Ciclo Otto - Otto cycle

Diagrama de pressão-volume
Diagrama de temperatura-entropia
Os diagramas idealizados de um ciclo de Otto de quatro tempos Ambos os diagramas : o curso de  entrada ( A é realizado por uma expansão isobárica , seguida por um curso de  compressão adiabática ( B . Por meio da combustão do combustível, o calor é adicionado em um processo de volume constante ( processo isocórico ), seguido por um curso de  potência de processo de expansão adiabática ( C . O ciclo é encerrado pelo curso do  escapamento ( D , caracterizado por processos de resfriamento isocórico e compressão isobárica.

Um ciclo Otto é um ciclo termodinâmico idealizado que descreve o funcionamento de um típico motor de pistão com ignição por centelha . É o ciclo termodinâmico mais comumente encontrado em motores de automóveis.

O ciclo de Otto é uma descrição do que acontece com uma massa de gás quando ela é submetida a mudanças de pressão, temperatura, volume, adição de calor e remoção de calor. A massa de gás que está sujeita a essas mudanças é chamada de sistema. O sistema, neste caso, é definido como o fluido (gás) dentro do cilindro. Ao descrever as mudanças que ocorrem dentro do sistema, ele também descreverá, de forma inversa, o efeito do sistema no meio ambiente. No caso do ciclo de Otto, o efeito será produzir rede suficiente do sistema para impulsionar um automóvel e seus ocupantes no ambiente.

O ciclo Otto é construído a partir de:

Parte superior e inferior do loop: um par de processos quase paralelos e isentrópicos (sem atrito, reversível adiabático ).
Lados esquerdo e direito do loop: um par de processos isocóricos paralelos (volume constante).

O processo isentrópico de compressão ou expansão implica que não haverá ineficiência (perda de energia mecânica) e não haverá transferência de calor para dentro ou para fora do sistema durante esse processo. O cilindro e o pistão são considerados impermeáveis ​​ao calor durante esse período. O trabalho é executado no sistema durante o processo de compressão isentrópica inferior. O calor flui para o ciclo Otto através do processo de pressurização esquerdo e parte dele retorna através do processo de despressurização direito. A soma do trabalho adicionado ao sistema mais o calor adicionado menos o calor removido rende o trabalho mecânico líquido gerado pelo sistema.

Processos

Os processos são descritos por:

  • No processo 0–1, uma massa de ar é puxada para o arranjo do pistão / cilindro a pressão constante.
  • O processo 1–2 é uma compressão adiabática (isentrópica) da carga conforme o pistão se move do ponto morto inferior ( BDC ) para o ponto morto superior ( TDC ).
  • O processo 2-3 é uma transferência de calor de volume constante para o gás de trabalho de uma fonte externa enquanto o pistão está no ponto morto superior. Este processo pretende representar a ignição da mistura ar-combustível e a subsequente queima rápida.
  • O processo 3-4 é uma expansão adiabática (isentrópica) (golpe de potência).
  • O processo 4–1 completa o ciclo por um processo de volume constante no qual o calor é rejeitado do ar enquanto o pistão está no ponto morto inferior.
  • No processo 1–0, a ​​massa de ar é liberada para a atmosfera em um processo de pressão constante.

O ciclo de Otto consiste em compressão isentrópica, adição de calor em volume constante, expansão isentrópica e rejeição de calor em volume constante. No caso de um ciclo Otto de quatro tempos, tecnicamente existem dois processos adicionais: um para a exaustão do calor residual e produtos de combustão a pressão constante (isobárico) e um para a entrada de ar rico em oxigênio frio também a pressão constante ; no entanto, eles são freqüentemente omitidos em uma análise simplificada. Mesmo que esses dois processos sejam críticos para o funcionamento de um motor real, em que os detalhes da transferência de calor e da química da combustão são relevantes, para a análise simplificada do ciclo termodinâmico, é mais conveniente assumir que todo o calor residual é removido durante uma única mudança de volume.

