Aula 10 - Ciclos Padrão Otto

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MÁQUINAS DE 
COMBUSTÃO INTERNA
Engenharia Mecânica/ Faculdade SATC
Profª: Eng. Mec. Adelor Felipe da Costa
• Engenheiro Mecânico: Faculdade SATC/2013.
• Mestrando em Engenharia Metalúrgica: UFRGS/2017.
Sumário
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 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI)
 Terminologia do MCI
 CICLO DE AR-PADRÃO OTTO
 Análise do ciclo ar-padrão Otto
 CICLO DE AR-PADRÃO DIESEL
 Análise do ciclo ar-padrão Diesel
MOTORES DE 
COMBUSTÃO INTERNA 
(MCI)
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 Embora a maioria das turbinas a gás sejam também motores de
combustão interna, o nome MCI é usualmente aplicado a motores de
combustão interna comumente usado em automóveis, caminhões e
ônibus.
 Na verdade, esses motores diferem das instalações SPV porque os
processos ocorrem dentro de arranjos cilindro-pistão com movimento
alternativo e não numa série de componentes diferentes interligados.
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de combustão
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interna Dois tipos principais de motores
alternativos são:
◼ Motor com ignição por centelha
◼ Motor com ignição a compressão.
 No motor com ignição por centelha, uma mistura de
combustível e ar é inflamada pela centelha da vela de ignição.
 Eles são vantajosos para aplicações que exijam potência de até 
cerca de 225 kW (300 HP).
 Por isso, são também mais leves e de baixo custo, são os
preferidos para uso em automóveis.
 No motor com ignição a compressão, o ar é comprimido até
uma pressão e temperatura elevadas, suficientes para que a
combustão espontânea ocorra quando o combustível for
injetado.
 Estes são preferidos quando é necessário economia de
combustível e potência relativamente alta (caminhões pesados,
navios, locomotivas, unidades auxiliares de potência).
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Terminologia dos MCI
 O MCI consiste de um pistão
dotado de
move dentro de um
duas
que se
cilindro
válvulas.
 O calibre do cilindro é o seu
diâmetro.
 O curso é a distância que o
pistão se move em uma direção.
 O pistão está no ponto morto
superior quando o volume do
cilindro é mínimo (volume
morto).
Aula 6 – Ciclos Diesel, Otto e
ANÁLISE DE S
Terminologia dos MCI
 Quando o volume é máximo, o
pistão estará no ponto morto
inferior.
pistão quando se move
 O volume percorrido pelo
do
ponto morto superior ao ponto
morto inferior é o volume de
deslocamento.
Aula 6 – Ciclos Diesel, Otto
ANÁLISE DE
Terminologia dos MCI
 O volume no ponto morto
inferior dividido pelo volume
no ponto morto superior
denomina-se taxa de compres-
são (r).
Terminologia dos MCI
 Em um MCI de dois tempos, um
ciclo termodinâmico se completa
a cada volta do eixo. Esta
característica permite que o
próprio pistão atue também como
válvula, abrindo e fechando as
janelas (aberturas) na parede da
câmara de combustão.
 Em um MCI de quatro tempos, o
pistão executa quatro cursos
distintos dentro do cilindro para
cada duas rotações do eixo de
manivelas.
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Terminologia dos MCI
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Terminologia dos MCI
 1. Com a válvula de
admissão aberta, o pistão
executa um curso de
admissão quando
uma carga de ar
aspira
para
dentro do cilindro.
 No caso de MCI com
ignição por centelha, a
carga é uma mistura de ar e
combustível.
 Para MCI com ignição por
compressão, a carga é
somente ar.
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Terminologia dos MCI
 2. Com ambas as válvulas
fechadas, o pistão passa por
um curso de compressão,
elevando a temperatura e a
pressão da carga.
