Princípio de Funcionamento do Motor a Combustão Interna Ciclo Otto

O motor a combustão interna ciclo Otto é uma máquina que trabalha com os princípios da termodinâmica e com os conceitos de compressão e expansão de fluidos gasosos para gerar força e movimento rotativo. Criado e patenteado por Nikolaus August Otto, por volta do ano de 1866, este motor funciona com um ciclo de quatro tempos e os mesmos princípios até os dias atuais.

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[Imagem: Copyright Serious Wheels]

Esta máquina geradora de força motriz vem evoluindo gradativamente com o avanço da tecnologia e novos estudos aplicados a materiais e combustíveis com o objetivo de deixá-lo com uma eficiência energética maior. Em outras matérias vimos que o motor é composto de vários componentes e estudamos sua função e aplicação no motor, agora é o momento de juntarmos todas as peças e fazer o motor funcionar entendendo o princípio de funcionamento.
O motor de combustão interna é uma máquina que absorve ou admite o ar da atmosfera, o combustível do tanque, une estes dois elementos formando a mistura proporcional de ar mais combustível o mais ideal possível e comprime a mesma em um local denominado câmara de combustão. Depois que esta mistura está comprimida pelo pistão na câmara de combustão o sistema de ignição, sincronizado com o motor, gera uma centelha elétrica nas velas que estão rosqueadas dentro da câmara inflamando a mistura, gerando uma explosão e conseqüentemente um deslocamento de massa empurrando o pistão para baixo e gerando força, torque e movimento rotativo. Quando este processo ocorre é finalizado com a expulsão dos gases queimados para fora do motor. Na verdade o que acabamos de ver foi o princípio de funcionamento do motor com o ciclo de quatro tempos, mas agora, vamos ver este processo mais detalhado analisando as ilustrações com os quatro tempos bem definidos e verificando o funcionamento ligando ao estudo aos componentes do motor.

