Otto Fases, desempenho, aplicações, exercícios resolvidos

Ele Ciclo Otto É um ciclo termodinâmico que é composto por dois processos isocóricos e dois processos adiabáticos. Este ciclo ocorre em um líquido termodinâmico compressível. Foi criado pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto no final do século XIX, que aperfeiçoou o motor de combustão interna, antecessor do qual os carros modernos carregam. Mais tarde, seu filho Gustav Otto encontraria a famosa empresa BMW.

O ciclo Otto se aplica a motores de combustão interna que trabalham com uma mistura de ar e um combustível volátil, como gasolina, gás ou álcool, e cuja combustão começa com uma faísca elétrica.

figura 1. Carros em uma competição da NASCAR. Fonte: Pixabay.

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Fases de ciclo de otto

As etapas do ciclo Otto são:

1. Compressão adiabática (sem troca de calor com o ambiente).
2. Absorção de energia calórica na forma isocórica (sem alterar o volume).
3. Expansão adiabática (sem troca de calor com o meio ambiente).
4. Expulsão da energia calórica em uma forma isocórica (sem alterar o volume).

A Figura 2, que é mostrada abaixo, mostra em um diagrama P -V (pressão - volume) as diferentes fases do ciclo otto.

Figura 2. Diagrama P-V do Ciclo Otto. Fonte: Self feito.

Aplicativo

O ciclo Otto se aplica igualmente a motores de combustão interna de quatro tempos e dois traços.

-O motor de 4 temas

Este motor consiste em um ou mais pistões em um cilindro, cada um com uma (ou duas) válvulas de admissão e uma (ou duas) válvulas de escape.

É assim chamado porque sua operação tem apenas quatro estágios ou estágios bem marcados:

1. A admissão.
2. Compressão.
3. A explosão.
4. A fuga.

Esses estágios ou tempos ocorrem por duas voltas do virabrequim, porque o pistão diminui e aumenta nos tempos 1 e 2, e novamente diminui e sobe nos tempos 3 e 4.

Em seguida, descrevemos o que acontece durante esses estágios.

Passo 1

Descendência de pistão do ponto mais alto com válvulas de admissão aberta e escapamento fechado, para que a mistura de combustível de ar seja aspirado pelo pistão durante sua descida.

A admissão ocorre durante o passe da OA. Nesta fase, a mistura de ar - combustível foi incorporada, que é o fluido compressível em que os estágios AB, BC, CD e DA do ciclo Otto serão aplicados.

Passo 2

Um pouco antes do pistão atingir o ponto mais baixo, ambas as válvulas fecham. Então começa a subir para que ele comprime a mistura de ar-combustível. Este processo de compressão ocorre tão rápido que praticamente não dá calor ao meio ambiente. No ciclo Otto, corresponde ao processo adiabático AB.

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etapa 3

No ponto mais alto do pistão, com a mistura compactada e válvulas fechadas, a combustão explosiva da mistura iniciada pela faísca ocorre. Esta explosão é tão rápida que o pistão mal desceu.

No ciclo Otto corresponde ao processo isocórico BC, onde o calor é injetado sem uma mudança apreciável de volume, aumentando consequentemente a pressão da mistura. O calor é fornecido pela reação de combustão química do oxigênio do ar com o combustível.

Passo 4

A mistura de alta pressão expande que o pistão desce enquanto as válvulas permanecem fechadas. Este processo ocorre tão rápido que a troca de calor com o exterior é insignificante.

Neste ponto, o trabalho positivo é realizado no pistão, que é transmitido pela biela para o virabrequim, produzindo a força do motor. No ciclo Otto corresponde ao CD do processo adiabático.

Etapa 5

Durante a parte mais baixa da rota, o calor é expulso através do cilindro ao refrigerante, sem a mudança de volume. No ciclo Otto, corresponde ao processo isocórico de.

Etapa 6

Na parte final da rota do pistão, a mistura queimada pela válvula de escape que permanece aberta é expulsa, enquanto a admissão é fechada. A fuga dos gases queimados ocorre durante a etapa AO no diagrama de ciclo Otto.

Todo o processo é repetido com a entrada através da válvula de admissão de uma nova mistura de combustível aéreo.

Figura 3. Motor de quatro tempos. Fonte: Pixabay

Trabalho líquido realizado no ciclo Otto

O Otto Cycle funciona como um motor térmico e é viajado em um cronograma.

O trabalho W que executa um gás que expande as paredes que o contêm é calculado pela seguinte fórmula:

Onde vi é o volume inicial e o VF do volume final.

Em um ciclo termodinâmico, o trabalho líquido corresponde à área travada no ciclo do diagrama P - V.

No caso do ciclo Otto, corresponde ao trabalho mecânico realizado de A a B mais o trabalho mecânico realizado de C a D. Entre B e C, o trabalho realizado é nulo, pois não há mudança de volume. Semelhante entre d e trabalho é nulo.

Trabalho feito de A a B

Suponha que comecemos do ponto A, no qual seu volume é conhecido, sua pressão PA e sua temperatura TA.

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Do ponto A ao ponto B, uma compressão adiabática é realizada. Em condições quase quase, os processos adiabáticos estão em conformidade com a lei de Poisson, que estabelece isso:

Onde γ é um quociente adiabático definido como a razão entre o calor específico a pressão constante entre o calor específico em volume constante.