História

O motor de quatro tempos foi patenteado pela primeira vez por Alphonse Beau de Rochas em 1861. Antes, por volta de 1854-57, dois italianos ( Eugenio Barsanti e Felice Matteucci ) inventaram um motor que havia rumores de ser muito semelhante, mas a patente foi perdida.

A primeira pessoa a construir um motor de quatro tempos funcional, um motor estacionário que usa uma mistura de carvão e gás como combustível (um motor a gás ), foi o engenheiro alemão Nicolaus Otto . É por isso que o princípio de quatro tempos hoje é comumente conhecido como ciclo Otto e os motores de quatro tempos que usam velas de ignição costumam ser chamados de motores Otto.

Processos

O sistema é definido como a massa de ar que é puxada da atmosfera para o cilindro, comprimida pelo pistão, aquecida pela ignição por centelha do combustível adicionado, que se expande conforme empurra o pistão e, finalmente, é exaurida de volta para o atmosfera. A massa de ar é seguida conforme seu volume, pressão e temperatura mudam durante as várias etapas termodinâmicas. Como o pistão é capaz de se mover ao longo do cilindro, o volume do ar muda com sua posição no cilindro. Os processos de compressão e expansão induzidos no gás pelo movimento do pistão são idealizados como reversíveis, ou seja, nenhum trabalho útil é perdido por turbulência ou atrito e nenhum calor é transferido de ou para o gás durante esses dois processos. A energia é adicionada ao ar pela combustão do combustível. O trabalho útil é extraído pela expansão do gás no cilindro. Depois de concluída a expansão no cilindro, o calor restante é extraído e, por fim, o gás é exaurido para o meio ambiente. Trabalho mecânico útil é produzido durante o processo de expansão e parte dele é usado para comprimir a massa de ar do próximo ciclo. O trabalho mecânico útil produzido menos o usado para o processo de compressão é o trabalho líquido obtido e que pode ser usado para propulsão ou para acionar outras máquinas. Alternativamente, o trabalho útil obtido é a diferença entre o calor adicionado e o calor removido.

Ciclo Otto

Processo 0-1 curso de admissão (tom azul)

Uma massa de ar (fluido de trabalho) é aspirada para o cilindro, de 0 a 1, à pressão atmosférica (pressão constante) através da válvula de admissão aberta, enquanto a válvula de exaustão é fechada durante este processo. A válvula de admissão fecha no ponto 1.

Curso de compressão do processo 1-2 ( B nos diagramas)

O pistão se move da extremidade da manivela (BDC, ponto morto inferior e volume máximo) para a extremidade da cabeça do cilindro ( TDC , ponto morto superior e volume mínimo) conforme o gás de trabalho com o estado inicial 1 é comprimido isentropicamente para o ponto do estado 2, através da taxa de compressão ( V 1 / V 2 ) . Mecanicamente, é a compressão isentrópica da mistura ar / combustível no cilindro, também conhecida como curso de compressão. Este processo isentrópico assume que nenhuma energia mecânica é perdida devido ao atrito e nenhum calor é transferido de ou para o gás, portanto, o processo é reversível. O processo de compressão requer que trabalho mecânico seja adicionado ao gás de trabalho. Geralmente, a taxa de compressão é de cerca de 9–10: 1 ( V 1 : V 2 ) para um motor típico.

Fase de ignição do processo 2-3 ( C nos diagramas)

O pistão está momentaneamente em repouso no TDC . Durante este instante, que é conhecido como fase de ignição, a mistura ar / combustível permanece em um pequeno volume no topo do curso de compressão. O calor é adicionado ao fluido de trabalho pela combustão do combustível injetado, com o volume essencialmente sendo mantido constante. A pressão aumenta e a relação é chamada de "relação de explosão".

