Ciclo de Otto

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O Ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico de quatro fases que teoriza o funcionamento de motores de combustão interna. 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. [carece de fontes?]

A maioria dos motores a combustão interna são baseados neste ciclo e são encontrado na maioria dos automóveis atuais. Este ciclo pode ser aplicado para a fabricação de 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 isobárico de expansão, seguido por processo adiabático 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 de Otto pode ser representado pelas seguintes etapas:

  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: .

Onde:

pois é sempre maior que

é o volume final após a compressão na etapa 1-2

é o volume inicial antes da compressão na etapa 1-2

O rendimento térmico teórico de um motor térmico pode ser pensado como a quantidade de calor transmitida pela fonte quente que é necessário para realizar um determinado trabalho sendo que a fonte fria é um subproduto não aproveitado.

Temos então:

- Equação (1) Primeira Lei da Termodinâmica

- Equacão (2) Onde é a quantidade de calor da fonte quente e o trabalho realizado pelo motor

Realizando a substituição da eq.1 em 2, tem-se:

- Equação (3) - Eficiência Teórica de um motor térmico

Onde:

é o calor cedido ao sistema para a realização do trabalho

é o calor perdido pelo sistema na realização do trabalho

Para cada ciclo térmico, temos que o calor cedido e perdido pelo sistema vai depender de qual é o processo térmico realizado. No ciclo de Otto, seguindo o diagrama Temperatura-Entropia (segunda figura ao lado direito), o calor entra na etapa 2-3 (transformação isocórica) e sai na etapa 4-1 também isocórica. Mais abaixo no tópico Análise do Ciclo os cálculos serão detalhados.

Por momento, a eficiência do Ciclo de Otto é dada por:

. Equação (4)

Onde é o Coeficiente de expansão adiabática.

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 suscetíveis a fenômenos não reversíveis como o atrito.

Ciclo mecânico[editar | editar código-fonte]

Se limitando para os motores a combustão interna de duas válvulas, nas quais, são ligadas ao comando de válvula. Uma delas tem a função é classificada como válvula de admissão (à direita na animação), que permite a introdução no cilindro de uma mistura gasosa composta por ar e combustível e outra classificada 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]

Nas etapas 1-2 e 3-4 (diagrama TxS) é realizado trabalho mas como processo é adiabático, não ocorre transferência de calor. Durante as etapas 2-3 e 4-1 os processos térmicos são isocóricos, ou seja, a transferência de calor ocorre mas nenhum trabalho é efetuado. O trabalho é realizado durante um processo térmico isocórico é zero porque para ocorrer o trabalho necessita que se tenha uma variação no volume. Partindo da equação do rendimento térmico conforme o demostrado acima:

- Equação (5)
Temos que e são dados por:
Onde:
é o calor específico molar a volume constante

No ciclo de Otto, não há transferência de calor durante os processo térmicos das etapas 1-2 e 3-4 porque são processos adiabáticos reversíveis. Sendo assim, temos que o calor cedido e perdido pelo sistema ocorrem respectivamente nas etapas 2-3 e 4-1.[1]

Inserindo a equação específica de calor na equação de eficiência térmica, temos:

- Equação (6)

Através de rearranjo:

- Equação (7)

A seguir, analisando os diagramas , assim ambos podem ser omitidos. A equação se reduz para:

Equação 2:

- Equação (8)

Visto que o ciclo de Otto é um processo isentrópico as equações isentrópicas de gases ideais e relações pressão/volume constantes podemos usar a relação abaixo:

Onde:

- Coefiente de expansão adiabátiaca
- Taxa de compressão

Aplicando estas relações na Equação 8, temos que a eficiência térmica final pode ser expressa como:[1]

- Equação (9)

Da análise da equação 6 é evidente que a eficiência do ciclo de Otto depende diretamente da taxa de compressão . Desde que para o ar é 1.4, um aumento em irá produzir um aumento em . Entretanto, o 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 autoignição, ou por "bater bielas", a qual impõe valores de compressão acima do limite superior da taxa de compressão.[2] 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 autoinflamar 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 função 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 combustão de quatro cilindros, sua principal característica é a adoção de mais duas válvulas por cilindro, que trabalham simultaneamente as duas já 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 1997 e 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

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

3. Desenvolvimento de um Range Extender baseado num motor BMW K75 : transformação de ciclo Otto para ciclo Miller. Dissertação de mestrado. Pedro Joaquim Pereira dos Santos.Universidade de Minho - Escola de Engenharia.

4. Sistema de Desenvolvimento para controle eletrônico dos motores de combustão interna Ciclo Otto.Dissertação de

Mestrado.Carlos Eduardo Milhor. Escola de Engenharia de São Carlos - EESC - USP.

5. Fundamentos de Física, volume 2 - 8 edição: gravitação, ondas e termodinâmica/ Halliday,Resnick, Jearl Walker: tradução

e revisão técnica Ronaldo Sérgio de Biasi - Rio de Janeiro, LTC,2009

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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