 Esta fase exige fornecimento
de trabalho de pistão para o
conteúdo do cilindro.
 Inicia-se então um processo
de combustão, que resulta
numa mistura gasosa de alta
pressão e temperatura.
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Terminologia dos MCI
 A combustão é induzida
através da vela próxima ao
final do curso de compressão
nos motores com ignição por
centelha.
 Nos motores com ignição por
compressão, a combustão é
iniciada pela injeção de com-
bustível no ar quente compri-
mido, começando próximo ao
final do curso de compressão e
continuando através da
primeira etapa da expansão.
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Terminologia dos MCI
 3. Um curso de potência vem
logo em seguida, durante o
qual a mistura gasosa se
expande e é realizado trabalho
sobre o pistão à medida que
este retorna ao ponto morto
inferior.
 4. Finalmente, o pistão
executa um curso de escape
no qual os gases queimados
são expulsos do cilindro
através da válvula de escape
aberta.
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Terminologia dos MCI
 Embora os MCI percorram ciclos mecânicos, o conteúdo do
cilindro não executa um ciclo termodinâmico, uma vez que é
introduzida matéria com uma composição que muda antes da
descarga para o ambiente.
 Um parâmetro usado para descrever o desempenho de motores
alternativos a pistão é a pressão média efetiva, ou pme.
 A pressão média efetiva é a pressão constante teórica que, se
atuasse no pistão durante o curso de potência, produziria o
mesmo trabalho líquido que é realmente produzido no ciclo.
trabalho líquido para um ciclo
volume de deslocamento
pme
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Terminologia dos MCI
 Para dois motores que apresentem o mesmo volume de
deslocamento, o de maior pme produzirá o maior trabalho
líquido e, se os motores funcionassem à mesma velocidade, a
maior potência.
trabalho líquido para um ciclo
volume de deslocamento
pme
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Análise de Ar-Padrão
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 A modelagem termodinâmica de MCI precisa de 
simplificações, pois o processo real é bastante complexo.
 Um procedimento neste sentido consiste em empregar uma
análise de ar-padrão com os seguintes elementos:
◼ O fluido de trabalho é uma quantidade fixa de ar modelado como gás
ideal.
◼ O processo de combustão é substituído por uma transferência de calor
de uma fonte externa.
◼ Não existem os processos de admissão e descarga como no motor real.
◼ O ciclo se completa com um processo de transferência de calor a 
volume constante enquanto o pistão está no ponto morto inferior.
◼ Todos os processos são internamente reversíveis.
◼ Na análise de ar-padrão frio, os calores específicos são considerados 
constantes nos seus valores para temperatura ambiente.
REVISÃO – Gases Ideais
 Equações de Estado:
 Variação em u e h:
 Para cv e cp constantes (Tabelas A-20 e A-21):
 Para cv e cp variáveis utilize as Tabelas A-22 e A-23
1
T2
T
pv RT
pV mRT
u T2 u T1 cv T dT
1
T2
T
h T2 h T1 cp T dT
u T2 u T1 cv T2 T1 
h T2 h T1 cp T2 T1
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REVISÃO – Gases Ideais
 Para cv e cp constantes (Tabelas A-20 eA-21):
1
2 2 1 1
T
v
T
dT
 Variação em s:
s T ,v s T ,v
2
c T Rln 
v2
1
1 1
T
p
T
T
dT
s T2 , p2 s T , p
2
c T
v1 
R ln
p2
T p1
v
s T2,v2 s T1,v1 c ln
T2 Rln 
v2
T1
1 1 p
s T2 , p2 s T , p
v1
c ln
T2 R ln
p2
T1 p1
20/90
REVISÃO – Gases Ideais
 Para cv e cp variáveis (Tabelas A-22 e A-23):
 Para processos isoentrópicos e cv e cp constantes (Tabela A-20):
sendo que R = cp – cv , k = cp /cv e R/cv = (k –1).
2 1
s T2, p2 s T1, p1 Ts
o so T R ln
p2
p1
  =  
k−1
 v2  T1 s=cte
T2   v1 
pT
(k
−1)
k
2 

