UNIFACS - UNIVERSIDADE SALVADOR

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E ARQUITETURA

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

EDUARDO LIBÓRIO PIEDADE DA SILVA SANTOS

CICLOS TERMODINÂMICOS DE POTÊNCIA: OTTO E DIESEL

Salvador

2012

EDUARDO LIBÓRIO PIEDADE DA SILVA SANTOS

CILCOS TERMODINÂMICOS DE POTÊNCIA: OTTO E DIESEL

Composição textual referente à disciplina de

Máquinas de Combustão Interna, parte integrante do

curso de graduação em Engenharia Mecânica da

UNIFACS, Universidade Salvador.

Prof. MSc. José Fábio Abreu de Andrade

Salvador

2012

1 INTRODUÇÃO

Um ciclo termodinâmico consiste numa sucessão de processos termodinâmicos de

trânsito de calor e trabalho, enquanto se varia pressão, temperatura, entre outras

grandezas, eventualmente retornando a seu estado inicial; deste modo tendo uma

variação nula das grandezas ao fim do processo. Tem-se assim, como uma característica

primordial do sistema termodinâmico que, seguindo a Primeira Lei da Termodinâmica,

a soma das energias recebidas pelo sistema, calor, trabalho, ou energia química de um

combustível, é igual à soma das energias expelidas pelo sistema, como calor ou trabalho

realizado.

Na figura 1 se pode ver um exemplo de diagrama de pressão e volume de ciclo

termodinâmico, no qual se percebe claramente a variação nula das grandezas o processo

começando e terminando no ponto 1. E o trabalho executado pelo processo se dá pela

área interna desse gráfico.

Figura 1 - Exemplo de diagrama P-V

Os ciclos termodinâmicos de potência são a base de operação para toda e qualquer as

máquinas térmicas, pois consistem num ciclo de conversão de uma determinada entrada

de calor numa saída de trabalho mecânico. Estes ciclos são divididos normalmente

conforme o tipo de maquina que modelam. Por exemplo, para motores alternativos de

combustão interna temos: o ciclo Otto, que modela o funcionamento de motores de

ignição por centelha, e o ciclo Diesel, que modela os motores a diesel. Estes, abordados

adiante.

2 MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTÃO INTERNA

Os motores alternativos de combustão interna consistem de uma serie de conjuntos de

pistão e cilindro, onde o pistão funciona como embolo que comprime o ar, ou a mistura

de ar e combustível ali contido.

O pistão alterna entre dois pontos convencionados, chamados: ponto morto superior

(PMS), que é o ponto máximo de avanço do pistão onde existe o menor volume

disponível no cilindro; e o ponto morto inferior (PMI) onde o pistão está no seu ponto

máximo de recuo, onde existe o maior volume disponível no cilindro. O ar, ou a mistura

ar e combustível entram e saem do cilindro, respectivamente, através das válvulas de

admissão e exaustão, localizadas no topo do cilindro. A razão entre o volume disponível

no cilindro quando o pistão está no PMI e o volume quando ele está no PMS é chamada

taxa de compressão r:

r=VmaxVmin

3 CICLO OTTO

O ciclo padrão a ar Otto é um ciclo ideal que se aproxima do motor de combustão

interna de ignição por centelha. Ele foi batizado homenageando Nikolaus A. Otto que

em 1876, na Alemanha, construiu com sucesso um motor de quatro tempos, tendo por

referência o ciclo proposto pelo francês Alphonse Beau de Rochas, em 1862. Este ciclo

ideal é constituído basicamente pelas quatro seguintes etapas:

1. Compressão isentrópica, onde o pistão se move do ponto morto inferior para o

ponto morto superior, comprimindo o ar (processo 1-2);

2. Adição de calor isovolumétrica, onde o ar uma vez comprimido é aquecido

instantaneamente enquanto o pistão se encontra no ponto morto superior

(processo 2-3);

3. Expansão Isentrópica, onde o ar aquecido se expande e pistão que se desloca

novamente para o ponto morto inferior (processo 3-4).

