UFABC – Fenômenos Térmicos – Prof. Germán Lugones

Aula 11: Máquinas de combustão interna

O motor a gasolina usado em automóveis e em outras máquinas é um tipo familiar de máquina térmica.

Neste tipo de motor, ocorre uma combustão interna da substância de trabalho (ar misturado com gasolina a vapor) com quatro tempos.

Inicialmente, uma mistura de ar e vapor de gasolina flui para o interior de um cilindro através da abertura de uma válvula de admissão enquanto o pistão desce, fazendo o volume do cilindro aumentar de um valor mínimo V (quando o pistão está em seu curso superior) até um volume máximo rV (quando o pistão está em seu curso inferior). A quantidade r denomina-se razão de compressão; nos automóveis modernos, essa razão apresenta valores da ordem de 8 a 10.

Máquinas de combustão interna

Capítulo 20 — A segunda lei da termodinâmica 317

TESTE SUA COMPREENSÃO DA SEÇÃO 20.2 Coloque as seguintes máquinas térmicas em ordem da mais alta à mais baixa eficiência térmica. (i) Uma máquina que absorve 5.000 J de calor e rejeita 4.500 J de calor em um ciclo; (ii) uma máquina que absorve 25.000 J de calor e realiza 2.000 J de trabalho em um ciclo; (iii) uma máquina que realiza 400 J de trabalho e rejeita 2.800 J de calor em um ciclo.�\

20.3 MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA

O motor a gasolina, usado em automóveis e em muitas outras máquinas, é um exemplo familiar de máquina térmica. Vamos analisar sua eficiência térmica. A Figura 20.5 mostra a operação de um tipo de motor a gasolina. Inicialmente, uma mistura de ar e vapor de gasolina flui para o interior de um cilindro através da abertura de uma válvula de admissão enquanto o pistão desce, fazendo o vo-lume do cilindro aumentar de um valor mínimo V (quando o pistão está em seu curso superior) até um volume máximo rV (quando o pistão está em seu curso inferior). A quantidade r denomina-se razão de compressão; nos automóveis modernos, essa razão apresenta valores da ordem de 8 a 10. No final desse tempo de admissão, a válvula de admissão se fecha e a mistura passa a ser comprimida de modo aproximadamente adiabático, até atingir o volume V durante o tempo de compressão. A seguir, a mistura sofre ignição causada por uma centelha e o gás se expande, de modo aproximadamente adiabático, voltando ao volume rV, empurrando o pistão e realizando trabalho; essa etapa é o tempo motor ou tempo de potência. Finalmente, a válvula de exaustão se abre e os produtos da combustão são empurrados para fora (durante o tempo de exaustão), deixando o cilindro livre para o próximo tempo de admissão.

Figura 20.5 Ciclo de um motor de combustão interna com quatro tempos.

Ambas as válvulas fechadas

Válvula de exaustão

fechada

Válvula de admissão

aberta

Válvula de exaustão

aberta

Válvula de admissão

fechada

Pistão

Biela

Cilindro

Centelha da vela

Eixo de manivela

Tempo de admissão: o pistão move-se para baixo, produzindo um vácuo parcial no cilindro; a mistura de ar e gasolina entra através da válvula de admissão.

1 Tempo motor: a mistura quente empurra o pistão para baixo.

4 Tempo de exaustão: a válvula de exaustão abre-se e o pistão se move para cima, empurrando a mistura queimada para fora do cilindro; depois o ciclo se repete.

5Tempo de compressão: a válvula de admissão se fecha e a mistura é comprimida à medida que o pistão sobe.

2 Ignição: a centelha da vela produz ignição da mistura.

3

Ciclo de OttoA Figura 20.6 é um diagrama PV de um modelo idealizado dos processos ter-

modinâmicos que ocorrem em um motor a gasolina. Esse modelo é chamado de ciclo de Otto. A mistura de ar e gasolina entra no ciclo no ponto a. A mistura é comprimida adiabaticamente até o ponto b e, a seguir, sofre ignição. O calor QH é fornecido ao sistema pela queima de gasolina ao longo da linha bc, e o tempo no qual o trabalho é realizado é a expansão adiabática até o ponto d. O gás é resfriado até a temperatura do ar externo ao longo da linha da; durante esse processo, o ca-lor |QC| é rejeitado. Esse gás deixa a máquina como gás de exaustão e não retorna para o sistema. Porém, como uma quantidade equivalente de ar e gasolina entra no sistema, podemos considerar o processo cíclico.

