EER0013 Aula 8 Ciclos de Potência com Fluidos de Trabalho Gasosos (Parte 3)

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Aula 8 – Ciclos de Potência com
Fluidos de Trabalho Gasosos (Parte 3)
Universidade Federal da Integração Latino-Americana
Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Território e Infraestrutura
Engenharia de Energia
Prof. Fabyo Luiz Pereira
fabyo.pereira@unila.edu.br
UNILA – ILATTI – EE Foz do Iguaçu / PR
EER0013 – Máquinas Térmicas
EER0013 – Máquinas Térmicas 2 / 22
Tópicos da Aula
● Ciclos de Potência com Fluidos de Trabalho Gasosos – Parte 3:
● Motores ciclo Otto de 4 tempos.
● Motores ciclo Otto de 2 tempos.
● Motores ciclo Diesel de 4 tempos.
● Motores ciclo Diesel de 2 tempos.
● Ciclo Stirling.
● Ciclo Atkinson.
● Ciclo Miller.
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Motores Ciclo Otto de 4 Tempos
● Motores Ciclo Otto de 4 Tempos:
● Partes principais de um motor alternativo:
● Bloco Peça fundida que aloja os cilindros.→
● Camisa Tubo cilíndrico que forma o cilindro.→
● Cilindro Local onde ocorre a combustão e→
por onde se desloca o pistão.
● Pistão Peça cilíndrica que se move dentro do→
cilindro e converte parte da energia da
expansão da combustão em trabalho mecânico.
● Biela Conecta o pistão ao virabrequim.→
● Virabrequim Transforma o movimento alternativo em movimento circular.→
● Válvula de admissão Permite a entrada do ar e do combustível no cilindro.→
● Válvula de escape Permite a exaustão dos gases de combustão do cilindro.→
● Vela Dispositivo elétrico que infama a mistura de ar com combustível ao →
descarregar uma faísca elétrica (presente apenas nos motores ciclo Otto).
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Motores Ciclo Otto de 4 Tempos
● Os processos (4 tempos) são:
● 1- Admissão A válvula de admissão abre, o →
pistão desce e cria uma depressão que faz com que 
a mistura seja admitida no cilindro.
● 2- Compressão As válvulas estão fechadas, o →
pistão sobe e comprime a mistura admitida no 
cilindro.
● 3- Expansão A → vela gera uma faísca que provoca 
a combustão da mistura, e os gases de combustão 
se expandem violentamente, empurrando o pistão 
para baixo e gerando trabalho mecânico.
● 4- Exaustão A válvula de escape abre, o pistão →
sobe e empurra os gases de combustão para o 
coletor de escapamento.
● São os motores mais usados em automóveis leves.
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Motores Ciclo Otto de 4 Tempos
● A tabela abaixo descreve termodinamicamente estes
processos, de acordo com a figura acima à direita.
Posição Movimento do pistão
Posição da 
manivela
Ângulo da 
manivela Variação de propriedades
Admissão 1 S PMS a PMI 0o-180o p ≈ cte, V , Escoamento de admissão↑
Compressão 1 S PMI a PMS 180o-360o p , ↑ V ,T , Q = 0↓ ↑
Ignição e combustão - Perto do PMS 360o p , ↑ V = cte, Q é fornecido, T ↑
Expansão 1 S PMS a PMI 360o-540o p , ↓ V , T , Q = 0↑ ↓
Exaustão 1 S PMI a PMS 540o-720o p ≈ cte, V ↓, Escoamento de exaustão
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Motores Ciclo Otto de 4 Tempos
● Definições importantes:
● Curso do pistão É a distância percorrida pelo→
pistão ao se movimentar:
● Cilindrada É o volume deslocado no motor:→
● Taxa ou relação de compressão → É a razão entre
os volumes internos máximo e mínimo:
● Relação r/l É a razão entre o raio da manivela do→
virabrequim e o comprimento da biela:
● (a) Se r/l > 0,3 Motor funciona com aspereza.→
● (b) Se r/l < 0,3 Motor funciona sem aspereza.→
S=2Rman
V desl=N cil(V máx−V mín)=N cil Acil S
r v=RC=
V máx
V mín
r / l=
Rman
Lbiela
(a) (b)
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Motores Ciclo Otto de 4 Tempos
● Pressão média efetiva Pressão que, ao agir no pistão durante todo o curso →
do motor, realiza um trabalho igual ao realmente realizado sobre o pistão.
