Aula 2b (1)

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Professor Luiz Henrique Monqueiro
Sistemas Fluidotérmicos
Aula 2
MOTORES CICLO OTTO
CICLO OTTO IDEAL
Nos motores de ignição por centelha conhecidos como motores 4 tempos ou motor 720º, o pistão executa quatro cursos completos (dois ciclos mecânicos) dentro do cilindro e o eixo de manivelas realiza duas revoluções (720º) para cada ciclo termodinâmico 
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CICLO OTTO IDEAL
Tempo de Admissão
A válvula de escapamento se fecha e o pistão sai do PMS em direção do PMI. A válvula de admissão se abre e com aumento do volume, a pressão diminui realizando a admissão da mistura (180°)
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CICLO OTTO IDEAL
Tempo (curso) de Compressão
As válvulas de admissão e escapamento encontram-se fechadas e o pistão sai do PMI e se desloca para o PMS realizando a compressão da mistura ar-combustível (360°)
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CICLO OTTO IDEAL
Tempo Motor ou Expansão
Logo depois que o pistão atinge o PMS, a vela solta faísca e a mistura entra em combustão, aumentando a pressão e a temperatura o que proporciona a expansão dos gases e a descida do pistão. Tem-se 3 fases – Ignição, combustão e expansão (540º) e realiza trabalho
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CICLO OTTO IDEAL
Tempo de Exaustão ou Descarga
O pistão passa pelo PMI e começa o curso ascendente para o PMS. A válvula de admissão se abre e os gases são liberados pelos tubos de escapamento (720°) e fim do ciclo.
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CICLO OTTO IDEAL
Importante notar que a pressão dentro do cilindro está ligeiramente acima da pressão atmosférica no tempo de exaustão e ligeiramente abaixo no tempo de admissão
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Motor 4 Tempos
É importante notar que os motores possuem 4 tempos e 6 fases:
1 – Tempo de Admissão (fase admissão)
2 – Tempo de Compressão (fase de compressão)
3 – Tempo de Expansão ou Tempo Motor
(fases de ignição, combustão e expansão)
4 – Tempo de Exaustão ou Escapamento ( fase de escapamento ou exaustão)
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Motor 2 tempos
Também chamado de motor 360º
Todas as 6 fases são realizadas em um ciclo de 360º ou dois cursos do pistão
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Motor 2 tempos
Nesses motores, o cárter é vedado, e o movimento do pistão é utilizado para pressurizar ligeiramente a mistura de ar e combustível no cárter.
As válvulas são substituídas por aberturas na parte inferior da parede do cilindro.
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Motor 2 tempos
Durante a última parte do tempo motor, o pistão abre a janela de exaustão, permitindo a saída dos gases.
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Motor 2 tempos
Em seguida, abre a janela de transferência, permitindo a entrada da mistura, que ajuda a expulsar o restante dos gases.
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Motor 2 tempos
Após o pistão passar pelo PMI, inicia-se o movimento em direção ao PMS, com o pistão fechando as janelas de escapamento e transferência e abrindo a janela de admissão.
Inicia-se a compressão, seguida pela ignição e combustão. 
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Motor 2 tempos
Os motores de dois tempos são menos eficientes do que seus equivalentes de quatro tempos, por causa da expulsão incompleta dos gases de exaustão e da expulsão parcial da mistura de ar e combustível com os gases da exaustão.
São mais simples, baratos e possuem melhores relações potência-peso e potência-volume, tornando-se ideal para motos, motosserras e cortadores de grama. 
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Motor 2 tempos
É importante notar que ao contrário do motor quatro tempos, no motor dois tempos, toda descida do pistão é um tempo motor.
Isso faz com que o motor 2 tempos tenha mais torque que o motor 4 tempos
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Ciclo Otto Ideal Padrão de Ar
O ciclo Otto padrão de ar é um ciclo ideal que supõe que a adição de calor ocorre instantaneamente enquanto o pistão está no ponto morto superior. O ciclo Otto é mostrado no diagrama p-v e T-s.
