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O que é a teoria do ciclo diesel – Motor a diesel – Definição

Teoria do Ciclo Diesel – Motor Diesel. O ciclo do diesel consiste em quatro processos termodinâmicos. A eficiência térmica depende da taxa de compressão e da capacidade de aquecimento. 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
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%.

Ciclo Diesel – Processos

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.

  • diagrama pV de um ciclo Diesel ideal
    diagrama pV de um ciclo Diesel ideal

    Compressão isentrópica (curso de compressão) – O 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 proporção ( 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 ( 4 / V 3 ) é conhecida como taxa de expansão isentrópica.
  • 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 diesel, o trabalho é realizado sobre o gás pelo pistão entre os estados 1 e 2 ( compressão sentropic ). O trabalho é realizado pelo gás no pistão entre os estágios 2 e 3 ( adição de calor sobárico ) e entre os estágios 2 e 3 ( 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 entropia do 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 .

Processo isentrópico e a primeira lei

Para um sistema fechado, podemos escrever a primeira lei da termodinâmica em termos de entalpia :

dH = dQ + Vdp

ou

dH = TdS + Vdp

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H 2 – H 1     → H 2 – H 1 = P (T 2 – T 1 )     (para gás ideal )

Processo isentrópico do gás ideal

processo isentrópico (um caso especial de processo adiabático) pode ser expresso com a lei dos gases ideais como:

pV κ = constante

ou

1 V k = p 2 V 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.

Processo isocórico e a primeira lei

A forma clássica da primeira lei da termodinâmica é a seguinte equação:

dU = dQ – dW

Nesta equação, dW é igual a dW = pdV e é conhecido como trabalho de fronteira . Então:

dU = dQ – pdV

No processo isocórico e no gás ideal , todo o calor adicionado ao sistema será usado para aumentar a energia interna.

Processo isocórico (pdV = 0):

dU = dQ     (para gás ideal)

dU = 0 = Q – W → W = Q       (para gás ideal)

Processo isocórico do gás ideal

processo isocórico pode ser expresso com a lei dos gases ideais como:

processo isocórico - equação 1

ou

processo isocórico - equação 2

Em um diagrama pV , o processo ocorre ao longo de uma linha horizontal que possui a equação V = constante.

Veja também:  Lei de Guy-Lussac

Processo isobárico

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:

H = U + pV

Processo isobárico e a primeira lei

A forma clássica da primeira lei da termodinâmica é a seguinte equação:

dU = dQ – dW

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

processo isobárico pode ser expresso com a lei do gás ideal como:

processo isobárico - equação - 2

ou

processo isobárico - equação - 3

Em um diagrama de pV , o processo ocorre ao longo de uma linha horizontal (chamada isobar) que possui a equação p = constante.

Veja também: Lei de Charles

Processo isentrópico - características
Processo isentrópico – principais características
Processo isocórico - principais características
Processo isocórico – principais características
Processo isobárico - principais características
Processo isobárico – principais características

Comparação de ciclos diesel reais e ideais

ciclo diesel atual - motor dieselNeste artigo, é mostrado um ciclo Diesel ideal, no qual existem muitas suposições diferentes do ciclo Diesel real . As principais diferenças entre o motor Diesel 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 Diesel 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 de calor isobárico . Em motores reais, a adição de calor nunca é isobárica.
  • Sem transferência de calor
    • Compressão – O gás é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2. Nos motores reais, sempre existem algumas ineficiências que reduzem a eficiência térmica.
    • Expansão. O gás se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4.
  • Combustão completa da mistura.
  • 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% (da mesma forma que no caso do motor Otto).