1° tempo do motor, admissão; vamos entender que neste momento o motor está desligado pronto para receber o movimento inicial do motor de partida que está acoplado ao motor a combustão. Neste mesmo momento vamos colocar o pistão que está ligado à biela e posteriormente ao virabrequim em uma posição na qual conhecemos como P.M.S., ponto morto superior, é o curso máximo que o pistão alcança ao subir dentro do cilindro. Temos que entender também que o eixo virabrequim está ligado e sincronizado com o eixo comando de válvulas através de uma correia dentada, então dizemos, que a parte de baixo do motor que corresponde as peças que estejam dentro do bloco como virabrequim, bielas e pistões estão sincronizados com a parte de cima do motor que corresponde ao cabeçote e suas peças. Neste momento vamos ligar o motor de arranque que se acopla ao volante do motor que também está ligado ao virabrequim e o motor de combustão interna começa a girar. O virabrequim girando começa a movimentar a biela e conseqüentemente o pistão que está no P.M.S. e desce para o P.M.I., ponto morto inferior, que é o curso máximo que o pistão alcança ao descer dentro do cilindro. Como o virabrequim está ligado ao comando de válvulas, este por sua vez começa a acionar, através do “came”, a válvula de admissão no cabeçote permitindo a passagem de ar e combustível vindos do coletor de admissão passando pelos dutos internos do cabeçote. Desta maneira o pistão que está descendo cria uma sucção e aspira o ar mais combustível para o interior do cilindro até que o pistão chegue ao P.M.I. completando o 1° tempo e 180° graus, meia volta do motor.
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2° tempo do motor, compressão; quando o pistão inverte o sentido de movimento começa a subir do P.M.I. em direção ao P.M.S. dando início ao segundo tempo do motor. A medida que o virabrequim vai girando empurrando a biela e conseqüentemente o pistão para a parte superior do cilindro, a mistura de ar mais combustível vai sendo comprimida no interior do cilindro e o comando de válvula que antes tinha o seu ressalto ou “came” pressionando a válvula à descer agora passa por ela e mola de válvula retorna a mesma vedando a parte interna do cilindro. Devemos observar que existe uma determinada folga dimensional entre cilindro e pistão para que o mesmo possa deslizar dentro do cilindro, porém, a mistura não pode escapar por esta folga entrando em cena a atuação dos anéis de segmento que vedam esta passagem. Quando o pistão chega ao seu curso máximo, P.M.S., a mistura está toda comprimida sem ter por onde escapar, pois as válvulas estão fechadas e os anéis vedando, então todo o volume aspirado no tempo anterior agora está pressurizado na câmara de combustão finalizando o segundo tempo e completando uma volta completa do virabrequim 360°.
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3° tempo do motor, Explosão; agora com o fim do segundo tempo o pistão não tem outra saída a não ser de inverter novamente o sentido de movimento do P.M.S. para o P.M.I., só que agora contando com uma força extra. A mistura comprimida na câmara de combustão recebe uma centelha ou faísca da vela, ocorre um deslocamento de massa devido à explosão dentro da câmara, o pistão é forçado a descer empurrado pela expansão dos gases, com isso, o pistão se desloca do P.M.S. para o P.M.I., mantendo ainda as válvulas do cabeçote fechadas, já que o comando de válvulas não está com nenhum ressalto tocando as válvulas. Na verdade, o terceiro tempo do motor é considerado o principal tempo porque é neste tempo que o motor gera força motriz e torque que será transmitido as rodas por meio de rotação. Quando o pistão chega ao ponto morto inferior P.M.I. encerra-se o terceiro tempo do motor e o virabrequim completa uma volta e meia 540°.
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4° tempo do motor, escape; o motor admitiu a mistura no primeiro tempo, comprimiu e explodiu no segundo e terceiro tempo, agora é a vez de colocar os gases resultantes da queima para fora do motor. Neste caso, temos o pistão no fim do terceiro tempo na posição P.M.I., pronto para iniciar o quarto tempo. O comando de válvulas está sincronizado com o virabrequim e o seu ressalto começa a tocar a válvula de escape e o pistão começa a subir empurrando a mistura queimada em direção dos dutos do cabeçote e coletor de escape. Quando o pistão alcança o P.M.S. os gases que se encontravam dentro do cilindro foram expulsos para fora limpando o cilindro, o comando de válvulas encerra sua ação sobre a válvula de escape. Neste momento se encerra o quarto tempo com o motor completando duas voltas 720°. Temos agora um ciclo completo do motor quatro tempos ciclo Otto e enquanto o motor estiver ligado e funcionando este ciclo se repete todas às vezes. No final do quarto tempo do motor o pistão se encontra em P.M.S., exatamente pronto para se iniciar o primeiro tempo novamente quando o mesmo se deslocará para o P.M.I. com o ressalto ou “came” do comando abrindo a válvula de admissão, e assim por diante, dando continuidade a todos os tempos do motor de combustão interna ciclo Otto.
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Oi Pessoal é o "Hacker" me desculpem por estar a mudar de tema mais tenho alguns assuntos relacionados ao meu curso que vou ter que postar para expandir o conhecimento em Mecânica...

Ciclo de Otto

O Ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico, que idealiza o funcionamento de motores de combustão interna de ignição por centelha. Foi definido por Beau de Rochas e implementado com sucesso pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto em 1876, e posteriormente por Étienne Lenoir e Rudolf Diesel.
Motores baseados neste ciclo equipam a maioria dos automóveis de passeio atualmente. Para esta aplicação, é possível construir motores a quatro tempos mais eficientes e menos poluentes em comparação aos motores a dois tempos, apesar do maior número de partes móveis, maior complexidade, peso e volume, comparando motores de mesma potência.

Índice

[esconder]

O modelo ideal[editar | editar código-fonte]

Diagrama Pressão X Volume

Diagrama Temperatura-Entropia
O diagrama idealizado de quatro estágios do ciclo de Otto:
o estágio de admissão (0-1) é realizado por um processo isobarico de expansão, seguido por processo adiabatico de compressão . Através da combustão do combustível, calor é adicionado em um processo isocórico, seguido por um processo adiabático de expansão, caracterizando o ciclo de força . O ciclo é fechado pela exaustão , caracterizada por processo de refrigeração isocórica e compressão isobárica.

O ciclo ideal se constitui dos seguintes processos:

Admissão isobárica 0-1.
Compressão adiabática 1-2.
Combustão isocórica 2-3, expansão adiabática 3-4.
Abertura de válvula 4-5, exaustão isobárica 5-0.