Curso de expansão do processo 3-4 ( D nos diagramas)

O aumento da alta pressão exerce uma força no pistão e empurra-o em direção ao BDC . A expansão do fluido de trabalho ocorre isentropicamente e o trabalho é feito pelo sistema no pistão. A relação de volume é chamada de "relação de expansão isentrópica". (Para o ciclo de Otto é igual à taxa de compressão ). Mecanicamente, esta é a expansão da mistura gasosa quente no cilindro conhecida como curso de expansão (força).

Rejeição de calor idealizada do processo 4-1 ( A nos diagramas)

O pistão está momentaneamente em repouso em BDC . A pressão do gás de trabalho cai instantaneamente do ponto 4 ao ponto 1 durante um processo de volume constante conforme o calor é removido para um dissipador externo idealizado que é colocado em contato com a cabeça do cilindro. Em motores modernos de combustão interna, o dissipador de calor pode ser o ar circundante (para motores de baixa potência) ou um fluido circulante, como o refrigerante. O gás voltou ao estado 1.

Curso de exaustão do processo 1–0

A válvula de escape abre no ponto 1. À medida que o pistão se move de "BDC" (ponto 1) para "TDC" (ponto 0) com a válvula de escape aberta, a mistura gasosa é ventilada para a atmosfera e o processo é reiniciado.

Análise de ciclo

No processo 1-2, o pistão funciona no gás e no processo 3-4 o gás funciona no pistão durante os processos de compressão e expansão isentrópica, respectivamente. Os processos 2–3 e 4–1 são processos isocóricos; o calor é transferido para o sistema de 2—3 e para fora do sistema de 4—1, mas nenhum trabalho é realizado no sistema ou extraído do sistema durante esses processos. Nenhum trabalho é realizado durante um processo isocórico (volume constante) porque a adição ou remoção de trabalho de um sistema requer o movimento dos limites do sistema; portanto, como o volume do cilindro não muda, nenhum trabalho do eixo é adicionado ou removido do sistema.

Quatro equações diferentes são usadas para descrever esses quatro processos. Uma simplificação é feita assumindo que as alterações da energia cinética e potencial que ocorrem no sistema (massa de gás) podem ser desprezadas e, em seguida, aplicando a primeira lei da termodinâmica (conservação de energia) à massa de gás conforme ela muda de estado, conforme caracterizado pela temperatura, pressão e volume do gás.

Durante um ciclo completo, o gás retorna ao seu estado original de temperatura, pressão e volume, portanto, a variação líquida de energia interna do sistema (gás) é zero. Como resultado, a energia (calor ou trabalho) adicionada ao sistema deve ser compensada pela energia (calor ou trabalho) que sai do sistema. Na análise de sistemas termodinâmicos, a convenção é contabilizar a energia que entra no sistema como positiva e a energia que sai do sistema como negativa.

Equação 1a.

Durante um ciclo completo, a variação líquida de energia do sistema é zero:

O acima afirma que o sistema (a massa de gás) retorna ao estado termodinâmico original em que estava no início do ciclo.

Onde a energia é adicionada ao sistema de 1–2–3 e a energia removida do sistema de 3–4–1. Em termos de trabalho e calor adicionado ao sistema

Equação 1b:

Cada termo da equação pode ser expresso em termos da energia interna do gás em cada ponto do processo:

O balanço de energia da Equação 1b torna-se

Para ilustrar o exemplo, escolhemos alguns valores para os pontos na ilustração:

Esses valores são selecionados de forma arbitrária, mas racional. Os termos de trabalho e calor podem então ser calculados.

A energia adicionada ao sistema como trabalho durante a compressão de 1 a 2 é

A energia adicionada ao sistema como calor do ponto 2 a 3 é

A energia removida do sistema como trabalho durante a expansão de 3 para 4 é

A energia removida do sistema como calor do ponto 4 a 1 é

O balanço de energia é

Observe que a energia adicionada ao sistema é contada como positiva e a energia que sai do sistema é contada como negativa e a soma é zero, conforme esperado para um ciclo completo que retorna o sistema ao seu estado original.

