O Ciclo de Otto
O Ciclo de Otto é um dos ciclos termodinâmicos mais importantes na engenharia de motores de combustão interna, comumente usado em motores de quatro tempos, como os motores a gasolina utilizados em veículos automotores. O ciclo de Otto recebe o nome do engenheiro alemão Nikolaus Otto, que desenvolveu o primeiro motor a quatro tempos em 1876. Otto trabalhou em colaboração com seu parceiro, Eugen Langen, e juntos fundaram uma empresa para produzir motores a gás baseados em seu design.
Processos do Ciclo Otto
1. Compressão Adiabática Durante a compressão adiabática (processo 1-2), a mistura ar-combustível é comprimida pelo pistão dentro do cilindro. Neste processo, o volume diminui enquanto a pressão aumenta, seguindo uma curva adiabática no diagrama PV. Não há troca de calor com o ambiente externo durante essa fase, daí o termo "adiabático".
2. Aquecimento Isocórico Após a compressão, ocorre o aquecimento isocórico (processo 2-3). Nesta fase, a mistura ar-combustível é inflamada pela vela de ignição, resultando em uma rápida expansão dos gases e um aumento repentino da pressão. O volume permanece constante durante esta fase, refletindo-se como uma linha vertical no diagrama PV, pois não há movimento do pistão.
3. Expansão Adiabática Após a ignição, os gases em combustão expandem-se adiabaticamente (processo 3-4), empurrando o pistão para baixo e realizando trabalho no virabrequim. Neste processo, o volume aumenta enquanto a pressão diminui, seguindo novamente uma curva adiabática no diagrama PV. Assim como na compressão adiabática, não há troca de calor com o ambiente externo durante essa fase.
4. Resfriamento Isocórico Finalmente, após a expansão, ocorre o resfriamento isocórico (processo 4-1). Durante esta fase, os gases de escape são removidos do cilindro, enquanto o volume permanece constante. Assim como no aquecimento isocórico, esta fase é representada como uma linha vertical no diagrama PV.
Estágios do motor padrão Otto
Em sua grande maioria, esses motores funcionam em quatro tempos, que são:
Admissão: Nesta fase, o pistão do motor se move para baixo, criando um vácuo no cilindro. Isso permite que a mistura ar-combustível (gasolina ou outro combustível) entre no cilindro através da válvula de admissão, enquanto a válvula de escape permanece fechada. Este estágio é fundamental para preparar o combustível para a combustão subsequente.
Compressão: Após a fase de admissão, o pistão se move para cima, comprimindo a mistura ar-combustível dentro do cilindro. Esse processo aumenta a pressão e a temperatura da mistura. A compressão é essencial para maximizar a eficiência da combustão, garantindo uma mistura homogênea e uma maior liberação de energia durante a queima do combustível.
Combustão: No terceiro estágio, a mistura ar-combustível é inflamada pela vela de ignição no momento correto. A queima rápida e controlada da mistura gera uma explosão, aumentando bruscamente a pressão dentro do cilindro. Essa pressão empurra o pistão para baixo, convertendo a energia química do combustível em energia mecânica, que é então transferida para o virabrequim.
Exaustão: Finalmente, após a combustão, o pistão se move novamente para cima, expelindo os gases de escape resultantes da queima do combustível. A válvula de escape se abre, permitindo que os gases queimados saiam do cilindro e sejam liberados para o sistema de escape do veículo. Este estágio prepara o cilindro para um novo ciclo, fechando o ciclo de operação do motor de ciclo Otto.
Rendimento e Trabalho
O objetivo principal do ciclo de Otto é converter a energia química do combustível em energia mecânica útil. A eficiência do ciclo é medida pelo seu rendimento térmico, que é a razão entre o trabalho realizado durante a expansão e o calor fornecido durante a combustão.
O trabalho realizado durante o ciclo de Otto pode ser calculado pela seguinte equação:
Onde:
W = Trabalho
V1 e V2 são os volumes inicial e final do gás no cilindro
P1 e P2 são as pressões inicial e final do gás no cilindro
O rendimento do ciclo de Otto é afetado por vários fatores, incluindo a taxa de compressão, a temperatura de combustão e as perdas de calor. Na prática, os motores reais alcançam rendimentos bem menores que o ideal devido a esses fatores.
Cálculos Vários parâmetros importantes do ciclo de Otto podem ser calculados usando fórmulas termodinâmicas. Algumas das relações mais comuns incluem:
Taxa de compressão: A razão entre o volume inicial e final do gás durante o processo de compressão.
Relações e Calor fornecido
Relação de expansão: A razão entre o volume final e inicial do gás durante o processo.
Esta equação representa o trabalho líquido realizado durante o ciclo Otto, onde P1 e P2 são as pressões inicial e final, V1 e V2 são os volumes inicial e final, e n é o índice de compressão adiabática.
$$ W_{\text{liquido}} = \frac{{P_1 \cdot V_1 - P_2 \cdot V_2}}{{n - 1}} $$ A equação do calor fornecido Qfornecido em um ciclo Otto representa a quantidade total de energia transferida para o sistema durante o processo de combustão. Essa equação é fundamental para entender a eficiência do ciclo e quanto trabalho pode ser realizado a partir da energia fornecida.
m = Massa do Gás dentro do sistema
c = Calor específico
T² e T¹ = temperatura inicial e final do gás durante o processo de combustão
Diagrama PV do Ciclo de Otto