Para que o trabalho realizado de A a B seja calculado através do relacionamento:

Depois de tomar a integral e usar o relacionamento de Poisson para o processo adiabático que você tem:

Onde r É a relação de compressão R = VA/VB.

Trabalho realizado de C a D

Da mesma forma, o trabalho realizado de C a D seria calculado por integral:

Cujo resultado é

Ser R = vd/vc = va/vb A relação de compressão.

O trabalho líquido será a soma dos dois trabalhos:

Calor líquido no ciclo Otto

Nos processos de A B e de C a D, o calor não é trocado porque são processos adiabáticos.

Para o processo B a C, o trabalho não é feito e o calor atribuído pela combustão aumenta a energia interna do gás e, portanto, a temperatura da TB para TC.

Da mesma forma, no processo de d a, há uma atribuição de calor que também é calculada como:

O calor líquido será:

Desempenho

O desempenho ou a eficiência de um mecanismo cíclico é calculado encontrando a proporção entre o trabalho líquido realizado e o calor fornecido ao sistema para cada ciclo operacional.

Se os resultados acima forem substituídos na expressão anterior e a suposição também for assumida que a mistura de ar combustível se comporta como um gás ideal, a eficiência teórica do ciclo é atingida, o que depende apenas da taxa de compressão:

Exercícios de ciclo Otto

-Exercício 1

Um motor a gasolina cilíndrico de quatro tempo e taxa de compressão 7,5 funciona em um ambiente de pressão atmosférica de 100 kPa e 20 graus Celsius. Determine o trabalho líquido realizado por ciclo. Suponha que a combustão forneça 850 joules para cada grama de mistura de ar - combustível.

Solução

A expressão do trabalho líquido havia sido calculada anteriormente:

Precisamos determinar o volume e a pressão nos pontos B e C do ciclo para determinar o trabalho líquido realizado.

O volume no ponto em que foi preenchido no cilindro com a mistura de ar -gasolina é o deslocamento 1500 cc. No ponto B, o volume é VB = VA / R = 200 cc.

O volume no ponto C também é 200 cc.

Cálculo de pressão em A, B e C

Ponto Uma pressão é pressão atmosférica. A pressão no ponto B pode ser calculada usando o relacionamento de Poisson para um processo adiabático:

Pode atendê -lo: qual é a eletricidade? (Com experimento)

Levando em consideração que a mistura é predominantemente ar que pode ser tratada como um gás diatômico ideal, o coeficiente adiabático gama assume o valor 1.4. Então a pressão no ponto B será 1837,9 kPa.

O volume do ponto C é o mesmo do ponto B, ou seja, 200 cc.

A pressão no ponto C é maior que no ponto B devido ao aumento da temperatura causada pela combustão. Para calculá -lo, precisamos saber quanto calor a combustão contribuiu.

O calor fornecido pela combustão é proporcional à quantidade de mistura que queima.

Usando a equação do status do gás ideal:

Onde Rm É a constante de ar cujo valor é 286,9 j / (kg k) e m é a massa de mistura tomada no processo de admissão. Limpando a massa m da equação do estado e substituindo os valores de pressão, temperatura e volume no ponto A é obtido 1,78 gramas de mistura.

Então o calor contribuído pela combustão é de 1,78 gramas x 850 joules/grama = 1513 joules. Isso causa um aumento de temperatura que pode ser calculado a partir de

A TB pode ser calculada a partir da equação de estado, resultando em 718 K; em seguida, para nossos dados, o valor resultante de TC é 1902 K.

A pressão no ponto C é dada pela equação de estado aplicada a esse ponto, resultando em 4868,6 kPa.

O trabalho líquido por ciclo acaba sendo 838,5 joules.

-Exercício 2

Determine a eficiência ou o desempenho do motor do Exercício 1. Supondo que o motor funcione a 3000 r.p.m Determine o poder.

Solução

Dividir o trabalho líquido entre o calor fornecido uma eficiência de 55,4% é obtido. Este resultado coincide com o obtido pela aplicação direta da fórmula de eficiência com base na taxa de compressão.

Poder é o trabalho realizado por unidade de tempo. 3000 r.p.m. equivalente a 50 voltas por segundo. Mas o ciclo de Otto é concluído para cada duas voltas do motor, porque é um período de quatro, como explicamos acima.

Isso significa que em um segundo o ciclo Otto é repetido 25 vezes, de modo que o trabalho realizado é de 25 x 838,5 joules em um segundo.

Isso corresponde a 20,9 quilowatts de energia equivalente a 28 cavalos a vapor.

Referências

1. Ciclos termodinâmicos. Recuperado de: fis.Puc.Cl
2. Martín, t. E Serrano, para. Ciclo Otto. Recuperado de: 2.Montes.Upm.é.
3. Universidade Sevilla. Wiki do Departamento de Caso do Caso da Física Aplicada do Ciclo Otto. Recuperado de: Laplace.nós.é.
4. Wikipedia. Ciclo Otto. Recuperado de: é.Wikipedia.com
5. Wikipedia. Motor Otto. Recuperado de: é.Wikipedia.com