Ciclo Otto e análise termodinâmica revisado

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UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI
RODRIGO DE OLIVEIRA
WALLACE DOS SANTOS CERUTTI
ANA PAULA S. B. DA SILVA
RENATO PEREIRA DOS SANTOS E SILVA
PAULO RICARDO P. B. DA SILVA
MOTORES CICLO OTTO E ANÁLISE TERMODINÂMICA
São Paulo
2015�
UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI
RODRIGO DE OLIVEIRA RA: 2045619-4
WALLACE DOS SANTOS CERUTTI RA: 2060280-3
ANA PAULA S. B. DA SILVA Ra: 2058548-5
RENATO P. DOS SANTOS E Silva ra: 2011584-0
PAULO RICARDO P. B. DA SILVA RA: 2046280-5
MOTORES CICLO OTTO E ANÁLISE TERMODINÂMICA
Trabalho apresentado como exigência parcial para a disciplina de Termodinâmica, do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Anhembi Morumbi, sob a orientação do Prof. Fábio de Camargo.
São Paulo
2015
RESUMO
Presente em nosso dia-a-dia os motores a combustão interna contribuem muito com os nossos meios de transporte e outros sistemas afins como geradores de energia elétrica por exemplo.
Abordaremos os principais funcionamentos desses motores, bem como a metodologia de coleta de dados para a análise de termodinâmica.
ÍNDICE
1 introdução 5
2 classificando motores de combustão 6
2.1. SURGIMENTO DOS MOTORES 8
2.1.1 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA 8
2.1.2 CICLO OTTO 9
2.2. CICLOS REAIS DE UM MOTOR 10
2.2.1 TRABALHO DO CICLO 16
3 conclusão 17
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 19
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INTRODUÇÃO
Neste breve trabalho, iremos abordar os princípios de termodinâmica em motores a combustão interna de 4 tempos do tipo Otto, funcionamentos básicos e principais sistemas de funcionamentos para então definirmos os padrões de coleta de dados para análise teórica e experimental.
A eficiência interna de um motor à combustão está diretamente relacionada aos fatores físico-químicos nela presentes onde, a composição da mistura de combustível e ar, está em função da velocidade de rotação do motor e carga, e diretamente relacionada aos indicadores de pressão, e consequentemente a eficiência térmica do motor.
Os sistemas de injeção de combustível vêm sofrendo grandes alterações nos últimos anos sendo o principal meio de otimizar a eficiência térmica do sistema, porém outros ajustes podem ser feitos para diminuir a perda de calor para o meio, por intermédio de sensores e unidades de comando. 
Desde o início da implementação desta sistemática pelas montadoras e construtoras até hoje foram evoluindo, se tornando muito mais eficientes, contribuindo assim para o principal objetivo que se passou a considerar com o tempo, ou seja, economia e desempenho.
2 Classificando motores de combustão
Os principais dispositivos capazes de transformar energia em calor são as maquinas térmicas, o calor pode ser obtido por diversas fontes: combustão, energia elétrica, energia atômica entre outras.
Podemos ilustrar essas situações analisando a imagem 1.1.
Imagem 1.1 Fluxo de massa e energia em um motor de combustão interna – MCI.[A]
Podemos obter o trabalho por vários processos realizados em uma substancia, podemos caracterizar assim “Fluxo Ativo”, no caso dos motores a combustão interna do tipo 4 tempos do tipo Otto, ou 2 tempos, o fluxo ativo é caracterizado pela mistura de ar e combustível na entrada do volume de controle, e os provenientes produtos na câmara de escape consequentemente.
Ainda falando de fluxo ativo, podemos dividi-los em duas principais famílias, aos de motores de combustão externa MCE quando a combustão se processa fora do FA, que será apenas o modo da energia térmica no caso de uma máquina de vapor, imagem 1.2.
Imagem 1.2 Ciclo representativo de um motor a combustão externa – MCE
A segunda grande família são as de combustão interna MCI que iremos nos focar mais durante o desenvolvimento desse estudo. Os MCI têm como principal característica o FA participando diretamente da combustão.
Os MCIs podem ser classificados em 3 famílias:
Motores Alternativos: Quando o W é proveniente do movimento dos pistões, transformando rotação continua em W.
Motores Rotativos: O W é proveniente diretamente por um movimento de rotação, exemplo turbina a gás e motor Wenkel.
Motores de Impulso: O W é proveniente da reação dos gases expelidos por exemplo, motores a Jato, e Foguetes.
2.1 SURGIMENTO DOS MOTORES
Os primeiros esboços de um motor a combustão interna surgiram na segunda metade do século XVII, e tiveram ideia inspirada nas armas de fogo que usavam a energia térmica da pólvora para a realização do trabalho.
Posteriormente Thomas Savery, Thomas Newcomen e James Watt, desenvolveram o primeiro motor a vapor na segunda metade do século XVIII proporcionando a revolução industrial.
Em 1860 Jean Joseph Etienne Lenoir desenvolveu o primeiro motor com pistão e a combustão acontecia dos dois lados do pistão.