A partir do balanço de energia, o trabalho fora do sistema é:

A energia líquida fora do sistema como trabalho é -1, o que significa que o sistema produziu uma unidade líquida de energia que deixa o sistema na forma de trabalho.

O calor líquido fora do sistema é:

À medida que a energia adicionada ao sistema, o calor é positivo. Do exposto, parece que o sistema ganhou uma unidade de calor. Isso corresponde à energia produzida pelo sistema como trabalho fora do sistema.

A eficiência térmica é o quociente entre a rede do sistema e o calor adicionado ao sistema. Equação 2:

Alternativamente, a eficiência térmica pode ser obtida estritamente pelo calor adicionado e rejeitado pelo calor.

Fornecendo os valores fictícios

No ciclo Otto, não há transferência de calor durante os processos 1–2 e 3–4, pois são processos isentrópicos. O calor é fornecido apenas durante os processos de volume constante 2-3 e o calor é rejeitado apenas durante os processos de volume constante 4-1.

Os valores acima são valores absolutos que podem, por exemplo, ter unidades de joules (assumindo que o sistema MKS de unidades será usado) e seriam úteis para um motor específico com dimensões específicas. No estudo de sistemas termodinâmicos, as quantidades extensas como energia, volume ou entropia (versus quantidades intensivas de temperatura e pressão) são colocadas em uma base de massa unitária, assim como os cálculos, tornando-os mais gerais e, portanto, mais gerais usar. Portanto, cada termo envolvendo uma quantidade extensa poderia ser dividido pela massa, dando os termos unidades de joules / kg (energia específica), metros 3 / kg (volume específico) ou joules / (kelvin · kg) (entropia específica, calor capacidade) etc. e seria representado com letras minúsculas, u, v, s, etc.

A Equação 1 agora pode ser relacionada à equação do calor específico para volume constante. Os calores específicos são particularmente úteis para cálculos termodinâmicos envolvendo o modelo de gás ideal .

Reorganizando rendimentos:

Inserir a equação do calor específico na equação de eficiência térmica (Equação 2) produz.

Após o rearranjo:

A seguir, observando os diagramas (ver relações isentrópicas para um gás ideal ), ambos podem ser omitidos. A equação então se reduz a:

Equação 2:

Uma vez que o ciclo de Otto usa processos isentrópicos durante a compressão (processo 1 a 2) e expansão (processo 3 a 4), as equações isentrópicas dos gases ideais e as relações pressão / volume constantes podem ser usadas para produzir as Equações 3 e 4.

Equação 3:

Equação 4:

Onde
é a proporção de calor específico
A derivação das equações anteriores é encontrada resolvendo essas quatro equações, respectivamente (onde é a constante de gás específica ):

Simplificando ainda mais a Equação 4, onde está a taxa de compressão :

Equação 5:

Invertendo a Equação 4 e inserindo-a na Equação 2, a eficiência térmica final pode ser expressa como:

Equação 6:

Da análise da equação 6, é evidente que a eficiência do ciclo de Otto depende diretamente da taxa de compressão . Como o for air é 1,4, um aumento em produzirá um aumento em . No entanto, o valor para produtos de combustão da mistura combustível / ar é freqüentemente considerado em aproximadamente 1,3. A discussão anterior implica que é mais eficiente ter uma alta taxa de compressão. A proporção padrão é de aproximadamente 10: 1 para automóveis típicos. Normalmente, isso não aumenta muito devido à possibilidade de autoignição, ou " detonação ", que coloca um limite superior na taxa de compressão. Durante o processo de compressão 1–2, a temperatura aumenta, portanto, um aumento na taxa de compressão causa um aumento na temperatura. A autoignição ocorre quando a temperatura da mistura combustível / ar fica muito alta antes de ser acesa pela frente da chama. O curso de compressão tem como objetivo comprimir os produtos antes que a chama incendeie a mistura. Se a taxa de compressão for aumentada, a mistura pode inflamar-se automaticamente antes que o curso de compressão seja concluído, levando à "batida do motor". Isso pode danificar os componentes do motor e diminuir a potência de freio do motor.

