Ciclo de Otto

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O Ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico, que idealiza o funcionamento de motores de combustão interna de ignição por centelha. Foi definido por Beau de Rochas e implementado com sucesso pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto em 1876, e posteriormente por Étienne Lenoir e Rudolf Diesel.

Motores baseados neste ciclo equipam a maioria dos automóveis de passeio atualmente. Para esta aplicação, é possível construir motores a quatro tempos mais eficientes e menos poluentes em comparação aos motores a dois tempos, apesar do maior número de partes móveis, maior complexidade, peso e volume, comparando motores de mesma potência.

O modelo ideal[editar | editar código-fonte]

Diagrama Pressão X Volume
Diagrama Temperatura-Entropia
O diagrama idealizado de quatro estágios do ciclo de Otto:
o estágio de admissão (0-1) é realizado por um processo isobarico de expansão, seguido por processo adiabatico de  compressão . Através da combustão do combustível, calor é adicionado em um processo isocórico, seguido por um processo adiabático de expansão, caracterizando o ciclo de  força . O ciclo é fechado pela  exaustão , caracterizada por processo de refrigeração isocórica e compressão isobárica.

O ciclo ideal se constitui dos seguintes processos:

  1. Admissão isobárica 0-1.
  2. Compressão adiabática 1-2.
  3. Combustão isocórica 2-3, expansão adiabática 3-4.
  4. Abertura de válvula 4-5, exaustão isobárica 5-0.

A taxa de compressão volumétrica é definida por: \alpha=\frac{V_2}{V_1}.

O rendimento térmico do ciclo reversível é definido por: \mu=1-\frac{T_1}{T_2}.

Então: \mu=1-\frac{1}{\alpha^{\gamma-1}}.

\gamma representa a razão entre a capacidade térmica à pressão e volume constantes.

Ciclos reais[editar | editar código-fonte]

Ciclo a quatro tempos

Os ciclos termodinâmicos associados às máquinas reais se diferem sensivelmente da idealização, já que os processos ocorrem apenas de forma aproximada à maneira descrita e que os motores estão sucetíveis a fenômenos não reversíveis como o atrito.

Ciclo mecânico[editar | editar código-fonte]

Considerando o uso de apenas duas válvulas que são comandadas pelos ressaltos de árvore de cames, uma designada por válvula de admissão (à direita na animação), que permite a introdução no cilindro de uma mistura gasosa composta por ar e combustível e outra designada como válvula de escape (à esquerda na animação), que permite a expulsão para a atmosfera dos gases queimados, o ciclo de funcionamento de um motor de combustão a 4 tempos é o seguinte:

  1. Com o êmbolo (também designado por pistão) no PMS (ponto morto superior) é aberta a válvula de admissão, enquanto se mantém fechada a válvula de escape. A dosagem da mistura gasosa é regulada pelo sistema de alimentação, que pode ser um carburador ou pela injeção eletrônica, em que se substitui o comando mecânico destes sistemas por um eletrônico e conseguindo-se assim melhores prestações, principalmente quando solicitadas respostas rápidas do motor. O pistão é interligado a biela e esta por sua vez é interligada ao eixo de manivelas (virabrequim)impulsionado-o em um movimento de rotação. O pistão move-se então até ao PMI (ponto morto inferior). A este passeio do êmbolo é chamado o primeiro tempo do ciclo, ou tempo de admissão.
  2. Fecha-se nesta altura a válvula de admissão, ficando o cilindro cheio com a mistura gasosa, que é agora comprimida pelo pistão, impulsionado no seu sentido ascendente em direcção à cabeça do motor por meio de manivelas até atingir de novo o PMS. Na animação observa-se que durante este movimento as duas válvulas se encontram fechadas. A este segundo passeio do êmbolo é chamado o segundo tempo do ciclo, ou tempo de compressão.
  3. Quando o êmbolo atingiu o PMS, a mistura gasosa que se encontra comprimida no espaço existente entre a face superior do êmbolo e a cabeça do motor, denominado câmara de combustão, é inflamada devido a uma faísca produzida pela vela e "explode". O aumento de pressão devido ao movimento de expansão destes gases empurra o êmbolo até ao PMI, impulsionando desta maneira por meio de manivelas e produzindo a força rotativa necessária ao movimento do eixo do motor que será posteriormente transmitido às rodas motrizes. A este terceiro passeio do êmbolo é chamado o terceiro tempo do ciclo, tempo de explosão, tempo motor ou tempo útil, uma vez que é o único que efectivamente produz trabalho, pois durante os outros tempos, apenas se usa a energia de rotação acumulada no volante ("inércia do movimento"), o que faz com que ele ao rodar permita a continuidade do movimento por meio de manivelas durante os outros três tempos.
  4. O cilindro encontra-se agora cheio de gases queimados. É nesta altura, em que o êmbolo impulsionado por meio de manivelas retoma o seu movimento ascendente, que a válvula de escape se abre, permitindo a expulsão para a atmosfera dos gases impelidos pelo êmbolo no seu movimento até ao PMS, altura em que se fecha a válvula de escape. A este quarto passeio do êmbolo é chamado o quarto tempo do ciclo, ou tempo de exaustão(escape).
  • Após a expulsão dos gases o motor fica nas condições iniciais permitindo que o ciclo se repita.

