Nick Connor

• Expansão isentrópica (golpe de energia) – O gás se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4, conforme o pistão se move do ponto morto superior para o ponto morto inferior. O gás trabalha nos arredores (pistão) e perde uma quantidade de energia interna igual ao trabalho que sai do sistema. Novamente a entropia permanece inalterada. A taxa de volume ( V ₄ / V ₃ ) é conhecida como taxa de expansão isentrópica.
• Exaustão isobárica (curso de exaustão) – O objetivo principal do ciclo moderno de Atkinson é permitir que a pressão na câmara de combustão no final do curso de potência seja igual à pressão atmosférica. Como pode haver pressão atmosférica na câmara, não há descompressão como no ciclo Otto. O pistão se move do ponto morto inferior (BDC) para o ponto morto superior (TDC) e o ciclo passa pelos pontos 4 → 1 → 0. Nesse curso, a válvula de escape está aberta enquanto o pistão puxa os gases de escape para fora da câmara.

Durante o ciclo de Atkinson , o trabalho é realizado no gás pelo pistão entre os estados 1 e 2 ( compressão isentrópica ). O trabalho é realizado pelo gás no pistão entre os estágios 3 e 4 ( expansão isentrópica ). A diferença entre o trabalho realizado pelo gás e o trabalho realizado com o gás é o trabalho líquido produzido pelo ciclo e corresponde à área delimitada pela curva do ciclo. O trabalho produzido pelos tempos de ciclo, a taxa do ciclo (ciclos por segundo) é igual à potência produzida pelo motor Atkinson.

Eficiência térmica para o ciclo de Atkinson

Em geral, a eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor é definida como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho . Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q _H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q _C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:

O calor absorvido ocorre durante a combustão da mistura combustível-ar, quando a faísca ocorre, aproximadamente a volume constante. Como durante um processo isocórico não há trabalho realizado pelo sistema ou sobre ele, a primeira lei da termodinâmica determina ∆U = ∆Q.

Portanto, o calor adicionado e rejeitado é dado por:

Q _add = mc _v (T ₃ – T ₂ )

Q _out = mc _p (T ₄ – T ₁ )

Substituindo essas expressões pelo calor adicionado e rejeitado na expressão por eficiência térmica, obtém-se:

Além disso, pode-se derivar isso em termos de:

• a razão V ₁ / V ₂ , que é conhecida como taxa de compressão – CR
• a razão V ₄ / V ₃ , que é conhecida como taxa de expansão – ER.
• κ = c _p / c _v

A expressão para eficiência térmica usando essas características é:

Ciclo Otto – Processos

Em um ciclo Otto ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos reversíveis internamente: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isocóricos:

1. Compressão isentrópica (curso de compressão) – O gás (mistura combustível-ar) é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2, conforme o pistão se move do ponto morto inferior para o ponto morto superior. O ambiente trabalha com o gás, aumentando sua energia interna (temperatura) e comprimindo-o. Por outro lado, a entropia permanece inalterada. As mudanças nos volumes e sua taxa ( V ₁ / V ₂ ) são conhecidas como taxa de compressão.
2. Compressão isocórica (fase de ignição) – Nesta fase (entre o estado 2 e o estado 3), há um volume constante (o pistão está em repouso) transferido para o ar a partir de uma fonte externa, enquanto o pistão está em repouso no ponto morto superior . Esse processo visa representar a ignição da mistura combustível-ar injetada na câmara e a subsequente queima rápida. A pressão aumenta e a razão ( P ₃ / P ₂ ) é conhecida como “taxa de explosão”.
3. Expansão isentrópica (golpe de energia) – O gás se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4, conforme o pistão se move do ponto morto superior para o ponto morto inferior. O gás trabalha nos arredores (pistão) e perde uma quantidade de energia interna igual ao trabalho que sai do sistema. Novamente a entropia permanece inalterada. A razão de volume ( V ₄ / V ₃ ) é conhecida como a razão de expansão isentrópica, mas para o ciclo Otto, é igual à taxa de compressão.
4. Descompressão isocórica (curso de exaustão) – Nesta fase, o ciclo é concluído por um processo de volume constante no qual o calor é rejeitado do ar enquanto o pistão está no ponto morto inferior. A pressão do gás de trabalho cai instantaneamente do ponto 4 para o ponto 1. A válvula de escape se abre no ponto 4. O curso de escape ocorre imediatamente após esta descompressão. À medida que o pistão se move do ponto morto inferior (ponto 1) para o ponto morto superior (ponto 0) com a válvula de escape aberta, a mistura gasosa é ventilada para a atmosfera e o processo recomeça.

Durante o ciclo Otto, o trabalho é realizado no gás pelo pistão entre os estados 1 e 2 ( compressão isentrópica ). O trabalho é realizado pelo gás no pistão entre os estágios 3 e 4 ( expansão isentrópica ). A diferença entre o trabalho realizado pelo gás e o trabalho realizado com o gás é o trabalho líquido produzido pelo ciclo e corresponde à área delimitada pela curva do ciclo. O trabalho produzido pelos tempos de ciclo, a taxa do ciclo (ciclos por segundo) é igual à potência produzida pelo motor Otto.