A taxa de compressão volumétrica é definida por:

\alpha=\frac{V_2}{V_1}

.
O rendimento térmico do ciclo reversível é definido por:

\mu=1-\frac{T_1}{T_2}

.
Então:

\mu=1-\frac{1}{\alpha^{\gamma-1}}

\gamma

representa a razão entre a capacidade térmica à pressão e volume constantes.

Ciclos reais[editar | editar código-fonte]

Ciclo a quatro tempos

Os ciclos termodinâmicos associados às máquinas reais se diferem sensivelmente da idealização, já que os processos ocorrem apenas de forma aproximada à maneira descrita e que os motores estão sucetíveis a fenômenos não reversíveis como o atrito.

Ciclo mecânico[editar | editar código-fonte]

Considerando o uso de apenas duas válvulas que são comandadas pelos ressaltos de árvore de cames, uma designada por válvula de admissão (à direita na animação), que permite a introdução no cilindro de uma mistura gasosa composta por ar e combustível e outra designada como válvula de escape (à esquerda na animação), que permite a expulsão para a atmosfera dos gases queimados, o ciclo de funcionamento de um motor de combustão a 4 tempos é o seguinte:

Com o êmbolo (também designado por pistão) no PMS (ponto morto superior) é aberta a válvula de admissão, enquanto se mantém fechada a válvula de escape. A dosagem da mistura gasosa é regulada pelo sistema de alimentação, que pode ser um carburador ou pela injeção eletrônica, em que se substitui o comando mecânico destes sistemas por um eletrônico e conseguindo-se assim melhores prestações, principalmente quando solicitadas respostas rápidas do motor. O pistão é interligado a biela e esta por sua vez é interligada ao eixo de manivelas (virabrequim)impulsionado-o em um movimento de rotação. O pistão move-se então até ao PMI (ponto morto inferior). A este passeio do êmbolo é chamado o primeiro tempo do ciclo, ou tempo de admissão.
Fecha-se nesta altura a válvula de admissão, ficando o cilindro cheio com a mistura gasosa, que é agora comprimida pelo pistão, impulsionado no seu sentido ascendente em direcção à cabeça do motor por meio de manivelas até atingir de novo o PMS. Na animação observa-se que durante este movimento as duas válvulas se encontram fechadas. A este segundo passeio do êmbolo é chamado o segundo tempo do ciclo, ou tempo de compressão.
Quando o êmbolo atingiu o PMS, a mistura gasosa que se encontra comprimida no espaço existente entre a face superior do êmbolo e a cabeça do motor, denominado câmara de combustão, é inflamada devido a uma faísca produzida pela vela e "explode". O aumento de pressão devido ao movimento de expansão destes gases empurra o êmbolo até ao PMI, impulsionando desta maneira por meio de manivelas e produzindo a força rotativa necessária ao movimento do eixo do motor que será posteriormente transmitido às rodas motrizes. A este terceiro passeio do êmbolo é chamado o terceiro tempo do ciclo, tempo de explosão, tempo motor ou tempo útil, uma vez que é o único que efectivamente produz trabalho, pois durante os outros tempos, apenas se usa a energia de rotação acumulada no volante ("inércia do movimento"), o que faz com que ele ao rodar permita a continuidade do movimento por meio de manivelas durante os outros três tempos.
O cilindro encontra-se agora cheio de gases queimados. É nesta altura, em que o êmbolo impulsionado por meio de manivelas retoma o seu movimento ascendente, que a válvula de escape se abre, permitindo a expulsão para a atmosfera dos gases impelidos pelo êmbolo no seu movimento até ao PMS, altura em que se fecha a válvula de escape. A este quarto passeio do êmbolo é chamado o quarto tempo do ciclo, ou tempo de exaustão(escape).

Após a expulsão dos gases o motor fica nas condições iniciais permitindo que o ciclo se repita.