Podemos calcular a eficiência desse ciclo ideal. Os processos bc e da ocorrem a volume constante, de modo que os calores QH e QC relacionam-se de modo simples com as temperaturas nos pontos a, b, c e d:

QH ! nCV(Tc " Tb) > 0QC ! nCV(Ta" Td) < 0

A eficiência térmica é dada pela Equação 20.4. Substituindo a expressão anterior e cancelando o fator comum nCV, obtemos

e =QH + QC

QH=

Tc - Tb + Ta - Td

Tc - Tb (20.5)

Para simplificar ainda mais essa expressão, podemos usar a relação entre a tem-peratura e o volume para um processo adiabático de um gás ideal, Equação 19.22. Para os dois processos adiabáticos ab e cd, achamos

Ta(rV)#"1 ! TbV g"1 e Td(rV)g"1 ! TcVg"1

onde g é a razão dos calores específicos para o gás no motor (ver Seção 19.7). Di-vidimos cada uma das expressões anteriores pelo fator comum Vg"1 e substituímos as relações obtidas para Tb e Tc na Equação 20.5. O resultado é

Figura 20.6 Diagrama PV de um ciclo de Otto, modelo do ciclo idealizado dos processos termodinâmicos em um motor a gasolina.

1 Compressão adiabática (tempo de compressão)

4 Resfriamento a volume constante (resfriamento dos gases de exaustão)

2Aquecimento a volume constante (combustão)

3 Expansão adiabática (tempo motor)

P

VO

QH

c

b

d 0QC 0V rV

W

a

Ciclo de Otto

Book_SEARS_Vol2.indb 317 02/10/15 1:53 PM

Tempo de potência

Razão de compressão

Quando o pistão desce, faz o volume do cilindro aumentar de um valor mínimo V (quando o pistão está em seu curso superior) até um volume máximo rV (quando o pistão está em seu curso inferior).

A quantidade r denomina-se razão de compressão.

Nos automóveis modernos, essa razão apresenta valores da ordem de 8 a 10.

A mistura é comprimida adiabaticamente até o ponto b e, a seguir, sofre ignição.

O calor Qh é fornecido ao sistema pela queima de gasolina ao longo da linha bc, e o tempo no qual o trabalho é realizado é a expansão adiabática até o ponto d.

O gás é resfriado até a temperatura do ar externo ao longo da linha da; durante esse processo, o calor |Qc| é rejeitado.

Esse gás deixa a máquina como gás de exaustão e não retorna para o sistema.

Capítulo 20 — A segunda lei da termodinâmica 317

TESTE SUA COMPREENSÃO DA SEÇÃO 20.2 Coloque as seguintes máquinas térmicas em ordem da mais alta à mais baixa eficiência térmica. (i) Uma máquina que absorve 5.000 J de calor e rejeita 4.500 J de calor em um ciclo; (ii) uma máquina que absorve 25.000 J de calor e realiza 2.000 J de trabalho em um ciclo; (iii) uma máquina que realiza 400 J de trabalho e rejeita 2.800 J de calor em um ciclo.�\

20.3 MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA

O motor a gasolina, usado em automóveis e em muitas outras máquinas, é um exemplo familiar de máquina térmica. Vamos analisar sua eficiência térmica. A Figura 20.5 mostra a operação de um tipo de motor a gasolina. Inicialmente, uma mistura de ar e vapor de gasolina flui para o interior de um cilindro através da abertura de uma válvula de admissão enquanto o pistão desce, fazendo o vo-lume do cilindro aumentar de um valor mínimo V (quando o pistão está em seu curso superior) até um volume máximo rV (quando o pistão está em seu curso inferior). A quantidade r denomina-se razão de compressão; nos automóveis modernos, essa razão apresenta valores da ordem de 8 a 10. No final desse tempo de admissão, a válvula de admissão se fecha e a mistura passa a ser comprimida de modo aproximadamente adiabático, até atingir o volume V durante o tempo de compressão. A seguir, a mistura sofre ignição causada por uma centelha e o gás se expande, de modo aproximadamente adiabático, voltando ao volume rV, empurrando o pistão e realizando trabalho; essa etapa é o tempo motor ou tempo de potência. Finalmente, a válvula de exaustão se abre e os produtos da combustão são empurrados para fora (durante o tempo de exaustão), deixando o cilindro livre para o próximo tempo de admissão.

Figura 20.5 Ciclo de um motor de combustão interna com quatro tempos.

Ambas as válvulas fechadas

Válvula de exaustão

fechada

Válvula de admissão

aberta

Válvula de exaustão

aberta

Válvula de admissão

fechada

Pistão

Biela

Cilindro

Centelha da vela

Eixo de manivela

Tempo de admissão: o pistão move-se para baixo, produzindo um vácuo parcial no cilindro; a mistura de ar e gasolina entra através da válvula de admissão.

1 Tempo motor: a mistura quente empurra o pistão para baixo.

4 Tempo de exaustão: a válvula de exaustão abre-se e o pistão se move para cima, empurrando a mistura queimada para fora do cilindro; depois o ciclo se repete.

5Tempo de compressão: a válvula de admissão se fecha e a mistura é comprimida à medida que o pistão sobe.