Poder

A energia produzida pelo ciclo de Otto é uma energia desenvolvida por unidade de tempo. Os motores Otto são chamados de motores de quatro tempos. O curso de admissão e o curso de compressão requerem uma rotação do virabrequim do motor. O curso de potência e o curso de exaustão exigem outra rotação. Para duas rotações, há um curso de geração de trabalho.

A partir da análise do ciclo acima, a rede produzida pelo sistema:

(novamente, usando a convenção de sinais, o sinal de menos implica que a energia está deixando o sistema funcionando)

Se as unidades utilizadas fossem MKS, o ciclo teria produzido um joule de energia na forma de trabalho. Para um motor com uma cilindrada específica, como um litro, a massa de gás do sistema pode ser calculada assumindo que o motor está operando em temperatura e pressão padrão (20 ° C) (1 atm). Usando a Lei Universal dos Gases, a massa de um litro de gás está à temperatura ambiente e à pressão ao nível do mar:

V = 0,001 m 3 , R = 0,286 kJ / (kg · K), T = 293 K, P = 101,3 kN / m 2
M = 0,00121 kg

A uma velocidade do motor de 3.000 RPM, existem 1.500 tempos de trabalho / minuto ou 25 tempos de trabalho / segundo.

A potência é 25 vezes maior, pois há 25 golpes de trabalho / segundo

Se o motor for multicilindros, o resultado seria multiplicado por esse fator. Se cada cilindro tiver um deslocamento de litro diferente, os resultados também serão multiplicados por esse fator. Esses resultados são o produto dos valores da energia interna que foram assumidos para os quatro estados do sistema no final de cada um dos quatro cursos (duas rotações). Eles foram selecionados apenas para fins ilustrativos e são obviamente de baixo valor. A substituição de valores reais de um motor real produziria resultados mais próximos aos do motor. Cujos resultados seriam maiores do que o motor real, pois há muitas suposições simplificadoras feitas na análise que negligenciam as ineficiências. Esses resultados superestimariam a produção de energia.

Aumento de potência e eficiência

A diferença entre as pressões e temperaturas de exaustão e admissão significa que algum aumento na eficiência pode ser obtido pelo uso de um turbocompressor, removendo do fluxo de exaustão parte da energia restante e transferindo-a para o fluxo de admissão para aumentar a pressão de admissão. Uma turbina a gás pode extrair energia de trabalho útil do fluxo de exaustão e que pode então ser usada para pressurizar o ar de admissão. A pressão e a temperatura dos gases de exaustão seriam reduzidas à medida que se expandem pela turbina a gás e esse trabalho é então aplicado à corrente de gás de admissão, aumentando sua pressão e temperatura. A transferência de energia aumenta a eficiência e a densidade de potência resultante do motor também é melhorada. O ar de admissão é normalmente resfriado de modo a reduzir seu volume, pois o trabalho produzido por curso é uma função direta da quantidade de massa levada para o cilindro; o ar mais denso produzirá mais trabalho por ciclo. Em termos práticos, a temperatura da massa de ar de admissão também deve ser reduzida para evitar a ignição prematura em um motor a gasolina; portanto, um intercooler é usado para remover alguma energia na forma de calor e, assim, reduzir a temperatura de entrada. Esse esquema aumenta a eficiência e a potência do motor.

A aplicação de um superalimentador acionado pelo virabrequim aumenta a saída de potência (densidade de potência), mas não aumenta a eficiência, pois usa parte do trabalho líquido produzido pelo motor para pressurizar o ar de admissão e não consegue extrair energia de outra forma desperdiçada associada ao fluxo de exaustão em alta temperatura e pressão para o ambiente.

Referências