Análise de Ciclo[editar | editar código-fonte]

Processos 1-2 e 3-4 efetuam trabalho mas nenhuma transferência de calor ocorre durante a expansão e compressão adiabática. Processos 2-3 e 4-1 são isocóricas; assim, transferência de calor ocorre mas nenhum trabalho é efetuado. Nenhum trabalho é realizado durante uma isocórica (volume constante) porque trabalho necessita movimento; se o volume do pistão não muda nenhum trabalho no eixo é produzido pelo sistema. Quatro equações diferentes podem ser obtidas negligenciando energia cinética e potencial, e considerando a primeira lei da termodinâmica (conservação da energia). Assumindo essas condições a primeira lei é reescrita como:^[1]

\Delta{\mathit{E}}=\Delta{\mathit{U}}=\mathit{Q}_{in}-\mathit{W}_{out}

Aplicando isto no ciclo de Otto as equações dos quatro processos são obtidas:

\left(\frac{\mathit{W}_{1-2}}{{m}}\right)=\mathit{u}_2-\mathit{u}_1

\left(\frac{\mathit{W}_{3-4}}{{m}}\right)=\mathit{u}_3-\mathit{u}_4

\left(\frac{\mathit{Q}_{2-3}}{{m}}\right)=\mathit{u}_3-\mathit{u}_2

\left(\frac{\mathit{Q}_{4-1}}{{m}}\right)=\mathit{u}_4-\mathit{u}_1

Uma vez que a primeira lei é expressa como calor adicionado no sistema e trabalho expelido do sistema, então (

\mathit{W}_{1-2}/{m}

) e (

\mathit{Q}_{4-1}/{m}

) assumirão sempre valores positivos. Entretanto, como trabalho sempre envolve movimento, processos 2-3 e 4-1 serão omitidos porque ocorrem com volume constante. O trabalho líquido pode ser expresso como:

\left(\frac{\mathit{W}_{ciclo}}{{m}}\right)=\left(\frac{\mathit{W}_{3-4}}{{m}}\right)-\left(\frac{\mathit{W}_{1-2}}{{m}}\right)=(\mathit{u}_3-\mathit{u}_4)-(\mathit{u}_2-\mathit{u}_1)

O trabalho liquido também pode ser encontrado estimando o calor adicionado menos o calor perdido ou expelido.

\left(\frac{\mathit{W}_{ciclo}}{{m}}\right)=\left(\frac{\mathit{Q}_{2-3}}{{m}}\right)-\left(\frac{\mathit{Q}_{4-1}}{{m}}\right)=(\mathit{u}_3-\mathit{u}_2)-(\mathit{u}_4-\mathit{u}_1)

Eficiência térmica é o quociente do trabalho líquido e do calor adicionado no sistema. Após rearranjo, a eficiência térmica pode ser obtida (Trabalho líquido/Calor adicionado):
Equação 1:

\eta=\left(\frac{(\mathit{u}_3-\mathit{u}_2)-(\mathit{u}_4-\mathit{u}_1)}{\mathit{u}_3-\mathit{u}_2}\right)=1-\left(\frac{\mathit{u}_{4}-\mathit{u}_{1}}{\mathit{u}_{3}-\mathit{u}_{2}}\right)

Como alternativa, eficiência térmica pode ser obtida através do calor adicionado e calor rejeitado.

\eta=\left(\frac{{Calor}_{aplicado}-{Calor}_{rejeitado}}{{Calor}_{aplicado}}\right)

\eta=1-\left(\frac{{Calor}_{rejeitado}}{{Calor}_{aplicado}}\right)

\eta=1-\left(\frac{\mathit{Q}_{out}}{\mathit{Q}_{in}}\right)

No ciclo de Otto, não há transferência de calor durante o processo 1-2 e 3-4 porque são processos adiabáticos reversíveis. Calor é suprido somente durante os processos de volume constante 2-3 e calor é expleido somente durante os processos de volume constante 4-1.^[2]
Equação 1 pode ser agora relacionada com a equação específica de calor para volumes constantes. A capacidade térmica são particularmente úteis para cálculos termodinâmicos envolvendo o modelo de gás ideal.

{\mathit{c}_{v}}=\left(\frac{\delta{\mathit{u}}}{\delta{T}}\right)_{v}

Reorganizando:

\mathit{u}=({\mathit{c}_{v}})({\delta{T}})

Inserindo a equação específica de calor na equação de eficiência térmica (Equação 1).

