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Pontifícia Universidade Católica do Paraná

Técnico em Mecânica – TECPUC

CICLOS

TÉRMICOS

Esta pesquisa foi solicitada

pelo professor Luís Felipe Botton

regente da disciplina da Máquinas Térmicas

Aluno: Pablo Henrique Carvalho Lemes

Período: 2º Diurno

Curitiba 2010

Ciclo Carnot

Foi desenvolvido por pelo engenheiro Sadi Carnot (1796-1832), o seu uso é apenas teórico. O ciclo Carnot é um ciclo ideal, partindo de transformações de gases perfeitos. Seu funcionamento é composto por duas transformações adiabáticas e duas isotérmicas alternadamente e isso permite menor perda de energia (calor) para o meio externo (fonte fria). O rendimento desse ciclo é aproximadamente 72% o qual alias, nunca atingido por um motor termico. Este ciclo teorico compõe as seguintes fases:

1-2 = compresão isotermica

2-3 = compressão adiabatica

3-4 = expansão isotermica

4-1 = expansão adiabatica

Figura 01 – Diagrama do ciclo de Carnot

Descrição teórica:

Primeira fase: compressão isotérmica

Uma massa gasosa é introduzida no cilindro e depois comprimida pelo pistão “temperatura constante”, sendo o cilindro esfriado durante esta fase.

Segunda fase: compressão adiabática

Sendo interrompido o resfriamento do cilindro, continua-se a compressão rapidamente de modo que nenhuma troca de calor tenha lugar entre o gás e o cilindro.

Terceira fase: expansão isotérmica

Ao passo que, durante a compressão isotérmica o cilindro deve ser resfriado, durante a expansão isotérmica, este mesmo cilindro exige aquecimento para tornar a temperatura constante.

Quarta fase: expansão adiabática

Continuando o repouso, faz-se cessar o reaquecimento do cilindro para que essa fase se efetue sem troca de calor com o cilindro e que a massa gasosa retome o volume e a pressão que possuía no início da primeira fase.

Ciclo 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 em 1862 e implementado com sucesso pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto em 1876, e posteriormente por Étienne Lenoir e Rudolf Diesel.

Motores baseados no ciclo Otto equipam a maioria dos automóveis convencionais e usam combustíveis leves como gasolina, álcool, gás natural.

Figura02 – Representação dos principais componentes

Descrição Teórica

O ciclo ideal se constitui dos seguintes processos:

Admissão isobárica = 0-1, pressão constante;

Compressão adiabática = 1-2, eleva a temperatura dos gases sem provocar a inflamação;

Combustão isocórica = 2-3, contribuição de calor provocado pela centelha (vela). A volume constante. A pressão eleva-se rapidamente;

Expansão adiabática = 3-4, parte do ciclo de transforma em trabalho;

Abertura de válvula de escape =4-5, cessão do calor residual ao ambiente a volume constante;

Exaustão isobárica = 5-0, esvaziamento da câmara. Baixa brutal de pressão.

Figura03 – Diagrama Pressão X Volume

Ciclo Mêcanico Otto 4 tempos

Considerando o uso de apenas duas válvulas que são comandadas pelos ressaltos de árvore de cames, uma designada por válvula de admissão (à esquerda da demostração), que permite a introdução no cilindro de uma mistura gasosa composta por ar e combustível e outra designada como válvula de escape (à direita da demostração), 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:

  1. Primeiro tempo ADMISSÃO

  • Válvula de admissão aberta

  • Válvula de escape fechada.

  • O pistão se desloca do PMS (ponto morto superior) ao PMI (ponto morto inferior) admitindo para dentro do cilindro a mistura combustível/ar.

  1. Segundo tempo COMPRESSÃO

  • Válvula de admissão fechada.

  • Válvula de escape fechada.

  • O pistão se desloca do PMI ao PMS, comprimindo a mistura. Antes de o pistão atingir o PMS, ocorre a faísca, dando origem à combustão.

  1. Terceiro tempo EXPLOSÃO

  • Válvula de admissão fechada.

  • Válvula de escape fechada.

  • A combustão provoca a expansão dos gases que empurram o pistão, fazendo o se deslocar do PMS ao PMI.

  1. Quarto tempo EXPULSÃO OU ESPAPE

  • Válvula de admissão fechada.

  • Válvula de escape aberta.

  • O pistão se desloca do PMI ao PMS, empurrando para fora os gases queimados.

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

Figura04 – Demostração do processo mecânico

Aplicações:Veículos de passeio, pequenos veículos de carga, pequenos aviões e pequenas embarcações.

Rendimento

O ciclo segue os tempos indicados anteriormente sendo que, no 1º tempo, admite-se uma mistura ar/combustível. A combustão é iniciada no interior do cilindro por uma centelha (vela de ignição). A mistura ar/combustível, que é feita pelo carburador ou pela injeção eletrônica, é preparara aproximadamente nas seguintes proporções:

9: 1 - 9 partes de ar para 1 parte de gasolina

12: 112 partes de ar para 1 parte de álcool

O rendimento de um motor de ciclo Otto chega a 22% a 38%

Ciclo Mecânico Otto de 2 tempos (MIF)

Quando o pistão se desloca do PMI ao PMS, simultaneamente, ele comprime a mistura (combustível + ar + óleo lubrificante) que está no cilindro, e admite nova quantidade de mistura no cárter. Antes do pistão, atingir o PMS ocorre à faísca que da origem à combustão e conseqüentemente a expansão.

Com a expansão, o pistão se desloca do PMS para o PMI, liberando as janelas de escape. Ao mesmo tempo ele comprime a mistura que está no cárter, fazendo com que a mesma, passe para o cilindro através da janela de transferência. Esta nova mistura ao entrar no cilindro auxilia na expulsão dos gases queimados.

OBS. Para se completar um ciclo motor de 2 tempos é necessária apenas uma volta completa da árvore de manivelas.

O rendimento deste motor é inferior com respeito ao motor de 4 tempos, já que tem um rendimento volumétrico menor e o escape de gases é menos eficaz. Também são mais poluentes (devido à queima de óleo lubrificante que é misturado ao combustível no cárter durante a pré-compressão). Por outro lado, costumam dar mais potência cerca de 70 a 90% para a mesma cilindrada, já que este faz uma explosão na cada revolução, enquanto o motor de 4 tempos faz uma explosão pela cada 2 revoluções, e conta com mais partes móveis.

Aplicações: Motocicletas, cortadores de grama, pequenas bombas, pequenos motores de popa, etc.

Ciclo Diesel

O Motor Diesel ou motor de ignição por compressão é um motor de combustão interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913) em que a combustão se faz pelo aumento da temperatura provocado pela compressão de ar. Rodolf Diesel chegou a esse método quando aperfeiçoava máquinas a vapor.

O combustível utilizado pelos motores diesel tem normalmente uma alta nivel de octanagem, isto é, a capacidade que o combustível tem, em resistir a altas temperaturas na câmara de combustão, sem sofrer detonação. Esses combustíveis são o biodiesel, hidrocarboneto, óleo vegetal, alcool e o disel.

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