2 Ignição: a centelha da vela produz ignição da mistura.

3

Ciclo de OttoA Figura 20.6 é um diagrama PV de um modelo idealizado dos processos ter-

modinâmicos que ocorrem em um motor a gasolina. Esse modelo é chamado de ciclo de Otto. A mistura de ar e gasolina entra no ciclo no ponto a. A mistura é comprimida adiabaticamente até o ponto b e, a seguir, sofre ignição. O calor QH é fornecido ao sistema pela queima de gasolina ao longo da linha bc, e o tempo no qual o trabalho é realizado é a expansão adiabática até o ponto d. O gás é resfriado até a temperatura do ar externo ao longo da linha da; durante esse processo, o ca-lor |QC| é rejeitado. Esse gás deixa a máquina como gás de exaustão e não retorna para o sistema. Porém, como uma quantidade equivalente de ar e gasolina entra no sistema, podemos considerar o processo cíclico.

Podemos calcular a eficiência desse ciclo ideal. Os processos bc e da ocorrem a volume constante, de modo que os calores QH e QC relacionam-se de modo simples com as temperaturas nos pontos a, b, c e d:

QH ! nCV(Tc " Tb) > 0QC ! nCV(Ta" Td) < 0

A eficiência térmica é dada pela Equação 20.4. Substituindo a expressão anterior e cancelando o fator comum nCV, obtemos

e =QH + QC

QH=

Tc - Tb + Ta - Td

Tc - Tb (20.5)

Para simplificar ainda mais essa expressão, podemos usar a relação entre a tem-peratura e o volume para um processo adiabático de um gás ideal, Equação 19.22. Para os dois processos adiabáticos ab e cd, achamos

Ta(rV)#"1 ! TbV g"1 e Td(rV)g"1 ! TcVg"1

onde g é a razão dos calores específicos para o gás no motor (ver Seção 19.7). Di-vidimos cada uma das expressões anteriores pelo fator comum Vg"1 e substituímos as relações obtidas para Tb e Tc na Equação 20.5. O resultado é

Figura 20.6 Diagrama PV de um ciclo de Otto, modelo do ciclo idealizado dos processos termodinâmicos em um motor a gasolina.

1 Compressão adiabática (tempo de compressão)

4 Resfriamento a volume constante (resfriamento dos gases de exaustão)

2Aquecimento a volume constante (combustão)

3 Expansão adiabática (tempo motor)

P

VO

QH

c

b

d 0QC 0V rV

W

a

Ciclo de Otto

Book_SEARS_Vol2.indb 317 02/10/15 1:53 PM

O ciclo de Otto

O ciclo de Otto é um modelo idealizado dos processos termodinâmicos que ocorrem em um motor a gasolina.

Podemos calcular a eficiência desse ciclo ideal. os processos bc e da ocorrem a volume constante, de modo que os calores Qh e Qc relacionam-se de modo simples com as temperaturas nos pontos a, b, c e d:

A eficiência térmica é dada por e=W/QH. Substituindo a expressão anterior e cancelando o fator comum nCV, obtemos

Capítulo 20 — A segunda lei da termodinâmica 317

TESTE SUA COMPREENSÃO DA SEÇÃO 20.2 Coloque as seguintes máquinas térmicas em ordem da mais alta à mais baixa eficiência térmica. (i) Uma máquina que absorve 5.000 J de calor e rejeita 4.500 J de calor em um ciclo; (ii) uma máquina que absorve 25.000 J de calor e realiza 2.000 J de trabalho em um ciclo; (iii) uma máquina que realiza 400 J de trabalho e rejeita 2.800 J de calor em um ciclo.�\

20.3 MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA

O motor a gasolina, usado em automóveis e em muitas outras máquinas, é um exemplo familiar de máquina térmica. Vamos analisar sua eficiência térmica. A Figura 20.5 mostra a operação de um tipo de motor a gasolina. Inicialmente, uma mistura de ar e vapor de gasolina flui para o interior de um cilindro através da abertura de uma válvula de admissão enquanto o pistão desce, fazendo o vo-lume do cilindro aumentar de um valor mínimo V (quando o pistão está em seu curso superior) até um volume máximo rV (quando o pistão está em seu curso inferior). A quantidade r denomina-se razão de compressão; nos automóveis modernos, essa razão apresenta valores da ordem de 8 a 10. No final desse tempo de admissão, a válvula de admissão se fecha e a mistura passa a ser comprimida de modo aproximadamente adiabático, até atingir o volume V durante o tempo de compressão. A seguir, a mistura sofre ignição causada por uma centelha e o gás se expande, de modo aproximadamente adiabático, voltando ao volume rV, empurrando o pistão e realizando trabalho; essa etapa é o tempo motor ou tempo de potência. Finalmente, a válvula de exaustão se abre e os produtos da combustão são empurrados para fora (durante o tempo de exaustão), deixando o cilindro livre para o próximo tempo de admissão.

Figura 20.5 Ciclo de um motor de combustão interna com quatro tempos.

Ambas as válvulas fechadas

Válvula de exaustão

fechada

Válvula de admissão

aberta

Válvula de exaustão

aberta

Válvula de admissão

fechada

Pistão

Biela

Cilindro

Centelha da vela

Eixo de manivela

Tempo de admissão: o pistão move-se para baixo, produzindo um vácuo parcial no cilindro; a mistura de ar e gasolina entra através da válvula de admissão.