O ciclo consiste em quatro processos internamente reversíveis em série.
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Ciclo Otto Ideal Padrão de Ar
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Ciclo Otto Ideal Padrão de Ar
O processo 1-2 é uma compressão isentrópica do ar à medida que o pistão se move do PMI até o PMS.
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Ciclo Otto Ideal Padrão de Ar
Processo 2-3 é uma transferência de calor, a volume constante, para o ar, através de uma fonte externa (vela) enquanto o pistão está no PMS. Este processo representa a ignição da mistura de combustível-ar e a subsequente queima rápida
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Ciclo Otto Ideal Padrão de Ar
Processo 3-4 é uma expansão isentrópica (curso de energia).
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O processo 4-1 completa o ciclo por um processo a volume constante em que o calor é rejeitado para atmosfera enquanto o pistão está no PMI.
Ciclo Otto Ideal Padrão de Ar
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Ciclo Otto Ideal Padrão de Ar
Uma vez que o ciclo Otto padrão de ar é composto por processos internamente reversíveis, as áreas dos diagramas T-s e p-v podem ser interpretados como calor e trabalho, respectivamente. 
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Ciclo Otto Ideal Padrão de Ar
No diagrama de T-s, área 2-3-a-b-2 representa o calor adicionado por unidade de massa e área 1-4-a-b-1 representa o calor rejeitado por unidade de massa. 
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Ciclo Otto Ideal Padrão de Ar
No diagrama p-v, a área 1-2-a-b-1 representa a entrada de trabalho por unidade de massa durante o processo de compressão e a área 3-4-b-a-3 é o trabalho realizado por unidade de massa no processo de expansão
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Ciclo Otto Ideal Padrão de Ar
A área fechada de cada figura pode ser interpretada como a saída de trabalho líquido ou, de forma equivalente, o calor líquido adicionado.
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ANÁLISE DO CICLO
O ciclo Otto padrão de ar consiste em:
- Dois processos em que há trabalho, mas sem transferência de calor, Processos 1-2 e 3-4
- Dois processos em que há calor transferência, mas sem trabalho, Processos 2-3 e 4-1. 
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Quando os dados da tabela de ar são usados para realizar uma análise envolvendo um ciclo Otto padrão de ar, os valores específicos de energia interna exigidos pela equação podem ser obtidos na Tabela de Propriedades do Ar Gás Ideal. 
ANÁLISE DO CICLO
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O ciclo Otto é executado em um sistema fechado e, desprezando as variações de energia cinética e potencial, o balanço de energia por unidade de massa dos processos será: 
ANÁLISE DO CICLO
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Os dois processos de transferência de calor não envolvem trabalho, uma vez que ambos ocorrem a volume constante 
ANÁLISE DO CICLO
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As expressões para essas transferências de energia são obtidas reduzindo o balanço de energia do sistema fechado, assumindo que as mudanças nas energias cinética e potencial podem ser ignoradas. Portanto, tem-se:
ANÁLISE DO CICLO
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O trabalho líquido do ciclo é expresso como:
ANÁLISE DO CICLO
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Rearranjando-se a equação, a eficiência térmica é a proporção do trabalho líquido do ciclo para o calor adicionado:
ANÁLISE DO CICLO
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Assim, a eficiência térmica do ciclo Otto ideal sob a hipótese do padrão ar frio
ANÁLISE DO CICLO
T4/T1 = T3/T2
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A eficiência térmica do ciclo Otto ideal sob a hipótese do padrão ar frio também pode ser calculado em função da taxa de compressão
ANÁLISE DO CICLO
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Os processos 1-2 e 3-4 são isentrópicos e v2 = v3 e v4 = v1, sendo assim:
Substituindo na equação anterior e simplificando
ANÁLISE DO CICLO
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Temos também as seguintesrelações derivadas das equações anteriores
ANÁLISE DO CICLO
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As equaçõe anteriores indicam que a eficiência térmica do ciclo Otto padrão de ar frio é uma função da taxa de compressão (r) e da relação entre os calores específicos (k) do ar ambiente.
