O que é o ciclo Otto e o ciclo Diesel e como são definidos?

Ambos constituem os modelos teóricos que se utilizam para descrever os ciclos termodinâmicos dos gases que se realizam. realizado em motores de combustão interna de quatro tempos com ignição por centelha e auto-ignição respectivamente.

O ciclo Otto deve seu nome ao fato de que foi o engenheiro alemão Nikolaus Otto quem em 1876 desenvolveu este motor quatro tempos de ignição por faísca, baseado no modelo proposto em 1862 por Beau de Rochas. Este motor executa quatro processos termodinâmicos em dois ciclos mecânicos. Por sua vez, o ciclo Diesel foi desenvolvido entre 1890 e 1897 por Rudolft Diesel na Alemanha para a empresa de transporte MAN, com o intenção de fabricar motores com desempenho superior aos motores a vapor a partir de outros combustíveis que oferecem maior eficiências. Esta criação foi aprimorada desde então e, por exemplo, em 1927 a empresa BOSH lançou uma bomba injeção para Diesel que ajudou a reduzir o consumo de combustível, que é mais econômico que o Gasolina.

A imagem mostra um esquema com os elementos mais representativos que descrevem um ciclo Otto

Os ciclos diesel descrevem teoricamente o funcionamento dos motores ECOM (motores de ignição por compressão). O diagrama mostra algumas características deste ciclo.

Processos termodinâmicos de motores de combustão interna

Os motores alternativos gerais de quatro tempos na prática são compostos de quatro processos: admissão, compressão, expansão e exaustão.

Tanto nos motores de ignição por centelha quanto nos motores a Diesel, durante o processo de admissão, a válvula de admissão se abre no cilindro para permitir a entrada de ar (no caso dos motores a Diesel). motores a diesel) e ar e combustível (em motores de ignição por centelha), que ocorre à pressão atmosférica (para isso, é necessária uma pressão dentro do cilindro mais baixo). A entrada deste volume no cilindro move o pistão em direção ao ponto morto inferior (BDC) até atingir o volume máximo onde a válvula de admissão se fecha.

Durante o processo de compressão, as válvulas de admissão e escape permanecem fechadas e o pistão se move em direção ao ponto morto superior (PMS), comprimindo o conteúdo da câmara até atingir o volume mínimo. Ao contrário dos motores de ignição por faísca, onde a taxa de compressão é de cerca de superior a 11, nos cilindros dos motores Diesel esta relação deve ser maior, aproximadamente 18. Este caminho mais longo permite atingir temperaturas mais altas para garantir a autoignição do combustível no processo seguinte, ou seja, a temperatura do ar no final do processo de compressão, deve ser superior ao dado na auto-ignição do combustível para que este possa inflamar-se ao entrar na câmara de compressão. combustão.

Os ciclos a diesel requerem cilindros maiores do que os motores a gasolina ou a gás, portanto ambos são comumente usados ​​em caminhões ou grandes meios de transporte, bem como no agroindústria.

O processo que se segue é o de expansão ou golpe de força e começa quando o pistão atinge o ponto morto superior. Nos motores de ignição por centelha, a combustão é praticamente instantânea e ocorre através da ignição de uma faísca gerada pela vela de ignição, que provoca a combustão da mistura de ar e combustível. No caso dos motores ECOM, o processo é um pouco mais lento, iniciando quando o pistão está no PMS e os injetores borrifam combustível na câmara. Quando o óleo diesel ou gasóleo entra em contato com o ar em alta temperatura, essa mistura inflama e impulsiona o pistão em direção ao BDC expandindo os gases de combustão e fazendo com que o virabrequim do motor gire. motor.

A imagem mostra um cilindro de um motor de combustão interna. Você pode ver as válvulas e o pistão.

Por fim, ocorre a abertura da válvula de escape para que o pistão suba e desloque os gases da combustão e o ciclo recomeça.

Nos motores a Diesel, não são utilizadas velas de ignição como nos motores a gasolina, pois o processo de combustão é produzido graças às condições de pressão e temperatura na câmara de combustão no momento da injeção do combustível.

Com o objetivo de simplificar os cálculos e análises termodinâmicas no interior dos cilindros dos motores de combustão interna, algumas suposições são feitas, como considerações de ar padrão e que os processos são reversível. Através dessas premissas, são desenvolvidos os ciclos Otto e Diesel, para formar os quatro processos, conforme a imagem a seguir:

Os quatro processos dos motores de combustão interna de quatro tempos.

1-2: compressão isentrópica
2-3: Adição de calor. Nos ciclos Otto, esse processo é assumido a volume constante (isocoro) e nos ciclos Diesel se aproxima de um a pressão constante (isobárico).
3-4: expansão isentrópica
4-1: Rejeição de calor de volume constante (isocoral)

O diagrama à esquerda mostra os processos que ocorrem nos motores de ignição por faísca. Na prática, é um processo aberto que requer a entrada do ar externo e a expulsão dos gases de exaustão para o ambiente. À direita, observa-se a simplificação deste modelo como um ciclo fechado formado por dois processos isentrópicos e dois isócoros.

