2017 SF Aula01 Ciclos de Potência dos Motores com Pistão O Ciclo Otto

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Aula 1 – Ciclos de Potência dos Motores com Pistão 
09/08/2017 
Curso: Engenharia Mecânica 
Série: 10º Semestre 
Sistemas Fluidotérmicos 
Aula 1 – O Ciclo Otto 
Quarta 21:00 às 22:40 
 
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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 utilizado 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 
Figura 12.13 – Configuração cilindro-pistão utilizada 
nos motores de combustão interna. 
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 desslocado 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 = 𝑃 𝑑𝑣 = 𝑃𝑚𝑒𝑓 𝑣𝑚á𝑥 − 𝑣𝑚í𝑛 
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Podemos utilizar esse resultado para determinar a potência do motor, ou seja, 
𝑊 = 𝑁𝑐𝑖𝑙𝑚𝑤𝑙í𝑞
𝑟𝑝𝑚
60
= 𝑃𝑚𝑒𝑓𝑉𝑑𝑒𝑠𝑙
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 
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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 xx, é apresentado, esquematicamente, o modo de funcionamento de um motor de 
dois tempos à gasolina. Na figura yy, são apresentados outros exemplos de aplicações. 
Figura xx – Funcionamento de um motor dois tempos à gasolina. 
Figura yy – Motores dois 
tempos à gasolina: 
exemplos de aplicações. 
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Motores de dois tempos são usados como 
motores a diesel em navios de grandes 
dimensões e como pequenos motores à 
gasolina para cortadores de grama e 
ferramentas manuais. Por causa do potencial 
de ocorrência de fluxo cruzado entre o fluxo de 
entrada (com combustível) e o de exaustão, o 
motor de dois tempos de gasolina teve seu uso 
reduzido e não pôde se adaptar aos requisitos 
atuais de baixa emissão. Por exemplo, motores 
de popa para propulsão de barcos que 
anteriormente eram motores de dois tempos 
agora são motores de quatro tempos. Na figura 
zz, é apresentado, esquematicamente, o 
funcionamento de um motor de dois tempos à 
diesel. 
 
O ciclo do diesel dois-tempos funciona assim: 
 
1. Quando o pistão está no alto de seu curso, o 
cilindro contém uma carga de ar altamente 
comprimido. Figura zz – Motores dois tempos à diesel: modo de 
funcionamento [xx]. 
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O combustível diesel é pulverizado no cilindro 
pelo injetor e inflama-se imediatamente devido 
ao calor e à pressão dentro do cilindro. É o 
mesmo processo descrito em Como funcionam 
os motores a diesel. 
 
2. A pressão criada pela combustão do 
combustível empurra o pistão para baixo. Este 
é o ciclo de potência. 
 
3. Quando o pistão se aproxima do fim de seu 
curso, todas as válvulas de escapamento se 
abrem. Os gases queimados são expelidos 
rapidamente do cilindro, aliviando a pressão. 
 
4. Quando o pistão chega ao final do seu 
curso, descobre as janelas de admissão de ar. 
O ar pressurizado enche o cilindro, forçando 
para fora o restante dos gases queimados. 
Figura zz – Motores dois tempos à diesel: modo de 
funcionamento [xx]. 
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5. As válvulas de escapamento se fecham e o 
pistão começa a voltar a subir, fechando as 
janelas de admissão e comprimindo a carga de 
ar fresco. Este é o ciclo de compressão. 
 
6. Quando o pistão se aproxima do topo do 
cilindro, o ciclo se repete a partir do primeiro 
passo. 
 
Os maiores motores são motores à diesel 
usados em aplicações estacionárias para 
geração de potência e em aplicações móveis 
para sistemas de transporte, como em 
locomotivas e navios. Uma central de potência 
comum a vapor não pode iniciar o 
funcionamento autonomamente e assim tem o 
apoio de um motor a diesel para acionar sua 
instrumentação e sistemas de controle. Uma 
localização remota em terra ou em uma 
plataforma de perfuração e extração de 
petróleo em alto mar também usa um motor a 
diesel para geração de potência. Figura zz – Motores dois tempos à diesel: modo de 
funcionamento [xx]. 
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Os caminhões e ônibus usam motores a diesel devido a sua alta eficiência e durabilidade; 
com potência variando de poucas centenas até cerca de 500 HP. Navios usam motores 
diesel com rotação de 100 a 180 rpm, e dessa forma não necessitam de uma caixa de 
redução até a hélice (esses motores podem ter sua rotação invertida sem a necessidade de 
uma caixa de redução. O maior motor do mundo é um motor de dois tempos a diesel com 
deslocamento volumétrico de 25 m3 e 14 cilindros, fornecendouma potência máxima de 
105000 HP, utilizado em um navio porta-contêineres. 
Figura zz – Navio com motor dois tempos a diesel. 
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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
 
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Além disso observamos que 
Figura 12-14 – Ciclo padrão a ar Otto. 
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
 
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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 evtada. 
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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. 
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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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Borgnakke, C. e Sonntag, R.E., “Fundamentos da Termodinâmica”, 7ª Ed., 
Editora Edgard Blucher, 2010. 
Bibliografia