ANÁLISE DO CICLO
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A discussão anterior sugere que é vantajoso para motores de combustão interna ter altos índices de compressão, porém a possibilidade de auto-ignição, coloca um limite superior na taxa de compressão dos motores de ignição comandada.
ANÁLISE DO CICLO
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Depois que a centelha acendeu uma parte da mistura combustível-ar, o aumento da pressão que acompanha a combustão e comprime a carga restante. A auto-ignição pode ocorrer se a temperatura da mistura não queimada torna-se muito alta (pelo efeito da alta taxa de compressão) antes da mistura ser consumida pela frente de chama.
ANÁLISE DO CICLO
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Detonação
A detonação destrói a cabeça do pistão parcialmente ou totalmente.
Após a centelha e durante a combustão, quando a mistura dos gases não queimados sofre compressão devido ao avanço da frente de chama, pode ocorrer que, em determinado instante, toda a parcela final da mistura (ar/combustível), entre em combustão espontânea.
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Esta combustão envolve apreciável parcela da massa que, ao invés de queimar progressivamente através do avanço da chama, queima cada incremento de massa aproximadamente a pressão constante.
Esta constante vai reagir instantaneamente sobre a cabeça do pistão, descendo e destruindo canaletas dos anéis, cubos e/ou até o pistão por completo.
Detonação
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A pressão atingida é muito maior do que a pressão final atingida em combustão normal. Devido a grande rapidez com que ocorre o fenômeno, não há tempo para que os gases queimados se expandam, o que justifica a hipótese de que esta combustão anormal se realiza a volume constante.
A elevação de pressão correspondente limita-se, portanto, ao volume ocupado pela massa que reagiu espontaneamente e dá origem a uma onda de pressão que se propaga dentro da câmara com a velocidade do som.
Detonação
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Esta onda sofre repetidas reflexões pelas paredes da câmara, dando origem a um ruído característico chamado de “batida de pinos”. Esta é uma linguagem comum, mas de procedência errada! O nome correto para este fenômeno descrito é “DETONAÇÃO”.
Detonação
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Detonação
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Detonação
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A formação de uma frente de chama, não devido à centelha da vela, com a queima espontânea do combustível, recebe o nome de PRÉ-IGNIÇAO.
Se estiver acontecendo uma pré-ignição o motor perde potencia progressivamente (aos poucos).
Pré-ignição
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À medida que a temperatura das peças se eleva, a pré-ignição ocorre cada vez mais cedo no ciclo, adiantando-se a faísca da vela e diminuindo a potencia do motor.
Pré-ignição
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Pré-ignição
A pré-ignição é um fenômeno que destrói a zona dos anéis e a cabeça do pistão parcialmente ou totalmente. Na maioria dos casos acontece de furar o topo do pistão. Também acontece de trincar ou derreter parte da cabeça da válvula do cabeçote em determinados cilindros do motor. Acontece muito este fenômeno nos motores EA 111 e Fiat Fire
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Em se tratando de apenas um cilindro, a potencia iria diminuir progressivamente até que, finalmente e silenciosamente, o motor viesse a parar. Nos motores poli cilíndricos porem, os outros cilindros mantem o motor em movimento e o cilindro com pré-ignição é submetido às temperaturas de combustão durante tempos cada vez mais longos com um aumento excessivo do fluxo de calor para as paredes da câmara.
Pré-ignição
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Pré-ignição
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TAXA DE COMPRESSÃO E RENDIMENTO TÉRMICO
Gás monoatômico argônio ou hélio (k = 1,667) possuem a maior eficiência térmica
A eficiência térmica diminui a medida que as moléculas do fluido de trabalho ficam maiores
Ar (k = 1,4), CO2 (k = 1,3) e Etanol (k = 1,2)
Eficiência Térmica motores ignição por centelhas reais variam de 25% a 30%
Taxa de compressão 
gasolina é 6:1 a 8:1; 
álcool é 12:1 a 14:1 
óleo diesel é de 16:1 a 18:1.