 1 
= 
2 
s=cte

 1
T   p 
k
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vp
  
s=cte  2 
 v 
= 1
 1 
 p2 
REVISÃO – Gases Ideais
 Para processos isoentrópicos e cv e cp variáveis apenas para o ar:
onde pr e vr podem ser encontrados para o ar na TabelaA-22.
vr,1
v
= r,2 
 v2 
 v1 s=cte
pr,1
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p
= r,2 
 p2 
 p1 s=cte
Ciclo de
Ar-Padrão Otto
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 O ciclo de ar-padrão Otto é um ciclo ideal que considera que a
adição de calor ocorre instantaneamente enquanto o pistão se
encontra no ponto morto superior.
 O ciclo consiste de quatro processos internamente reversíveis
em série:
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Aula 6 – Ciclos Diesel, Otto e Sistemas
ANÁLISE DE SISTEMAS TÉ
de Cogeração – Parte I
RMICOS 26/90
 Processo 1-2: compressão isentrópica conforme o pistão se
move do ponto morto inferior para o ponto morto superior.
Aula 6 – Ciclos Diesel, Otto e Sistemas
ANÁLISE DE SISTEMAS TÉ
de Cogeração – Parte I
RMICOS 27/90
 Processo 2-3: transferência de calor (calor adicionado) a
volume constante a partirde uma fonte externa enquanto o
pistão está no ponto morto superior.
Aula 6 – Ciclos Diesel, Otto e Sistemas
ANÁLISE DE SISTEMAS TÉ
de Cogeração – Parte I
RMICOS 28/90
 Processo 3-4: expansão isentrópica (curso depotência).
Aula 6 – Ciclos Diesel, Otto e Sistemas
ANÁLISE DE SISTEMAS TÉ
de Cogeração – Parte I
RMICOS 29/90
 Processo 4-1: transferência de calor (calor rejeitado) pelo ar a
volume constante enquanto o pistão está no ponto morto
inferior.
Aula 6 – Ciclos Diesel, Otto e Sistemas de Cogeração – Parte I
ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 30/90
 Como os processos são internamente reversíveis, as áreas nos
diagramas p-v e T-s representam o trabalho e o calor
envolvidos, respectivamente.
Área interna = 
Trabalho 
líquido obtido
Área interna =
Calor líquido
absorvido
Aula 6 – Ciclos Diesel, Otto e Sistem
ANÁLISE DE SISTEMAS
as de Cogeração – Parte I
TÉRMICOS 31/90
 O ciclo de ar-padrão Otto consiste
de dois processos nos quais há
trabalho mas não há transferência
de calor,
 e de dois processos nos quais há
transferência de calor mas não há
trabalho.
ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
Aula 6 – Ciclos Diesel, Otto e Sistem
ANÁLISE DE SISTEMAS
as de Cogeração – Parte I
TÉRMICOS 32/90
 Assim, aplicando um balanço de
energia a um sistema fechado com
variações de energia cinética e
potencial desprezíveis, tem-se
(valores positivos):
ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
2 1
W12 W34
m 
Q23
m 
Q41
m m
= u −u = u3 −u4
= u3 −u2 = u4 −u1
 O trabalho líquido do ciclo é
expresso por:
 ou, alternativamente:
ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
Wciclo
m m m
=
W34 −
W12 = (u3 − u4 )− (u2 − u1)
Wciclo
m
=
Q23 −
Q41
m m
= (u3 − u2 )− (u4 − u1)
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 A eficiência térmica é a razão entre
o trabalho líquido do ciclo e o calor
adicionado:
ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
(u3 − u2 )− (u4 − u1) (u4 − u1)
 = =1−
u3 −u2 (u3 − u2 )
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Aula 6 – Ciclos Diesel, Otto e Sistem
ANÁLISE DE SISTEMAS
as de Cogeração – Parte I
TÉRMICOS 35/90
 Para os processos isoentrópicos (1-
2) e (3-4) do ciclo, as relações
fornecidas a seguir também são
importantes:
 Onde r é a taxa de compressão.
 Note que V3 = V2 e V4 = V1, logo
r = V1/ V2 = V4/ V3.
 Para o ar, o volume relativo (vr) é
função da T (TabelaA-22).
ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
r2 r1
V r
v = v
 V2  =
vr1
 
