Processo Isobárico – Calor e Energia. Em um processo isobárico e no gás ideal, parte do calor adicionado ao sistema será usada para realizar o trabalho e parte do calor adicionado aumentará a energia interna. Engenharia Térmica
Em um processo isobárico e no gás ideal, parte do calor adicionado ao sistema será usada para realizar o trabalho e parte do calor adicionado aumentará a energia interna (aumentará a temperatura). Portanto, é conveniente usar a entalpia em vez da energia interna. Desde H = U + pV , portanto dH = dU + pdV + Vdp e substituímos dU = dH – pdV – Vdp na forma clássica da lei:
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 sistema ou pelo mesmo.
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.
Processo isobárico – principais característicasPara uma massa fixa de gás a pressão constante, o volume é diretamente proporcional à temperatura Kelvin. Fonte: grc.nasa.gov A política de direitos autorais da NASA afirma que “o material da NASA não é protegido por direitos autorais, a menos que seja observado”.
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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.
Em um diagrama de pV, o processo ocorre ao longo de uma linha chamada curva isotérmica ou isotérmica. Essa curva tem a equação p = constante / V. Ela pode ser derivada da lei dos gases ideais. Engenharia Térmica
Processo isotérmico
Um processo isotérmico é um processo termodinâmico , no qual a temperatura do sistema permanece constante (T = const). A transferência de calor para dentro ou para fora do sistema geralmente deve ocorrer a uma taxa tão lenta, a fim de se ajustar continuamente à temperatura do reservatório através da troca de calor. Em cada um desses estados, o equilíbrio térmico é mantido.
Para um gás ideale um processo politrópico, o caso n = 1 corresponde a um processo isotérmico (temperatura constante). Em contraste com o processo adiabático , no qual n = κ e um sistema não trocam calor com o ambiente (Q = 0; ∆T ≠ 0 ) , em um processo isotérmico não há alteração na energia interna (devido a ∆T = 0 ) e, portanto, ΔU = 0 (para gases ideais) e Q ≠ 0. Um processo adiabático não é necessariamente um processo isotérmico, nem um processo isotérmico é necessariamente adiabático.
Na engenharia, mudanças de fase, como evaporação ou fusão, são processos isotérmicos quando, como geralmente ocorre, ocorrem a pressão e temperatura constantes.
Processo isotérmico – principais característicasLei de Boyle-Mariotte. Para uma massa fixa de gás a temperatura constante, o volume é inversamente proporcional à pressão. Fonte: grc.nasa.gov A política de direitos autorais da NASA afirma que “o material da NASA não é protegido por direitos autorais, a menos que seja observado”.
Curva isotérmica – Isotérmica
Em um diagrama de pV, o processo ocorre ao longo de uma linha chamada curva isotérmica ou isotérmica . Esta curva tem a equação p = constante / V . Pode ser derivado da lei do gás ideal.
Para uma massa fixa de gás a temperatura constante, o volume é inversamente proporcional à pressão.
Processo isotérmico – diagrama pV
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Os motores a diesel podem ser projetados como ciclos de dois ou quatro tempos. No motor diesel de quatro tempos, o pistão viaja ao longo do cilindro quatro vezes. Engenharia Térmica
Ciclo Diesel – Motor Diesel
Na década de 1890, um inventor alemão, Rudolf Diesel patenteou sua invenção de um eficiente, de combustão lenta, ignição por compressão, motor de combustão interna. O ciclo original proposto por Rudolf Diesel era um ciclo de temperatura constante. Nos anos posteriores, Diesel percebeu que seu ciclo original não funcionaria e adotou o ciclo de pressão constante, conhecido como ciclo de Diesel .
O ciclo diesel é um dos ciclos termodinâmicos mais comuns encontrados em motores de automóveis e descreve o funcionamento de um motor de pistão de ignição por compressão típico. O motor Diesel é semelhante em operação ao motor a gasolina. A diferença mais importante é que:
Não há combustível no cilindro no início do curso de compressão; portanto, uma autoignição não ocorre nos motores a diesel.
O motor diesel usa ignição por compressão em vez de ignição por faísca.
Devido à alta temperatura desenvolvida durante a compressão adiabática, o combustível inflama espontaneamente à medida que é injetado. Portanto, não são necessárias velas de ignição.
Antes do início do curso de força, os injetores começam a injetar combustível diretamente na câmara de combustão e, portanto, a primeira parte do curso de força ocorre aproximadamente à pressão constante.
