Módulo I Motores de Combustão Interna e Ciclo Otto

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1 Módulo I Motores de Combustão Interna e Ciclo Otto Motores de Combustão Interna. Apesar de serem ciclos de potência como os estudados em todas as disciplinas anteriores que envolvem os conceitos de Termodinâmica esses motores são diferentes pelo fato do processo ocorrer dentro de arranjos cilindro-pistão com movimento alternativo e não em séries de componentes interligados. Estudaremos dois princípios de motores de combustão interna: ignição por centelha e ignição por compressão. O primeiro é leve e de baixo custo, enquanto que o segundo é utilizado quando se precisa de potência relativamente alta. Funcionamento do Motor Consiste de um pistão que se move dentro de um cilindro datado de duas válvulas. O diâmetro do cilindro é chamado de calibre. A distância que o pistão se move em uma direção é denominado curso. Quando o pistão se move até a posição superior e consequentemente possui volume mínimo é chamado de ponto morto superior. Ao contrário, quando o pistão se move até o ponto inferior e possui volume máximo é chamado de ponto morto inferior. Esse deslocamento do ponto morto superior para o ponto morto inferior é chamado de deslocamento. Um termo muito importante para motores é a taxa de compressão (r) que é definida como o volume no ponto morto inferior dividido pelo volume no ponto morto superior. Em um motor de combustão interna, o pistão executa quatro cursos distintos dentro do cilindro para cada duas rotações do eixo de manivelas.

2 Devido ao fato de nos motores de combustão interna haver introdução e descarga de matéria o conteúdo do cilindro não executa um ciclo termodinâmico. Um termo importante para esses motores é a pressão média efetiva que é a pressão constante teórica que, se atuasse o pistão durante o curso de potência, produziria o mesmo trabalho líquido que é realmente produzido em um ciclo. [ ] onde PMS é o ponto morto superior e PMI o ponto morto inferior. Podemos utilizar esse resultado para determinar a potência do motor:

3 Porém: Então: onde N são o número de revoluções e rpm as rotações por minuto. E o resultado precisa ser corrigido pelo fator ½ quando utilizado para motores de quatro tempos pelo fato de ter que haver duas revoluções completas para o motor completar um ciclo. Ciclo Ar-Padrão Devido à complexidade dos motores de combustão interna é necessária uma considerável simplificação para se conduzirem análises termodinâmicas elementares. O procedimento é empregar uma análise de ar-padrão: Uma quantidade fixa de ar modelado como gás ideal é o fluido de trabalho, isto é, a massa da pequena quantidade de ar injetada é desprezível considerando que a mesma massa permanece dentro do motor e percorre ciclicamente os processos. (Neste ponto recomenda-se ao aluno uma revisão das relações de gás ideal estuda nas disciplinas de termodinâmica anteriores). O processo de combustão, responsável por liberar energia para o fluido, é substituído por uma transferência de calor de uma fonte externa. Não existe um processo de admissão e descarga como no motor real. O ciclo se completa com um processo de transferência de calor a volume constante enquanto o pistão está no ponto morto inferior, sendo que a descompressão final é substituída por um resfriamento rápido, cedendo energia para uma fonte fria. Todos os processos são internamente reversíveis.

4 Os calores específicos são considerados constantes nos seus valores para temperatura ambiente. Ciclo Otto É um ciclo ideal para motores de ignição por centelha e recebe esse nome em homenagem a Nikolaus A. Otto um motor quatro tempos em 1876 utilizando o ciclo proposto por Beau de Rochas em Em um motor de combustão interna de quatro tempos, o pistão executa quatro cursos distintos dentro do cilindro para cada duas rotações do eixo de manivelas: 1- Com a válvula de admissão aberta, o pistão executa um curso de admissão quando aspira uma carga de ar e combustível para dentro do cilindro. 2- Com ambas as válvulas fechadas, o pistão, que está incialmente na sua posição mais baixa (PMI), passa por um curso de compressão elevando a temperatura e a pressão da carga. Esta fase exige fornecimento de trabalho do pistão para o conteúdo do cilindro. Logo depois que o pistão atinge sua posição mais alta (PMS), a combustão é induzida através da vela próxima ao final do curso de compressão que solta uma faísca. 3- Um curso de potência vem em seguida ao curso de compressão, durante o qual a mistura gasosa se expande e forçam o pistão para baixo, o que, por sua vez, força o eixo de manivela a girar, e é realizado trabalho sobre o pistão à medida que este retorna ao ponto morto inferior. Ao final desse tempo, o ocorre a conclusão do ciclo mecânico e o cilindro está cheio de produtos de combustão. 4- O pistão move-se para cima mais uma vez, onde executa um curso de escape no qual os gases queimados são expulsos do cilindro através da válvula de escape aberta, e uma segunda vez pra baixo, sugando a mistura de ar fresco e combustível através da válvula de admissão.

