2024-SF Aula 02 - B - Ciclos de Potência dos Motores com Pistão - Ciclo Otto

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Universidade Paulista
Sistemas Fluidotérmicos
Aula 02 – 28.02.24
Ciclos de Potência dos Motores 
Alternativos – Ciclo Otto
Curso Engenharia Mecânica
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Ciclo Otto (slide 01/11)
É interessante, antes de analisarmos os ciclos utilizados nos motores 
com pistão, apresentar alguns termos e definições que são 
importantes na análise desses ciclos. Os motores mais utilizados nos 
automóveis operam com quatro, seis ou oito cilindros e cada conjunto 
cilindro-pistão apresenta diâmetro nominal B. O pistão está conectado 
a um virabrequiim (manivela), por meio de uma biela. A figura 12.13 
mostra o esboço da configuração cilindro-pistão utilizada nos motores 
de combuistão interna. Observe que o ângulo da manivela, q, varia 
com a posição do pistão no cilindro. O curso do pistão é dado por: 
1 – Introdução
𝑆 = 2𝑅𝑚𝑎𝑛
Figura 12.13 – Configuração cilindro-pistão utilizada 
nos motores de combustão interna.
Eq. 12.6
O volume deslocado no motor pode ser calculado com a equação:
𝑉𝑑𝑒𝑠𝑙 = 𝑁𝑐𝑖𝑙 𝑉𝑚á𝑥 − 𝑉𝑚í𝑛 = 𝑁𝑐𝑖𝑙 𝐴𝑐𝑖𝑙 𝑆 Eq. 12.7
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Note que o volume deslocado no motor caracteriza bem o seu 
tamanho. A razão entre os volumes internos, máximo e mínimo, da 
câmara de combustão é denominada pela relação de compressão:
𝑟𝑣 = 𝑅𝐶 = ൗ𝑉𝑚á𝑥
𝑉𝑚í𝑛
 
Eq. 12.9
O trabalho líquido realizado por um cilindro em um ciclo é:
𝑊𝑙í𝑞 = 𝑚 𝑤𝑙í𝑞 = 𝑃𝑚𝑒𝑓 𝑉𝑚á𝑥 − 𝑉𝑚í𝑛 Eq. 12.10
Eq. 12.8
O volume deslocado no motor em conjunto com a relação de 
compressão caracteriza a geometria do motor. O trabalho específico 
líquido num ciclo completo é utilizado para definir a pressão média 
efetiva:
𝑤𝑙í𝑞 = ර 𝑃 𝑑𝑣 = 𝑃𝑚𝑒𝑓 𝑣𝑚á𝑥 − 𝑣𝑚í𝑛
Figura 12.13 – Configuração cilindro-pistão utilizada 
nos motores de combustão interna.
Ciclo Otto (slide 02/11)
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Podemos utilizar esse resultado para determinar a potência do motor, ou seja,
ሶ𝑊 = 𝑁𝑐𝑖𝑙 𝑚 𝑤𝑙í𝑞
𝑟𝑝𝑚
60
= 𝑃𝑚𝑒𝑓 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑙
𝑟𝑝𝑚
60 Eq. 12.11
em que rpm significa rotações por minuto. Esse resultado precisa ser corrigido pelo fator ½ quando a 
equação for utilizada no cálculo da potência dos motores de quatro tempos e isso ocorre porque são 
necessárias duas revoluções completas para que o motor de quatro tempos complete o ciclo.
A maioria dos motores é de quatro tempos e apresenta os seguintes processos (o movimento do pistão 
e a posição da manivela se referem à figura 12.13):
Processo / Movimento do Pistão
Posição da Manivela / Ângulo da 
Manivela
Variação de Propriedades
Admissão / 1S PMS a PMI / 0 – 180 graus P ≈ Cte, V ↑, escoamento de admissão
Compressão / 1S PMI a PMS / 180 – 360 graus V ↓, P ↑, T ↑, Q = 0
Ignição e Combustão / 1S
Aproximando-se rapidamente de PMS / 
360 graus
V = Cte, Q fornecido, P ↑, T ↑
Expansão / 1S PMS a PMI / 360 – 540 graus V ↑, P ↓, T ↓, Q = 0
Exaustão / 1S PMI a PMS / 540 – 720 graus P ≈ Cte, V ↓, escoamento de exaustão
Ciclo Otto (slide 03/11)
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Observe que como os processos de admissão e exaustão (escapamento) realizam-se durante um curso 
do pistão, duas rotações com quatro cursos do pistão são necessárias para o ciclo completo. Num motor 
de dois tempos, a exaustão começa antes de a expansão ser completada e a admissão se sobrepõe no 
tempo a parte do processo de exaustão e continua durante a compressão. Isso reduz a eficácia dos 
processos de compressão e de expansão, mas há geração de potência em cada rotação e a potência 
total é quase duas vezes a potência do motor de quatro tempos do mesmo tamanho. Na figura 1, é 
apresentado, esquematicamente, o modo de funcionamento de um motor de dois tempos à gasolina. Na 
figura 2, são apresentados outros exemplos de aplicações.