Análise de Ciclo[editar | editar código-fonte]

Processos 1-2 e 3-4 efetuam trabalho mas nenhuma transferência de calor ocorre durante a expansão e compressão adiabática. Processos 2-3 e 4-1 são isocóricas; assim, transferência de calor ocorre mas nenhum trabalho é efetuado. Nenhum trabalho é realizado durante uma isocórica (volume constante) porque trabalho necessita movimento; se o volume do pistão não muda nenhum trabalho no eixo é produzido pelo sistema. Quatro equações diferentes podem ser obtidas negligenciando energia cinética e potencial, e considerando a primeira lei da termodinâmica (conservação da energia). Assumindo essas condições a primeira lei é reescrita como:[1]

\Delta{\mathit{E}}=\Delta{\mathit{U}}=\mathit{Q}_{in}-\mathit{W}_{out}

Aplicando isto no ciclo de Otto as equações dos quatro processos são obtidas:

\left(\frac{\mathit{W}_{1-2}}{{m}}\right)=\mathit{u}_2-\mathit{u}_1
\left(\frac{\mathit{W}_{3-4}}{{m}}\right)=\mathit{u}_3-\mathit{u}_4
\left(\frac{\mathit{Q}_{2-3}}{{m}}\right)=\mathit{u}_3-\mathit{u}_2
\left(\frac{\mathit{Q}_{4-1}}{{m}}\right)=\mathit{u}_4-\mathit{u}_1

Uma vez que a primeira lei é expressa como calor adicionado no sistema e trabalho expelido do sistema, então (\mathit{W}_{1-2}/{m}) e (\mathit{Q}_{4-1}/{m}) assumirão sempre valores positivos. Entretanto, como trabalho sempre envolve movimento, processos 2-3 e 4-1 serão omitidos porque ocorrem com volume constante. O trabalho líquido pode ser expresso como:

\left(\frac{\mathit{W}_{ciclo}}{{m}}\right)=\left(\frac{\mathit{W}_{3-4}}{{m}}\right)-\left(\frac{\mathit{W}_{1-2}}{{m}}\right)=(\mathit{u}_3-\mathit{u}_4)-(\mathit{u}_2-\mathit{u}_1)

O trabalho liquido também pode ser encontrado estimando o calor adicionado menos o calor perdido ou expelido.

\left(\frac{\mathit{W}_{ciclo}}{{m}}\right)=\left(\frac{\mathit{Q}_{2-3}}{{m}}\right)-\left(\frac{\mathit{Q}_{4-1}}{{m}}\right)=(\mathit{u}_3-\mathit{u}_2)-(\mathit{u}_4-\mathit{u}_1)

Eficiência térmica é o quociente do trabalho líquido e do calor adicionado no sistema. Após rearranjo, a eficiência térmica pode ser obtida (Trabalho líquido/Calor adicionado):

Equação 1:

\eta=\left(\frac{(\mathit{u}_3-\mathit{u}_2)-(\mathit{u}_4-\mathit{u}_1)}{\mathit{u}_3-\mathit{u}_2}\right)=1-\left(\frac{\mathit{u}_{4}-\mathit{u}_{1}}{\mathit{u}_{3}-\mathit{u}_{2}}\right)

Como alternativa, eficiência térmica pode ser obtida através do calor adicionado e calor rejeitado.