4. Rejeição de calor isovolumétrica, etapa onde o calor é rejeitado pelo ar

enquanto o pistão está no ponto morto inferior. (processo 4-1)

Figura 2 - Diagrama Pressão e Volume / Temperatura e Entalpia Ideal para o ciclo Otto

Figura 3 - Ciclo Otto Ideal

Já no ciclo real se dá de maneira ligeiramente distinta, contudo ainda de maneira

análoga ao ciclo ideal:

1. Compressão, onde o pistão se move do ponto morto inferior para o ponto morto

superior, comprimindo a mistura ar combustível (processo análogo a 1-2);

2. Combustão, onde ocorre a ignição e subsequente queima da mistura ar

combustível uma vez comprimido enquanto o pistão se encontra no ponto

morto superior (processo análogo a 2-3); e a expansão, no qual os gases em

expansão resultantes da combustão transferem sua energia para o pistão que se

desloca novamente para o ponto morto inferior. Está etapa é onde ocorre o

“golpe de potência” (processo análogo a 3-4);

3. Exaustão, onde dos gases resultantes da combustão são expelidos do cilindro

com o novo avanço do pistão para o ponto morto superior. (processo análogo a

4-1)

4. Admissão, onde acontece uma nova injeção da mistura combustível no cilindro

(processo complementar para o sistema aberto).

Figura 4 - Ciclo Otto Real

O rendimento térmico do ciclo Otto se dá da seguinte forma. Temos a partir do balaço

energético que:

Onde qin é o calor inserido no sistema, qout é o calor expelido, win é o trabalho inserido o

sistema, wout é o trabalho realizado pelo sistema e ∆u é a variação de energia interna.

Temos tembém que:

Onde c é calor específico e T é a temperatura. Os números subscritos indicam o ponto

do processo. Logo temos que o rendimento térmico η, que se dá pela razão entre

trabalho líquido wnet e o calor inserido no sistema é:

Como os processos 1-2 e 3-4 são isentrópicos, e V1=V4 e V2=V3, então:

onde k é a taxa de calor específico.

Um fato importante é que, como se pôde ver, o rendimento do ciclo padrão Otto é

apenas função da taxa de compressão. Contudo, em um motor real, o aumento dessa

taxa resulta num tendência a detonação da mistura, o que pode acarretar num problema

conhecido por “batida”, onde ocorre a queima abrupta da mistura antes do esperado.

Figura 5 - Relação de rendimento e taxa de compressão. Indicação da taxa tipica de compressão de motores a gasolina.

4 CICLO DIESEL

O ciclo termodinâmico padrão a ar Diesel, inventado por Rudolph Diesel descreve o

ciclo ideal de funcionamento de um motor diesel, ou moto de ignição por compressão.

Nesse ciclo, o calor é transferido ao fluido de trabalho a pressão constante; processo

correspondente a injeção e queima do combustível no motor diesel real, enquanto o

pistão recua.

O processo 1-2, compressão isentrópica, é semelhante ao ciclo Otto. Contudo o calor

não é transferido para o fluido de trabalho a volume constante como no ciclo Otto, mas

a pressão constante. O processo 2-3 também equivale à primeira parte do “golpe de

potência”, sendo a expansão isentrópica de 3-4 equivalente é resto desta etapa. Assim

como no ciclo Otto, o ciclo é completado pelo processo 4-1 no qual o calor é rejeitado

do ar enquanto o pistão está no ponto morto inferior.

Figura 6 - Diagrama Pressão e Volume / Temperatura e Entalpia Ideal para o ciclo Diesel

O rendimento térmico do ciclo Diesel se dá de maneira semelhante a do ciclo Otto com

a ressalva da relação entre V2 e V3:

Assim como no ciclo Otto o rendimento do ciclo padrão Diesel é apenas função da taxa de compressão.

Figura 7 - Relação de rendimento e taxa de compressão. Indicação da taxa tipica de compressão de motores a diesel.

REFERÊNCIAS

BORGNAKKE, Claus; SONNTAG, Rechard. Sistemas de Refrigeração e Potência.

In:______. Fundamentos da Termodinâmica. 7. ed. São Paulo: Blucher, 2009. Cap.

12, p.355-390.

ÇENGEL, Yunus; BOLES, Michael. Gas Power Cycles. In:______. Thermodynamics:

An Engineering Approach. 5. ed. United States: McGraw-Hill Science, 2005. Cap. 9, p.

487-550.

MORAN, Michael; SHAPIRO, Howard. Gas Power Systems. In:______.

Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 5th ed. England: John Wily and

Sons, 2006. Cap. 9, p. 373-453.