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Um termo importante para motores a pistão é a pressão média efetiva que é a pressão constante teórica que, se atuasse no pistão durante o curso de potência, produziria o mesmo trabalho líquido que é realmente produzido em um ciclo.
Pressão Média Efetiva
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As fórmulas anteriores são usadas para a condição de apenas um cilindro
Quando o motor possuir mais de um cilindro a fórmula será:
Logo:
Pressão Média Efetiva
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A potência de um motor ciclo Otto pode ser calculada de várias formas
A fórmula utilizada para motor 2 tempos, ou seja, para motor que executa seu ciclo completo a cada rpm  Nciclos = 1
Potência de um motor ciclo Otto
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Para um motor 4 temos, o ciclo só se completa após 2 rpm. Dessa forma, o motor só realiza um tempo de potência a cada 2 rpm  Nciclos = 1/2. A fórmula será:
Potência de um motor ciclo Otto
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Classificação dos Motores em relação a disposição dos cilindros
 Cilindros em linha: nessa configuração os cilindros são dispostos lado a lado em linha.  De manutenção e construção simples, os motores com quatro cilindros em linha são os mais comuns, ocorrendo duas explosões a cada volta do virabrequim, nos modelos quatro tempos. Existem também configurações em linha de 3,5, 6 e mais cilindros;
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  Cilindros em V: são mais compactos, exigindo menor espaço para instalação. Possuem os cilindros dispostos em dois grupos que formam um ângulo de geralmente 60º. Os mais comuns são os V6 e V8, com seis e oito cilindros, respectivamente 
Classificação dos Motores em relação a disposição dos cilindros
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Cilindros opostos: Existem dois grupos de cilindros dispostos em ambos os lados do virabrequim. São largos, propiciando uma boa refrigeração dos cilindros, primordial para motores com refrigeração a ar, mas ao mesmo tempo achatados, o que possibilita a sua instalação na parte inferior do veículo. Os motores com cilindros opostos também são denominados motores Boxer ou Flat 
Classificação dos Motores em relação a disposição dos cilindros
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Cilindros dispostos radialmente – nesse caso os cilindros estão situados ao redor, formando um círculo. É uma configuração comum em aviões de pequeno porte e antigos que utilizam motores de combustão interna. 
Classificação dos Motores em relação a disposição dos cilindros
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CILINDRADA
É o volume deslocado pelo pistão do ponto morto superior (PMS) até o ponto morto inferior (PMI) multiplicado pelo número de cilindros do motor. 
V = cilindrada, expressa em cm3 , litros ou pol3 
D = diâmetro do pistão, em cm ou pol 
h = curso do pistão, em cm ou pol 
n = número de cilindros
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Potência Teórica 
É a potência estimada com base em propriedades físicas e consumo de combustível. Essa potência considera que toda energia térmica proveniente da combustão é convertida em energia mecânica
PT = potência teórica; 	
pc = poder calorífico do combustível, kcal/kg;
q = consumo de combustível, L/h-; 	
d = densidade do combustível, kg/L; 
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Características dos Principais Combustíveis. 
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Potência indicada 
A potência indicada é estimada a partir da pressão na expansão, características dimensionais e rotação da árvore de manivelas domotor. Após a combustão ocorre aumento da temperatura e pressão. A pressão desloca o pistão do PMS para o PMI havendo realização de trabalho mecânico. 
 x K
Para motor 2 tempos
PI = potência indicada, W; 
F = força na expansão, N; 
L = curso do pistão, m; 	
t = tempo para realizar o ciclo, s; 
P = pressão na expansão, Pa; 
A = área do cilindro, m2; 	
Vcil = volume do cilindro, m3; 
N = nº de rotações do motor (rps)
K = número de cilindros. 	
 x K
Para motor 4 tempos
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Potência em HP
Potência em HP
P = pressão efetiva média indicada (em PSI)
L = Comprimento do curso (em PÉS ou fração)
A = Área da cabeça do pistão ou da seção reta do cilindro (em sq. in.)