\eta=1-\left(\frac{\mathit{c}_{v}(\mathit{T}_{4}-\mathit{T}_{1})}{\mathit{c}_{v}(\mathit{T}_{3}-\mathit{T}_{2})}\right)

Através de rearranjo:

\eta=1-\left(\frac{\mathit{T}_{1}}{\mathit{T}_{2}}\right)\left(\frac{\mathit{T}_{4}/\mathit{T}_{1}-1}{\mathit{T}_{3}/\mathit{T}_{2}-1}\right)

A seguir, analisando os diagramas

{T}_{4}/{T}_{1}={T}_{3}/{T}_{2}

, assim ambos podem ser omitidos. A equação se reduz para:
Equação 2:

\eta=1-\left(\frac{\mathit{T}_{1}}{\mathit{T}_{2}}\right)

Visto que o ciclo de Otto é um processo isentrópico as equações isentrópicas de gases ideais e relações pressão/volume constantes podem ser usadas para obter as Equações 3 & 4.
Equação 3:

\left(\frac{{T}_{2}}{{T}_{1}}\right)=\left(\frac{{p}_{2}}{{p}_{1}}\right)^{(\gamma-1)/{\gamma}}

Equação 4:

\left(\frac{{T}_{2}}{{T}_{1}}\right)=\left(\frac{{V}_{1}}{{V}_{2}}\right)^{(\gamma-1)}

A dedução das equações anteriores são encontradas resolvendo estas quatro equações respectivamente (onde

R

é a constante de gases):

\mathit{{c}_{p}}\mathit{ln}\left(\frac{{V}_{1}}{{V}_{2}}\right)-\mathit{R}\mathit{ln}\left(\frac{{p}_{2}}{{p}_{1}}\right)=0

\mathit{{c}_{v}}\mathit{ln}\left(\frac{{T}_{2}}{{V}_{1}}\right)-\mathit{R}\mathit{ln}\left(\frac{{V}_{2}}{{V}_{1}}\right)=0

\mathit{c}_{p}=\left(\frac{\mathit{KR}}{\mathit{{K}-1}}\right)

\mathit{c}_{v}=\left(\frac{\mathit{K}}{\mathit{{K}-1}}\right)

Além disso, simplificando a Equação 4, onde

\mathit{r}

é a taxa de compressão

({V}_{1}/{V}_{2})

:
Equação 5:

\left(\frac{{T}_{2}}{{T}_{1}}\right)=\left(\frac{{V}_{1}}{{V}_{2}}\right)^{(\gamma-1)}={r}^{(\gamma-1)}

Também, note que

{\gamma}=\left(\frac{\mathit{c}_{p}}{{c}_{v}}\right)

onde

{\gamma}

é a taxa específica.
Invertendo a Equação 4 e aplicando na Equação 2 a eficiência térmica final pode ser expressa como:^[2]
Equação 6:

\eta=1-\left(\frac{{1}}{{r}^{(\gamma-1)}}\right)

Da análise da equação 6 é evidente que a eficiência do ciclo de Otto depende diretamente da taxa de compressão

\mathit{r}

. Desde que

\gamma

para o ar é 1.4, um aumento em

\mathit{r}

irá produzir um aumento em

\eta

. Entretanto, o

\gamma

para produtos da combustão da mistura combustível/ar é normalmente assumida como 1.3 aproximadamente. A argumentação acima implica que é mais eficiente ter uma taxa de compressão alta. O padrão de compressão é aproximadamente 10:1 para automóveis comuns. Normalmente, não se aumenta muito devido a possibilidade de auto-ignição, ou por "bater bielas", a qual impõe valores de compressão acima do limite superior da taxa de compressão.^[1] Durante o processo de compressão 1-2 a temperatura aumenta, assim um aumento da taxa de compressão aumenta a temperatura. Autoignição ocorre quando a temperatura da mistura combustível/ar se torna muito elevada antes de ser inflamada pela ignição. O curso de compressão é destinado para comprimir os produtos antes que a ignição inflame a mistura. Se a taxa de compressão é aumentada, a mistura pode se auto-inflamar antes do curso de compressão ser finalizado, levando o motor a "bater biela". Isto pode danificar os componentes do motor e vai diminuir a potência de freio do motor.