Eficiência térmica para ciclo diesel

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 .

fórmula de eficiência térmica - 1

eficiência térmica , η th , representa a fração de calor , 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:

fórmula de eficiência térmica - 2

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:

add = mc p (T 3 – T 2 )

out = mc v (T 4 – T 1 )

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

Essa equação pode ser reorganizada na forma com a taxa de compressão e a taxa de corte:

Onde

  • η Diesel é a eficiência térmica máxima de um ciclo Diesel
  • α é a razão de corte V 3 / V 2 (ou seja, a razão de volumes no final e no início da fase de combustão)
  • CR é a taxa de compressão
  • κ = c p / c v = 1,4

É uma conclusão muito útil, pois é desejável alcançar uma alta taxa de compressão para extrair mais energia mecânica de uma determinada massa do combustível. Como concluímos na seção anterior, a eficiência térmica do ciclo Otto padrão do ar também é uma função da taxa de compressão e κ.

eficiência térmica - Ciclo Otto - Taxa de compressão

Quando as comparamos com as fórmulas, pode-se observar que, para uma determinada taxa de compressão (CR), o ciclo Otto será mais eficiente que o ciclo Diesel. Mas os motores a diesel geralmente são mais eficientes, pois são capazes de operar com taxas de compressão mais altas.

Nos motores Otto comuns, a taxa de compressão tem seus limites. A taxa de compressão em um motor a gasolina geralmente não será muito superior a 10: 1. Taxas de compressão mais altas sujeitarão os motores a gasolina a bater no motor, causados ​​pela autoignição de uma mistura não queimada, se for usado combustível com classificação mais baixa de octanagem. Nos motores a diesel, há um risco mínimo de autoignição do combustível, porque os motores a diesel são motores de ignição por compressão e não há combustível no cilindro no início do curso de compressão.

Ciclo Diesel – Problema com a Solução

diagrama pV de um ciclo Diesel ideal
diagrama pV de um ciclo Diesel ideal

Vamos assumir o ciclo Diesel, 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 ( 1 / V 2 ) é conhecida como taxa de compressão . Também a relação de corte V 3 / V 2 , que é a relação dos volumes no final e no início da fase de combustão.

Neste exemplo, vamos assumir o ciclo Diesel com taxa de compressão de CR = 20: 1 e taxa de corte α = 2. O ar está a 100 kPa = 1 bar, 20 ° C (293 K) e o volume da câmara é de 500 cm³ antes do curso de compressão.

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

Calcular:

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

Solução:

1)

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
  • 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

2)

Nesse problema, todos os volumes são conhecidos:

  • 1 = V 4 = V max = 500 × 10 -6 m 3 (0,5l)
  • 2 = V min = V máx / CR = 25 × 10 -6 m 3

Observe que (V max – V min ) x número de cilindros = cilindrada total do motor

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

portanto

2 = T 1 . CR k – 1 = 293. 20 0,4 = 971 K

3)

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

2 = mR específico T 2 / V 2 = 5,95 x 10 -4 x 287,1 x 971/25 x 10 -6 = 6.635.000 Pa = 66,35 barra

4)

Como o processo 2 → 3 ocorre a pressão constante, a equação ideal de estado do gás fornece

3 = (V 3 / V 2 ) x T 2 = 1942 K

Para calcular a quantidade de calor adicionada pela queima da mistura combustível-ar, adicione Q , precisamos usar a primeira lei da termodinâmica para o processo isobárico, que afirma:

add = mc p (T 3 – T 2 ) = 5,95 x 10 -4 x 1010 x 971 = 583,5 J

5)

Eficiência térmica para este ciclo Diesel:

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

Onde

  • η Diesel é a eficiência térmica máxima de um ciclo Diesel
  • α é a razão de corte V 3 / V 2 (ou seja, a razão de volumes no final e no início da fase de combustão)
  • CR é a taxa de compressão
  • κ = c p / c v = 1,4

Para este exemplo:

η Diesel = 0,6467 = 64,7%

6)

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:

net = add . η Otto = 583,5 x 0,6467 = 377,3 J

MEP = 377,3 / ( 500 × 10 -6 – 25 × 10 -6 ) = 794,3 kPa = 7,943 bar

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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.