Comparação dos ciclos Otto reais e ideais

Nesta seção, é mostrado um ciclo Otto ideal, no qual existem muitas suposições diferentes do ciclo Otto real . As principais diferenças entre o mecanismo Otto real e ideal aparecem na figura. Na realidade, o ciclo ideal não ocorre e há muitas perdas associadas a cada processo. Para um ciclo real, a forma do diagrama de pV é semelhante ao ideal, mas a área (trabalho) delimitada pelo diagrama de pV é sempre menor que o valor ideal. O ciclo Otto ideal é baseado nas seguintes premissas:

• Ciclo fechado.  A maior diferença entre os dois diagramas é a simplificação dos movimentos de admissão e escape no ciclo ideal. No curso de escape, o calor Q _out é ejetado para o ambiente, em um motor real, o gás sai do motor e é substituído por uma nova mistura de ar e combustível.
• Adição instantânea de calor ( adição isocórica de calor). Em motores reais, a adição de calor não é instantânea; portanto, o pico de pressão não está no TDC, mas logo após o TDC.
• Sem transferência de calor (adiabático)
  • Compressão – O gás (mistura combustível-ar) é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2. Nos motores reais, sempre existem algumas ineficiências que reduzem a eficiência térmica.
  • Expansão. O gás (mistura combustível-ar) se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4.
• Combustão completa da mistura combustível-ar.
• Nenhum trabalho de bombeamento . Trabalho de bombeamento é a diferença entre o trabalho realizado durante o golpe de escape e o trabalho realizado durante o golpe de admissão. Nos ciclos reais, há uma diferença de pressão entre as pressões de exaustão e de entrada.
• Sem perda de purga . A perda de purga é causada pela abertura precoce das válvulas de escape. Isso resulta em uma perda de produção durante o curso de expansão.
• Sem perda de impacto . A perda soprada é causada pelo vazamento de gases comprimidos através de anéis de pistão e outras fendas.
• Sem perdas por atrito .

Essas suposições e perdas simplificadoras levam ao fato de que a área fechada (trabalho) do diagrama de pV para um motor real é significativamente menor que o tamanho da área (trabalho) envolvida pelo diagrama de pV do ciclo ideal. Em outras palavras, o ciclo ideal do motor superestimará o trabalho líquido e, se os motores funcionarem na mesma velocidade, maior potência produzida pelo motor real em cerca de 20%.

Taxa de compressão – Otto Engine

A taxa de compressão , CR , é definida como a taxa do volume no ponto morto inferior e o volume no ponto morto superior. É uma das principais características de muitos motores de combustão interna. Na seção a seguir, será mostrado que a taxa de compressão determina a eficiência térmica do ciclo termodinâmico usado do motor de combustão. Em geral, é desejável ter uma alta taxa de compressão, pois permite que um motor atinja maior eficiência térmica.

Por exemplo, vamos supor um ciclo Otto com taxa de compressão de CR = 10: 1. O volume da câmara é de 500 cm = 500 x 10 ^-6 m ³ (0,5 L) antes do curso de compressão. Para este motor um ll necessário volumes são conhecidos:

• V ₁ = V ₄ = V _max = 500 × 10 ^-6 m ³ (0,5l)
• V ₂ = V ₃ = V _min = V _máx / CR = 55,56 × 10 ^-6 m ³

Observe que (V _max – V _min ) x número de cilindros = cilindrada total do motor.

Eficiência térmica para o ciclo Otto

Em geral, a eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor é definida como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho . Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q _H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q _C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:

O calor absorvido ocorre durante a combustão da mistura combustível-ar, quando a faísca ocorre, aproximadamente a volume constante. Como durante um processo isocórico não há trabalho realizado pelo sistema ou sobre ele, a primeira lei da termodinâmica determina ∆U = ∆Q. Portanto, o calor adicionado e rejeitado é dado por:

Q _add = mc _v (T ₃ – T ₂ )

Q _out = mc _v (T ₄ – T ₁ )

Substituindo essas expressões pelo calor adicionado e rejeitado na expressão por eficiência térmica, obtém-se:

Podemos simplificar a expressão acima usando o fato de que os processos 1 → 2 e de 3 → 4 são adiabáticos e, para um processo adiabático, a seguinte fórmula p, V, T é válida:

Pode-se derivar que:

Nesta equação, a razão V ₁ / V ₂ é conhecida como taxa de compressão, CR . Quando reescrevemos a expressão para eficiência térmica usando a taxa de compressão, concluímos que a eficiência térmica do ciclo Otto padrão do ar é uma função da taxa de compressão e  κ = c _p / c _v .

É uma conclusão muito útil, porque é desejável alcançar uma alta taxa de compressão para extrair mais energia mecânica de uma dada massa de mistura ar-combustível. Uma taxa de compressão mais alta permite alcançar a mesma temperatura de combustão com menos combustível, proporcionando um ciclo de expansão mais longo. Isso cria mais potência mecânica e reduz a temperatura do escapamento . A redução da temperatura de exaustão causa a diminuição da energia rejeitada na atmosfera. Essa relação é mostrada na figura para κ = 1,4, representando o ar ambiente.

Pressão Efetiva Média – MEP

Um parâmetro usado pelos engenheiros para descrever o desempenho dos motores de pistão alternativo é conhecido como pressão efetiva média , ou MEP . O MEP é uma medida muito útil da capacidade de um motor para executar um trabalho independente do deslocamento do motor. Existem vários tipos de MEP. Esses MEPs são definidos pela medição da localização e pelo método de cálculo (por exemplo, BMEP ou IMEP).

Em geral, a pressão efetiva média é a pressão constante teórica que, se ela atuasse no pistão durante o curso de força, produziria o mesmo trabalho líquido como realmente desenvolvido em um ciclo completo. O MEP pode ser definido como:

Por exemplo, a pressão efetiva média líquida indicada , conhecida como IMEP _n é igual à pressão efetiva média calculada a partir da pressão no cilindro (deve haver essa medição) durante todo o ciclo do motor. Observe que é 720 ° para um motor a quatro tempos e 360 ​​° para um motor a dois tempos.