\eta=\left(\frac{{Calor}_{aplicado}-{Calor}_{rejeitado}}{{Calor}_{aplicado}}\right)
\eta=1-\left(\frac{{Calor}_{rejeitado}}{{Calor}_{aplicado}}\right)
\eta=1-\left(\frac{\mathit{Q}_{out}}{\mathit{Q}_{in}}\right)

No ciclo de Otto, não há transferência de calor durante o processo 1-2 e 3-4 porque são processos adiabáticos reversíveis. Calor é suprido somente durante os processos de volume constante 2-3 e calor é expleido somente durante os processos de volume constante 4-1.[2]

Equação 1 pode ser agora relacionada com a equação específica de calor para volumes constantes. A capacidade térmica são particularmente úteis para cálculos termodinâmicos envolvendo o modelo de gás ideal.

{\mathit{c}_{v}}=\left(\frac{\delta{\mathit{u}}}{\delta{T}}\right)_{v}

Reorganizando:

\mathit{u}=({\mathit{c}_{v}})({\delta{T}})

Inserindo a equação específica de calor na equação de eficiência térmica (Equação 1).

\eta=1-\left(\frac{\mathit{c}_{v}(\mathit{T}_{4}-\mathit{T}_{1})}{\mathit{c}_{v}(\mathit{T}_{3}-\mathit{T}_{2})}\right)

Através de rearranjo:

\eta=1-\left(\frac{\mathit{T}_{1}}{\mathit{T}_{2}}\right)\left(\frac{\mathit{T}_{4}/\mathit{T}_{1}-1}{\mathit{T}_{3}/\mathit{T}_{2}-1}\right)

A seguir, analisando os diagramas {T}_{4}/{T}_{1}={T}_{3}/{T}_{2}, assim ambos podem ser omitidos. A equação se reduz para:

Equação 2:

\eta=1-\left(\frac{\mathit{T}_{1}}{\mathit{T}_{2}}\right)

Visto que o ciclo de Otto é um processo isentrópico as equações isentrópicas de gases ideais e relações pressão/volume constantes podem ser usadas para obter as Equações 3 & 4.

Equação 3:

\left(\frac{{T}_{2}}{{T}_{1}}\right)=\left(\frac{{p}_{2}}{{p}_{1}}\right)^{(\gamma-1)/{\gamma}}

Equação 4:

\left(\frac{{T}_{2}}{{T}_{1}}\right)=\left(\frac{{V}_{1}}{{V}_{2}}\right)^{(\gamma-1)}
A dedução das equações anteriores são encontradas resolvendo estas quatro equações respectivamente (onde R é a constante de gases):
\mathit{{c}_{p}}\mathit{ln}\left(\frac{{V}_{1}}{{V}_{2}}\right)-\mathit{R}\mathit{ln}\left(\frac{{p}_{2}}{{p}_{1}}\right)=0
\mathit{{c}_{v}}\mathit{ln}\left(\frac{{T}_{2}}{{V}_{1}}\right)-\mathit{R}\mathit{ln}\left(\frac{{V}_{2}}{{V}_{1}}\right)=0
\mathit{c}_{p}=\left(\frac{\mathit{KR}}{\mathit{{K}-1}}\right)
\mathit{c}_{v}=\left(\frac{\mathit{K}}{\mathit{{K}-1}}\right)

Além disso, simplificando a Equação 4, onde \mathit{r} é a taxa de compressão ({V}_{1}/{V}_{2}):

Equação 5:

\left(\frac{{T}_{2}}{{T}_{1}}\right)=\left(\frac{{V}_{1}}{{V}_{2}}\right)^{(\gamma-1)}={r}^{(\gamma-1)}

Também, note que

{\gamma}=\left(\frac{\mathit{c}_{p}}{{c}_{v}}\right)

onde {\gamma} é a taxa específica.

Invertendo a Equação 4 e aplicando na Equação 2 a eficiência térmica final pode ser expressa como:[2]

Equação 6:

\eta=1-\left(\frac{{1}}{{r}^{(\gamma-1)}}\right)

Da análise da equação 6 é evidente que a eficiência do ciclo de Otto depende diretamente da taxa de compressão \mathit{r}. Desde que \gamma para o ar é 1.4, um aumento em \mathit{r} irá produzir um aumento em \eta. Entretanto, o \gamma para produtos da combustão da mistura combustível/ar é normalmente assumida como 1.3 aproximadamente. A argumentação acima implica que é mais eficiente ter uma taxa de compressão alta. O padrão de compressão é aproximadamente 10:1 para automóveis comuns. Normalmente, não se aumenta muito devido a possibilidade de auto-ignição, ou por "bater bielas", a qual impõe valores de compressão acima do limite superior da taxa de compressão.[1] Durante o processo de compressão 1-2 a temperatura aumenta, assim um aumento da taxa de compressão aumenta a temperatura. Autoignição ocorre quando a temperatura da mistura combustível/ar se torna muito elevada antes de ser inflamada pela ignição. O curso de compressão é destinado para comprimir os produtos antes que a ignição inflame a mistura. Se a taxa de compressão é aumentada, a mistura pode se auto-inflamar antes do curso de compressão ser finalizado, levando o motor a "bater biela". Isto pode danificar os componentes do motor e vai diminuir a potência de freio do motor.

