Ciclo de Otto: diferenças entre revisões
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O '''Ciclo de Otto''' é um
== O modelo ideal ==
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o estágio de admissão (0-1) é realizado por um processo [[Transformação_isobárica|isobárico]] de expansão, seguido por processo [[Transformação_adiabática|adiabático]] de
<span style="margin:1px; background:#ffae21;"> compressão </span>. Através da combustão do combustível, calor é adicionado em um processo [[Transformação_isocórica|isocórico]], seguido por um processo adiabático de expansão, caracterizando o ciclo de <span style="margin:1px; background:#f00;"> força </span>. O ciclo é fechado pela <span style="margin:1px; background:#2060ff;"> exaustão </span>, caracterizada por processo de refrigeração isocórica e compressão isobárica.]]
O ciclo ideal
# Admissão [[Transformação isobárica|isobárica]] 0-1.
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# Abertura de válvula 4-5, exaustão [[Transformação isobárica|isobárica]] 5-0.
A [[Taxa de compressão|taxa de compressão volumétrica]] é definida por: <math>\alpha=\frac{V_2}{V_1}</math>.
Onde:
<math>0<\alpha<1</math> pois <math>{V_2}</math> é sempre maior que <math>{V_1}</math>
<math>
<math>{V_1}</math>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:
<math>W=\Delta.Q </math> - Equação (1) Primeira Lei da Termodinâmica
<math>\mu=\frac{W}{Q_1}</math> - Equacão (2) Onde <math>{Q_1}</math> é a quantidade de calor da fonte quente e <math>{W}</math> o trabalho realizado pelo motor
Realizando a substituição da eq.1 em 2, tem-se:
<math>\mu=\frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}</math> - Equação (3) - Eficiência Teórica de um motor térmico
Onde:
<math>{Q_1}</math> é o calor cedido ao sistema para a realização do trabalho
<math>{Q_2}</math> 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:
<math>\mu=1-\frac{1}{\alpha^{\gamma-1}}</math>. Equação (4)
Onde <math>\gamma</math> é o [[Coeficiente de expansão adiabática]].
== Ciclos reais ==
[[Imagem:4-Stroke-Engine.gif|framed|right|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 [[reversibilidade|reversíveis]] como o [[atrito]].
=== Ciclo mecânico ===
Se limitando para os motores a combustão interna de duas [[Válvula (motor)|válvulas]], nas quais, são ligadas ao [[Árvore de cames|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:
# Com o êmbolo (também designado por [[Pistão do Motor|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'''.
# 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'''.
# 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.
# 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==
Nas etapas 1-2 e 3-4 (diagrama TxS) é realizado trabalho mas como processo é [[Transformação adiabática|adiabático]], não ocorre transferência de calor. Durante as etapas 2-3 e 4-1 os processos térmicos são [[Transformação isocórica|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:
:<math>\
:
:Temos que <math>{Q_1}</math> e <math>{Q_2}</math> são dados por:
:
::<math>{Q_1}= c_v(T_3-T_2)</math>
::<math>{Q_2}= c_v(T_4-T_1)</math>
::
::Onde:
::
::<math>{C_v}</math> 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.<ref name="Fundamentals">Gupta, H. N. Fundamentals of Internal Combustion. New Delhi: Prentice-Hall, 2006. Print.</ref>
Inserindo a equação específica de calor na equação de eficiência térmica, temos:
:<math>\eta=1-\left(\frac{\mathit{c}_{v}(\mathit{T}_{4}-\mathit{T}_{1})}{\mathit{c}_{v}(\mathit{T}_{3}-\mathit{T}_{2})}\right)</math> - Equação (6)
:
Através de rearranjo:
:<math>\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)</math> - Equação (7)
:
A seguir, analisando os diagramas <math>{T}_{4}/{T}_{1}={T}_{3}/{T}_{2}</math>, assim ambos podem ser omitidos. A equação se reduz para:
Equação 2:
:<math>\eta=1-\left(\frac{\mathit{T}_{1}}{\mathit{T}_{2}}\right)</math> - Equação (8)
:
Visto que o ciclo de Otto é um processo isentrópico as [[Transformação_isentrópica|equações isentrópicas]] de gases ideais e relações pressão/volume constantes
:<math>\left(\frac{{T}_{2}}{{T}_{1}}\right)=\left(\frac{{V}_{1}}{{V}_{2}}\right)^{(\gamma-1)}={r}^{(\gamma-1)}</math>
:
Onde:
:<math>r= \left(\frac{\mathit{V}_{1}}{\mathit{V}_{2}}\right)</math> - Taxa de compressão
:<math>\eta=1-\left(\frac{{1}}{{r}^{(\gamma-1)}}\right)</math> - Equação (9)
:
Da análise da equação 6 é evidente que a eficiência do ciclo de Otto depende diretamente da taxa de compressão <math>\mathit{r}</math>. Desde que <math>\gamma</math> para o ar é 1.4, um aumento em <math>\mathit{r}</math> irá produzir um aumento em <math>\eta</math>. Entretanto, o <math>\gamma </math> 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_de_bielas_de_motores|bater bielas]]", a qual impõe valores de compressão acima do limite superior da taxa de compressão.<ref name="Shapiro">Moran, Michael J., and Howard N. Shapiro. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 6th ed. Hoboken, N.J. : Chichester: Wiley ; John Wiley, 2008. Print.</ref> 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 ===
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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}}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 ===
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