Alguns exemplos:

• O MEP de um motor a gasolina atmosférico pode variar de 8 a 11 bar na região de torque máximo.
• O MEP de um motor a gasolina turbo pode variar de 12 a 17 bar.
• O MEP de um motor diesel atmosférico pode variar de 7 a 9 bar.
• MEP de um motor diesel turboalimentado pode variar de 14 a 18 bar

Por exemplo, um motor a gasolina a quatro tempos produzindo 200 N · m a partir de 2 litros de deslocamento possui um MPE de (4π) (200 N · m) / (0,002 m³) = 1256000 Pa = 12 bar. Como pode ser visto, o MEP é uma característica útil de um motor . Para dois motores de igual volume de cilindrada, aquele com um MEP maior produziria o maior trabalho líquido e, se os motores funcionassem na mesma velocidade, maior potência .

Ciclo Otto – Problema com solução

Vamos assumir o ciclo Otto , que é um dos ciclos termodinâmicos mais comuns encontrados em motores de automóveis . Um dos principais parâmetros desses motores é a mudança de volumes entre o ponto morto superior (TDC) e o ponto morto inferior (BDC). A proporção desses volumes ( V ₁ / V ₂ ) é conhecida como taxa de compressão .

A taxa de compactação em um motor a gasolina geralmente não será muito maior que 10: 1 devido a uma possível batida no motor (autoignição) e não menor que 6: 1. Por exemplo, alguns motores de carros esportivos podem ter taxa de compressão de até 12,5: 1 (por exemplo, Ferrari 458 Italia).

Neste exemplo, vamos assumir um ciclo Otto com taxa de compressão de CR = 9: 1 . O ar de admissão é de 100 kPa = 1 bar, 20 ° C e o volume da câmara é de 500 cm³ antes do curso de compressão. A temperatura no final da expansão adiabática é T ₄ = 800 K.

• Capacidade térmica específica a pressão constante do ar à pressão atmosférica e à temperatura ambiente: c _p = 1,01 kJ / kgK.
• Capacidade térmica específica a um volume constante de ar à pressão atmosférica e à temperatura ambiente: c _v = 0,718 kJ / kgK.
• κ = c _p / c _v = 1,4

Calcular:

1. a massa de entrada de ar
2. a temperatura T ₃
3. a pressão p ₃
4. a quantidade de calor adicionada pela queima da mistura combustível-ar
5. a eficiência térmica deste ciclo
6. o deputado

Solução:

1)  a massa de entrada de ar

No início dos cálculos, temos que determinar a quantidade de gás no cilindro antes do curso de compressão. Usando a lei do gás ideal, podemos encontrar a massa:

pV = mR _específico T

Onde:

• p é a pressão absoluta do gás
• m é a massa da substância
• T é a temperatura absoluta
• V é o volume
• R _específico  é a constante de gás específica, igual à constante de gás universal dividida pela massa molar (M) do gás ou mistura. Para ar seco R _específico = 287,1 J.kg ^-1 .K ^-1 .

Portanto

m = p ₁ V ₁ / R _específico T ₁ = (100000 × 500 × 10 ^-6 ) / (287,1 × 293) = 5,95 × 10 ^-4 kg

Nesse problema, todos os volumes são conhecidos:

• V ₁ = V ₄ = V _max = 500 × 10 ^-6 m ³ (0,5l)
• V ₂ = V ₃ = V _min = V _máx / CR = 55,56 × 10 ^-6 m ³

Observe que (V _max – V _min ) x número de cilindros = cilindrada total do motor.

2)  a temperatura T ₃

Como o processo é adiabático, podemos usar a seguinte relação p, V, T para processos adiabáticos :

portanto

T ₃ = T ₄ . CR ^{k – 1} = 800. 9 ^0,4 = 1926 K

3)  a pressão p ₃

Novamente, podemos usar a lei do gás ideal para encontrar a pressão no início do curso de força como:

p ₃ = mR _específico T ₃ / V ₃ = 5,95 × 10 ^-4 x 287,1 x 1926 / 55,56 × 10 ^-6 = 5920000 Pa = 59,2 bar

4)  a quantidade de calor adicionada

Para calcular a quantidade de calor adicionada pela queima da mistura combustível-ar, _adicione Q , temos que usar a primeira lei da termodinâmica para processos isocóricos , que declara Q _add = ∆U, portanto:

Q _add = mc _v (T ₃ – T ₂ )

a temperatura no final do curso de compressão pode ser determinada usando a relação p, V, T para processos adiabáticos entre os pontos 1 → 2.

T ₂ = T ₁ . CR ^{k – 1} = 293. 9 ^0,4 = 706 K

então

Q _add = mc _v (T ₃ – T ₂ ) = 5,95 × 10 ^-4 x 718 x 1220 = 521,2 J

5)  a eficiência térmica

Eficiência térmica para um ciclo Otto:

Como foi derivado na seção anterior, a eficiência térmica de um ciclo Otto é uma função da taxa de compressão e κ:

6)  a pressão efetiva média

O MEP foi definido como:

Nesta equação, o volume de deslocamento é igual a V _max – V _min . O trabalho líquido para um ciclo pode ser calculado usando o calor adicionado e a eficiência térmica:

W _net = Q _add . η _Otto = 521,2 x 0,5847 = 304,7 J
MEP = 304,7 / ( 500 × 10 ^-6 – 55,56 × 10 ^-6 ) = 685,6 kPa = 6,856 bar

Ciclo Otto – Processos

Em um ciclo Otto ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos reversíveis internamente: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isocóricos:

1. Compressão isentrópica (curso de compressão) – O gás (mistura combustível-ar) é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2, conforme o pistão se move do ponto morto inferior para o ponto morto superior. O ambiente trabalha com o gás, aumentando sua energia interna (temperatura) e comprimindo-o. Por outro lado, a entropia permanece inalterada. As mudanças nos volumes e sua taxa ( V ₁ / V ₂ ) são conhecidas como taxa de compressão.
2. Compressão isocórica (fase de ignição) – Nesta fase (entre o estado 2 e o estado 3), há um volume constante (o pistão está em repouso) transferido para o ar a partir de uma fonte externa, enquanto o pistão está em repouso no ponto morto superior . Esse processo visa representar a ignição da mistura combustível-ar injetada na câmara e a subsequente queima rápida. A pressão aumenta e a razão ( P ₃ / P ₂ ) é conhecida como “taxa de explosão”.
3. Expansão isentrópica (golpe de energia) – O gás se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4, conforme o pistão se move do ponto morto superior para o ponto morto inferior. O gás trabalha nos arredores (pistão) e perde uma quantidade de energia interna igual ao trabalho que sai do sistema. Novamente a entropia permanece inalterada. A razão de volume ( V ₄ / V ₃ ) é conhecida como a razão de expansão isentrópica, mas para o ciclo Otto, é igual à taxa de compressão.
4. Descompressão isocórica (curso de exaustão) – Nesta fase, o ciclo é concluído por um processo de volume constante no qual o calor é rejeitado do ar enquanto o pistão está no ponto morto inferior. A pressão do gás de trabalho cai instantaneamente do ponto 4 para o ponto 1. A válvula de escape se abre no ponto 4. O curso de escape ocorre imediatamente após esta descompressão. À medida que o pistão se move do ponto morto inferior (ponto 1) para o ponto morto superior (ponto 0) com a válvula de escape aberta, a mistura gasosa é ventilada para a atmosfera e o processo recomeça.

Durante o ciclo Otto, o trabalho é realizado no gás pelo pistão entre os estados 1 e 2 ( compressão isentrópica ). O trabalho é realizado pelo gás no pistão entre os estágios 3 e 4 ( expansão isentrópica ). A diferença entre o trabalho realizado pelo gás e o trabalho realizado com o gás é o trabalho líquido produzido pelo ciclo e corresponde à área delimitada pela curva do ciclo. O trabalho produzido pelos tempos de ciclo, a taxa do ciclo (ciclos por segundo) é igual à potência produzida pelo motor Otto.

Ciclo Otto – diagrama pV, Ts

O ciclo Otto é frequentemente plotado em um diagrama pressão-volume ( diagrama pV ) e em um diagrama temperatura-entropia (diagrama Ts). Quando plotados em um diagrama de volume de pressão, os processos isocóricos seguem as linhas isocóricas do gás (as linhas verticais), os processos adiabáticos se movem entre essas linhas verticais e a área delimitada pelo caminho completo do ciclo representa o trabalho total que pode ser feito durante uma operação. ciclo.

O diagrama de temperatura-entropia (diagrama Ts ) no qual o estado termodinâmico é especificado por um ponto em um gráfico com entropia (s) específica (s) como eixo horizontal e temperatura absoluta (T) como eixo vertical. Os diagramas Ts são uma ferramenta útil e comum, principalmente porque ajuda a visualizar a transferência de calor durante um processo. Para processos reversíveis (ideais), a área sob a curva Ts de um processo é o calor transferido para o sistema durante esse processo.

Ciclo Otto – Motor a Quatro Tempos

O ciclo Otto é um conjunto de processos usados ​​pelos motores de combustão interna de ignição por faísca (dois tempos ou quatro tempos). Nikolaus August Otto primeiro projetou o que é conhecido como o motor de quatro tempos. Um curso refere-se ao curso completo do pistão ao longo do cilindro, em qualquer direção. Portanto, cada um deles não corresponde ao processo termodinâmico único fornecido no capítulo Ciclo Otto – Processos.

O motor de quatro tempos compreende:

• o curso de admissão – O pistão se move do ponto morto superior (TDC) para o ponto morto inferior (BDC) e o ciclo passa pelos pontos 0 → 1. Nesse curso, a válvula de admissão é aberta enquanto o pistão puxa uma mistura de ar e combustível para dentro do cilindro produzindo pressão de vácuo no cilindro através de seu movimento descendente.
• o curso de compressão – O pistão se move do ponto morto inferior (BDC) para o ponto morto superior (TDC) e o ciclo passa pelos pontos 1 → 2. Nesse curso, as válvulas de admissão e de escape estão fechadas; portanto, a mistura combustível-ar é comprimida. No final deste curso, a mistura combustível-ar é inflamada por uma faísca, o que causa um aumento adicional na pressão e temperatura na câmara. No final deste curso, a cambota completou uma revolução completa de 360 ​​graus.
• o curso de força – O pistão se move do ponto morto superior (TDC) para o ponto morto inferior (BDC) e o ciclo passa pelos pontos 2 → 3 → 4. Nesse curso, as válvulas de admissão e de escape estão fechadas. No início do curso de força, uma faísca inflama a mistura combustível-ar na câmara de combustão, que por sua vez causa uma combustão muito rápida do combustível. Nesse golpe, o pistão é direcionado para o eixo de manivela, o volume aumenta e a pressão cai à medida que o trabalho é feito pelo gás no pistão.
• o curso de escape. O pistão se move do ponto morto inferior (BDC) para o ponto morto superior (TDC) e o ciclo passa pelos pontos 4 → 1 → 0. Nesse curso, a válvula de escape está aberta enquanto o pistão puxa os gases de escape para fora da câmara. No final deste curso, a cambota completou uma segunda revolução completa de 360 ​​graus.