N = Número de tempos de potência por minuto:
                          RPM / 2
K = Números de cilindros. 
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Potência efetiva 
A potência efetiva é estimada em função do torque e da rotação no volante do motor. Esses parâmetros são obtidos, segundo normas da ABNT, em equipamentos denominados dinamômetros. A estimativa da potência efetiva parte do princípio da energia mecânica resultante de uma força tangencial a circunferência de raio R. O ponto P1 gira em torno de P0 com velocidade angular constante Ω. 
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A força atuante na haste da biela é obtida pela equação:
O Torque na eixo da árvore de 
manivelas é dado por:
FB = força na haste da biela, N; 	
P = pressão na expansão, Pa; 	
 = ângulo entre haste da biela e vertical, graus. 	
Potência efetiva 
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 = 90 - 180 +  +  =  +  - 90
No início da expansão o pistão está em 0º (PMS), assim  = 90º
 =  + 90 – 90   =  
 = 
TO = torque no eixo da árvore de manivelas, N.m; 	
FBY = força tangencial, N; 	
R = raio da circunferência, m. 	
Potência efetiva 
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A potência efetiva pode ser estimada em função da força tangencial FBy e da velocidade angular Ω do ponto P1 
PE = potência efetiva, W; 	
TO = torque na árvore de manivelas (torque do motor), N.m; 	
N = rotação na árvore de manivelas (rotação do motor), rps. 	
Potência efetiva 
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Exemplo 1 
Calcular a força na haste da biela e o torque no eixo da árvore de manivelas do mecanismo pistão-biela-manivela. Dados: pressão na expansão = 2 N/mm2; diâmetro do cilindro 100 mm;  = 20º;  = 120º e R = 75 mm.
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Resolução
Dados: pressão na expansão = 2 N/mm2; 
diâmetro do cilindro 100 mm;  = 20º;  = 120º e R = 75 mm.
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EXEMPLO 2
Um motor a combustão interna ignição por faísca 4T opera com pressão efetiva média indicada igual a 165 PSI e com velocidade de rotação por minuto igual a 3.000. O curso do pistão é de 6 polegadas e a e o diâmetro interno do cilindro é igual a 5,5 polegadas. Supondo que este motor possua 12 cilindros, qual será sua potência indicada?
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RESOLUÇÃO
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UNIDADES DE POTÊNCIA
As unidades de potência mais usadas são: 
- cv – cavalo vapor (Brasil) 
- PS – pferdes tärke (Alemanha) 
- HP – horse Power (USA) 
- W – watt (Sistema Internacional de Unidades)
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Quando um gás pode ser considerado perfeito?
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Quando um gás pode ser considerado perfeito?
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Quando um gás pode ser considerado perfeito?
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Quando um gás pode ser considerado perfeito?
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Quando um gás pode ser considerado perfeito?
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A temperatura no início do processo de compressão de um ciclo Otto padrão de ar com uma taxa de compressão de 8 é 300 K, a pressão é de 1 bar e o volume do cilindro é de 560 cm3. A temperatura máxima durante o ciclo é 2000 K. Determine: (a) A temperatura e a pressão no final de cada processo do ciclo, (b) A eficiência térmica e (c) A pressão efetiva média, em atm.
EXEMPLO 3
n
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A análise começa pela determinação da temperatura, pressão e energia interna específica em cada estado principal do ciclo. Para T1= 300 K
u1 =214,07 kJ/kg e vr 621,2
RESOLUÇÃO
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Busca-se vr2 = 77,65 na tabela
Interpolando
T2 673 K 
 u2 491.22 kJ/kg.
A pressão no estado 2 pode ser avaliada alternativamente usando a relação isentrópica, (P2/P1)=(Pr2 /Pr1). 
RESOLUÇÃO
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Uma vez que o Processo 2-3 ocorre em volume constante, a equação de gás ideal do estado é
Para T3=2000 K, u3=1678,7 kJ/kg e vr3= 2,776.
