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Ciclo de potência a gásCiclo de potência a gás
• Ciclo de potência: ciclo durante o qual uma quantidade líquida de trabalho é produzida
• Ciclo a gás: ciclo no qual o fluido de trabalho permanece no estado gasoso
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Ciclos real e ideal em motores à explosão por centelha
v
v
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Ciclo padrão a ar
• Modelo simplificado para análise• Assume que fluido de trabalho passa por ciclo
termodinâmico
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Ciclo padrão a ar
• Características:– Ar é fluido de trabalho para todo o ciclo
• Considerado gás ideal
– Não há processos de admissão e exaustão• O mesmo ar permanece dentro do motor
– Combustão é substituída por aquecimento proveniente de fonte externa
– Descompressão final é substituída por um resfriamento rápido
– Todos os processos são internamente reverssíveis– Calor especif. Ar = cte
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Ciclo Otto
• Ciclo idealizado composto de 4 Processos internamente reverssíveis:– 1 → 2 compressão a s=cte (PMI → PMS)– 2 → 3 adição de calor a v=cte (no PMS)
• Simula ignição e combustão• Assume que adição de calor ocorre instantaneamente com
pistão no PMS
– 3 → 4 expansão a s=cte (PMS → PMI)– 4 → 1 rejeição de calor a v=cte (no PMI)
• É modelo simplificado de motores ICE
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Ciclo Otto
qin
qout
Diagrama P-V (trabalho)
Diagrama T-S (transf. de calor)
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Ciclo Otto
• Para análise “Ar Frio” e considerando ∆KE=∆PE=0
Qent
m=
Q32
m=∆u=cv(T 3�T 2)
�Q sai
m=
Q14
m=∆u=cv(T 1�T 4)
�W comp
m=
W 21
m=∆u=cv (T 1�T 2)
W sai
m=
W 43
m=∆ u=cv(T 3�T 4)
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Ciclo Otto
W ciclo
m=
W sai�W comp
m=cv[(T 3�T 4)�(T 2�T 1)]
ou
W ciclo
m=
Q ciclo
m=
Q ent�Q sai
m=cv [(T 3�T 2)�(T 4�T 1)]
η=W ciclo
Q ent
=Q ent�Qsai
Q ent
=1�Qsai
Q ent
=1�(T 4�T 1)
(T 3�T 2)
Logo, para a eficiência térmica:
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Cic
lo O
ttoC
iclo
Otto
• 1-2 e 3-4 são processos adiabáticos: relações entre T e V
T 2
T 1
=(V 1
V 2)γ�1
=(V 4
V 3)γ�1
SAME VOLUME RATIO
=T 3
T 4
⇒T 2
T 1
≡T 3
T 4
η =1�T 1
T 2
=1�1
r γ �1; r =
V1
V 2
qout
qin
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η th, Otto=1�T 1
T 2
=1�1
r k�1
Parece a eficiência de Carnot mas não é! T1 e T2 não são constantes.
Performance do ciclo com hipótese de ar frio
Quais são as limitações desta expressão?
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Eficiência térmica de um ciclo Otto ideal
Eficiência térmica de um ciclo Otto ideal
• Com a hipótese de ar frio, a eficiência térmica do ciclo é
onde r é a taxa de compressão e k é a razão de calores específicos Cp /Cv.
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Eficiência térmica do ciclo Otto
• Aumento da taxa de compressão aumenta a eficiência– É vantajoso para motores de combustão interna
trabalharem com r elevado
• Está de acordo com uma análise baseado nas temperaturas, pois:– Aumento diferença entre temperaturas na entrada e na
saída =>
η th ,Otto=1�T 1
T 2
=1�1
r k�1
↑ η
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Limitações da eficiência
• Se r for muito grande– T
ar excede T
ignição e ocorre ignição espontânea quando
pistão se aproxima do PMS– Normalmente se utiliza 9 < r < 10
η th ,Otto=1�T 1
T 2
=1�1
r k�1
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Efeito da taxa de compressão na eficiência do ciclo Otto
k = 1.4
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Ciclo OttoA eficiência térmica do ciclo Otto aumenta com a razão de calores específicos k do fluido de trabalho
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Ciclo Diesel
• Este ciclo modela os motores ICO• Óleo Diesel é combustível normalmente utilizado• Diferença em relação ao Otto:
– Calor é adicionado à P=cte
• Ideia: se r for suficientemente grande– Comprime-se o ar antes de se injetar combustível– Combustível é injetado ao final da compressão
– Tar excede T
ignição e ocorre ignição espontânea quando
pistão se aproxima do PMS– Não é necessário centelha– OBS: para óleo Diesel, r⩾14
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Ciclo Diesel
• Ciclo idealizado composto de 4 Processos internamente reverssíveis:– 1 → 2 compressão a s=cte (PMI → PMS)– 2 → 3 adição de calor a P=cte
• Simula injeção de combustível e combustão
– 3 → 4 expansão a s=cte (posição → PMI)– 4 → 1 rejeição de calor a v=cte (no PMI)
• É modelo simplificado de motores ICO
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Ciclo Diesel
Qent
Qent
Qsai
Qsai
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Ciclo Diesel
• Para análise “Ar Frio” e considerando ∆KE=∆PE=0
Qent
m=
Q32
m=∆u+P∆ v=∆ h=c p(T 3�T 2)
�Q sai
m=
Q14
m=∆u=cv(T 1�T 4)
�W comp
m=
W 21
m=∆u=cv (T 1�T 2)
W sai parte1
m=
W 32
m=P(v3�v2)
W sai parte2
m=
W 43
m=∆u=cv (T 3�T 4)
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Ciclo Diesel
W ciclo
m=
Q ciclo
m=
Q ent�Q sai
m=c p(T 3�T 2)�cv(T 4�T 1)
η=W ciclo
Q ent
=Q ent�Qsai
Q ent
=1�Qsai
Q ent
=1�cv (T 4�T 1)
c p(T 3�T 2)
Logo, para a eficiência térmica:
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Ciclo Diesel
• Define-se razão de corte:
• E, para processos isentrópicos:
r c=V 3
V 2
T 2
T 1
=(V 1
V 2)γ�1
=r γ�1
T 4
T 3
=(V 3
V 4)
γ�1
=( r c
r )γ�1
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Ciclo Diesel
• Logo:
• O aumento da taxa de compressão aumenta a efic. Térmica
• Para rc → 1, η
Diesel → η
Otto
η=1�1
r γ�1[ r cγ�1
γ(rc�1)]
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Comparação ciclos Diesel e Otto
• À mesma taxa de compressão (r):– Verifica-se que ciclo Otto tem η maior.– Entretanto, na prática, ciclo Diesel pode operar com r
maior• Logo, esta base de comparação não é útil
• À mesma temp. Máxima (T3)
– Observação dos diagramas Pv e Ts mostra que o ciclo Diesel tem η maior.
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Mesmo r
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Mesmo T3
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Diferenças em relação a ciclos “reais”
• Ciclos reais:– c
v e c
p variam com T
– Há combustão– ∆P em válvulas
• W para vencê-las
– Q entre fluido e paredes do cilindro– Atrito cilindro-pistão