UFABC Fenômenos Térmicos Prof. Germán Lugones Aula 11: Máquinas de combustão interna
Máquinas de combustão interna O motor a gasolina usado em automóveis e em outras máquinas é um tipo familiar de máquina térmica. Neste tipo de motor, ocorre uma combustão interna da substância de trabalho (ar misturado com gasolina a vapor) com quatro tempos. Inicialmente, uma mistura de ar e vapor de gasolina flui para o interior de um cilindro através da abertura de uma válvula de admissão enquanto o pistão desce, fazendo o volume do cilindro aumentar de um valor mínimo V (quando o pistão está em seu curso superior) até um volume máximo rv (quando o pistão está em seu curso inferior). A quantidade r denomina-se razão de compressão; nos automóveis modernos, essa razão apresenta valores da ordem de 8 a 10.
Válvula de admissão aberta Válvula de exaustão fechada Ambas as válvulas fechadas Centelha da vela Tempo de potência Válvula de admissão fechada Válvula de exaustão aberta Cilindro Pistão Eixo de manivela Biela 1 Tempo de admissão: o pistão move-se para baixo, produzindo um vácuo parcial no cilindro; a mistura de ar e gasolina entra através da válvula de admissão. 2 Tempo de compressão: 3 a válvula de admissão se fecha e a mistura é comprimida à medida que o pistão sobe. Ignição: a centelha da vela produz ignição da mistura. 4 Tempo motor: a mistura quente empurra o pistão para baixo. 5 Tempo de exaustão: a válvula de exaustão abre-se e o pistão se move para cima, empurrando a mistura queimada para fora do cilindro; depois o ciclo se repete.
Razão de compressão Quando o pistão desce, faz o volume do cilindro aumentar de um valor mínimo V (quando o pistão está em seu curso superior) até um volume máximo rv (quando o pistão está em seu curso inferior). A quantidade r denomina-se razão de compressão. Nos automóveis modernos, essa razão apresenta valores da ordem de 8 a 10.
O ciclo de Otto O ciclo de Otto é um modelo idealizado dos processos termodinâmicos que ocorrem em um motor a gasolina. A mistura é comprimida adiabaticamente até o ponto b e, a seguir, sofre ignição. O calor Q h é fornecido ao sistema pela queima de gasolina ao longo da linha bc, e o tempo no qual o trabalho é realizado é a expansão adiabática até o ponto d. O gás é resfriado até a temperatura do ar externo ao longo da linha da; durante esse processo, o calor Q c é rejeitado. P Q H c b 2 Aquecimento a volume constante (combustão) W d 0QC 0 a O V rv 1 Compressão adiabática (tempo de compressão) 3 Expansão adiabática (tempo motor) 4 Resfriamento a volume constante (resfriamento dos gases de exaustão) V Esse gás deixa a máquina como gás de exaustão e não retorna para o sistema.
Podemos calcular a eficiência desse ciclo ideal. os processos bc e da ocorrem a volume constante, de modo que os calores Qh e Qc relacionam-se de modo simples com as temperaturas nos pontos a, b, c e d: Q H nc V (T c T b ) > 0 Q C nc V (T a T d ) < 0 A eficiência térmica é dada por e=w/q H. Substituindo a expressão anterior e cancelando o fator comum nc V, obtemos e = W Q H = Q H + Q C Q H = T c T b + T a T d T c T b
Para simplificar ainda mais essa expressão, podemos usar a relação entre a temperatura e o volume para um processo adiabático de um gás ideal. Para os dois processos adiabáticos ab e cd, achamos T a (rv) 1 T b V g 1 e T d (rv) g 1 T c V g 1 onde γ é a razão dos calores específicos para o gás no motor. Dividimos cada uma das expressões anteriores pelo fator comum V γ-1 e substituímos as relações obtidas para Tb e Tc na equação da eficiência: e = T d r g -1 - T a r g -1 + T a - T d T d r g -1 - T a r g -1 = 1T g -1 d - T a 21r - 1 2 1T d - T a 2 r g -1 Eliminando o fator comum (Td Ta), encontramos: Eficiência térmica 1 no ciclo de Otto e = 1 - r g - 1 Razão de compressão Razão dos calores específicos
A eficiência térmica obtida é sempre menor que a unidade, mesmo no caso de um modelo idealizado. Considerando r =8 e γ =1,4 (o valor para o ar), a eficiência teórica é e=0,56 ou 56%. A eficiência pode aumentar elevando-se o valor de r. Contudo, isso também faz aumentar a temperatura no final do processo adiabático da compressão da mistura ar combustível. Quando a temperatura é muito elevada, a mistura pode explodir espontaneamente durante a compressão, em vez de quando a centelha da vela produz a ignição. Esse fenômeno, que se chama pré-ignição ou detonação, produz um forte som de pancada e pode danificar o motor. A taxa de octanagem da gasolina mede suas qualidades antidetonantes. A razão de compressão prática máxima da gasolina de octanagem elevada, ou premium, é de aproximadamente 10 a 13.
O ciclo de Otto, que acabamos de descrever, é um modelo altamente idealizado. Ele supõe que a mistura se comporte como um gás ideal; despreza o atrito, a turbulência, a perda de calor para as paredes do cilindro e muitos outros efeitos que se combinam para reduzir a eficiência da máquina real. As eficiências dos motores de gasolina reais são tipicamente da ordem de 35%.
O ciclo diesel O ciclo do motor a diesel é semelhante ao do motor a gasolina. Diferença mais importante: não existe combustível no cilindro no início do tempo de compressão. Um pouco antes do início do tempo de potência, os injetores começam a injetar o combustível diretamente no cilindro, com velocidade suficiente para manter a pressão constante durante a primeira parte do tempo de potência. Em virtude da elevada temperatura resultante da compressão adiabática, o combustível explode espontaneamente ao ser injetado; não é necessário usar nenhuma vela de ignição.
Etapas do ciclo diesel: Compressão adiabática de a até b. Aquecimento a P constante de b até c. Expansão adiabática de c até d. Resfriamento a V constante de d até a. Como não existe nenhum combustível no cilindro durante a maior parte do tempo de compressão, não pode ocorrer pré-ignição; logo, a razão de com- pressão r pode ser muito maior que a de um motor a gasolina. Isso faz a eficiência aumentar e garante uma ignição confiável quando o combustível é injetado (por causa da temperatura elevada atingida durante a compressão adiabática). P QH b 2 Ciclo diesel c Ignição do combustível, aquecimento a pressão constante (combustão). Essa é uma diferença importante entre os ciclos diesel e de Otto. W a O V rv 1 Compressão adiabática (tempo de compressão) 3 Expansão adiabática (tempo motor) d 0Q C 0 V 4 Resfriamento a volume constante (resfriamento dos gases de exaustão)
Nos motores Diesel, valores de r em torno de 15 a 20 são normais; Com esses valores e com γ=1,4, a eficiência teórica de um ciclo diesel idealizado é cerca de 0,65 até 0,70. Do mesmo modo que no ciclo de Otto, a eficiência real é bem menor que essa. Embora os motores a diesel sejam bastante eficientes, eles precisam ser construídos com uma precisão muito maior que os motores a gasolina, e seu sistema de injeção de combustível exige manutenção rigorosa.