Em 1876 o alemão Nicolaus Otto apresententa o motor a 4 tempos muito semelhante aos que conhecemos, esses motores não contavam com uma compressão previa na mistura de combustível e ar, por isso não tenham tanta eficácia, e apresentavam por volta de 14% de eficiência.
 2.1.2 CICLO OTTO
Os motores MCI do tipo Otto, tem o ciclo de operação de 4 tempos, entende-se tempo pelo o curso do pistão, o mesmo não pode ser confundido com processo, uma vez que existem muitos processos em operação. Imagem 1.3.
Imagem 1.3 os quatro tempos do motor alternativo
Para entendermos melhor como se dá cada ciclo precisamos caracterizar algumas coisas, PMS ponto morto superior, é a onde o pistão se encontra mais perto do cabeçote do motor, PMI é o ponto mais distante em que o pistão pode atingir, em relação ao cabeçote.
Tempo de Admissão:
É o momento onde é fornecido toda a mistura necessária para a realização de um ciclo, o pistão sai do PMS e se desloca ao PMI fazendo uma sucção promovendo a entrada dos fluidos por meio da válvula de admissão.
Tempo de compressão:
Uma vez feita a admissão da mistura o pistão se encontrara no PMI, então a válvula de admissão será fechada o pistão se deslocara ao PMS, comprimindo a mistura.
Tempo de Expansão ou Explosão:
No MIF (motores de ignição por faísca), quando o pistão se aproxima do PMS, uma faísca é efetuada pela vela de ignição, a pressão proveniente da queima dos gases permite que o pistão efetue W para baixo, ou literalmente empurre o sistema para o PMI. Esse processo é o que realiza trabalho positivo sobre o sistema.
Tempo de Escape:
Dado o processo positivo do motor o pistão se desloca novamente ao PMS, nesse momento a válvula de escape é aberta favorecendo assim a saída dos gases provenientes da queima, e assim o pistão retorna a posição inicial para um novo ciclo.
Falaremos mais sobre os tempos e processo mais a frente com mais ênfase.
2.2 CICLOS REAIS DE UM MOTOR
Todo ciclo de um motor a combustão interna pode ser descrito em um diagrama P-V (pressão x volume), podemos coletar os dados através de um “indicador de pressão”. O processo pode ser muito complexo, então afim de simplifica-lo fazemos simplificações numéricas baseadas na teoria da Termodinâmica.
Para iniciarmos a análise do comportamento em cada ciclo, é fundamental temos um aparelho de indicador de pressão, uma vez que precisamos de dados verdadeiros, para podermos confronta-los posteriormentecom os dados teóricos.
Basicamente o aparelho é instalado em um dos cilindros do motor, tomando constantemente medidas de pressão a cada ciclo completado. Na imagem 1.4 podemos analisar que existe um pequeno êmbolo no cilindro menor, que faz movimentos proporcionais aos movimentos de translação à pressão existente, no cilindro do motor, uma mola na parte superior garante movimentos constantes, o tipo de gráfico traçado depende do movimento do tambor.
Imagem 1.4 Esquema de um indicador mecânico de pressões. [G]
Esses indicadores de pressão estão presente em muitos motores de alta performance e também no setor marítimo, porém são sensores extremamente desenvolvidos, podendo ser por exemplo do tipo piezo elétrico.
Dados as informações necessárias podemos então começar a traçar nossos primeiros diagramas P-V para motores do ciclo Otto.
Diagrama 1.1 p-V – MIF – 4T
O que temos então é um diagrama onde no eixo das ordenadas temos a relação de pressão e no eixo das abscissas temos o volume do sistema num determinado ponto, logo abaixo foi ilustrado a situação de tempo do motor onde temos PMS, mais próximo possível do eixo das ordenadas e o PMI mais no ponto mais distante dela, ou seja, no outro extremo do processo.
Nos pontos 1 e 2 temos PMS deslocando ao PMI, com a válvula aberta, temos a pressão interna do cilindro inferior a pressão externa, desse modo contribuímos para o escoamento da mistura ao interior da câmara.
Nos pontos 2 e 3 a válvula se fecha e começamos a compressão da mistura, a curva 2-3 indica a diminuição do volume do FA e um consequente aumento de pressão. No momento em que é solta a faísca a pressão tem um crescimento mais rápido do que aquele fornecido somente pelo deslocamento do pistão.
No momento de expansão 3 e 4 FA sofre um processo de expansão e desloca-se do PMS ao PMI reduzindo drasticamente a pressão na câmara.
No momento de escape 4 e 1 no ponto b abre-se a válvula sendo a pressão interna levemente maior do que a atmosférica, promovemos então a saídas dos gases produto da queima.
Com os diagramas podemos observar que o ângulo de rotação α está diretamente relacionado com um volume do FA contido na cabeça do pistão dessa forma torna-se real as equações 1.1 e 1.2 para a determinação dos gráficos:
 Eq.1.1
 Eq.1.2
Sendo:
r: raio da manivela
n: frequência da arvore de manivelas
ω: velocidade angular da arvore de manivelas.
α: ângulo formado entre a manivela e um eixo vertical imaginário.