● Trabalho específico líquido por cilindro por ciclo Usado para → definir a 
pressão média efetiva:
● Trabalho líquido por cilindro por ciclo:
● Potência do motor:
● Motores de 2 tempos:
● Motores de 4 tempos:
w líq=∫ p dv=pmef (vmáx−vmín)
W líq=mw líq=m pmef (vmáx−vmín)=pmef (V máx−V mín)
W˙=N cil mwlíq
RPM
60
= pmef V desl
RPM
60
W˙=1
2
N cilmw líq
RPM
60
=1
2
pmef V desl
RPM
60
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Motores Ciclo Otto de 2 Tempos
● Motores Ciclo Otto de 2 Tempos:
● Não possui válvulas.
● A admissão começa antes da exaustão ser completada
e continua durante parte da compressão.
● A exaustão começa antes da expansão ser completada.
● Isto reduz a eficiência da compressão e da expansão.
● Há geração de potência em cada rotação, ao contrário do
motor 4 tempos, que gera potência a cada duas rotações.
● Assim, a potência gerada por um
motor 2 tempos é quase o dobro
da gerada por um motor 4 tempos,
se ambos possuem mesma
capacidade volumétrica.
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Motores Ciclo Otto de 2 Tempos
● Exemplos de uso:
● Motoserras, cortadores de grama e roçadeiras portáteis.
● Karts.
● Ultraleves.
● Motocicletas.
● Por conta do potencial de ocorrência de fuxo cruzado de admissão e exaustão,
este tipo de motor teve seu uso reduzido por não se adaptar aos requisitos 
atuais de baixa emissão de poluentes.
● Comparativo entre um veículo com motor 4 tempos e um com motor 2 tempos:
Motocicleta Honda XLX 350 (1991) Yamaha RD 350 (1993)
Ciclo 4 tempos 2 tempos
Cilindros 1 2 (em linha)
Deslocamento 339 cm3 347 cm3
Potência máxima 30 cv a 7.500 rpm 55 cv a 9.000 rpm
Torque máximo 3,10 kgf.m a 6.500 rpm 4,74 kgf.m a 8.500 rpm
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Motores Ciclo Diesel de 4 Tempos
● Motores Ciclo Diesel de 4 Tempos:
● Em muitos aspectos é semelhante ao motor ciclo Otto de
4 tempos, porém a vela é substituída por um bico injetor.
● Processos:
● Admissão A válvula de admissão abre, o pistão desce→
e cria uma depressão que faz com que o ar seja admitido
no cilindro.
● Compressão As válvulas estão fechadas, o pistão→
sobe e comprime o ar admitido no cilindro.
● Expansão O bico injetor injeta o combustível, que→
infama ao entrar em contato com o ar a alta pressão e
temperatura, e então os gases de combustão se expandem violentamente, 
empurrando o pistão para baixo e gerando trabalho mecânico.
● Exaustão A válvula de escape abre, o pistão sobe e empurra os gases de →
combustão para o coletor de escapamento.
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Motores Ciclo Diesel de 4 Tempos
● Vantagens em relação ao ciclo Otto:
● Maior rendimento térmico.
● Menor consumo de combustível (menor emissão de CO2).
● Maior torque (maior pmef devido a maior taxa de compressão).
● Maior confiabilidade.
● Desvantagens em relação ao ciclo Otto:
● Menor potência (trabalham em rotações mais baixas).
● Maior nível de ruído.
