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

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1 Ciclo 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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3 Ciclos real e ideal em motores à explosão por centelha v v

4 Ciclo padrão a ar Modelo simplificado para análise Assume que fluido de trabalho passa por ciclo termodinâmico

5 Características: Ciclo padrão a ar 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

6 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

7 Ciclo Otto q in q out Diagrama P-V (trabalho) Diagrama T-S (transf. de calor)

8 Ciclo Otto Para análise Ar Frio e considerando KE= PE=0 W comp m = W 1 2 m = u=c (T T ) v 1 2 Q ent m = Q 2 3 m = u=c (T T ) v 3 2 W sai m = W 3 4 m = u=c (T T ) v 3 4 Q sai m = Q 4 1 m = u=c (T T ) v 1 4

9 Ciclo Otto W ciclo m = W sai W comp m ou =c v [(T 3 T 4 )(T 2 T 1 )] W ciclo m = Q ciclo m = Q Q ent sai =c m v [(T 3 T 2 )(T 4 T 1 )] Logo, para a eficiência térmica: η= W ciclo Q ent = Q ent Q sai Q ent =1 Q sai =1 (T T ) 4 1 Q ent (T 3 T 2 )

10 1-2 e 3-4 são processos adiabáticos: relações entre T e V Ciclo Otto q in T 2 T 1 =( V 1 V 2)γ1 =( V 4 V 3)γ1 SAME VOLUME RATIO = T 3 T 4 T 2 T 1 T 3 T 4 η =1 T 1 =1 1 T ; r = V 1 2 r γ 1 V 2 q out

11 Performance do ciclo com hipótese de ar frio η th, Otto =1 T 1 T 2 =1 1 r k1 Parece a eficiência de Carnot mas não é! T 1 e T 2 não são constantes. Quais são as limitações desta expressão?

12 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 C p /C v.

13 Eficiência térmica do ciclo Otto η th,otto =1 T 1 T 2 =1 1 r k1 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

14 Se r for muito grande Limitações da eficiência η th,otto =1 T 1 T 2 =1 1 r k1 T ar excede T ignição e ocorre ignição espontânea quando pistão se aproxima do PMS Normalmente se utiliza 9 < r < 10

15 Efeito da taxa de compressão na eficiência do ciclo Otto k = 1.4

16 Ciclo Otto A eficiência térmica do ciclo Otto aumenta com a razão de calores específicos k do fluido de trabalho

17 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 T ar excede T ignição e ocorre ignição espontânea quando pistão se aproxima do PMS Não é necessário centelha OBS: para óleo Diesel, r 14

18 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

19 Ciclo Diesel Q ent Q ent Q sai Q sai

20 Ciclo Diesel Para análise Ar Frio e considerando KE= PE=0 W comp m = W 1 2 m = u=c (T T ) v 1 2 W sai parte1 m = W 2 3 m = P(v v ) 3 2 W sai parte2 m Q ent = W 4 3 m = u=c v (T 3 T 4 ) m = Q 2 3 m = u+ P v= h=c (T T ) p 3 2 Q sai m = Q 4 1 m = u=c (T T ) v 1 4

21 Ciclo Diesel W ciclo m = Q ciclo m = Q Q ent sai =c m p (T 3 T 2 )c v (T 4 T 1 ) Logo, para a eficiência térmica: η= W ciclo Q ent = Q ent Q sai Q ent =1 Q sai Q ent =1 c v (T 4 T 1 ) c p (T 3 T 2 )

22 Ciclo Diesel Define-se razão de corte: r c = V 3 V 2 E, para processos isentrópicos: T 2 T 1 =( V 1 V 2)γ1 =r γ1 T 4 T 3 =( V 3 V 4)γ1 =( r )γ1 c r

23 Ciclo Diesel Logo: η=1 1 r γ1[ r c γ 1 γ(r c 1)] O aumento da taxa de compressão aumenta a efic. Térmica Para r c 1, η Diesel η Otto

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25 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 (T 3 ) Observação dos diagramas Pv e Ts mostra que o ciclo Diesel tem η maior.

26 Mesmo r

27 Mesmo T 3

28 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