Termodinâmica de Motores

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Prof. Danilo Roberto Loureiro 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ 
CENTRO DE CIENCIAS AGRÁRIAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA 
 
 
Motores e Tratores Agrícolas 
 
 
Conceitos Básicos de Termodinâmica 
 
Análise do motor de quatro tempos
 
• Os processos de admissão, compressão, 
expansão e exaustão podem ser realizados em 
dois ou quatro deslocamentos do pistão 
 
• Portanto, existe dois tipos de motores os 
motores de ciclo de dois tempos e os motores 
de ciclo de quatro tempo 
 
• Os motores de quatro tempos são muito mais 
populares que os motores de dois tempos 
Análise do motor de quatro tempos 
Análise do motor de quatro tempos 
 
Equações termodinâmicas básicas 
• Se a temperatura permanece constante, a equação dos gases 
perfeitos estabelece que a pressão varia inversamente 
proporcional ao volume. 
 
• Em um motor, a temperatura durante a compressão aumenta 
consideravelmente, portanto, a pressão aumenta mais que em 
um processo isotérmico. 
 
• – Um processo politrópico é governado pela equação: 
 
P.Vn = Cp 
Em que, 
 - Cp = calor especifico a pressão constante 
 - n = expoente entre 1 e 1,4 
Análise do motor de quatro tempos 
 
 
P.Vn = Cp 
 
• Se n =1: processo isotérmico 
• Se n = k = 1,4: processo adiabático 
• Geralmente n é um pouco acima de 1,30 na 
compressão e cai abaixo de 1,26 na expansão
 
Análise do motor de quatro tempos 
• Ciclo Otto Teórico 
Ciclo teórico: admissão do ponto (0) para o ponto (1); compressão adiabática 
do ponto (1) ao ponto (2); entrada de calor a volume constante do ponto (2) 
ao ponto (3); expansão adiabática do ponto (3) ao ponto (4); perda de calor a 
volume constante do ponto (4) ao ponto (1) e exaustão do ponto (1) ao ponto 
(0). 
 
Análise do motor de quatro tempos 
Análise do motor de quatro tempos 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Otto 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Otto 
• A temperatura T3 é a temperatura máxima que ocorre no ciclo e deve ser 
um dos dados de entrada. 
 
• A temperatura adiabática de chama (T3 ) é geralmente especificada como 
sendo igual a 2700 K. 
 
• Assim, é possível calcular todos os pontos de estado. 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Otto 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Otto 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Otto 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Otto 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Otto 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Otto 
• A equação da eficiência do ciclo Otto fornece um valor 
que pode ser usado como objetivo a ser atingido em 
relação à eficiência térmica indicada real dos motores 
com ignição por centelha trabalhando a plena carga 
 
• Também, pemc serve como valor a ser atingido para o 
motor trabalhando a plena carga 
 
• Tanto eotto como pemc não podem ser atingidos em um 
ciclo realdevido a simplificações realizadas na análise 
teórica 
 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Otto 
Ciclo Otto Real 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Diesel 
• Ideia de Rudolph Diesel: desenvolver um motor 
com ignição por compressão para queimar pó 
de carvão 
 
• Logo verificou que o motor não poderia queimar 
pó de carvão, então ele partiu para a queima de 
combustíveis líquidos 
 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Diesel 
• Diesel queria desenvolver um motor com uma 
taxa de compressão alta o suficiente para que o 
combustível entrasse em auto-ignição, para 
isso, a temperatura ao final da compressão 
deveria ser T2= 750 K (temperatura de auto-
ignição do diesel). 
 
• Se a temperatura ambiente for T1 = 300 K e 
assumindo n=1,33, tem-se que para atingir T2 = 
750 K é necessário que a razão de compressão 
seja de 16:1. 
 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Diesel 
• A pressão P2 atinge nesse caso 3994 kPa, se o 
calor fosse gerado a volume constante, a pressão 
no ponto P3 seria bem superior a 3994 kPa e o 
motor não resistiria. 
 
• A solução encontrada por Diesel foi liberar a energia 
de tal forma a que a pressão não superasse P2. 
 
• Os motores Diesel modernos não seguem a ciclo 
Diesel teórico, o ciclo dual no qual o calor é gerado 
parte a volume constante e parte a pressão 
constante representa melhor os motores diesel 
atuais. 
 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Diesel 
Ciclo Diesel Teórico 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Diesel 
• Os valores de energias térmicas e eficiência do 
ciclo diesel podem ser expressas de forma 
similar ao que foi feito para o ciclo Otto. 
 
• No desenvolvimento a ser apresentado, pode-
se notar que a eficiência do ciclo diesel é 
influenciada não apenas pela taxa de 
compressão mas também, pelo período de 
tempo no qual a energia térmica é adicionada 
ao ar comprimido 
 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Diesel 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Diesel 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Diesel 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Diesel 
• Ciclo Diesel Real 
Análise do motor de quatro tempos – 
Ciclo Diesel 
Ciclo Dual 
Ciclos Reais vs Ciclos Ideais 
• Os ciclos reais apresentam eficiência 
consideravelmente menor que os ciclos ideais. Isso 
se deve às considerações feitas no 
desenvolvimento da análise dos ciclos ideais e que 
na realidade não são verdadeiras: 
 
• O gás não é somente ar; 
• O calor específico dos gases não são constantes; 
• O processo de combustão na realidade é uma reação 
química; 
• Existe transferência de calor pelas paredes do cilindro 
 
 
Ciclos Reais vs Ciclos Ideais 
• A eficiência de um motor de combustão interna 
é dada pela razão entre o trabalho equivalente à 
área do diagrama real do desempenho do motor 
e o trabalho equivalente ao poder calorífico 
inferior do combustível. 
 
• Essa razão expressa em percentagem é 
chamada de eficiência térmica indicada. 
 
Ciclos Reais vs Ciclos Ideais 
• Quando os motores são analisados dessa forma ele se 
apresentam como máquinas bastante ineficientes, com 
eficiência geralmente variando de 25% a 35% 
 
• A eficiência relativa é definida como sendo a razão entre 
a eficiência térmica indicada e a eficiência do ciclo ideal 
no qual o projeto do motor está baseado. 
 
Exercício 
• Um ciclo Diesel ideal trabalha com uma taxa de 
compressão igual a 16 e a quantidade de energia 
térmica entrando no sistema é de 2000 kJ/kg. Se 
as condições do ponto de estado 1 são 100 kPa e 
300 K, encontre as condições nos pontos de 
estado 2, 3, e 4, assim como o trabalho e a 
transferência de energia térmica em todos os 
quatros processos. Também, determine o 
trabalho líquido, a quantidade de energia térmica 
líquida, a razão de corte (V3/V2), e a eficiência do 
ciclo. 
 
 
 
Dúvidas?