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O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos

O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos

O ciclo Otto teórico é o ciclo do motor Otto ideal. O motor Otto também é conhecido como motor de ignição comandada porque o combustível é inflamado por uma faísca provocada por uma vela de ignição e também é conhecido como motor a gasolina devido ao tipo de combustível que utiliza.

Uma forma de estudar o desempenho desse motor é analisando seu ciclo teórico. O ciclo teórico é uma aproximação do ciclo real com muitas simplificações. Na prática, aparecem tantas variáveis ​​que afetam o desempenho do motor que o cálculo do ciclo real é praticamente impossível. De qualquer forma, o cico teórico Otto é uma boa aproximação do ciclo real.

Como é o ciclo Otto a 4 tempos?

Os diagramas a seguir representam o ciclo Otto em um motor de 4 tempos nas coordenadas PV e TS. 

Ciclo de Otto teórico.  Diagrama de pressão-volume PVCiclo de Otto teórico.  Diagrama de entropia de temperatura TS

As transformações termodinâmicas que ocorrem durante o ciclo de Otto são:

  • 1-2. Transformação adiabática e isentrópica (sem troca de calor com o exterior). Compressão do fluido ativo e correspondente ao trabalho L 1  realizado pelo pistão.
  • 2-3. Transformação em volume constante. Introdução instantânea do calor fornecido Q 1 .
  • 3-4. Transformação adiabática. Expansão a pressão constante e trabalho correspondente L 2  produzido pelo fluido ativo.
  • 4-1. Transformação em volume constante. Remoção instantânea de calor Q 2 .

Na realidade, no motor de 4 tempos, a subtração de calor ocorre durante o curso de escape 1-0 e o fluido é introduzido no motor no curso de sucção 0-1, que é representado graficamente no diagrama PV por uma linha horizontal, enquanto no diagrama TS não é possível representá-lo. Os efeitos de ambos os processos se anulam, sem ganho ou perda de trabalho, razão pela qual os golpes de sucção e exaustão geralmente não são considerados nos diagramas ideais em coordenadas PV, e o ciclo de Otto é representado como um ciclo fechado, no qual o fluido ativo retorna ao seu estado inicial quando a fase de expulsão de calor 4-1 chega ao fim.

Como é o ciclo Otto de 2 tempos?

O ciclo Otto muda ligeiramente em um motor de 2 tempos em comparação com o motor de 4 tempos.

Primeira metade - Compressão e visão

Quando o pistão do motor alternativo atinge PMI (ponto morto inferior), ele começa a se deslocar para TDC (ponto morto superior). Durante o curso, o pistão cria uma diferença de pressão que puxa a mistura de ar-gasolina através da porta de entrada em direção ao cárter de pré-compressão. O combustível entra na forma gasosa.

Quando o pistão se conecta à porta, a mistura para de entrar. Durante o restante do curso para baixo, o pistão é comprimido pela mistura no cárter inferior, até que a porta de transferência que o comunica com a câmara de compressão seja descoberta. Ao comunicar-se com a câmara de compressão, a mistura nova e pré-comprimida ajuda a expulsar os gases queimados do escapamento.

Quando o pistão começa a subir, a porta de transferência permanece aberta uma parte do curso e o cárter não leva ar fresco, mas parte dos gases retorna, perdendo a eficiência de bombeamento. Em altas revoluções, a inércia da massa dos gases é usado para minimizar este efeito. É o que se denomina renovação da carga.

Segundo tempo. Expansão e exaustão de gases

Assim que o pistão do motor térmico atinge o ponto morto superior e a mistura de ar e gasolina é comprimida, ele é aceso por uma faísca entre os dois eletrodos da vela de ignição. Com a ignição, o combustível libera energia e atinge altas pressões e temperaturas no cilindro. O pistão se desloca para baixo, trabalhando até que a porta de exaustão seja exposta. Estando em altas pressões, os gases queimados saem por esse orifício.

Características do ciclo Otto de 2 tempos

O desempenho deste motor é inferior em comparação com o motor de 4 tempos, pois apresenta uma eficiência volumétrica inferior e o escape é menos eficiente. Os ciclos de 2 tempos são mais poluentes. No nível de potência, o ciclo Otto 2 tempos oferece um torque maior na unidade de tempo para o mesmo deslocamento. Essa diferença de torque se deve ao fato de o motor de 2 tempos explodir a cada volta, enquanto o motor de 4 tempos explode a cada 2 rotações, e possui mais peças móveis.

Este tipo de motor é utilizado principalmente em motores de pequena cilindrada (ciclomotores, roçadoras, corta-sebes, motosserras, etc.), por ser mais barato e fácil de construir e ter uma elevada emissão de poluentes muito baixa em valor absoluto.

Qual é o desempenho do ciclo Otto?

Uma vez que o calor Q1 é introduzido em volume constante, o trabalho L 2-3  realizado durante esta transformação é zero, e a equação para a conservação da energia do fluido sem fluxo torna-se:

O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos

Por se tratar de um ciclo ideal e, portanto, o fluido de trabalho é um gás perfeito, a variação da energia interna durante sua transformação para volume constante é igual a:

O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos

De onde isso vem:

 O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos

Da mesma forma, como o calor Q 2  também é subtraído em volume constante, e sob tais condições que L 4-1 = 0, podemos escrever:

O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos

e porque o fluido é um gás perfeito:

O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos

Portanto, o desempenho térmico ideal para o ciclo de Otto teórico é:

h e = (calor fornecido - calor subtraído) / calor fornecidoO que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos

Para as transformações adiabáticas de compressão 1-2 e expansão 3-4, obtemos, respectivamente:

O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos

e uma vez que é V 1 = V 4  e V 2 = V 3 , podemos escrever:

O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos

Introduzindo esta relação na expressão do desempenho h e (bem como a que existe entre as temperaturas T 1  e T 2  de fase 1-2 de compressão adiabática), resulta:

O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos

Indicando com  O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 temposa relação entre os respectivos volumes V 1  e V 2  do início e do final do curso de compressão - que chamaremos de “razão de compressão volumétrica” -, obtém-se a expressão final do  desempenho térmico ideal do ciclo de Otto .

O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos
  

A eficiência térmica do ciclo de Otto é, portanto, função da razão de compressão e do expoente k, razão dos calores específicos do fluido de trabalho. Aumentando   O que é o ciclo Otto? Desempenho do ciclo de 2 e 4 tempos, aumentar h e ; aumentando os valores dos calores específicos, k diminui e, conseqüentemente, também a eficiência térmica h e . Por esse motivo, o ciclo ideal, para o qual k = 1,4, tem desempenho térmico superior ao ciclo a ar, visto que, para ele, k tem um valor médio inferior, devido aos calores específicos que variam com a temperatura.

Autor:
Data de Publicação: 18 de julho de 2012
Última Revisão: 26 de abril de 2018