L: comprimento da biela
Levando em consideração o ângulo da manivela, que no caso seria o virabrequim, temos o seguinte diagrama 1.2 P - α:
Diagrama 1.2 p-α MIF -4T
Podemos descrever melhor a eficiência do processo quando o fazemos experimentalmente, no diagrama a seguir podemos analisar um motor 4 tempos quando submetido a plena carga com curvas superpostas, nesse caso quando alteramos o ângulo da faísca responsável pela ignição, verificamos quanto este é importante na pressão desenvolvida no interior do cilindro. 
Diagrama 1.3 p-α-real plena carga
Para facilitar o entendimento dos ciclos vamos adotar algumas premissas como sendo verdadeiras, criando assim um ciclo padrão, criando hipóteses simplificadoras, que de alguma maneira tenham sentido com o ciclo verdadeiro:
I - O fluido ativo é ar
II - O ar é um gás perfeito
III - Não há admissão ne escape. Não há necessidade de trocar os gases queimados por mistura nova, isso permite que usemos a Primeira Lei da Termodinâmica em lugar da Primeira Lei para volume de controle.
IV - Os processos de compressão e expansão só isoentropicos, adiabáticos e reversíveis.
V - A combustão é substituída por um fornecimento de calor FA, que poderá ser um processo Isocorico ou Isobárico ou uma combinação destes.
VI - Para voltar às condições iniciais será retirado calor por uma fonte fria.
VII - Todos os processos são considerados reversíveis.
No ponto de vista Termodinâmico, podemos analisar os dois diagramas abaixo para melhor entendimento do trabalho realizado, e então faremos nova análise sobre o ponto de vista termodinâmico:
Diagramas 1.4 (a) e 1.4 (b) p-v e T-v do ciclo Otto
Analisando os diagramas acima e tomando a premissa 3 em que eliminamos a admissão e a compressão, podemos compor 4 processos:
1-2: Compressão isoentrópica: no diagrama p-V é representado pela expressão 
 (k razão entre os calores específicos Cp e Cv) , enquanto no T-S é uma vertical, lembrando que no diagrama P-v a área contida entre as curvas são proporcionais ao trabalho realizado, enquanto no diagrama T-S são proporcionais ao calor trocado por isso P-v a área 1-2 v1-v2 corresponde ao trabalho de compressão que na termodinâmica é adotado como trabalho negativo. No T-S a área que representa 1-2 é nula uma vez que o processo é considerado isoentrópico.
2-3: 
representa o calor liberado durante a combustão, quando o pistão se encontra no PMS. No T-S a área é proporcional ao calor fornecido, portanto é positivo.
3-4: Expansão Isoentrópica: A área 3-4 
 é o trabalho positivo de expansão (
).
4-1: Retirada de calor do sistema: Simula o calor rejeitado nos gases ao abrir a válvula de escape, imaginando a queda bruta de pressão. No diagrama T-S a área 
 é proporcional ao calor rejeitado.
2.2.1 TRABALHO DO CICLO
De acordo com o que analisamos previamente temos que, o trabalho de um ciclo é proporcional a área contida no diagrama P-v, então temos:
Expansão e Compressão são processos isoentrópicos, tem-se pela Primeira Lei da Termodinâmica, que sendo nulo o calor, o trabalho é igual a variação de energia interna então temos:
 e 
Vimos que não é tão simples determinar matematicamente o trabalho do ciclo, já que os pontos iniciais e finais não são tao evidentes, porem uma vez que o determinado o ciclo no diagrama P-v com um indicador de pressão é possível determinar o trabalho pela área por meio da equação:
Uma vez feitos os cálculos podemos então calcular por exemplo a potência do ciclo, basicamente multiplicando o trabalho multiplicado pelo número de vezes que ele é realizado na unidade de tempo, ou a frequência com que ocorre.
3 conclusão
Tendo em vista, toda análise feita no decorrer desse trabalho, um provável desenvolvimento de eficiência energética, nestes sistemas poderia ser feito por meio da injeção estratificada de combustível, que já é uma tendência iniciada nos anos 90 e que foi inspirada nos motores a diesel. 
Descrevendo brevemente essa tecnologia, teríamos um injetor de combustível diretamente conectado a câmara de combustão, em uma primeira análise só do fato de termos eliminado a mistura de combustível e ar da câmara de admissão, já faz com que reduzimos algumas perdas que poderiam se dar no caminho até câmara de combustão.Imagem 1.5
Imagem 1.5 Exemplo de posicionamento do injetor em sistema de injeção direta à direita
Outro ponto interessante no sistema de injeção direta, é a pressão com que o combustível é injetado na câmara, por volta de 120 PSi combinada com o leque de pulverização, faz com que a queima seja quase perfeita, lembrando que todas essas modificações visam a eficiência térmica do motor. Imagem 1.6
 Imagem 1.6 Comparativo de atomização do combustível
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BRUNETTI, F , Motores de Combustão interna vol.1 2012
VAN WYELEN, G. J.; SONNTAG, R. E. Fundamentos de termodinâmica Clássica
BRUNETTI, F, Motores de Combustão interna Vol.1 2013 (imagens extraídas do livro).
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