1 Tempo motor: a mistura quente empurra o pistão para baixo.

4 Tempo de exaustão: a válvula de exaustão abre-se e o pistão se move para cima, empurrando a mistura queimada para fora do cilindro; depois o ciclo se repete.

5Tempo de compressão: a válvula de admissão se fecha e a mistura é comprimida à medida que o pistão sobe.

2 Ignição: a centelha da vela produz ignição da mistura.

3

Ciclo de OttoA Figura 20.6 é um diagrama PV de um modelo idealizado dos processos ter-

modinâmicos que ocorrem em um motor a gasolina. Esse modelo é chamado de ciclo de Otto. A mistura de ar e gasolina entra no ciclo no ponto a. A mistura é comprimida adiabaticamente até o ponto b e, a seguir, sofre ignição. O calor QH é fornecido ao sistema pela queima de gasolina ao longo da linha bc, e o tempo no qual o trabalho é realizado é a expansão adiabática até o ponto d. O gás é resfriado até a temperatura do ar externo ao longo da linha da; durante esse processo, o ca-lor |QC| é rejeitado. Esse gás deixa a máquina como gás de exaustão e não retorna para o sistema. Porém, como uma quantidade equivalente de ar e gasolina entra no sistema, podemos considerar o processo cíclico.

Podemos calcular a eficiência desse ciclo ideal. Os processos bc e da ocorrem a volume constante, de modo que os calores QH e QC relacionam-se de modo simples com as temperaturas nos pontos a, b, c e d:

QH ! nCV(Tc " Tb) > 0QC ! nCV(Ta" Td) < 0

A eficiência térmica é dada pela Equação 20.4. Substituindo a expressão anterior e cancelando o fator comum nCV, obtemos

e =QH + QC

QH=

Tc - Tb + Ta - Td

Tc - Tb (20.5)

Para simplificar ainda mais essa expressão, podemos usar a relação entre a tem-peratura e o volume para um processo adiabático de um gás ideal, Equação 19.22. Para os dois processos adiabáticos ab e cd, achamos

Ta(rV)#"1 ! TbV g"1 e Td(rV)g"1 ! TcVg"1

onde g é a razão dos calores específicos para o gás no motor (ver Seção 19.7). Di-vidimos cada uma das expressões anteriores pelo fator comum Vg"1 e substituímos as relações obtidas para Tb e Tc na Equação 20.5. O resultado é

Figura 20.6 Diagrama PV de um ciclo de Otto, modelo do ciclo idealizado dos processos termodinâmicos em um motor a gasolina.

1 Compressão adiabática (tempo de compressão)

4 Resfriamento a volume constante (resfriamento dos gases de exaustão)

2Aquecimento a volume constante (combustão)

3 Expansão adiabática (tempo motor)

P

VO

QH

c

b

d 0QC 0V rV

W

a

Ciclo de Otto

Book_SEARS_Vol2.indb 317 02/10/15 1:53 PM

e =WQH

=QH + QC

QH=

Tc − Tb + Ta − Td

Tc − Tb

Para simplificar ainda mais essa expressão, podemos usar a relação entre a temperatura e o volume para um processo adiabático de um gás ideal. Para os dois processos adiabáticos ab e cd, achamos

onde 𝛾 é a razão dos calores específicos para o gás no motor.

Dividimos cada uma das expressões anteriores pelo fator comum V𝛾-1 e substituímos as relações obtidas para Tb e Tc na equação da eficiência:

Eliminando o fator comum (Td – Ta), encontramos:

Capítulo 20 — A segunda lei da termodinâmica 317

TESTE SUA COMPREENSÃO DA SEÇÃO 20.2 Coloque as seguintes máquinas térmicas em ordem da mais alta à mais baixa eficiência térmica. (i) Uma máquina que absorve 5.000 J de calor e rejeita 4.500 J de calor em um ciclo; (ii) uma máquina que absorve 25.000 J de calor e realiza 2.000 J de trabalho em um ciclo; (iii) uma máquina que realiza 400 J de trabalho e rejeita 2.800 J de calor em um ciclo.�\

20.3 MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA

O motor a gasolina, usado em automóveis e em muitas outras máquinas, é um exemplo familiar de máquina térmica. Vamos analisar sua eficiência térmica. A Figura 20.5 mostra a operação de um tipo de motor a gasolina. Inicialmente, uma mistura de ar e vapor de gasolina flui para o interior de um cilindro através da abertura de uma válvula de admissão enquanto o pistão desce, fazendo o vo-lume do cilindro aumentar de um valor mínimo V (quando o pistão está em seu curso superior) até um volume máximo rV (quando o pistão está em seu curso inferior). A quantidade r denomina-se razão de compressão; nos automóveis modernos, essa razão apresenta valores da ordem de 8 a 10. No final desse tempo de admissão, a válvula de admissão se fecha e a mistura passa a ser comprimida de modo aproximadamente adiabático, até atingir o volume V durante o tempo de compressão. A seguir, a mistura sofre ignição causada por uma centelha e o gás se expande, de modo aproximadamente adiabático, voltando ao volume rV, empurrando o pistão e realizando trabalho; essa etapa é o tempo motor ou tempo de potência. Finalmente, a válvula de exaustão se abre e os produtos da combustão são empurrados para fora (durante o tempo de exaustão), deixando o cilindro livre para o próximo tempo de admissão.