● Exemplos de uso:
● Em aplicações estacionárias (geração de potência).
● Em aplicações móveis (locomotivas e navios).
● Em caminhões e ônibus, devido a alta eficiência e durabilidade (até 700 hp).
● Geração de potência em locais remotos (plataformas de extração de 
petróleo em alto mar).
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Motores Ciclo Diesel de 2 Tempos
● Motores Ciclo Diesel de 2 Tempos:
● São os maiores motores existentes.
● Possuem alto rendimento térmico.
● Vantagens:
● Menor manutenção (não têm válvulas).
● Geram potência a cada rotação.
● Podem operar em qualquer posição, pois não possuem óleo lubrificante.
● Desvantagens:
● Requerem bom sistema de lubrificação e de arrefecimento.
● Menor durabilidade.
● Mais poluentes.
● Exemplos de uso:
● Indústria naval.
● Grandes indústrias.
● Locomotivas.
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Motores Ciclo Diesel de 2 Tempos
● Maior motor do mundo é um motor ciclo Diesel 2 tempos, com ηmáx = 51,7%:
● Aplicação: Navio porta-contâineres Emma Maersk.
● Fabricante: Wärtsilä (Finlândia).
● Modelo: Sulzer RTA96-C.
● Cilindros: 14.
● Diâmetro/Curso: 960 mm/2.500 mm.
● Potência máxima: 80.080 kW (107.390hp).
● Torque máximo: 775.112 kgf.m, a 102 rpm.
● Deslocamento: 25.480.000 cm³.
● Rotação: 22 a 102 rpm.
● Massa: 2.300 t.
● Dimensões: 27,1 x 13,4 m.
● Consumo: 6.284 l/h.
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Ciclo Stirling
● Ciclo Stirling:
● As transferências de calor nos ciclos Otto e Diesel apresentam o inconveniente 
de ocorrerem com diferença de temperatura finita, o que faz com que tenham 
eficiências térmicas menores que as do ciclo de Carnot.
● O ciclo Stirling é um ciclo ideal, e que portanto possui:
● Transferências de calor com diferença de temperatura infinitesimal.
● Rendimento térmico igual a do ciclo de Carnot:
● Um motor que utilize o ciclo Stirling é um motor de combustão externa.
● É um ciclo difícil de ser realizado porque envolve transferência de calor com 
diferença de temperatura infinitesimal.
● Ultimamente o interesse neste ciclo está aumentando devido:
● Potencial de eficiências mais altas.
● Melhor controle de emissões.
η cc=1−
T L
T H
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Ciclo Stirling
● Composto pelos seguintes quatro processos reversíveis em regime permanente:
● 1-2 → Compressão isotérmica (rejeição de calor para o ambiente).
● 2-3 → Recebimento de calor isocórico (do regenerador para o fuido de 
trabalho).
● 3-4 → Expansão isotérmica (recebimento de calor do ambiente).
● 4-1 → Rejeição de calor isocórica (do fuido de trabalho para o regenerador).
● Envolve o uso de um regenerador.
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Ciclo Stirling
● Configuração Alpha:
● O regenerador se encontra no tubo
que conecta os cilindros quente e frio.
● Processos:
● 1-2 → Compressão isotérmica.
● 2-3 → Recebimento de calor isocórico.
● 3-4 → Expansão isotérmica.
● 4-1 → Rejeição de calor isocórica.
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Ciclo Stirling
● Configuração Beta:
● O regenerador se encontra ao redor do
pistão de deslocamento (cinza claro).
● Processos:
● 1-2 → Compressão isotérmica.
● 2-3 → Recebimento de calor isocórico.
● 3-4 → Expansão isotérmica.
● 4-1 → Rejeição de calor isocórica.
1 2 3 4 
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Ciclo Atkinson
● Ciclo Atkinson:
● Possui poucas diferenças em relação ao Otto:
● As válvulas de admissão são mantidas abertas durante
parte do processo de compressão, o que acarreta numa
relação de compressão menor que a nominal.
● A relação de expansão é maior que a de compressão,
de modo que a rejeição de calor ocorre a p = cte.
● A alta relação de expansão permite obter mais trabalho,
e assim este ciclo possui eficiência maior que o Otto.
● Os processos que ocorrem são:
● 1-2 Compressão isentrópica.→
● 2-3 Recebimento de calor isocórico.→
● 3-4 Expansão → isentrópica.
● 4-1 Rejeição de calor isobárica.→
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Ciclo Atkinson
● Para o processos de expansão e compressão (isentrópicos):
● Para o processo de rejeição de calor isobárico:
● Assim, a eficiência é dada por:
● Denominando a relação de compressão de rc e a relação
de expansão de re:
T 2
T 1
=( v1v2 )
k−1
e
T 4
T 3
=( v3v4 )
k−1
T 4=( v4v1 )T 1 e qL=h4−h1
ηtérmico=
qH−qL
qH
=1−
qL
qH
=1−
h4−h1
u3−u2
=1−
c p(T 4−T 1)
cv (T 3−T 2)
r c=
v1
v3
e re=
v4
v3
ηtérmico=1−k
T 4−T 1
T 3−T 2
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Ciclo Atkinson
● Logo, podemos expressar as temperaturas T2, T3 e T4 em função de T1, rc e re:
● Levando as expressões das temperaturas na equação da eficiência do ciclo, 
obtém-se que a eficiência é dada em função das relações de compressão e 
expansão:
● Para oferecer boa potência em todos os regimes, necessita operar em conjunto 
com um motor elétrico, ou seja, em modo híbrido. Exemplo: Ford Fusion.
T 4=( v4v1 )T 1 → T 4=
r e
r c
T 1
T 2
T 1
=( v1v2 )
k−1
→ T 2=T 1 r c
k−1
T 4
T 3
=( v3v 4 )
k−1
→ T 3=T 4 r e
k−1=
re
rc
T 1r e
k−1 → T 3=
r e
k
rc
T 1
ηtérmico=1−k
T 4−T 1
T 3−T 2
=1−k
r e
r c
T 1−T 1
re
k
r c
T 1−T 1 r c
k−1
=1−k
r e
r c
−1
r e
k
r c
−r c
k−1
→ ηtérmico=1−k
r e−rc
re
k−rc
k
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Ciclo Miller
● Ciclo Miller:
● É uma modificação moderna do ciclo Atkinson, e pode ser obtido através das 
seguintes alterações:
● Usar superalimentação na compressão.
● Usar uma expansão mais curta.
● O ciclo Miller também apresenta as válvulas de admissão
abertas durante parte da compressão, mas a
turbocompressão garante maior rendimento, pois pode-se
avançar bastante a ignição sem risco de detonação.
● Composto por cinco processos:
● 1-2 Compressão isentrópica (turbocomprimida).→
● 2-3 Recebimento de calor isocórico.→
● 3-4 Expansão → isentrópica.
● 4-5 Rejeição de calor isocórica.→
● 5-1 Rejeição de calor isobárica.→
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Ciclo Miller
● Enquanto o ciclo Atkinson necessita usar complicados
sistemas mecânicos, o ciclo Miller obtém os mesmos
resultados apenas através da alteração do tempo de
abertura das válvulas.
● Este ciclo é o ciclo modelo para os motores híbridos
usados no Ford Escapade e no Toyota Prius.
● Como há um processo adicional no ciclo de Miller, a
eficiência térmica é diferente da do ciclo de Atkinson.
● Entretanto, ambos os ciclos apresentam eficiência maior
que o ciclo de Otto, para a mesma relação de compressão.
● Devido ao curso de expansão maior, ambos produzem
uma potência menor para um motor de mesmo tamanho.
● Na configuração de motor híbrido, o pico de potência de
aceleração é produzido pelo motor elétrico.
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