Comparação dos ciclos Otto reais e ideais

Nesta seção, é mostrado um ciclo Otto ideal, no qual existem muitas suposições diferentes do ciclo Otto real . As principais diferenças entre o mecanismo Otto real e ideal aparecem na figura. Na realidade, o ciclo ideal não ocorre e há muitas perdas associadas a cada processo. Para um ciclo real, a forma do diagrama de pV é semelhante ao ideal, mas a área (trabalho) delimitada pelo diagrama de pV é sempre menor que o valor ideal. O ciclo Otto ideal é baseado nas seguintes premissas:

• Ciclo fechado.  A maior diferença entre os dois diagramas é a simplificação dos movimentos de admissão e escape no ciclo ideal. No curso de escape, o calor Q _out é ejetado para o ambiente, em um motor real, o gás sai do motor e é substituído por uma nova mistura de ar e combustível.
• Adição instantânea de calor ( adição isocórica de calor). Em motores reais, a adição de calor não é instantânea; portanto, o pico de pressão não está no TDC, mas logo após o TDC.
• Sem transferência de calor (adiabático)
  • Compressão – O gás (mistura combustível-ar) é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2. Nos motores reais, sempre existem algumas ineficiências que reduzem a eficiência térmica.
  • Expansão. O gás (mistura combustível-ar) se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4.
• Combustão completa da mistura combustível-ar.
• Nenhum trabalho de bombeamento . Trabalho de bombeamento é a diferença entre o trabalho realizado durante o golpe de escape e o trabalho realizado durante o golpe de admissão. Nos ciclos reais, há uma diferença de pressão entre as pressões de exaustão e de entrada.
• Sem perda de purga . A perda de purga é causada pela abertura precoce das válvulas de escape. Isso resulta em uma perda de produção durante o curso de expansão.
• Sem perda de impacto . A perda soprada é causada pelo vazamento de gases comprimidos através de anéis de pistão e outras fendas.
• Sem perdas por atrito .

Essas suposições e perdas simplificadoras levam ao fato de que a área fechada (trabalho) do diagrama de pV para um motor real é significativamente menor que o tamanho da área (trabalho) envolvida pelo diagrama de pV do ciclo ideal. Em outras palavras, o ciclo ideal do motor superestimará o trabalho líquido e, se os motores funcionarem na mesma velocidade, maior potência produzida pelo motor real em cerca de 20%.

Taxa de compressão – Otto Engine

A taxa de compressão , CR , é definida como a taxa do volume no ponto morto inferior e o volume no ponto morto superior. É uma das principais características de muitos motores de combustão interna. Na seção a seguir, será mostrado que a taxa de compressão determina a eficiência térmica do ciclo termodinâmico usado do motor de combustão. Em geral, é desejável ter uma alta taxa de compressão, pois permite que um motor atinja maior eficiência térmica.

Por exemplo, vamos supor um ciclo Otto com taxa de compressão de CR = 10: 1. O volume da câmara é de 500 cm = 500 x 10 ^-6 m ³ (0,5 L) antes do curso de compressão. Para este motor um ll necessário volumes são conhecidos:

• V ₁ = V ₄ = V _max = 500 × 10 ^-6 m ³ (0,5l)
• V ₂ = V ₃ = V _min = V _máx / CR = 55,56 × 10 ^-6 m ³

Observe que (V _max – V _min ) x número de cilindros = cilindrada total do motor.

Exemplos de taxas de compressão – Gasolina x Diesel

• A taxa de compactação em um motor a gasolina geralmente não será muito maior que 10: 1 devido a uma possível batida no motor (autoignição) e não menor que 6: 1 .
• Um Subaru Impreza WRX turbo tem uma taxa de compressão de 8,0: 1 . Em geral, os motores turboalimentados ou sobrealimentados já possuem ar comprimido na entrada de ar, portanto são geralmente construídos com menor taxa de compressão.
• Um motor Honda S2000 (F22C1) tem uma taxa de compressão de 11,1: 1 .
• Alguns motores de carros esportivos atmosféricos podem ter uma taxa de compressão de até 12,5: 1 (por exemplo, Ferrari 458 Italia).
• Em 2012, a Mazda lançou novos motores a gasolina sob a marca SkyActiv com uma taxa de compressão de 14: 1 . Para reduzir o risco de bater no motor, o gás residual é reduzido usando sistemas de escape do motor 4-2-1 , implementando uma cavidade do pistão e otimizando a injeção de combustível.
• Os motores a diesel têm uma taxa de compressão que normalmente excede 14: 1 e taxas acima de 22: 1 também são comuns.

Eficiência térmica para o ciclo Otto

Em geral, a eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor é definida como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho . Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q _H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q _C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:

O calor absorvido ocorre durante a combustão da mistura combustível-ar, quando a faísca ocorre, aproximadamente a volume constante. Como durante um processo isocórico não há trabalho realizado pelo sistema ou sobre ele, a primeira lei da termodinâmica determina ∆U = ∆Q. Portanto, o calor adicionado e rejeitado é dado por:

Q _add = mc _v (T ₃ – T ₂ )

Q _out = mc _v (T ₄ – T ₁ )

Substituindo essas expressões pelo calor adicionado e rejeitado na expressão por eficiência térmica, obtém-se:

Podemos simplificar a expressão acima usando o fato de que os processos 1 → 2 e de 3 → 4 são adiabáticos e, para um processo adiabático, a seguinte fórmula p, V, T é válida:

Pode-se derivar que:

Nesta equação, a razão V ₁ / V ₂ é conhecida como taxa de compressão, CR . Quando reescrevemos a expressão para eficiência térmica usando a taxa de compressão, concluímos que a eficiência térmica do ciclo Otto padrão do ar é uma função da taxa de compressão e  κ = c _p / c _v .