Figura 20.5 Ciclo de um motor de combustão interna com quatro tempos.

Ambas as válvulas fechadas

Válvula de exaustão

fechada

Válvula de admissão

aberta

Válvula de exaustão

aberta

Válvula de admissão

fechada

Pistão

Biela

Cilindro

Centelha da vela

Eixo de manivela

Tempo de admissão: o pistão move-se para baixo, produzindo um vácuo parcial no cilindro; a mistura de ar e gasolina entra através da válvula de admissão.

1 Tempo motor: a mistura quente empurra o pistão para baixo.

4 Tempo de exaustão: a válvula de exaustão abre-se e o pistão se move para cima, empurrando a mistura queimada para fora do cilindro; depois o ciclo se repete.

5Tempo de compressão: a válvula de admissão se fecha e a mistura é comprimida à medida que o pistão sobe.

2 Ignição: a centelha da vela produz ignição da mistura.

3

Ciclo de OttoA Figura 20.6 é um diagrama PV de um modelo idealizado dos processos ter-

modinâmicos que ocorrem em um motor a gasolina. Esse modelo é chamado de ciclo de Otto. A mistura de ar e gasolina entra no ciclo no ponto a. A mistura é comprimida adiabaticamente até o ponto b e, a seguir, sofre ignição. O calor QH é fornecido ao sistema pela queima de gasolina ao longo da linha bc, e o tempo no qual o trabalho é realizado é a expansão adiabática até o ponto d. O gás é resfriado até a temperatura do ar externo ao longo da linha da; durante esse processo, o ca-lor |QC| é rejeitado. Esse gás deixa a máquina como gás de exaustão e não retorna para o sistema. Porém, como uma quantidade equivalente de ar e gasolina entra no sistema, podemos considerar o processo cíclico.

Podemos calcular a eficiência desse ciclo ideal. Os processos bc e da ocorrem a volume constante, de modo que os calores QH e QC relacionam-se de modo simples com as temperaturas nos pontos a, b, c e d:

QH ! nCV(Tc " Tb) > 0QC ! nCV(Ta" Td) < 0

A eficiência térmica é dada pela Equação 20.4. Substituindo a expressão anterior e cancelando o fator comum nCV, obtemos

e =QH + QC

QH=

Tc - Tb + Ta - Td

Tc - Tb (20.5)

Para simplificar ainda mais essa expressão, podemos usar a relação entre a tem-peratura e o volume para um processo adiabático de um gás ideal, Equação 19.22. Para os dois processos adiabáticos ab e cd, achamos

Ta(rV)#"1 ! TbV g"1 e Td(rV)g"1 ! TcVg"1

onde g é a razão dos calores específicos para o gás no motor (ver Seção 19.7). Di-vidimos cada uma das expressões anteriores pelo fator comum Vg"1 e substituímos as relações obtidas para Tb e Tc na Equação 20.5. O resultado é

Figura 20.6 Diagrama PV de um ciclo de Otto, modelo do ciclo idealizado dos processos termodinâmicos em um motor a gasolina.

1 Compressão adiabática (tempo de compressão)

4 Resfriamento a volume constante (resfriamento dos gases de exaustão)

2Aquecimento a volume constante (combustão)

3 Expansão adiabática (tempo motor)

P

VO

QH

c

b

d 0QC 0V rV

W

a

Ciclo de Otto

Book_SEARS_Vol2.indb 317 02/10/15 1:53 PM

318 Física II

e =Td rg -1 - Ta rg -1 + Ta - Td

Td rg - 1 - Ta rg - 1 =1Td - Ta2 1rg - 1 - 1 2

1Td - Ta2 rg - 1

Eliminando o fator comum (Td ! Ta), encontramos

(20.6)Razão de compressão Razão dos calores específicos

Eficiência térmica no ciclo de Otto e = 1 -

rg - 11

A eficiência térmica dada pela Equação 20.6 é sempre menor que a unidade, mesmo no caso de um modelo idealizado. Considerando r " 8 e g " 1,4 (o valor para o ar), a eficiência teórica é e " 0,56 ou 56%. A eficiência pode aumentar elevando-se o valor de r. Contudo, isso também faz aumentar a temperatura no final do processo adiabático da compressão da mistura ar!combustível. Quando a temperatura é muito elevada, a mistura pode explodir espontaneamente durante a compressão, em vez de quando a centelha da vela produz a ignição. Esse fenô-meno, que se chama pré-ignição ou detonação, produz um forte som de pancada e pode danificar o motor. A taxa de octanagem da gasolina mede suas qualidades antidetonantes. A razão de compressão prática máxima da gasolina de octanagem elevada, ou premium, é de aproximadamente 10 a 13.