Taxas de compressão mais altas podem ser alcançadas em motores a diesel do que em motores Otto
O motor Diesel é semelhante em operação ao motor a gasolina. Nesta foto, existe um mecanismo Otto, que é acionado por uma vela de ignição em vez da própria compressão.
Motor a quatro tempos – motor Otto
Fonte: wikipedia.org, trabalho próprio da Zephyris, CC BY-SA 3.0
Ao contrário do ciclo Otto , o ciclo Diesel não executa adição de calor isocórico. Em um ciclo Diesel ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com um processo isocórico e um processo isobárico.Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente do que um motor reversível ( um motor a quente Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta e baixa temperatura, o motor Diesel deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot. Um típico motor automotivo a diesel opera com cerca de 30% a 35% de eficiência térmica. Cerca de 65-70% é rejeitado como calor residual sem ser convertido em trabalho útil, ou seja, trabalho entregue às rodas. Em geral, os motores que usam o ciclo Diesel geralmente são mais eficientes do que os motores que usam o ciclo Otto. O motor diesel tem a mais alta eficiência térmica de qualquer motor de combustão prático. Motores diesel de baixa velocidade(como usado em navios) pode ter uma eficiência térmica superior a 50% . O maior motor diesel do mundo chega a 51,7%.
Motor Diesel de Quatro Tempos
Os motores a diesel podem ser projetados como ciclos de dois ou quatro tempos. O motor a diesel de quatro tempos é um motor de combustão interna (IC) no qual o pistão executa quatro cursos separados enquanto gira um eixo de manivela. Um curso refere-se ao curso completo do pistão ao longo do cilindro, em qualquer direção. Portanto, cada curso não corresponde ao processo termodinâmico único fornecido no capítulo Ciclo Diesel – 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 está aberta enquanto o pistão aspira ar (sem combustível) 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. Neste curso, as válvulas de admissão e exaustão são fechadas, resultando em compressão de ar adiabática (ou seja, sem transferência de calor para ou do ambiente). Durante essa compressão, o volume é reduzido, a pressão e a temperatura aumentam. No final deste curso, o combustível é injetado e queima no ar quente comprimido. 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, ocorre uma combustão quase isobárica entre 2 e 3. Nesse intervalo, a pressão permanece constante desde que o pistão desce e o volume aumenta. Às 3 horas, a injeção e a combustão do combustível estão completas, e o cilindro contém gás a uma temperatura mais alta que a 2. Entre 3 e 4, esse gás quente se expande, novamente aproximadamente adiabaticamente. Nesse curso, o pistão é direcionado para o eixo de manivela, o volume aumenta e o trabalho é realizado 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.
Observe que: Em um caso ideal, a expansão adiabática deve continuar até que a pressão caia para a do ar circundante. Isso aumentaria a eficiência térmica desse mecanismo, mas também causaria dificuldades práticas com o motor. Simplesmente o motor teria que ser muito maior.
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.
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Em um ciclo Diesel ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos adiabáticos alternados com um processo isocórico e um processo isobárico. Engenharia Térmica
Processos termodinâmicos no ciclo diesel
Em um ciclo Diesel ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com um processo isocórico e um processo isobárico.
Processos termodinâmicos no ciclo Diesel:
diagrama pV de um ciclo Diesel ideal
Compressão isentrópica (curso de compressão) – O ar é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2, à medida que 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 proporção ( V 1 / V 2 ) são conhecidas como taxa de compressão.
Expansão isobárica (fase de ignição) – Nesta fase (entre o estado 2 e o estado 3), há uma transferência de calor de pressão constante (modelo idealizado) para o ar a partir de uma fonte externa (combustão de combustível injetado) enquanto o pistão está se movendo em direção ao V 3 . 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 3 para o estado 4, 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. A taxa de volume ( V 4 / V 3 ) é conhecida como taxa de expansão isentrópica.
Descompressão isocórica (curso de escape) – 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 ao 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 começa novamente.
Durante o ciclo diesel, 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.
Processo isentrópico
Um processo isentrópico é um processo termodinâmico , no qual a entropiado fluido ou gás permanece constante. Isso significa que o processo isentrópico é um caso especial de um processo adiabático no qual não há transferência de calor ou matéria. É um processo adiabático reversível . A suposição de que não há transferência de calor é muito importante, pois podemos usar a aproximação adiabática apenas em processos muito rápidos .
dH = Vdp → W = H 2 – H 1 → H 2 – H 1 = C P (T 2 – T 1 ) (para gás ideal )
Processo isentrópico do gás ideal
O processo isentrópico (um caso especial de processo adiabático) pode ser expresso com a lei dos gases ideais como:
pV κ = constante
ou
p 1 V 1 k = p 2 V 2 k
em que κ = c p / c v é a proporção de aquecimentos específicos (ou capacidades de calor ) para o gás. Um para pressão constante (c p ) e outro para volume constante (c v ) . Observe que essa razão κ = c p / c v é um fator na determinação da velocidade do som em um gás e em outros processos adiabáticos.