Figura 1 – Funcionamento de um motor dois tempos à gasolina.
Figura 2 – Motores dois tempos à 
gasolina: exemplos de aplicações.
Ciclo Otto (slide 04/11)
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O ciclo padrão a ar Otto é um ciclo ideal que se aproxima do motor de 
combustão interna de ignição por centelha. Os diagramas P-v e T-s desse 
ciclo são apresentados na figura 12-14. O processo 1-2 é uma compressão 
isoentrópica do ar quando o pistão se move, do ponto morto do lado da 
manivela (inferior) para o ponto morto do lado do cabeçote (superior). O calor 
é então transferido para o ar, a volume constante, enquanto o pistão está 
momentaneamente em repouso no ponto morto superior (num motor real, 
esse processo corresponde à ignição da mistura combustível-ar pela 
centelha, e à queima subsequente). O processo 3-4 é uma expansão 
isoentrópica e o processo 4-1 é o de rejeição de calor do ar, enquanto o pistão 
está no ponto morto inferior. Admitindo que o calor específico do ar seja 
constante, determina-se o rendimento térmico deste ciclo do seguinte modo:
2 – O Ciclo Otto
Figura 12-14 – Ciclo padrão a ar Otto.
𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜 =
𝑞𝐻 − 𝑞𝐿
𝑞𝐻
= 1 −
𝑞𝐿
𝑞𝐻
= 1 −
𝐶𝑣 𝑇4 − 𝑇1
𝐶𝑣 𝑇3 − 𝑇2
= 1 −
𝑇1 ൗ
𝑇4
𝑇1
− 1
𝑇2 ൗ
𝑇3
𝑇2
− 1
Ciclo Otto (slide 05/11)
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Além disso observamos que
𝑇2
𝑇1
=
𝑉1
𝑉2
𝑘−1
=
𝑉4
𝑉3
𝑘−1
=
𝑇3
𝑇4
Portanto,
𝑇3
𝑇2
=
𝑇4
𝑇1
𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜 = 1 −
𝑇1
𝑇2
= 1 − 𝑟𝑣
1−𝑘 = 1 −
1
𝑟𝑣
𝑘−1
e
em que
𝑟𝑣 = 𝑟𝑒𝑙𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 =
𝑉1
𝑉2
=
𝑉4
𝑉3
Figura 12-14 – Ciclo padrão a ar Otto.
Ciclo Otto (slide 06/11)
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Um fator importante a ser notado é que o rendimento do 
ciclo padrão Otto é função apenas da relação de 
compressão e que o rendimento aumenta com um 
aumento dessa relação. A figura 12.15 mostra o gráfico do 
rendimento térmico do ciclo padrão a ar em função da 
relação de compressão. Também é verdade que para um 
motor real de ignição por centelha o rendimento térmico 
aumenta quando a relação de compressão é aumentada. 
A tendência para utilização de relações de compressão 
maiores é induzida pelo esforço de se obter rendimentos 
térmicos maiores. 
Figura 12-15 – Rendimento térmico do ciclo Otto em 
função da relação de compressão.
Mas quando se aumenta a relação de compressão num motor real, ocorre um aumento na tendência 
para a detonação do combustível. Essa detonação é caracterizada por uma queima extremamente 
rápida do combustível e pela presença de fortes ondas de pressão no cilindro do motor e que originam 
as chamadas “batidas”. Portanto, a máxima relação de compressão que pode ser utilizada é aquela em 
que a detonação é evitada. 