O ciclo de Otto, que acabamos de descrever, é um modelo altamente idealizado. Ele supõe que a mistura se comporte como um gás ideal; despreza o atrito, a tur-bulência, a perda de calor para as paredes do cilindro e muitos outros efeitos que se combinam para reduzir a eficiência da máquina real. As eficiências dos motores de gasolina reais são tipicamente da ordem de 35%.

Ciclo dieselO ciclo do motor a diesel é semelhante ao do motor a gasolina. A diferença mais

importante é que não existe combustível no cilindro no início do tempo de compres-são. Um pouco antes do início do tempo de potência, os injetores começam a injetar o combustível diretamente no cilindro, com velocidade suficiente para manter a pressão constante durante a primeira parte do tempo de potência. Em virtude da elevada temperatura resultante da compressão adiabática, o combustível explode espontaneamente ao ser injetado; não é necessário usar nenhuma vela de ignição.

O ciclo diesel idealizado é representado na Figura 20.7. Começando no ponto a, o ar é comprimido adiabaticamente até o ponto b, aquecido à pressão constante até o ponto c, expandido adiabaticamente até o ponto d e resfriado a volume constante até o ponto a. Como não existe nenhum combustível no cilindro durante a maior parte do tempo de compressão, não pode ocorrer pré-ignição; logo, a razão de com-pressão r pode ser muito maior que a de um motor a gasolina. Isso faz a eficiência aumentar e garante uma ignição confiável quando o combustível é injetado (por causa da temperatura elevada atingida durante a compressão adiabática). Valores de r em torno de 15 a 20 são normais; com esses valores e com g " 1,4, a eficiência teórica de um ciclo diesel idealizado é cerca de 0,65 até 0,70. Do mesmo modo que no ciclo de Otto, a eficiência real é bem menor que essa. Embora os motores a diesel sejam bastante eficientes, eles precisam ser construídos com uma precisão muito maior que os motores a gasolina, e seu sistema de injeção de combustível exige manutenção rigorosa.

TESTE SUA COMPREENSÃO DA SEÇÃO 20.3 Em um motor de ciclo de Otto com ci-lindros de um tamanho fixo e uma razão de compressão fixa, quais dos seguintes aspectos do diagrama PV da Figura 20.6 mudariam se você dobrasse a quantidade de combustível queimada por ciclo? (Pode haver mais de uma resposta correta.) (i) A distância vertical entre os pontos b e c; (ii) a distância vertical entre os pontos a e d; (iii) a distância horizon-tal entre os pontos b e a.�\

Figura 20.7 Diagrama PV de um ciclo diesel ideal.

1 Compressão adiabática (tempo de compressão)

4 Resfriamento a volume constante (resfriamento dos gases de exaustão)

2

Ignição do combustível, aquecimento a pressão constante (combustão). Essa é uma diferença importante entre os ciclos diesel e de Otto.

3 Expansão adiabática (tempo motor)

c

PQ

Hb

d

aV

O V rV

W 0QC 0

Ciclo diesel

Book_SEARS_Vol2.indb 318 02/10/15 1:53 PM

318 Física II

e =Td rg -1 - Ta rg -1 + Ta - Td

Td rg - 1 - Ta rg - 1 =1Td - Ta2 1rg - 1 - 1 2

1Td - Ta2 rg - 1

Eliminando o fator comum (Td ! Ta), encontramos

(20.6)Razão de compressão Razão dos calores específicos

Eficiência térmica no ciclo de Otto e = 1 -

rg - 11

A eficiência térmica dada pela Equação 20.6 é sempre menor que a unidade, mesmo no caso de um modelo idealizado. Considerando r " 8 e g " 1,4 (o valor para o ar), a eficiência teórica é e " 0,56 ou 56%. A eficiência pode aumentar elevando-se o valor de r. Contudo, isso também faz aumentar a temperatura no final do processo adiabático da compressão da mistura ar!combustível. Quando a temperatura é muito elevada, a mistura pode explodir espontaneamente durante a compressão, em vez de quando a centelha da vela produz a ignição. Esse fenô-meno, que se chama pré-ignição ou detonação, produz um forte som de pancada e pode danificar o motor. A taxa de octanagem da gasolina mede suas qualidades antidetonantes. A razão de compressão prática máxima da gasolina de octanagem elevada, ou premium, é de aproximadamente 10 a 13.

O ciclo de Otto, que acabamos de descrever, é um modelo altamente idealizado. Ele supõe que a mistura se comporte como um gás ideal; despreza o atrito, a tur-bulência, a perda de calor para as paredes do cilindro e muitos outros efeitos que se combinam para reduzir a eficiência da máquina real. As eficiências dos motores de gasolina reais são tipicamente da ordem de 35%.