Motores de múltiplas válvulas[editar | editar código-fonte]

Esses motores são apenas aperfeiçoamentos para o ciclo otto ou quatro tempos e sua única diferença é que existem pelo menos duas válvulas para cumprir uma única funcão ao mesmo tempo. Em um motor convencional, existe uma válvula para admissão e uma para exaustão. Existem atualmente 3 configurações para motores multiválvulas, são os modelos com 3, 4 ou 5 válvulas por cilindro. No caso do motor que possui 3 válvulas por cilindro, 2 são para admissão e uma apenas para exaustão, com 4 válvulas, 2 são para admissão e 2 para exaustão e no caso de 5 válvulas são 3 para admissão e 2 para exaustão. A principal função de um motor de múltiplas válvulas é maximizar o fluxo de gases que entram(entra mais oxigênio) e saem(exausta mais gases com menos força) do motor, conseguindo deste modo uma eficiência maior da combustão.

Motor 16 Válvulas[editar | editar código-fonte]

Neste tipo de motor a explosão de quatro cilindros, sua principal característica é a adoção de mais duas válvulas por cilindro, que trabalham simultaneamente as duas ja existentes, cada cilindro possui 4 válvulas (4 cilindros x 4 válvulas = 16 válvulas), aumentando o fluxo de gases do motor, podendo assim desenvolver maior potência. O Primeiro carro feito em série do mundo a utilizar esse sistema foi Triumph Dolomite Sprint, feito pela British Leyland. Este tipo de motor foi maciçamente produzido no Brasil na versão 1 L (um litro) entre o ano de 97 à 2004, devido a uma lei que cobra um imposto (IPI - imposto sobre produtos industrializados') menor por essa cilindrada, se tornando uma boa opção para o consumidor que paga menos por um carro com uma potência similar a de um 1,4L e viabilizando então os custos para seu desenvolvimento. Por se tratar de um motor 1 litro com potência específica mais elevada, exige um custo maior para produção. No seu auge chegou aos 112 cv (cavalos-vapor) ou 82,5 kW, no motor equipado no Gol Turbo que chega à aproximadamente 187,2 km/h (dados da revista CARRO); bom desempenho para um carro com motor de um litro.

Motor 1,8 L 16 V turbo, cortado, veja as válvulas no cilindro.

O proprietário de um automóvel equipado com um motor 16 V. deve ficar atento ao tipo de óleo lubrificante que está usando, bem como o profissional que presta manutenção. Um motor 16 V. requer um profissional experiente neste tipo de Motor, é comum Mecânicos sem conhecimento alegarem que o motor é problemático, o que não é verdade, a verdade é que o motor devido a sua tecnologia exige conhecimento da parte do profissional. O prazo para troca do óleo e a troca da correia dentada, estes indicados no manual do proprietário do automóvel, devem ser rigorosamente obedecidos para evitar uma quebra do motor e um gasto muito maior do que se teria realizando a manutenção correta do motor.

Referências[editar | editar código-fonte]

↑ ^{Ir para: a} ^b Moran, Michael J., and Howard N. Shapiro. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 6th ed. Hoboken, N.J. : Chichester: Wiley ; John Wiley, 2008. Print.
↑ ^{Ir para: a} ^b Gupta, H. N. Fundamentals of Internal Combustion. New Delhi: Prentice-Hall, 2006. Print.

Sinônimos[editar | editar código-fonte]

cabeça do motor (pt-PT) ou cabeçote (pt-BR)
êmbolo (pt-PT) ou pistão (pt-PT/pt-BR)
injecção electrónica (pt-PT) ou injeção eletrônica (pt-BR)
tempo de escape (pt-PT) ou tempo de exaustão (pt-BR)
válvulas (pt-PT) ou válvulas de cabeçote (pt-BR)
válvula de escape (pt-PT) ou válvula de exaustão (pt-BR)
veio (ou eixo) de manivelas (pt-PT), cambota (pt-PT), virabrequim (pt-BR), árvore de manivelas (pt-BR)

Conhecimento partilhado

Tradutor Gingado