Ciclo Otto (slide 07/11)
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O aumento das relações de compressão ao longo dos anos, nos motores reais, foi possível devido ao 
desenvolvimento de combustíveis com melhores características antidetonantes, principalmente com a 
adição de chumbo tetraetil. Recentemente, entretanto, foram desenvolvidas gasolinas isentas de 
chumbo que apresentam boas características antidetonantes e isso foi feito para reduzir a 
contaminação atmosférica.
Alguns dos pontos mais importantes, que diferenciam o motor de ignição por centelha de ciclo aberto 
do ciclo padrão, são os seguintes:
1. Os calores específicos dos gases reais aumentam com o aumento de temperatura.
2. O processo de combustão substitui o processo de transferência de calor a alta temperatura e a 
combustão pode ser incompleta.
3. Cada ciclo mecânico do motor envolve um processo de alimentação e de descarga e, devido às 
quedas de pressão dos escoamentos nas válvulas, é necessária certa quantidade de trabalho para 
alimentar o cilindro com ar e descarregar os produtos da combustão no coletor de escapamento.
4. Existe uma transferência de calor significativa entre os gases e as paredes do cilindro.
5. Existem irreversibilidades associadas aos gradientes de pressão e temperatura.
Ciclo Otto (slide 08/11)
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Ciclo Otto (slide 09/11)
3 – ExercíciosFigura 12-14 – Ciclo padrão a ar Otto.
Sistema: Ar contido no cilindro;
Diagrama: Figura 12-14;
Informação do estado 1: 
P1 = 0,1 MPa; T1 = 290,15 K.
Informação do processo: Quatro processos 
conhecidos (Figura 12-14). Também sabemos que rv 
= 8 e qH = 800 kJ/kg;
Modelo: Gás ideal com calor específico constante e 
avaliado a 300 K. 
Exemplo 9.2 – Um ciclo Otto ideal tem uma taxa de compressão de 8. No início do processo de compressão, o ar está a 
100 kPa e 17oC e 800 kJ/kg de calor é transferido ao ar durante o processo de adição de calor à volume constante.
Determine:
a) As máximas temperatura e pressão que ocorrem durante o ciclo;
b) O trabalho líquido;
c) A eficiência térmica;
d) Determine também a potência gerada no ciclo em kW para uma rotação do motor de 4000 rpm. Assuma que o ciclo é 
operado num motor que tem quatro cilindros com um deslocamento volumétrico de 1,6 litros.
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Ciclo Otto (slide 10/11)
Exemplo 12.7 – A relação de compressão num ciclo padrão a ar Otto é 10. No início do curso de 
compressão, a pressão é igual a 0,1 MPa e a temperatura é 15oC. Sabendo-se que a transferência 
de calor ao ar, por ciclo é igual a 1800 kJ/kg de ar, determine:
1. A pressão e a temperatura no estado final de cada processo do ciclo;
2. O rendimento térmico;
3. A pressão média efetiva.
3 – Exercícios
Figura 12-14 – Ciclo padrão a ar Otto.
Sistema: Ar contido no cilindro;
Diagrama: Figura 12-14;
Informação do estado 1: 
P1 = 0,1 MPa; T1 = 288,2 K.
Informação do processo: Quatro processos 
conhecidos (Figura 12-14). Também sabemos 
que rv = 10 e qH = 1800 kJ/kg;
Modelo: Gás ideal com calor específico 
constante e avaliado a 300 K. 
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Bibliografia
Ciclo Otto (slide 11/11)
Borgnakke, C. e Sonntag, R.E., “Fundamentos da Termodinâmica”, 7ª Ed., Editora Edgard Blucher, 
2010.
	Folie 1
	Folie 2: Ciclo Otto (slide 01/11)
	Folie 3: Ciclo Otto (slide 02/11)
	Folie 4: Ciclo Otto (slide 03/11)
	Folie 5: Ciclo Otto (slide 04/11)
	Folie 6: Ciclo Otto (slide 05/11)
	Folie 7: Ciclo Otto (slide 06/11)
	Folie 8: Ciclo Otto (slide 07/11)
	Folie 9: Ciclo Otto (slide 08/11)
	Folie 10: Ciclo Otto (slide 09/11)
	Folie 11: Ciclo Otto (slide 10/11)
	Folie 12: Ciclo Otto (slide 11/11)