É uma conclusão muito útil, porque é desejável alcançar uma alta taxa de compressão para extrair mais energia mecânica de uma dada massa de mistura ar-combustível. Uma taxa de compressão mais alta permite alcançar a mesma temperatura de combustão com menos combustível, proporcionando um ciclo de expansão mais longo. Isso cria mais potência mecânica e reduz a temperatura do escapamento . A redução da temperatura de exaustão causa a diminuição da energia rejeitada na atmosfera. Essa relação é mostrada na figura para κ = 1,4, representando o ar ambiente.

Autoignição – Limite para taxa de compressão

Em motores a gasolina comuns, a taxa de compressão tem seus limites. A taxa de compactação em um motor a gasolina geralmente não será muito maior que 10: 1 devido a uma possível batida no motor ( autoignição ) e não menor que 6: 1 . Taxas de compressão mais altas, no entanto, sujeitam os motores a gasolina a bater ao motor, causados ​​pela autoignição de uma mistura não queimada , se for usado combustível com menor octanagem. A mistura não queimada pode se auto-incendiar, detonando apenas da pressão e do calor, em vez de inflamar da vela exatamente no momento certo. A batida do motor pode ser reduzida usando combustível de alta octanagem, o que aumenta a resistência da gasolina à auto-ignição . Quanto maior o número de octanas, maior a compressão do combustível antes de detonar (acender). Como a temperatura atingida pela mistura combustível-ar durante a compressão aumenta à medida que a taxa de compressão aumenta, a probabilidade de auto-ignição aumenta com a taxa de compressão. A autoignição pode reduzir a eficiência ou danificar o motor se não houver sensores de batida para modificar o tempo de ignição.

Taxas de compressão mais altas podem ser alcançadas em motores a diesel (também chamados de motores de ignição por compressão ), porque eles não comprimem o combustível, mas comprimem apenas o ar e injetam combustível no ar que foi aquecido por compressão. As taxas de compressão na faixa de 12 a 20 são típicas para motores a diesel. A maior expansão nos motores diesel significa que eles rejeitam menos calor em seus escapamentos mais frios. A maior taxa de compressão (maior expansão) e a temperatura de pico mais alta fazem com que os motores a diesel atinjam maior eficiência térmica.

Pressão Efetiva Média – MEP

Um parâmetro usado pelos engenheiros para descrever o desempenho dos motores de pistão alternativo é conhecido como pressão efetiva média , ou MEP . O MEP é uma medida muito útil da capacidade de um motor para executar um trabalho independente do deslocamento do motor. Existem vários tipos de MEP. Esses MEPs são definidos pela medição da localização e pelo método de cálculo (por exemplo, BMEP ou IMEP).

Em geral, a pressão efetiva média é a pressão constante teórica que, se ela atuasse no pistão durante o curso de força, produziria o mesmo trabalho líquido como realmente desenvolvido em um ciclo completo. O MEP pode ser definido como:

Por exemplo, a pressão efetiva média líquida indicada , conhecida como IMEP _n é igual à pressão efetiva média calculada a partir da pressão no cilindro (deve haver essa medição) durante todo o ciclo do motor. Observe que é 720 ° para um motor a quatro tempos e 360 ​​° para um motor a dois tempos.

Alguns exemplos:

• O MEP de um motor a gasolina atmosférico pode variar de 8 a 11 bar na região de torque máximo.
• O MEP de um motor a gasolina turbo pode variar de 12 a 17 bar.
• O MEP de um motor diesel atmosférico pode variar de 7 a 9 bar.
• MEP de um motor diesel turboalimentado pode variar de 14 a 18 bar

Por exemplo, um motor a gasolina a quatro tempos produzindo 200 N · m a partir de 2 litros de deslocamento possui um MPE de (4π) (200 N · m) / (0,002 m³) = 1256000 Pa = 12 bar. Como pode ser visto, o MEP é uma característica útil de um motor . Para dois motores de igual volume de cilindrada, aquele com um MEP maior produziria o maior trabalho líquido e, se os motores funcionassem na mesma velocidade, maior potência .

Ciclo Otto – Problema com solução

Vamos assumir o ciclo Otto , que é um dos ciclos termodinâmicos mais comuns encontrados em motores de automóveis . Um dos principais parâmetros desses motores é a mudança de volumes entre o ponto morto superior (TDC) e o ponto morto inferior (BDC). A proporção desses volumes ( V ₁ / V ₂ ) é conhecida como taxa de compressão .

A taxa de compactação em um motor a gasolina geralmente não será muito maior que 10: 1 devido a uma possível batida no motor (autoignição) e não menor que 6: 1. Por exemplo, alguns motores de carros esportivos podem ter taxa de compressão de até 12,5: 1 (por exemplo, Ferrari 458 Italia).

Neste exemplo, vamos assumir um ciclo Otto com taxa de compressão de CR = 9: 1 . O ar de admissão é de 100 kPa = 1 bar, 20 ° C e o volume da câmara é de 500 cm³ antes do curso de compressão. A temperatura no final da expansão adiabática é T ₄ = 800 K.