Motores de múltiplas válvulas[editar | editar código-fonte]

Esses motores são apenas aperfeiçoamentos para o ciclo otto ou quatro tempos e sua única diferença é que existem pelo menos duas válvulas para cumprir uma única funcão ao mesmo tempo. Em um motor convencional, existe uma válvula para admissão e uma para exaustão. Existem atualmente 3 configurações para motores multiválvulas, são os modelos com 3, 4 ou 5 válvulas por cilindro. No caso do motor que possui 3 válvulas por cilindro, 2 são para admissão e uma apenas para exaustão, com 4 válvulas, 2 são para admissão e 2 para exaustão e no caso de 5 válvulas são 3 para admissão e 2 para exaustão. A principal função de um motor de múltiplas válvulas é maximizar o fluxo de gases que entram(entra mais oxigênio) e saem(exausta mais gases com menos força) do motor, conseguindo deste modo uma eficiência maior da combustão.

Motor 16 Válvulas[editar | editar código-fonte]

Neste tipo de motor a explosão de quatro cilindros, sua principal característica é a adoção de mais duas válvulas por cilindro, que trabalham simultaneamente as duas ja existentes, cada cilindro possui 4 válvulas (4 cilindros x 4 válvulas = 16 válvulas), aumentando o fluxo de gases do motor, podendo assim desenvolver maior potência. O Primeiro carro feito em série do mundo a utilizar esse sistema foi Triumph Dolomite Sprint, feito pela British Leyland. Este tipo de motor foi maciçamente produzido no Brasil na versão 1 L (um litro) entre o ano de 97 à 2004, devido a uma lei que cobra um imposto (IPI - imposto sobre produtos industrializados') menor por essa cilindrada, se tornando uma boa opção para o consumidor que paga menos por um carro com uma potência similar a de um 1,4L e viabilizando então os custos para seu desenvolvimento. Por se tratar de um motor 1 litro com potência específica mais elevada, exige um custo maior para produção. No seu auge chegou aos 112 cv (cavalos-vapor) ou 82,5 kW, no motor equipado no Gol Turbo que chega à aproximadamente 187,2 km/h (dados da revista CARRO); bom desempenho para um carro com motor de um litro.

Motor 1,8 L 16 V turbo, cortado, veja as válvulas no cilindro.

O proprietário de um automóvel equipado com um motor 16 V. deve ficar atento ao tipo de óleo lubrificante que está usando, bem como o profissional que presta manutenção. Um motor 16 V. requer um profissional experiente neste tipo de Motor, é comum Mecânicos sem conhecimento alegarem que o motor é problemático, o que não é verdade, a verdade é que o motor devido a sua tecnologia exige conhecimento da parte do profissional. O prazo para troca do óleo e a troca da correia dentada, estes indicados no manual do proprietário do automóvel, devem ser rigorosamente obedecidos para evitar uma quebra do motor e um gasto muito maior do que se teria realizando a manutenção correta do motor.

Referências[editar | editar código-fonte]

  1. a b Moran, Michael J., and Howard N. Shapiro. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 6th ed. Hoboken, N.J. : Chichester: Wiley ; John Wiley, 2008. Print.
  2. a b Gupta, H. N. Fundamentals of Internal Combustion. New Delhi: Prentice-Hall, 2006. Print.


Sinônimos[editar | editar código-fonte]

  • cabeça do motor (pt-PT) ou cabeçote (pt-BR)
  • êmbolo (pt-PT) ou pistão (pt-PT/pt-BR)
  • injecção electrónica (pt-PT) ou injeção eletrônica (pt-BR)
  • tempo de escape (pt-PT) ou tempo de exaustão (pt-BR)
  • válvulas (pt-PT) ou válvulas de cabeçote (pt-BR)
  • válvula de escape (pt-PT) ou válvula de exaustão (pt-BR)
  • veio (ou eixo) de manivelas (pt-PT), cambota (pt-PT), virabrequim (pt-BR), árvore de manivelas (pt-BR)


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