 1 
r4 r3 r3
V
V 
v = v 4 = rv 
 3 
Aula 6 – Ciclos Diesel, Otto e Sistem
ANÁLISE DE SISTEMAS
as de Cogeração – Parte I
TÉRMICOS 36/90
 Quando o ciclo Otto é analisado em
uma base de ar-padrão frio (calor
específico constante), as seguintes
relações podem ser usadas para os
processos isoentrópicos (1-2) e (3-4):
ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
1
T2 V
k−1
 
= = r
k−1
 
 V2
1
T1 
T4
T
k−1
rk−1
V 
= 3 =
V

3  4 
k = cp/cv = constante
ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
Efeito da taxa de compressão no desempenho
 Voltando ao diagrama T-s do ciclo, observa-
se que a eficiência do ciclo Otto aumenta de
acordo com o aumento da taxa de
compressão (ciclo 1-2-3-4-1 muda para 1-
2’-3’-4-1).
 Uma vez que a temperatura média de
fornecimento de calor é maior no último
ciclo, mantendo o mesmo processo de
rejeição de calor, conclui-se que o ciclo 1-
2’-3’-4-1 tem maior eficiência térmica.
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ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
Efeito da taxa de compressão no desempenho
 Numa base de ar-padrão frio, a eficiência térmica pode ser
relacionada à taxa de compressão de seguinte maneira:
 Rearrumando:
cv (T4 −T1)
 = 1−
cv (T3 −T2 )
(T4 T1 −1)
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 = 1−
T1
T2 (T3 T2 −1)
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ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS
ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
Efeito da taxa de compressão no desempenho
 Sabendo que :
 Logo,
 Finalmente, para k constante:
T T
T1 T2
4 = 3
T2
 = 1−
T1
1
rk −1
 = 1−
k = 1,4
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ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS
ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
Efeito da taxa de compressão no desempenho
 A eficiência térmica do ciclo ar-padrão
frio Otto é uma função da taxa de
compressão (r) e de k.
 Assim, quanto maior for a taxa de
compressão, maior será a eficiência
térmica do MCI.
k = 1,4
1
 = 1−
rk −1
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ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS
ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
Efeito da taxa de compressão no desempenho
 Infelizmente, a possibilidade de auto-
ignição da mistura ar-combustível
limita o valor real de r.
 A auto-ignição é desfavorável porque
produz uma perda de potência no MCI
ao permitir a combustão antes do
tempo ideal.
 A composição da limita as taxas de
compressão no MCI de ignição por
centelha ao redor de 9.
k = 1,4
1
 = 1−
rk −1
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ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS
ANÁLISE DO CICLO Ar-Padrão Otto
Efeito da taxa de compressão no desempenho
 Já nos MCI com ignição por
compressão, as taxas de compressão
podem ser mais altas devido ao uso de
somente ar na etapa de compressão.
 Assim, taxas de compressão típicas
por compressãodo MCI com ignição
estão entre 12 e 20.
k = 1,4
1
 = 1−
rk −1
41/90
42/42
Fonte Bibliográfica
 ÇENGEL, Y.A. & BOLES, M.A., 2007. Termodinâmica.
São Paulo, SP: McGraw-Hill, 740p.
 MORAN, M.J. & SHAPIRO, H.N., 2009. Princípios de
Termodinâmica para Engenharia. Rio de Janeiro, RJ: LTC,
800p.
 HEYWOOD, J. Internal Combustion Engine Fundamentals,
1st ed., McGraw-Hill, 1988.