• Capacidade térmica específica a pressão constante do ar à pressão atmosférica e à temperatura ambiente: c _p = 1,01 kJ / kgK.
• Capacidade térmica específica a um volume constante de ar à pressão atmosférica e à temperatura ambiente: c _v = 0,718 kJ / kgK.
• κ = c _p / c _v = 1,4

Calcular:

1. a massa de entrada de ar
2. a temperatura T ₃
3. a pressão p ₃
4. a quantidade de calor adicionada pela queima da mistura combustível-ar
5. a eficiência térmica deste ciclo
6. o deputado

Solução:

1)  a massa de entrada de ar

No início dos cálculos, temos que determinar a quantidade de gás no cilindro antes do curso de compressão. Usando a lei do gás ideal, podemos encontrar a massa:

pV = mR _específico T

Onde:

• p é a pressão absoluta do gás
• m é a massa da substância
• T é a temperatura absoluta
• V é o volume
• R _específico  é a constante de gás específica, igual à constante de gás universal dividida pela massa molar (M) do gás ou mistura. Para ar seco R _específico = 287,1 J.kg ^-1 .K ^-1 .

Portanto

m = p ₁ V ₁ / R _específico T ₁ = (100000 × 500 × 10 ^-6 ) / (287,1 × 293) = 5,95 × 10 ^-4 kg

Nesse problema, todos os volumes são conhecidos:

• V ₁ = V ₄ = V _max = 500 × 10 ^-6 m ³ (0,5l)
• V ₂ = V ₃ = V _min = V _máx / CR = 55,56 × 10 ^-6 m ³

Observe que (V _max – V _min ) x número de cilindros = cilindrada total do motor.

2)  a temperatura T ₃

Como o processo é adiabático, podemos usar a seguinte relação p, V, T para processos adiabáticos :

portanto

T ₃ = T ₄ . CR ^{k – 1} = 800. 9 ^0,4 = 1926 K

3)  a pressão p ₃

Novamente, podemos usar a lei do gás ideal para encontrar a pressão no início do curso de força como:

p ₃ = mR _específico T ₃ / V ₃ = 5,95 × 10 ^-4 x 287,1 x 1926 / 55,56 × 10 ^-6 = 5920000 Pa = 59,2 bar

4)  a quantidade de calor adicionada

Para calcular a quantidade de calor adicionada pela queima da mistura combustível-ar, _adicione Q , temos que usar a primeira lei da termodinâmica para processos isocóricos , que declara Q _add = ∆U, portanto:

Q _add = mc _v (T ₃ – T ₂ )

a temperatura no final do curso de compressão pode ser determinada usando a relação p, V, T para processos adiabáticos entre os pontos 1 → 2.

T ₂ = T ₁ . CR ^{k – 1} = 293. 9 ^0,4 = 706 K

então

Q _add = mc _v (T ₃ – T ₂ ) = 5,95 × 10 ^-4 x 718 x 1220 = 521,2 J

5)  a eficiência térmica

Eficiência térmica para um ciclo Otto:

Como foi derivado na seção anterior, a eficiência térmica de um ciclo Otto é uma função da taxa de compressão e κ:

6)  a pressão efetiva média

O MEP foi definido como:

Nesta equação, o volume de deslocamento é igual a V _max – V _min . O trabalho líquido para um ciclo pode ser calculado usando o calor adicionado e a eficiência térmica:

W _net = Q _add . η _Otto = 521,2 x 0,5847 = 304,7 J
MEP = 304,7 / ( 500 × 10 ^-6 – 55,56 × 10 ^-6 ) = 685,6 kPa = 6,856 bar

Em um ciclo duplo , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de cinco processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isocóricos e um processo isobárico:

• 

  Compressão isentrópica (curso de compressão) – O gás é comprimido adiabaticamente do estado 1 para o estado 2, à medida que o pistão se move do ponto de fechamento da válvula de admissão (1) para o ponto morto superior. O ambiente trabalha com o gás, aumentando sua energia interna (temperatura) e comprimindo-o. Por outro lado, a entropia permanece inalterada. As mudanças nos volumes e sua proporção ( V ₁ / V ₂ ) são conhecidas como taxa de compressão. A taxa de compactação é menor que a taxa de expansão.

• Compressão isocórica (fase de ignição) – Nesta fase (entre o estado 2 e o estado 3), há um volume constante (o pistão está em repouso) transferido para o ar a partir de uma fonte externa, enquanto o pistão está em repouso no ponto morto superior . Este processo é semelhante ao processo isocórico no ciclo Otto. Pretende-se representar a ignição da mistura combustível-ar injetada na câmara e a subsequente queima rápida. A pressão aumenta e a razão ( P ₃ / P ₂ ) é conhecida como “taxa de explosão”.
• Expansão isobárica (golpe de força) – Nesta fase (entre o estado 3 e o estado 4), há uma transferência de calor de pressão constante (modelo idealizado) para o ar a partir de uma fonte externa (combustão do combustível) enquanto o pistão está se movendo em direção ao V ₄ . Durante o processo de pressão constante, a energia entra no sistema à medida que o calor Q é _adicionado e uma parte do trabalho é feita movendo o pistão.
• Expansão isentrópica (poder acidente vascular cerebral) – O gás expande-se adiabaticamente de estado 4 para o estado 5, quando o pistão se move da V ₃ a centro morto inferior. O gás trabalha nos arredores (pistão) e perde uma quantidade de energia interna igual ao trabalho que sai do sistema. Novamente a entropia permanece inalterada.
• Descompressão isocórica (curso de exaustão) – Nesta fase, o ciclo é concluído por um processo de volume constante no qual o calor é rejeitado do ar enquanto o pistão está no ponto morto inferior. A pressão do gás de trabalho cai instantaneamente do ponto 5 ao ponto 1. A válvula de escape se abre no ponto 5. O curso de escape ocorre imediatamente após esta descompressão. À medida que o pistão se move do ponto morto inferior (ponto 1) para o ponto morto superior (ponto 0) com a válvula de escape aberta, a mistura gasosa é ventilada para a atmosfera e o processo recomeça.

