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O que é o motor a gasolina a quatro tempos – Otto Cycle – Definição

Motor a gasolina a quatro tempos – Otto Cycle. Como funciona o motor a quatro tempos. Um curso refere-se ao curso completo do pistão ao longo do cilindro, em qualquer direção. Engenharia Térmica

Ciclo Otto – Otto Engine

Em 1876, um engenheiro alemão, Nikolaus August Otto, avançou no estudo de motores térmicos construindo o primeiro motor de quatro tempos em funcionamento. um motor estacionário usando uma mistura de carvão-gás-ar como combustível. Wilhelm Maybach (1846-1929), um dos mais importantes engenheiros alemães, aperfeiçoou a construção, que foi produzida em grandes quantidades já no final do ano de 1876. Essas invenções rapidamente remodelaram o mundo em que viviam.

O ciclo do mecanismo Otto é chamado de ciclo Otto. É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns encontrados em motores de automóveis e descreve o funcionamento de um motor de pistão de ignição comandada típico. Ao contrário do ciclo de Carnot, o ciclo Otto não executa processos isotérmicos, porque estes devem ser realizados muito lentamente. 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.

Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor reversível ( um motor térmico Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta temperatura e baixa temperatura, o motor Otto deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot. Um motor automotivo a gasolina típico opera com cerca de 25% a 30% de eficiência térmica. Cerca de 70-75% é rejeitado como calor residual sem ser convertido em trabalho útil, ou seja, trabalho entregue às rodas.

Motor a quatro tempos - motor Otto
Motor a quatro tempos – motor Otto
Fonte: wikipedia.org, trabalho próprio da Zephyris, CC BY-SA 3.0

Otto Cycle – 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

Motor Otto vs. ciclo OttoNesta 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

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:

  • 1 = V 4 = V max = 500 × 10 -6 m 3 (0,5l)
  • 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

A eficiência térmica do ciclo Otto padrão do ar é uma função da taxa de compressão e  κ = c p / c v .

eficiência térmica - Ciclo Otto - Taxa de compressão

eficiência térmica - Otto Cycle - Motor
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.

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

O MEP é uma medida muito útil da capacidade de um motor para executar um trabalho independente do deslocamento do motor.
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:

pressão efetiva média - definição

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 ( 1 / V 2 ) é conhecida como taxa de compressão .

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).

Otto Cycle - Diagrama PV
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: 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 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
  • 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:

  • 1 = V 4 = V max = 500 × 10 -6 m 3 (0,5l)
  • 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 :

fórmula adiabática - exemplo

portanto

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:

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:

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.

processo adiabático - fórmula

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

então

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:

Ciclo Otto - eficiência - exemplo

6)  a pressão efetiva média

MEP foi definido como:

pressão efetiva média - definição

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 = 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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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.