outros fatores que afetam a potência de um motor. A potência indicada é a potência desenvolvida nas câmaras de combustão sem referência às perdas por atrito dentro do motor. Esta potência é calculada em função da pressão real do cilindro registrada durante a operação do motor.
Para facilitar os cálculos da potência indicada, um dispositivo indicador mecânico, como o que está acoplado ao cilindro do motor, capta a pressão real existente no cilindro durante todo o ciclo de operação. Esta variação de pressão pode ser representada pelo tipo de gráfico mostrado na Figura. Observe que a pressão do cilindro aumenta no curso de compressão, atinge um pico após o centro superior e diminui à medida que o pistão se move para baixo no curso de força. Como a pressão do cilindro varia durante o ciclo de operação, uma pressão média (linha AB) é calculada. Esta pressão média, se aplicada de forma constante durante o tempo do curso de força, faria a mesma quantidade de trabalho que a pressão variável durante o mesmo período. Essa pressão média é conhecida como pressão efetiva média indicada e está incluída no cálculo da potência indicada com outras especificações do motor. Se as características e a pressão efetiva média indicada de um motor são conhecidas, é possível calcular a potência nominal indicada.
A potência indicada para um motor de ciclo de quatro tempos pode ser calculada a partir da seguinte fórmula, na qual os símbolos das letras no numerador são organizados para soletrar a palavra “PLANK” para auxiliar na memorização da fórmula: Potência indicada = P*L*A *N*K/33.000 ( Onde: P = Pressão efetiva média indicada, em psi L = Comprimento do curso, em pés ou em frações de pé A = Área da cabeça do pistão ou área da seção transversal do cilindro, em polegadas quadradas N = Número de cursos de potência por minuto: rpm/2 K = Número de cilindros )
Na fórmula acima, a área do pistão multiplicada pela pressão efetiva média indicada dá a força que atua no pistão em libras. Esta força multiplicada pelo comprimento do curso em pés dá o trabalho realizado em um curso de potência, que, multiplicado pelo número de cursos de potência por minuto, dá o número de pés-lb por minuto de trabalho produzido por um cilindro. Multiplicando esse resultado pelo número de cilindros do motor, obtém-se a quantidade de trabalho realizado, em ft-lb, pelo motor. Como hp é definido como trabalho realizado à taxa de 33.000 pés-lb por minuto, o número total de pés-lb de trabalho realizado pelo motor é dividido por 33.000 para encontrar a potência indicada.
Potência de freio
O cálculo da potência indicada discutido no parágrafo anterior é a potência teórica de um motor sem atrito. A potência total perdida na superação do atrito deve ser subtraída da potência indicada para chegar à potência real entregue à hélice. A potência fornecida à hélice para trabalho útil é conhecida como potência de freio (bhp). A diferença entre a potência indicada e a potência do freio é conhecida como potência de fricção, que é a potência necessária para superar as perdas mecânicas, como a ação de bombeamento dos pistões, o atrito dos pistões e o atrito de todas as outras partes móveis.
A medição do bhp de um motor envolve a medição de uma quantidade conhecida como torque ou momento de torção. Torque é o produto de uma força pela distância da força ao eixo sobre o qual ela atua, ou Torque = força × distância .
O torque é uma medida de carga e é adequadamente expresso em libras-polegadas (lb-in) ou libras-pés (lb-ft). O torque não deve ser confundido com o trabalho, que é expresso em libras-polegada (in-lb) ou libras-pé (ft-lb).