Durante o ciclo duplo, o trabalho é realizado sobre o gás pelo pistão entre os estados 1 e 2 ( i compressão sentropic ). O trabalho é realizado pelo gás no pistão entre os estágios 2 e 3 ( i adição de calor sobárico ) e entre os estágios 2 e 3 ( i expansão sentrópica ). A diferença entre o trabalho realizado pelo gás e o trabalho realizado com o gás é o trabalho líquido produzido pelo ciclo e corresponde à área delimitada pela curva do ciclo. O trabalho produzido pelos tempos de ciclo, a taxa do ciclo (ciclos por segundo) é igual à potência produzida pelo motor Diesel.

Eficiência térmica para ciclo duplo

Em geral, a eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor é definida como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho . Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q _H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q _C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:

Portanto, o calor adicionado e rejeitado é dado por:

Q _add-1 = mc _v (T ₃ – T ₂ )

Q _add-2 = mc _p (T ₄ – T ₃ )

Q _a = mc _v (t ₅ – T ₁ )

Portanto, a eficiência térmica para um ciclo duplo é:

A primeira lei em termos de entalpia é:

dH = dQ + Vdp

Nesta equação, o termo Vdp é um trabalho de processo de fluxo. Este trabalho,   Vdp , é usado para sistemas de fluxo aberto, como uma turbina ou uma bomba na qual existe um “dp” , ou seja, mudança de pressão. Não há alterações no volume de controle . Como pode ser visto, essa forma de lei simplifica a descrição da transferência de energia . A pressão constante , a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento:

Processo isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no ou pelo sistema:

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

É óbvio que será muito útil na análise de ambos os ciclos termodinâmicos usados ​​na engenharia de energia, ou seja, no ciclo de Brayton e no ciclo de Rankine.

A entalpia pode ser transformada em uma variável intensiva ou específica dividindo-se pela massa . Os engenheiros usam mais a entalpia específica na análise termodinâmica do que a própria entalpia. Ele é tabulado nas tabelas de vapor, juntamente com o volume específico e a energia interna específica . A eficiência térmica desse ciclo simples de Rankine e em termos de entalpias específicas seria:

É uma equação muito simples e, para determinar a eficiência térmica, você pode usar os dados das tabelas de vapor .

Nas modernas usinas nucleares, a eficiência térmica geral é de cerca de um terço (33%), de modo que são necessários 3000 MWth de energia térmica da reação de fissão para gerar 1000 MWe de energia elétrica. O motivo está na temperatura do vapor relativamente baixa ( 6 MPa ; 275,6 ° C). Eficiências mais altas podem ser alcançadas aumentando a temperaturado vapor. Mas isso requer um aumento nas pressões dentro de caldeiras ou geradores de vapor. No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores a essas pressões. Em comparação com outras fontes de energia, a eficiência térmica de 33% não é grande. Mas deve-se notar que as usinas nucleares são muito mais complexas que as usinas de combustíveis fósseis e é muito mais fácil queimar combustíveis fósseis do que gerar energia a partir de combustíveis nucleares. As usinas subcríticas de combustíveis fósseis, que são operadas sob pressão crítica (ou seja, inferiores a 22,1 MPa), podem atingir uma eficiência de 36 a 40%.

Causas de ineficiência

Como foi discutido, uma eficiência pode variar entre 0 e 1. Cada mecanismo térmico é de alguma forma ineficiente. Essa ineficiência pode ser atribuída a três causas.

• Irreversibilidade de processos . Existe um limite superior teórico geral para a eficiência da conversão de calor em trabalho em qualquer motor térmico. Esse limite superior é chamado de eficiência de Carnot . De acordo com o princípio Carnot , nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor reversível ( um motor térmico Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta e baixa temperatura. Por exemplo, quando o reservatório quente tem T _quente de 400 ° C (673K) e T _frio de cerca de 20 ° C (293K), a eficiência máxima (ideal) será: = 1 – T _frio / T _quente = 1 – 293 / 673 = 56%. Mas todos os processos termodinâmicos reais são de alguma forma irreversíveis. Eles não são feitos infinitamente devagar. Portanto, os motores térmicos devem ter eficiências mais baixas do que os limites de eficiência devido à irreversibilidade inerente ao ciclo dos motores térmicos que utilizam.
• Presença de fricção e perdas de calor. Em sistemas termodinâmicos reais ou em motores térmicos reais, parte da ineficiência geral do ciclo é devida às perdas dos componentes individuais. Em dispositivos reais (como turbinas, bombas e compressores), um atrito mecânico , perdas de calor e perdas no processo de combustão causam mais perdas de eficiência.
• Ineficiência do projeto . Finalmente, a última e também importante fonte de ineficiências provém dos compromissos assumidos pelos engenheiros ao projetar um motor térmico (por exemplo, usina). Eles devem considerar o custo e outros fatores no design e operação do ciclo. Como exemplo, considere um projeto do condensador nas usinas termelétricas. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria sub-resfriamento . Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a cavitação de sucção nas bombas de condensado. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.

Melhoria da eficiência térmica – ciclo Rankine

Existem vários métodos, como pode ser melhorada a eficiência térmica do ciclo Rankine. Assumindo que a temperatura máxima seja limitada pela pressão dentro do vaso de pressão do reator, esses métodos são: