Motores combustão interna- ciclos Otto e Diesel

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Motores de Combustão Interna
• Histórico
• Ciclo Otto: Quatro Tempos
• Ciclo Otto: Dois Tempos
• Ciclo Diesel
• Aplicações
2
Breve Histórico
• 1862 - ALPHONSE BEAU DE ROCHAS, patente francesa de um motor de 
quatro tempos
• 1876 - NICOLAUS OTTO motor de quatro tempos, reduz 1/3 o peso do 
motor e 1/16 o curso do pistão, a eficiência aumenta para 14% . As 
características básicas deste motor são as mesmas dos motores de hoje.
• 1880 - DUGALD CLERK e JAMES ROBSON e KARL BENZ
desenvolvem o motor de dois tempos
• 1886 - GOTTLIEB DAIMLER apresenta um documento com a patente 
registrada. Por isso, hoje, o "triciclo" de Daimler é - historicamente - o 
primeiro automóvel. 
• 1892 - RUDOLF DIESEL - data da patente, motor de ignição por 
compressão demora 5 anos para desenvolver um protótipo comercial
3
Características dos motores segundo sua aplicação 
 
Tipo de motor Utilização Potência kW IC ou 
Diesel 
Tempos Resfria 
mento 
Veículos de Motocicletas Scooters 0.75 - 70 IC 2,4 Ar 
passeio Carros pequenos 15 - 75 IC 4 Ar,água 
 Carros grandes 75 - 200 IC 4 Ar,água 
 Comerciais leves 35 - 150 IC, D 4 Ar,água 
 Comerciais pesados 120 - 400 D 4 água 
Veículos fora de 
estrada 
Veículos leves (aeroportos, 
fazendas) 
1,5 - 15 IC 2,4 Ar,água 
 agricultura 3 - 150 IC, D 2,4 Ar,água 
 Movimento de terra 40 - 750 D 2,4 água 
 Militares 40 - 2000 D 2,4 água 
Estrada de ferro locomotivas 400 - 3.000 D 2,4 água 
Marinhos Fora de borda 0,4 - 75 IC 2 água 
 Lanchas a motor 4 - 750 IC,D 4 água 
 Barcos a motor 30 - 2.200 D 2,4 água 
 Navios 3.500 - 22.000 D 2,4 água 
Aeronaves Aviões 45 - 2.700 IC 4 ar 
 Helicópteros 45 - 1.500 IC 4 ar 
Domésticos Cortador de grama 0,7 - 3 IC 2,4 ar 
Estacionários Potência elétrica 35 - 22,000 D 2,4 água 
IC: ignição por centelha, D: Diesel 
4
5
6
7
8
Cabeçote do motor :
válvulas, 
velas,
Balancim (controla 
a apertura das válvulas),
dutos de admisão 
e escapamento
câmaras de explosão
Conjunto de árvores de
manivelas, 
os pistões estão ligados
à árvore por meio das 
bielas,
a árvore está apoiada na
base do bloco do motor
Bloco do motor:
cilindros, êmbolos,
bielas
dutos para água de 
resfriamento,
dutos para o sistema 
de lubrificação
Correia de 
transmissão
Componentes 
do motor
Motor FIAT
9
Princípio de Funcionamento
• Os princípios que regem o seu funcionamento são os mesmos, 
quer seja motores de automóveis, aviões, lancha ou navios.
• O corpo do motor é um bloco de ferro fundido onde estão 
localizados os cilindros.
• Dentro do cilindro desloca-se o pistão, cujo movimento é subir e 
descer. Atravessado no pistão, há um pino que fica numa haste 
chamada biela.
• Quando o pistão sobe e desce, a biela o acompanha. Na outra 
extremidade, a biela se prende a um eixo que tem a forma de uma 
manivela. O nome correto dessa peça é árvore de manivelas, 
vulgarmente conhecida por virabrequim.
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Princípio de Funcionamento
• No movimento de subida e descida, o pistão passa por 
dois pontos extremos durante o seu curso: Ponto Morto 
Superior (PMS) e Ponto Morto Inferior - PMI
• Na parte superior do cilindro existem duas válvulas. 
Uma é a válvula de admissão; outra, a válvula de 
escapamento. No caso dos motores ciclo Otto (ICE) 
existe tb. a vela, cuja função é fazer saltar, no momento 
adequado, uma faísca, que vai incendiar o combustível.
11
12
1º tempo: admissão
2º tempo: compressão
3º tempo: explosão ou
tempo útil
4º tempo: escape
Princípio de Funcionamento – Motor de 
Quatro Tempos
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aspirado, sem válvulas de aspiração e escape, de ignição por centelha
Combustão e Escape
1
Aspiração e Compressão
2
Princípio de Funcionamento – Motor de Dois
Tempos
• Estudaremos dois ciclos termodinâmicos ideais 
nos quais se baseiam dois tipos largamente 
utilizados de motores de combustão interna.
o O ciclo Otto.
o O ciclo Diesel.
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Funcionamento de um motor de combustão interna
• Ponto morto superior - PMS
• Ponto morto inferior - PMI
• Curso: distância do PMI ao PMS
• Volume útil: 
Volmax - Volmin =V1 – V2
• Relação de compressão: rv = V1/V2
• Pressão média efetiva: pme
• Np = número de pistões
• Nt = número de tempos 15
útilVolume 
cicloporrealizadoútilTrabalhopme
 
 

O CICLO OTTO
16
Ciclo padrão a ar Otto
• Hipóteses básicas para concepção dos ciclos 
padrão ar Otto
• O conjunto cilindro-pistão encerra uma massa 
fixa e conhecida de ar, que continuamente sofre 
processos termodinâmicos. Esta massa de ar é 
tratada como um sistema.
• A combustão da mistura ar-combustível é 
substituída por um processo de transferência de 
calor de um reservatório a alta temperatura. 
Como ocorre em um intervalo de tempo muito
17
Ciclo padrão a ar Otto
• A admissão da mistura ar-combustível e a 
exaustão dos produtos de combustão são 
substituídas por um único processo de 
transferência de calor com um reservatório em 
baixa temperatura. Como o volume dos produtos 
de combustão ao início da sua exaustão é igual 
ao volume da mistura ar-combustível ao final da 
sua admissão, consideraremos que este processo 
de transferência de calor ocorre a volume 
constante. 18
Ciclo padrão a ar Otto
• A compressão da mistura ar-combustível é 
entendida como sendo a compressão do ar 
presente no interior do conjunto cilindro-pistão. 
Por hipótese consideraremos que este processo é 
adiabático e reversível, ou seja: isentrópico.
• A expansão dos produtos de combustão é 
entendida como sendo a expansão do ar presente 
no interior do conjunto cilindro-pistão logo após 
a troca de calor com o reservatório quente. Por 
hipótese consideraremos que este processo é 19
20
O Ciclo padrão a ar Otto
• O ciclo Otto é o ciclo ideal de um motor de 
ignição por centelha.
• É constituído pelos seguintes processos:
– 1-2: compressão isoentrópica
– 2-3: isocórico
– 3-4: expansão isoentrópica
– 4-1: isocórico
21
Ciclo Otto
22
Ciclo Otto
O Ciclo padrão a ar Otto
• Determinação do rendimento térmico do ciclo 
Otto
• Hipótese: o ar é uma gás ideal com calores 
específicos constantes.
23
H
L
H
LH
Q
Q
Q
QQ


 1
32QQH   2332 TTmcQ v 
14 QQL  )TT(mcQ v 4114 
 
 23
1411
TTmc
TTmc
Q
Q
v
v
H
L



 
 23
141
TT
TT



  
  1
11
232
141



T/TT
T/TT
O Ciclo padrão a ar Otto
• Continuando...
• Os processos 1-2 e 3-4 são isentrópicos, logo:
• Como então: 
• O que resulta em:
24
 
 23
1411
TTmc
TTmc
Q
Q
v
v
H
L



 
 23
141
TT
TT



  
  1
11
232
141



T/TT
T/TT
1
2 1
1 2
k
T V
T V

 
  
 
1
3 4
4 3
k
T V
T V

 
  
 
p
v
c
k
c

3
4
2
1
V
V
V
V

1
2
4
3
T
T
T
T
 
1
4
2
3
T
T
T
T

 
  2
1
232
141 1
1
11
T
T
)T/T(T
)T/T(T




  
  
11
1
2
11 1 1kv k
v
T r
T r


      
25
O Ciclo padrão a ar Otto
• Exemplo Ciclo Otto Um motor a gasolina é 
alimentado com ar a 100 kPa e 300 K. O ar é 
comprimido em um processo que apresenta relação 
de compressão igual a 12 para 1. Sabendo que o 
combustível libera 1300 kJ/kg de ar no processo de 
combustão, que esse motor opera segundo um ciclo 
ideal e que os calores específicos do ar são 
constantes e iguais a cp = 1,004 kJ/(kg.K) e cv = 
0,717 kJ/(kg.K), determine o rendimento do ciclo, a 
sua temperatura máxima, a pressão imediatamente 
após o processo de combustão e o trabalho 
específico líquido realizado por ciclo. 
• Resp : 63%; 2621 K; 10 48 MPa; 815 5 kJ/kg 26
27
28
O CICLO DIESEL
29
O ciclo padrão ar Diesel
• Hipóteses básicas para concepção dos ciclos 
padrão ar Diesel
• O conjunto cilindro-pistão encerra uma massa 
fixa e conhecida de ar, que continuamente sofre 
processos termodinâmicos. Esta massa de ar é 
tratada como um sistema.
• A combustão é substituída por um processo de 
transferência de calor de um reservatório a alta 
temperatura. Como, à medida que ocorre, o 
pistão se movimenta pode-se considerarem
30
O ciclo padrão ar Diesel
• A admissão do ar e a exaustão dos produtos de 
combustão são substituídas por um único 
processo de transferência de calor com um 
reservatório em baixa temperatura. Como o 
volume dos produtos de combustão ao início da 
sua exaustão é igual ao volume da mistura ar-
combustível ao final da sua admissão, 
consideraremos que este processo de 
transferência de calor ocorre a volume constante.
31
O ciclo padrão ar Diesel
• A expansão dos produtos de combustão que 
ocorre após o encerramento do processo de 
combustão, é entendida como sendo a expansão 
do ar presente no interior do conjunto cilindro-
pistão logo após a troca de calor com o 
reservatório quente. Por hipótese consideraremos 
que este processo é adiabático e reversível, ou 
seja: isentrópico. 
32
33
Ciclo Otto
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• Adotando estas hipóteses, chega-se ao ciclo 
ideal associado ao motor Diesel.
• O ciclo Diesel é constituído pelos seguintes 
processos:
– 1-2: compressão isoentrópica
– 2-3: isobárico
– 3-4: expansão isoentrópica
– 4-1: isocórico
O Ciclo padrão a ar Diesel
35
• O rendimento térmico de um ciclo Diesel é dado 
por:
• Esta expressão é válida sob a hipótese de calores 
específicos constantes.
O Ciclo padrão a ar Diesel
 
 
 
 23
14
23
14 11
TTc
TTc
TTmc
TTmc
p
v
p
v






• Exemplo Um motor Diesel de quatro tempos tem 
volume útil total igual a 2000 cm³ e relação de 
compressão igual a 20:1. Considere que esse motor 
admite ar a 100 kPa e 20ºC e que o combustível 
utilizado libera 1600 kJ por quilograma de ar 
utilizado no processo de combustão. Sabendo que o 
motor opera segundo um ciclo ideal e que se pode 
considerar o ar como um gás ideal com calores 
específicos constantes (cp = 1,004 kJ/ (kg.K) e cv = 
0,717 kJ/(kg.K)), determine o seu rendimento. 
• Resp.: 62,0%. 36
37
38
Princípio de 
funcionamento 
do motor 
Diesel
39
Potência produzida
40
Exemplo – Ciclo Diesel
Um ciclo padrão a Diesel apresenta relação de 
compressão igual a 18 e o calor transferido ao 
fluido de trabalho,por ciclo,é 1800 
kJ/kg.Sabendo que no início do processo de 
compressão,a pressão é igual a 0,1MPa e a 
temperatura é 15ºC.
41
Questões
1. a pressão e a temperatura em cada ponto do ciclo;
2. o rendimento térmico;
3. a pressão média efetiva
Sistema : Ar contido no cilindro
Informação do estado 1 : p1=0,1MPa;T1 = 288,2K
Informações do processo : rv = 18 e qH = 1800kJ/Kg
Modelo : Gás perfeito com calor específico constante avaliado a 300K.
42
Análise
Segunda lei da termodinâmica para o processo de 
compressão 1-2;
Assim ,
e
12 SS 




 









1
2
1
1
2
k
V
V
T
T
k
V
V
p
p







2
1
1
2
43
Primeira lei da termodinâmica para o processo de 
transferância de calor 2-3 :
qH = 2q3 = cp ( T3 - T2 ) 
Segunda lei para o processo 3-4 : 
 2332 . TTCqq ph 
43 SS 
44
Assim ,
Também ,
e
 1
4
3
3
4








k
V
V
T
T
h
líq
térmico q
w
  21 vv
w
pme líq


45
Solução:
T2 = 915,8 K
  Kgmv /827,0
100
2.288287,0 3
1 


Kgmvv /04595,0
18
827,0
18
31
2 
 
  1777,318 4,0
1
2
1
1
2 






k
V
V
T
T
46
p2 = 5,72 Mpa
T3 = 2710 K
  4,5718
2
1 4,1
1
2 





k
V
V
p
p
  kgkJTTCqq ph /1800. 2332 
1794
0035,1
1800
23  TT
47
959,2
8,915
2710
2
3
2
3 
T
T
V
V
kgmv /113598,0 33 
 
0588,2
13598,0
827,0
4.01
3
4
3
4 












k
V
V
T
T
KT 13164 
48
   
kgkJ
TTCqq vl
/6,736
13162,2887165,04114


kgkJWlíq /4,10636,7361800 
49
%1,59
1800
4,1063

h
líq
térmico q
w

    kPavv
w
pme líq 1362
04595,0827,0
4,1063
21





50
Ciclo diesel Ciclo Otto 
Na compressão, somente ar é 
comprimido na câmara 
Na compressão é comprimida uma 
mistura de ar + combustível 
O ar é comprimido 
até atingir uma temperatura acima 
da de auto-ignição 
O ar é comprimido a mais baixas 
pressões, 
a temperatura atingida fica abaixo 
da de autoignição 
O combustível é injetado (quase 
no final da corrida do pistão) e 
entra em autoignição 
O combustível entra em ignição 
através de uma faísca 
Taxas de compressão altas Taxas de compressão mais baixas
Aceita combustível menos 
"nobre" : óleo Diesel ou gás 
natural + 20% óleo Diesel 
Combustível: gasolina, álcool, gás 
natural 
Ciclo a ar ideal: 
o calor entra a pressão constante 
Ciclo a ar ideal: 
O calor entra a volume constante 
 
51
VARIÁVEL OTTO DIESEL
Pressão no fim da compressão 8 a 15 kg/cm2 40 a 50 kg/cm2
Pressão máxima da combustão 45 a 55 kg/cm2 60 a 75 kg/cm2
Pressão no fim da explosão 4 a 5 kg/cm2 3 a 4 kg/cm2
Teor de mistura ar-combustível 11/1 a 17/1 20/1 a 50/1
Tempo de formação da mistura Antes da combustão Simultânea a combustão
Volatibilidade do combustível Alta Baixa
Temperatura dos gases de descarga 800ºC 600ºC
Custo de fabricação Baixo Alto
Taxa de compressão 6/1 a 12/1 18/1 a 23/1
Relação Peso/Potência Menor Maior
Ignição Centelha elétrica Compressão
52
MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA : áreas em desenvolvimento
- controle de poluição
 Carros 
Poluente Impacto % 
(do total) 
emissões 
fontes 
móveis 
Emissão 
em veículos 
não 
controlados 
(g/km) (#) 
Redução nos 
novos 
motores 
 % 
Motores 
 IC 
(g/km) 
Motores 
 Diesel 
(g/km) 
NO e NOx Névoa, 
tóxicos 40-60 2,5 75 7 12 
CO tóxico 90 65 95 150 17 
Hidrocarbo- 
netos não 
queimados 
névoa 60-80 10 90 17 3 
Particulados Reduz 
visibilidade 0,5(*) 40 -- 0,5 
(#) valores médios antes do início da normatização (USA - 1968) 
(*) motores Diesel 
- diminuição do consumo de combustível
- novos combustíveis : álcool, gás, biogás, gases pobres, hidrogênio
- competitividade no mercado
- diminuição de ruído
Caminhões
53
• http://auto.howstuffworks.com/engine.htm
• http://www.keveney.com/Engines.html
• http://library.thinkquest.org/C006011/english/sites/otto
motor.php3?v=2
• http://www.ul.ie/~kirwanp/fourstrokecycle.htm
• http://www.shermanlab.com/science/physics/thermo/en
gines/OttoG.php
• Prof.Silvia Azucena Nebra-Unicamp
• Professor Maurício Nogueira-PUC RJ