5 Nos motores de dois tempos, as operações de admissão, compressão, expansão e escape são obtidos em uma volta do eixo da manivela. Nesses motores, o cárter é vedado, e o movimento para baixo do pistão é utilizado para pressurizar ligeiramente a mistura de ar e combustível no cárter. As válvulas de admissão e descarga são substituídas por aberturas na parte inferior da parede do cilindro. Durante a primeira parte do tempo motor, o pistão descobre primeiro a janela de exaustão, permitindo que os gases de exaustão sejam parcialmente expelidos e, em seguida, a janela de admissão, permitindo que a mistura de ar e combustível entre e expulse a maior parte dos gases de exaustão restantes do cilindro. Em seguida, essa mistura é comprimida à medida que o pistão se move para cima e durante o tempo de compressão, e logo em seguida a ignição é realizada por uma vela.

6 Os motores de dois tempos em geral são menos eficientes do que os equivalentes de quatro tempos, por causa da expulsão incompleta dos gases de exaustão e da expulsão parcial da mistura de ar fresco e combustível com os gases de exaustão. Porém são simples e baratos, e têm maior relação potência-peso e potência-volume. Além disso, os avanços tecnológicos como injeção direta de combustível e controles elétricos aumentaram o interesse dos motores de dois tempos capazes de aliar alto desempenho com economia de combustível. A análise termodinâmica não é fácil, mas é bem simplificado com o uso do conceito de ciclo de ar-padrão. O ciclo Otto ideal apresenta os seguintes processos: 1-2: Compressão isentrópica do ar conforme o pistão se move do ponto morto inferior para o ponto morto superior. 2-3: Transferência de calor a volume constante para o ar a partir de uma fonte externa enquanto o pistão está no ponto morto superior. 3-4: Expansão isentrópica. 4-1: Rejeição de calor a volume constante quando o pistão está no ponto morto inferior.

7 O ciclo Otto é executado em um sistema fechado onde as variações da energia cinética e potencial podem ser desprezados. Como o volume é constante não há trabalho no processo. ou

8 Relações para processos isentrópicos: onde r é a razão de compressão e os valore de são tabelados. Analisando com base de ar-padrão frio: onde k é a razão dos calores específicos.

9 Exemplos 1) Um ciclo Otto ideal tem uma razão de compressão igual a 8. No início do processo de compressão, o ar está a 100 kpa e 17 C, e 800 kj/kg de calor são transferidos para o ar durante o processo de fornecimento de calor a volume constante. Considerando a variação dos calores específicos do ar com a temperatura, determine: a) A temperatura e a pressão máximas que ocorrem durante o ciclo. b) O trabalho líquido produzido. c) A eficiência térmica. d) A pressão média efetiva do ciclo. Resolução: a) Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar para T 1 = 290 K Processo 1-2: compressão isentrópica de um gás ideal Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar para Processo 2-3: fornecimento de calor a volume constante

10 Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar b) Processo 3-4: expansão isentrópica em um gás ideal. Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar Processo 4-1: rejeição de calor a volume constante. c)

11 d) Onde 2) A temperatura de início de processo de compressão de um ciclo de arpadrão Otto com uma taxa de compressão de 8 é 540 R, a pressão é de 1 atm e o volume do cilindro é 0,02 ft 3. A temperatura máxima durante o ciclo é 3600 R. Determine: a) A pressão e a temperatura no estado final de cada processo do ciclo. b) A eficiência térmica. c) A pressão média efetiva. Resolução: a) Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar para T 1 = 540 R Processo 1-2: compressão isentrópica de um gás ideal

12 Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar para Processo 2-3: fornecimento de calor a volume constante Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar Processo 3-4: expansão isentrópica em um gás ideal. Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar Processo 4-1: rejeição de calor a volume constante.

13 b) d) [ ] Onde ( ) [ ] [ ] [ ]