CICLO OTTO E INDICADORES DE PRESSO

APLICAES TRMICAS MOTORES DE COMBUSTO INTERNA

SISTEMAS DE POTNCIA A GS

Sistemas nos quais o fluido de trabalho sempre um gs, no ocorrem condensaes e vaporizaes ao longo do ciclo.

uTurbinas a gs uMotores de combusto interna com ignio por

centelha e por compresso

MOTORES DE COMBUSTO INTERNA Processo ocorre no interior de um conjunto cilindro-pisto alternativo. uCOMBUSTO POR CENTELHA ignio da mistura ar-

combustvel se d por meio de um eletrodo (vela) uVantajosos para potncias at 225kW. uLeves e de baixo custo uso em automveis

uCOMBUSTO POR COMPRESSO - ar comprimido a uma alta presso e temperatura (TAI) de modo que a ignio espontnea quando o combustvel injetado. uApropriados para usos onde maiores potncias e

economia de combustvel so requeridos caminhes, nibus, navios.

MCI DE 4 TEMPOS Pisto executa 4 cursos no interior do cilindro para cada duas revolues do eixo de manivela.

uCurso de admisso carga de combustvel succionada para dentro do cilindro

uCurso de compresso Trabalho realizado pelo pisto elevando a temperatura e a presso da carga. Prximo ao final do curso ocorre a combusto

uCurso de Potncia (Expanso) Trabalho realizado sobre o pisto

uCurso de Exausto gases queimados so expulsos do cilindro.

MCI DE 2 TEMPOS Pisto executa 2 cursos no interior do cilindro para cada revoluo do eixo de manivela.

uCurso de admisso e compresso. uCurso de Potncia (Expanso) e Exausto.

CICLOS NO MCI Os motores de combusto percorrem um ciclo mecnico, mas o contedo do cilindro (fluido ativo) no percorre um ciclo termodinmico, pois a composio da matria introduzida no cilindro no igual a aquela descarregada na exausto.

ANLISE REAL DO DESEMPENHO DO MCI Deve levar em considerao: uo processo de combusto que ocorre no interior do

cilindro alterao na composio qumica

uas irreversibilidades devido ao atrito e aos gradientes de presso e de temperatura.

uA transferncia de calor entre os gases no cilindro e as paredes do cilindro.

uO trabalho necessrio para carregar o cilindro e expelir os gases queimados.

um Volume de controle

Modelagem real realizada por simulaes computacionais.

DIAGRAMA PRESSO-VOLUME PARA MCI

ANLISE DE AR PADRO Simplificao da anlise termodinmica. Consideraes: uFluido de Trabalho uma quantidade fixa de ar,

tratada como gs ideal. uCombusto substituda por uma transferncia de calor

a partir de uma fonte externa. uExausto e Admisso no so considerados. O ciclo se

completa com uma transferncia de calor a volume constante quando pisto est no PMI.

ar um SISTEMA uTodos os processos so internamente reversveis. no existem irreversibilidades.

ANLISE DE AR PADRO FRIO

Alm de todas as hipteses j mencionadas, os calores especficos do ar so considerados constantes e iguais aos valores para temperatura ambiente.

CICLO IDEAL QUE CONSIDERA:

Adio de calor ocorre instantaneamente enquanto o pisto est em PMS processo que substitui a combusto.

CICLO OTTO DE AR PADRO

PROCESSOS REVERSVEIS DO CICLO OTTO PADRO uProcesso 12: compresso isoentrpica do ar enquanto

pisto vai do PMI para o PMS. Entrada de trabalho. Adiabtico;

uProcesso 23: transferncia de calor a volume constante (pisto permanece no PMS) a partir de uma fonte externa. (Representa a ignio e a queima posterior). Sem realizao de trabalho.

uProcesso 34: expanso isoentrpica (tempo motor), enquanto pisto vai do PMS para o PMI. Trabalho realizado pelo sistema. Adiabtico

uProcesso 41: transferncia de calor a volume constante do ar para a vizinhana (pisto permanece no PMI). Sem realizao de trabalho.

Diagrama p v: rea indica o trabalho lquido realizado Diagrama T- s: rea indica calor lquido transferido

DIAGRAMAS DO CICLO OTTO PADRO

1a LEI PARA SISTEMA QUE PASSA POR PROCESSO

Processos adiabticos:

Processos sem realizao de trabalho:

E2 E1 = 1Q2 1W2

Ec+Ep+U = 1Q2 1W21q2 1w2 = u2 u1

iWfm = uf ui

iQfm = uf ui

NO CICLO OTTO PADRO Trabalho lquido no ciclo: Calor lquido adicionado: No ciclo:

Wliquidom =

W34m +

W12m = u3 u4( ) u2 u1( )

Qliquidom =

Q23m

Q41m = u3 u2( ) u4 u1( )

Qliquidom =

Wliquidom

PARA PROCESSOS ISOENTRPICOS EM GASES IDEAIS

r razo de compresso (Volume total/Volume morto) Vtotal pisto em PMI (V1 e V4) Vmorto - pisto em PMS (V3 e V2)

vr Tabelas para ar, gs ideal, em funo da temperatura.

vr2 = vr1.V2V1

!

"#

$

%&=

vr1r

vr4 = vr3.V4V3

!

"#

$

%&= r.vr3

Calores especficos variam com a temperatura.

EFICINCIA TRMICA DO CICLO

=WliquidoQentrada

=u3 u2( ) u4 u1( )

u3 u2( ) =1 u4 u1( )u3 u2( )

Valores de energia interna especfica (u) obtidas em Tabelas para ar, gs ideal

PRESSO MDIA EFETIVA - pme Parmetro utilizado para descrever a performance de motores alternativos a pisto.

a presso constante terica que, se atuasse no pisto durante o curso de potncia, produziria trabalho lquido idntico quele desenvolvido no ciclo real.