Para o processo de expansão isentrópico 3-4
RESOLUÇÃO
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Interpolando para vr4 = 22,21T4=1043 K e u4=795,8 kJ/kg. Processo 4-1 é V=cte
A eficiência térmica é:
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Para avaliar a pressão efetiva média, é necessário o trabalho por ciclo. Isso é
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RESOLUÇÃO
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Um ciclo Otto ideal tem uma razão de compressão igual a 8. No início do processo de compressão, o ar está a 100 kPa e 17 ºC, 800 kJ/kg de calor transferidos para o ar durante o processo de fornecimento de calor a volume constante. Considerando a variação dos calores específicos do ar com a temperatura, determine:
a) A temperatura e a pressão máxima que ocorrem durante o ciclo 
b) O trabalho líquido produzido
c) A eficiência térmica e a pressão média efetiva do ciclo
EXEMPLO 4
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Tmáx e Pmáx ocorrem no estado 3
No entanto é necessário, primeiramente, determinar P2 e T2
T1 = 17 ºC = 290 K
EXEMPLO 4
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Interpolando  T2 =652,4 K e u2 = 475,11 kJ/kg
Interpolando
T3 = 1575,1 K
Vr3 = 6,108
EXEMPLO 4
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T4 = 795,6 K
U4 = 588,74 kJ/kg
EXEMPLO 4
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EXEMPLO 4
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EXEMPLO 4
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Em um motor automotivo de 4 T de 4 cilindros, ar é admitido a 41ºC e 0,9bar, sendo a cilindrada total de 1L e a rotação de 5800rpm. A razão de compressão é de 9,5 e o calor fornecido durante a combustão é de 2600 kJ/kg por ciclo de funcionamento.
Determine as pressões, temperaturas, volumes, o trabalho do ciclo, a eficiência e a potência teórica desenvolvida considerando para o motor o ciclo Otto.
Dado: Calor específico do ar a volume constante = 0, 718 kJ/kg. K
EXEMPLO 5
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Resolução
Para cada cilindro
P1 = 0,9 bar = 90 kPa, T1 = 41ºC = 314 K, 
Vc = 1L/4 = 0,25L = 0,25 x 10-3 m3, r=9,5
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Resolução
Temperatura e pressão no final da compressão.
massa de ar admitida por ciclo
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Calor total da combustão por ciclo.
Temperatura e pressão no final da combustão
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Temperatura e pressão no início da exaustão dos gases.
Calor rejeitado na exaustão dos gases.
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Calor, trabalho do ciclo e eficiência térmica.
Potência teórica (considerar os quatro cilindros)
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EXEMPLO 6
Um motor a gasolina de quatro tempos apresenta a relação de compressão igual a 9 para 1. O motor tem deslocamento total igual a 3 litros e a temperatura e pressão do ar antes da compressão são iguais a 300 K e 75 kPa. Sabendo que o motor trabalha a 2000 rpm e que a pressão média efetiva é 600 kPa, determine:
a) a eficiência do ciclo.
b) a potência produzida neste motor.
Dado k = 1,4
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RESOLUÇÃO
a) a eficiência do ciclo.
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EXEMPLO 6
b) a potência produzida neste motor.
3 litros = 0,003 m3 = volume deslocado
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EXEMPLO 7
Um motor a gasolina de quatro tempos trabalha a 2000 rpm e tem deslocamento total igual a 4 litros. A temperatura e a pressão do ar antes da compressãosão iguais a 300 K e 90 kPa. Depois da combustão a temperatura é 2100 K e a pressão máxima é 5,1 MPa. Determine:
a) a relação de compressão.
b) a eficiência do ciclo.
c) A temperatura de exaustão 
n
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16/7/96
*
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RESOLUÇÃO
a) a relação de compressão.
Mas v3 = v2 adição de calor a volume constante
n
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16/7/96
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RESOLUÇÃO
b) a eficiência do ciclo.
n
*
16/7/96
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RESOLUÇÃO
c) A temperatura de exaustão 
 
n
*
16/7/96
*
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Acabou ......
Esse Tópico
hehehe
FIM
n
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16/7/96
*
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