Processo Isocórico
Um processo isocórico é um processo termodinâmico, no qual o volume do sistema fechado permanece constante (V = const). Ele descreve o comportamento do gás dentro do recipiente, que não pode ser deformado. Como o volume permanece constante, a transferência de calor para dentro ou para fora do sistema não funciona , mas altera apenas a energia interna (a temperatura) do sistema.
Um processo isobárico é um processo termodinâmico , no qual a pressão do sistema permanece constante (p = const). A transferência de calor para dentro ou para fora do sistema funciona, mas também altera a energia interna do sistema.
Como existem mudanças na energia interna (dU) e no volume do sistema (∆V), os engenheiros costumam usar a entalpia do sistema, que é definida como:
Nesta equação, dW é igual a dW = pdV e é conhecido como trabalho de fronteira . Em um processo isobárico e no gás ideal, parte do calor adicionado ao sistema será usada para realizar o trabalho e parte do calor adicionado aumentará a energia interna (aumentará a temperatura). Portanto, é conveniente usar a entalpia em vez da energia interna.
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 sistema ou pelo mesmo.
Processo isobárico do gás ideal
O processo isobárico pode ser expresso com a lei do gás ideal como:
ou
Em um diagrama de pV , o processo ocorre ao longo de uma linha horizontal (chamada isobar) que possui a equação p = constante.
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O ciclo de Atkinson foi projetado para fornecer maior eficiência. A eficiência térmica do ciclo de Atkinson pode ser expressa em termos de taxa de compressão e taxa de expansão. Engenharia Térmica
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:
Motor a gás Atkinson, como mostrado na Patente US 367496Ciclo de Atkinson – diagrama pV
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Ciclo Otto – Problema com a solução – Exemplo. Vamos assumir o ciclo Otto. Calcule as principais características, como massa de ar de admissão, pressões e MEP. Engenharia Térmica
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).
diagrama pV do ciclo Otto. A área delimitada pelo caminho completo do ciclo representa o trabalho total que pode ser realizado durante um ciclo.
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:
a massa de entrada de ar
a temperatura T 3
a pressão p 3
a quantidade de calor adicionada pela queima da mistura combustível-ar
a eficiência térmica deste ciclo
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:
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
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
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A pressão efetiva média, MEP é a pressão constante teórica de que, se ele atuou no pistão durante o curso de força. Existem vários tipos de deputados. Engenharia Térmica
Pressão Efetiva Média – MEP
O MEP é uma medida muito útil da capacidade de um motor para executar um trabalho independente do deslocamento do motor.
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 .
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Autoignição – Batida do Motor. A taxa de compressão em um motor a gasolina geralmente não será muito superior a 10: 1 devido a um possível travamento do motor (autoignição). Engenharia Térmica
Auto-ignição no Otto Engine – Batida do motor
Em motores a gasolina comuns, a taxa de compressão tem seus limites. A taxa de compressão 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 classificação mais baixa de octanagem. A mistura não queimada pode se auto-incendiar, detonando apenas da pressão e do calor, em vez de inflamar da vela de ignição 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.
Motor a quatro tempos – motor Otto
Fonte: wikipedia.org, trabalho próprio da Zephyris, CC BY-SA 3.0
Exemplos de taxas de compressão – Gasolina x Diesel
A taxa de compressão 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.
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A eficiência térmica do ciclo Otto padrão do ar é uma função da taxa de compressão e κ. Um motor automotivo a gasolina típico opera com cerca de 25% a 30% de eficiência térmica. Engenharia Térmica
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 .
Eficiência térmica para o ciclo Otto – κ = 1,4
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.
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.
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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.
A taxa de compressão 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. Engenharia Térmica
Exemplos de taxas de compressão – Gasolina x Diesel
A taxa de compressão 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.
Autoignição – Limite para taxa de compressão
Em motores a gasolina comuns, a taxa de compressão tem seus limites. A taxa de compressão 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 classificação mais baixa de octanagem. A mistura não queimada pode se auto-incendiar, detonando apenas da pressão e do calor, em vez de inflamar da vela de ignição 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.
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