Ciclo dieselO ciclo do motor a diesel é semelhante ao do motor a gasolina. A diferença mais

importante é que não existe combustível no cilindro no início do tempo de compres-são. Um pouco antes do início do tempo de potência, os injetores começam a injetar o combustível diretamente no cilindro, com velocidade suficiente para manter a pressão constante durante a primeira parte do tempo de potência. Em virtude da elevada temperatura resultante da compressão adiabática, o combustível explode espontaneamente ao ser injetado; não é necessário usar nenhuma vela de ignição.

O ciclo diesel idealizado é representado na Figura 20.7. Começando no ponto a, o ar é comprimido adiabaticamente até o ponto b, aquecido à pressão constante até o ponto c, expandido adiabaticamente até o ponto d e resfriado a volume constante até o ponto a. Como não existe nenhum combustível no cilindro durante a maior parte do tempo de compressão, não pode ocorrer pré-ignição; logo, a razão de com-pressão r pode ser muito maior que a de um motor a gasolina. Isso faz a eficiência aumentar e garante uma ignição confiável quando o combustível é injetado (por causa da temperatura elevada atingida durante a compressão adiabática). Valores de r em torno de 15 a 20 são normais; com esses valores e com g " 1,4, a eficiência teórica de um ciclo diesel idealizado é cerca de 0,65 até 0,70. Do mesmo modo que no ciclo de Otto, a eficiência real é bem menor que essa. Embora os motores a diesel sejam bastante eficientes, eles precisam ser construídos com uma precisão muito maior que os motores a gasolina, e seu sistema de injeção de combustível exige manutenção rigorosa.

TESTE SUA COMPREENSÃO DA SEÇÃO 20.3 Em um motor de ciclo de Otto com ci-lindros de um tamanho fixo e uma razão de compressão fixa, quais dos seguintes aspectos do diagrama PV da Figura 20.6 mudariam se você dobrasse a quantidade de combustível queimada por ciclo? (Pode haver mais de uma resposta correta.) (i) A distância vertical entre os pontos b e c; (ii) a distância vertical entre os pontos a e d; (iii) a distância horizon-tal entre os pontos b e a.�\

Figura 20.7 Diagrama PV de um ciclo diesel ideal.

1 Compressão adiabática (tempo de compressão)

4 Resfriamento a volume constante (resfriamento dos gases de exaustão)

2

Ignição do combustível, aquecimento a pressão constante (combustão). Essa é uma diferença importante entre os ciclos diesel e de Otto.

3 Expansão adiabática (tempo motor)

c

PQ

Hb

d

aV

O V rV

W 0QC 0

Ciclo diesel

Book_SEARS_Vol2.indb 318 02/10/15 1:53 PM

A eficiência térmica obtida é sempre menor que a unidade, mesmo no caso de um modelo idealizado.

Considerando r =8 e 𝛾 =1,4 (o valor para o ar), a eficiência teórica é e=0,56 ou 56%.

A eficiência pode aumentar elevando-se o valor de r.

Contudo, isso também faz aumentar a temperatura no final do processo adiabático da compressão da mistura ar–combustível.

Quando a temperatura é muito elevada, a mistura pode explodir espontaneamente durante a compressão, em vez de quando a centelha da vela produz a ignição. Esse fenômeno, que se chama pré-ignição ou detonação, produz um forte som de pancada e pode danificar o motor.

A taxa de octanagem da gasolina mede suas qualidades antidetonantes. A razão de compressão prática máxima da gasolina de octanagem elevada, ou premium, é de aproximadamente 10 a 13.

O ciclo de Otto, que acabamos de descrever, é um modelo altamente idealizado.

Ele supõe que a mistura se comporte como um gás ideal; despreza o atrito, a turbulência, a perda de calor para as paredes do cilindro e muitos outros efeitos que se combinam para reduzir a eficiência da máquina real.

As eficiências dos motores de gasolina reais são tipicamente da ordem de 35%.

O ciclo diesel

O ciclo do motor a diesel é semelhante ao do motor a gasolina.

• Diferença mais importante: não existe combustível no cilindro no início do tempo de compressão.

• Um pouco antes do início do tempo de potência, os injetores começam a injetar o combustível diretamente no cilindro, com velocidade suficiente para manter a pressão constante durante a primeira parte do tempo de potência.

• Em virtude da elevada temperatura resultante da compressão adiabática, o combustível explode espontaneamente ao ser injetado; não é necessário usar nenhuma vela de ignição.

