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Motores térmicos

Ciclo diesel teórico: etapas, diagrama e desempenho do motor

O ciclo teórico do diesel é um processo termodinâmico que descreve a operação de motores diesel, comuns em veículos de transporte, geradores de energia e máquinas industriais. 

O ciclo teórico de uma máquina térmica é uma aproximação teórica de seu funcionamento para calcular seu desempenho e é constituído pelas transformações físicas e químicas que o combustível sofre durante sua passagem pelo motor.

O estudo de um ciclo real tendo em conta todas as inúmeras variáveis ​​representa um problema muito complexo. Portanto, atualmente é simplificado recorrendo a abordagens teóricas, baseadas em diferentes pressupostos simplificados.

Etapas do ciclo diesel

Este ciclo é composto por quatro etapas principais: admissão, compressão, combustão e exaustão. Aqui está uma explicação detalhada de cada uma dessas etapas:

Admissão

Neste primeiro estágio, o pistão está no topo do seu curso e o cilindro do motor é preenchido com ar à pressão atmosférica. As válvulas de admissão abrem, permitindo que o ar entre no cilindro.

Nos motores diesel, o ar é o único fluido introduzido nesta fase, ao contrário dos motores a gasolina, onde o ar e o combustível são misturados desde o início.

Compressão

Assim que o cilindro estiver cheio de ar, o pistão começa a descer e comprime o ar. Durante esta fase, a temperatura e a pressão do ar aumentam significativamente devido à compressão.

A pressão elevada faz com que o ar atinja temperaturas muito altas em preparação para a combustão de acordo com a lei dos gases.

Combustão

No terceiro estágio, quando o pistão está no topo do curso de compressão, o óleo diesel é injetado no cilindro. O ar comprimido quente faz com que o combustível entre em ignição espontânea devido à alta temperatura, sem a necessidade de faísca como nos motores a gasolina. 

Esta combustão repentina cria uma explosão que força o pistão para baixo com força. É essa expansão dos gases que gera a energia mecânica utilizada para impulsionar o veículo ou realizar trabalhos úteis, como gerar eletricidade em um gerador.

Escape

Finalmente, após a combustão, o pistão sobe novamente, empurrando os gases de escape resultantes para fora do cilindro através das válvulas de escape. Esses gases saem para o meio ambiente ou são direcionados através de um sistema de exaustão para reduzir emissões e ruídos.

Diagrama do ciclo teórico do motor diesel

Ciclo diesel teórico: etapas, diagrama e desempenho do motorO ciclo teórico do motor diesel é comumente representado em um diagrama denominado "Diagrama Pressão-Volume" ou "Diagrama PV". Este diagrama mostra como a pressão e o volume dentro do cilindro do motor variam durante os quatro estágios do ciclo diesel.

Como visto em Com podemos ver na figura, o ciclo diesel ideal é composto por quatro linhas térmicas que representam:

Compressão adiabática (1-2)

A etapa de compressão é realizada sem troca de calor, o pistão sobe, reduzindo o volume do cilindro. Durante este processo, a pressão do ar e a temperatura aumentam significativamente. Isto é mostrado no diagrama como uma linha curva do ponto 1 ao ponto 2, que representa a compressão adiabática.

Entrada de pressão constante (2-3)

O pistão está no topo do seu curso (ponto 2). Durante a admissão, as válvulas de admissão são abertas e o pistão desce, aumentando o volume do cilindro e permitindo a entrada de ar à pressão atmosférica. Isto é representado no diagrama como uma linha horizontal que vai do ponto 2 ao ponto 3 representando a entrada de ar a pressão constante (isobárica) à medida que o volume aumenta.

Expansão adiabática em combustão (3-4)

Nesta etapa é realizada sem troca de calor; Nele, o óleo diesel é injetado no cilindro e inflama devido à alta temperatura e pressão do ar comprimido. Durante esta fase, a pressão aumenta dramaticamente à medida que o combustível queima e os gases se expandem. No diagrama, isso é representado como uma linha descendente do ponto 3 ao ponto 4.

Expulsão de calor a volume constante (4-1)

A última etapa é a exaustão, na qual os gases de combustão são expelidos do cilindro à medida que o pistão se move novamente para cima. Isto é mostrado como uma linha horizontal representando a remoção dos gases de exaustão à medida que o volume aumenta novamente (do ponto 4 ao ponto 1).

Desempenho teórico do ciclo diesel

Durante a transformação 2-3 de introdução de calor Q1 a pressão constante, o pistão entra em operação e, portanto, o fluido produz trabalho:

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel 

Portanto, a equação de energia sem fluxo torna-se

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel

e a entalpia h do fluido é dada pela expressão

A equação se torna

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel

Como o fluido é um gás perfeito, podemos utilizar, para a sua variação de entalpia a pressão constante, a expressão

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel  

Então, o calor introduzido terá o seguinte valor:

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel  

Deve-se notar que numa transformação com introdução de calor a pressão constante, o valor da entalpia do fluido ativo varia, enquanto no caso da transformação a volume constante, a energia interna do fluido varia. Como a subtração do calor Q2 é realizada como no ciclo Otto, podemos escrever:

Q 2 =você 4 -você 1

e como o fluido é um gás perfeito e o ciclo é ideal:

Q 2 =C v (T 4 -T 1 ).

Portanto, a eficiência térmica ideal do ciclo diesel teórico é:

h e = (calor fornecido – calor subtraído)/calor fornecido

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel 
expressão completamente análoga àquela encontrada para o desempenho ideal do ciclo teórico de Otto.

Para a transformação 2-3 da combustão a pressão constante temos:

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel

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

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel

de onde: 

e como V 4 =V 1   e T 3 /T 2 =V 3 /V 2 são   , podemos escrever:

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel 

Substituindo esta expressão pela da eficiência térmica ideal, obtemos:

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel

indicando com t' a relação entre os volumes V 3  e V 2  no final e início, respectivamente, da fase de combustão a pressão constante, à qual daremos o nome de “razão de combustão a pressão constante”, e lembrando que

Ciclo teórico, desempenho e diagrama do motor diesel

 

Finalmente, obtemos a expressão da  eficiência térmica ideal do ciclo teórico l:

Desempenho térmico ideal do ciclo diesel teórico

Nesta expressão vemos que ele é, para o ciclo diesel, função da taxa de compressão, da taxa de combustão a pressão constante e da relação k entre os calores específicos.

As expressões da eficiência térmica dos ciclos Otto e diesel diferem apenas pelo termo entre parênteses, que é sempre maior que 1, e, portanto, fica claro que com a mesma taxa de compressão ela é maior para o ciclo Otto do que para o ciclo Otto. ciclo diesel. Ao reduzir t', isto é, o calor introduzido a pressão constante, a eficiência do ciclo diesel aproxima-se da do ciclo Otto, com o qual coincide para t'=1.

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Data de publicació: 10 de dezembro de 2009
Última revisió: 1 de outubro de 2023