No ciclo Diesel, os processos de admissão e exaustão são substituídos por processos de adição de calor a pressão constante e rejeição de calor a volume constante. Além disso, os processos de compressão e expansão são considerados isentrópicos.

Os motores de combustão interna de quatro tempos não são usados ​​apenas na indústria de transporte. Têm também algumas aplicações a nível residencial e industrial, por exemplo, para aplicar a cogeração, e obter eletricidade (ou energia mecânica) e calor de uma única fonte primária, que seria o combustível usado. No entanto, para fins de cogeração, os ciclos Otto e as turbinas a gás são mais comuns.

Eficiência de motores de combustão interna de quatro tempos

Como todos os ciclos termodinâmicos, os ciclos a gás oferecem uma medida de seu desempenho com base na eficiência térmica (η_ter), que mostram a relação entre o trabalho líquido wneto dividido pela entrada de calor qent:

\(_{Ter = }\frac{{{w_{net}}}}{{{q_{ent}}}} = \frac{{{q_{ent}} – {q_{sal}}}}{ {{q_{em}}}} = 1 – \frac{{{q_{sal}}}}{{{q_{em}}}}\)

Onde:
o que_sal representa o calor rejeitado de forma isocórica.

o q_sal É determinado pela variação da energia interna (u) entre os estados onde ocorre o processo de rejeição de calor, ou seja, os estados 4 e 1. Essas grandezas são retiradas das tabelas de vapor, e para localizar os valores é necessário saber duas informações sobre o estado, por exemplo, a temperatura e a pressão. Além disso, é necessário aplicar a equação de estado (P.v = R.T) e a relação de pressões, volumes ou pressões/volumes relativos que ocorre entre processos isentrópicos.

Nos ciclos Otto, o processo de adição de calor é realizado a volume constante, portanto o calor de entrada q_em é determinada pela variação da energia interna entre os estados 2 e 3, ou seja, u₃ - ou₂:

\(_{Ter = } = 1 – \frac{{{u_4} – {u_1}}}{{{u_3} – {u_2}}}\)

No caso do processo de adição de calor para ciclos Diesel, este é assumido como sendo a pressão constante, e o calor de entrada q_em, é calculado a partir da variação de entalpia (h) entre os estados onde ocorre esse processo, ou seja, entre os estados 3 e 2. Com essas considerações, a eficiência de um ciclo Diesel pode ser determinada pela expressão:

\(_{Ter = } = 1 – \frac{{{u_4} – {u_1}}}{{{h_3} – {h_2}}}\)

Este esquema mostra algumas diferenças entre o ciclo Otto e o ciclo Diesel. Se os dois motores pudessem operar na mesma taxa de compressão (r), os ciclos Otto seriam mais eficientes, porém na prática os motores a Diesel têm taxas de compressão mais altas.

A taxa de compressão (r) e corte de admissão (r_c)

Este valor adimensional é um parâmetro em ciclos de gás, e é expresso como a ligação que ocorre sobre os volumes máximo e mínimo do cilindro:

\(r = \frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}\)

Tanto no ciclo Otto quanto no Diesel, o volume máximo é obtido nos estados 1 ou 4. O volume mínimo no ciclo Otto ocorre nos estados 2 e 3, mas no Diesel ocorre apenas no estado 2.

A constante adimensional de calor específico "k" também é definida e representa a relação identificada com relação às variáveis ​​de calor específico a pressão constante (C_p) e calor específico a volume constante (C_v):

\(k = \frac{{{C_p}}}{{{C_v}}}\)

Adicionalmente, nos ciclos Diesel utiliza-se a razão de corte ou fechamento da admissão, que é calculado dividindo o volume máximo pelo volume mínimo durante o processo de adição de calor, ou seja dizer:

\({r_c} = {\left( {\frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}} \right) n\;de\;calor} } = \frac{ {{V_3}}}{{{V_2}}} = \frac{{{v_3}}}{{{v_2}}}\)

Eficiência de Motores de Combustão Interna Usando Pressupostos de Calor Específico Constante

Em um ciclo de gás, às vezes pode-se supor que ele funcione sob suposições de calores específicos que não variam com a temperatura, também chamados de ar frio. padrão, (porém na prática se houver variação), e sob esta consideração, a eficiência térmica de cada ciclo é determinada com o seguinte expressões:

Para o ciclo Otto

\(_{Ter = } = 1 – \frac{1}{{{r^{k – 1}}}}\)

O diagrama à esquerda mostra a faixa característica de valores para a taxa de compressão para motores de ignição por centelha. À direita, observa-se a variação da eficiência de um ciclo Otto em função da taxa de compressão (r), para diferentes valores de k.

Para o ciclo Diesel

\(_{Ter = } = 1 – \frac{1}{{{r^{k – 1}}}}\left[ {\frac{{{r_c}^k – 1}}{{k\left ( {{r_c} – 1} \direita)}}} \direita]\)

Onde_v é o calor específico do ar a volume constante (C._v = 0,718kJ/kg. K.), e C._p o calor específico a pressão constante, que para o ar em condições ambientais é C_p = 1,005kJ/kg. K.

O diagrama mostra a faixa típica de taxa de compressão (r) para motores Diesel, bem como a variação da eficiência térmica do ciclo para diferentes valores de taxas de corte de admissão (r_c).