318 Física II

e =Td rg -1 - Ta rg -1 + Ta - Td

Td rg - 1 - Ta rg - 1 =1Td - Ta2 1rg - 1 - 1 2

1Td - Ta2 rg - 1

Eliminando o fator comum (Td ! Ta), encontramos

(20.6)Razão de compressão Razão dos calores específicos

Eficiência térmica no ciclo de Otto e = 1 -

rg - 11

A eficiência térmica dada pela Equação 20.6 é sempre menor que a unidade, mesmo no caso de um modelo idealizado. Considerando r " 8 e g " 1,4 (o valor para o ar), a eficiência teórica é e " 0,56 ou 56%. A eficiência pode aumentar elevando-se o valor de r. Contudo, isso também faz aumentar a temperatura no final do processo adiabático da compressão da mistura ar!combustível. Quando a temperatura é muito elevada, a mistura pode explodir espontaneamente durante a compressão, em vez de quando a centelha da vela produz a ignição. Esse fenô-meno, que se chama pré-ignição ou detonação, produz um forte som de pancada e pode danificar o motor. A taxa de octanagem da gasolina mede suas qualidades antidetonantes. A razão de compressão prática máxima da gasolina de octanagem elevada, ou premium, é de aproximadamente 10 a 13.

O ciclo de Otto, que acabamos de descrever, é um modelo altamente idealizado. Ele supõe que a mistura se comporte como um gás ideal; despreza o atrito, a tur-bulência, a perda de calor para as paredes do cilindro e muitos outros efeitos que se combinam para reduzir a eficiência da máquina real. As eficiências dos motores de gasolina reais são tipicamente da ordem de 35%.

Ciclo dieselO ciclo do motor a diesel é semelhante ao do motor a gasolina. A diferença mais

importante é que não existe combustível no cilindro no início do tempo de compres-são. Um pouco antes do início do tempo de potência, os injetores começam a injetar o combustível diretamente no cilindro, com velocidade suficiente para manter a pressão constante durante a primeira parte do tempo de potência. Em virtude da elevada temperatura resultante da compressão adiabática, o combustível explode espontaneamente ao ser injetado; não é necessário usar nenhuma vela de ignição.

O ciclo diesel idealizado é representado na Figura 20.7. Começando no ponto a, o ar é comprimido adiabaticamente até o ponto b, aquecido à pressão constante até o ponto c, expandido adiabaticamente até o ponto d e resfriado a volume constante até o ponto a. Como não existe nenhum combustível no cilindro durante a maior parte do tempo de compressão, não pode ocorrer pré-ignição; logo, a razão de com-pressão r pode ser muito maior que a de um motor a gasolina. Isso faz a eficiência aumentar e garante uma ignição confiável quando o combustível é injetado (por causa da temperatura elevada atingida durante a compressão adiabática). Valores de r em torno de 15 a 20 são normais; com esses valores e com g " 1,4, a eficiência teórica de um ciclo diesel idealizado é cerca de 0,65 até 0,70. Do mesmo modo que no ciclo de Otto, a eficiência real é bem menor que essa. Embora os motores a diesel sejam bastante eficientes, eles precisam ser construídos com uma precisão muito maior que os motores a gasolina, e seu sistema de injeção de combustível exige manutenção rigorosa.

TESTE SUA COMPREENSÃO DA SEÇÃO 20.3 Em um motor de ciclo de Otto com ci-lindros de um tamanho fixo e uma razão de compressão fixa, quais dos seguintes aspectos do diagrama PV da Figura 20.6 mudariam se você dobrasse a quantidade de combustível queimada por ciclo? (Pode haver mais de uma resposta correta.) (i) A distância vertical entre os pontos b e c; (ii) a distância vertical entre os pontos a e d; (iii) a distância horizon-tal entre os pontos b e a.�\

Figura 20.7 Diagrama PV de um ciclo diesel ideal.

1 Compressão adiabática (tempo de compressão)

4 Resfriamento a volume constante (resfriamento dos gases de exaustão)

2

Ignição do combustível, aquecimento a pressão constante (combustão). Essa é uma diferença importante entre os ciclos diesel e de Otto.

3 Expansão adiabática (tempo motor)

c

PQ

Hb

d

aV

O V rV

W 0QC 0

Ciclo diesel

Book_SEARS_Vol2.indb 318 02/10/15 1:53 PM

Etapas do ciclo diesel: • Compressão adiabática de a até b. • Aquecimento a P constante de b até c. • Expansão adiabática de c até d. • Resfriamento a V constante de d até a.

Como não existe nenhum combustível no cilindro durante a maior parte do tempo de compressão, não pode ocorrer pré-ignição; logo, a razão de com- pressão r pode ser muito maior que a de um motor a gasolina.

Isso faz a eficiência aumentar e garante uma ignição confiável quando o combustível é injetado (por causa da temperatura elevada atingida durante a compressão adiabática).

Nos motores Diesel, valores de r em torno de 15 a 20 são normais;

Com esses valores e com 𝛾=1,4, a eficiência teórica de um ciclo diesel idealizado é cerca de 0,65 até 0,70.

Do mesmo modo que no ciclo de Otto, a eficiência real é bem menor que essa.

Embora os motores a diesel sejam bastante eficientes, eles precisam ser construídos com uma precisão muito maior que os motores a gasolina, e seu sistema de injeção de combustível exige manutenção rigorosa.