Existem vários dispositivos para medir o torque, como um dinamômetro ou um torquímetro. Um tipo de dispositivo muito simples que pode ser usado para demonstrar cálculos de torque é o freio Prony. Todos esses dispositivos de medição de torque podem ser usados para calcular a potência de saída de um motor em uma bancada de teste. Consiste essencialmente em um colar articulado, ou freio, que pode ser preso a um tambor estriado ao eixo da hélice. O colar e o tambor formam um freio de fricção, que pode ser ajustado por uma roda. Um braço de comprimento conhecido é rigidamente preso ou faz parte do colar articulado e termina em um ponto que repousa sobre um conjunto de balanças. À medida que o eixo propulsor gira, ele tende a carregar consigo o colar articulado do freio e é impedido de fazê-lo apenas pelo braço que repousa sobre a balança. A escala indica a força necessária para interromper o movimento do braço. Se a força resultante registrada na escala for multiplicada pelo comprimento do braço, o produto resultante é o torque exercido pelo eixo giratório.
Potência de atrito
A potência de atrito é a potência indicada menos a potência do freio. É a potência usada por um motor para superar o atrito das partes móveis, extrair combustível, expelir gases de escape, acionar bombas de óleo e combustível e outros acessórios do motor. Em motores de aeronaves modernas, essa perda de potência por atrito pode chegar a 10 a 15 por cento da potência indicada.
Pressões Efetivas Médias de Fricção e Freio
A pressão efetiva média indicada (IMEP), discutida anteriormente, é a pressão média produzida na câmara de combustão durante o ciclo de operação e é uma expressão da potência teórica sem atrito conhecida como potência indicada. Além de desconsiderar completamente a perda de potência por atrito, a potência indicada não dá nenhuma indicação de quanta potência real é fornecida ao eixo da hélice para realizar um trabalho útil. No entanto, está relacionado às pressões reais que ocorrem no cilindro e pode ser usado como medida dessas pressões.
Para calcular a perda por atrito e a potência líquida, a potência indicada de um cilindro pode ser pensada como duas potências separadas, cada uma produzindo um efeito diferente. A primeira potência supera a fricção interna, e a potência assim consumida é conhecida como potência de fricção. A segunda potência, conhecida como potência do freio, produz trabalho útil na hélice. A parte do IMEP que produz a potência do freio é chamada de pressão efetiva média do freio (BMEP). A pressão restante usada para superar o atrito interno é chamada de pressão efetiva média de atrito (FMEP). IMEP é uma expressão útil da potência total do cilindro, mas não é uma quantidade física real; da mesma forma, FMEP e BMEP são expressões teóricas, mas úteis, de perdas por atrito e saída de potência líquida.
Embora o BMEP e o FMEP não tenham existência real no cilindro, eles fornecem um meio conveniente de representar os limites de pressão ou o desempenho nominal do motor em toda a sua faixa de operação. Existe uma relação operacional entre IMEP, BMEP e FMEP.
Uma das limitações básicas impostas ao funcionamento do motor é a pressão desenvolvida no cilindro durante a combustão. Na discussão das razões de compressão e da pressão efetiva média indicada, verificou-se que, dentro dos limites, o aumento da pressão resultava no aumento da potência. Também foi observado que, se a pressão do cilindro não fosse controlada dentro de limites estreitos, isso imporia cargas internas perigosas que poderiam resultar em falha do motor. Portanto, é importante ter um meio de determinar essas pressões do cilindro como medida de proteção e para aplicação eficiente de energia.
Potência de Impulso
A potência de empuxo pode ser considerada o resultado do motor e da hélice trabalhando juntos. Se uma hélice pudesse ser projetada para ser 100% eficiente, o empuxo e o bph seriam os mesmos. No entanto, a eficiência da hélice varia com a velocidade do motor, atitude, altitude, temperatura e velocidade do ar. Assim, a relação entre a potência de empuxo e o bhp entregue ao eixo da hélice nunca será igual. Por exemplo, se um motor desenvolve 1.000 cv e é usado com uma hélice com 85 por cento de eficiência, a potência de empuxo dessa combinação motor-hélice é de 85 por cento de 1.000 ou 850 cv de empuxo. Dos quatro tipos de potência discutidos, é a potência de empuxo que determina o desempenho da combinação motor-hélice.
