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.
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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