Wliquido trabalho lquido em um ciclo

Cilindrada Volume da cilindrada.

pme = WliquidoCilindrada

EXEMPLO A temperatura no incio de um processo de compresso do ciclo Otto de ar padro, com taxa de compresso de 8, 540oR (27oC), a presso 1atm e o volume do cilindro 0,02ft3. A temperatura mxima durante o ciclo 3600oR (1727oC). Determine:

a) A temperatura e a presso no fim de cada processo do ciclo.

b) A eficincia trmica c) A presso mdia efetiva em atm.

Hipteses:

Ar no cilindro-pisto um sistema. Compresso e expanso adiabticos. Processos reversveis. Ar gs ideal.

a. Encontrar as propiedades para todos os estados pela Tabela para ar.

(1) T1=540oR u1=92,04Btu/lb ; vr1=144,32

Processo (1) (2): compresso isoentrpica

(2) Interpolando na tabela:

T2=1212oR e u2=211,3Btu/lb

Pela equao do gs ideal:

vr2 =vr1r =18,04

p2p1=T2T1V1V2

=T2T1r p2 =17,96atm

Processo (2) (3): volume constante (3) T3=3600oR . Pela equao do gs ideal:

Por T3=3600oR na Tabela u3=721,44Btu/lb e vr3=0,6449

Processo (3) (4): expanso isoentrpica

Interpolando na tabela: T4=1878oR e u4=342,2Btu/lb Pela equao do gs ideal e V4=V1:

vr4 = vr3V4V3= vr3

V1V2

= vr3r = 5,16

p3p2=T3T2 p3 = 53,3atm

p4p1=T4T1 p4 = 3, 48atm

b. rendimento:

c. pme

=1 u4 u1( )u3 u2( )= 0,51

pme = WliquidoCilindrada pme =WliquidoV1 V2

=118lbt / in2 = 8,03atm

Wliquidom = u3 u4( ) u2 u1( )

Wliquido = 0,382Btu

m = p1V1(R /M ).T1=1, 47.103lb

RM =

154528,97

ft.lbflb oR

ANLISE DE AR PADRO FRIO CALOR ESPECFICO CONSTANTE.

CALOR ESPECFICO (c)

a quantidade de calor necessria para elevar em 1C (ou 1K) a temperatura de uma unidade de massa de certa substncia pura.

Unidade: kJ/kg.K Pela 1 lei, para substncia simples e compressvel:

dVPdUQWdUQ .+=+=

TQ

mc

1

=

CALOR ESPECFICO A VOLUME CONSTANTE cv

CALOR ESPECFICO A PRESSO CONSTANTE cP

PdV = 0 , ento:

vvvv T

uTU

mTQ

mC

=

=

=11

pppp T

hTH

mTQ

mC

=

=

=11

p

dVPdUQ .+=

dU + PdV = dH, ento:

1. CALOR ESPECFICO A VOLUME CONSTANTE - VARIAO DA ENTROPIA PARA UM GS IDEAL

Tds = du+P.dvdu =CvdT e

PT =

Rv

Ento:ds =Cv

dTT +

Rdvv

2. CALOR ESPECFICO A PRESSO CONSTANTE - VARIAO DA ENTROPIA PARA UM GS IDEAL

Tds = dh v.dPdh =CpdT e

vT =

RP

Ento:ds =Cp

dTT

RdPP

CONSIDERANDO QUE CV E CP DE UM GS IDEAL SO CONSTANTES (APROXIMAO AR PADRO FRIO)

Tabela A5

=

=

1

2

1

2012

0

lnlnPPR

TTCss

PRdP

TdTCds

p

p

+

=

+=

1

2

1

2012

0

lnlnvvR

TTCss

vRdv

TdTCds

v

v

PARA O CICLO OTTO DE AR PADRO FRIO

Calores especficos (cv e cp) constantes. Para processos isoentrpicos, as equaes do slide anterior so integradas e fornecem:

Onde: k a constante adiabtica

T2T1=

V1V2

!

"#

$

%&

k1

= rk1

T4T3=V3V4

!

"#

$

%&

k1

=1rk1

k = cpcv

T4T1=T3T2

EXERCCIO No incio do processo de compresso de um ciclo Otto de ar padro, a presso de 1bar, a temperatura de 290K e o volume vale 400cm2. Sendo de 2200K a temperatura mxima no ciclo e a razo de compresso igual a 8, determine: a) A quantidade de calor adicionada ao sistema e o calor

lquido do ciclo; b) A eficincia trmica e a pme. c) Considerando a aproximao de ar padro frio com os

calores especficos avaliados a 300K resolva os itens (a) e (b) novamente.

RAZO DE COMPRESSO E DESEMPENHO DO MOTOR

Aumento da razo de compresso aumento da eficincia trmica do ciclo Otto. Representado pela mudana no ciclo para 1-2-3-4-1

RAZO DE COMPRESSO E DESEMPENHO DO MOTOR

Aumento da razo de compresso aumento da eficincia trmica do ciclo Otto. Para o ciclo ar padro frio, tomando cv constante:

=1 u4 u1( )u3 u2( ) =1 cv T4 T1( )cv T3 T2( )

=1 T1 T4 T1 1( )T2 T3 T2 1( ) =1 T1T2

=1 1rk1

ALGUNS SITES INTERESSANTES

http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/ http://www.infomotor.com.br/site/ http://www.fazerfacil.com.br/carros/motor_carro.htm