Ciclo de Otto

O Ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico, que idealiza o funcionamento de motores de combustão interna de ignição por centelha. Motores baseados neste ciclo equipam a maioria dos automóveis de passeio atualmente.

Este ciclo foi idealizado originalmente pelo Engenheiro francês Alphonse Beau de Rochas em 1862, que teve seu princípio aprimorado e batizado pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto, 14 anos mais tarde, em 1876.

Antes de estudar o processo vamos relembrar alguns conceitos:

Transformação isobárica   =  pressão constante

Transformação adiabática =  variação térmica sem troca de calor com o ambiente

Transformação isocórica   =  não há variação de volume

O ciclo ideal se constitui dos seguintes processos:

1. Admissão isobárica 0-1.
2. Compressão adiabática 1-2.
3. Combustão isocórica 2-3, expansão adiabática 3-4.
4. Abertura de válvula 4-5, exaustão isobárica 5-0.

(1) ADMISSÃO:

Na figura ao lado temos mais à esquerda o PMS (Ponto Morto Superior).

Quando inicia-se a admissão, a válvula de admissão está aberta (válvula esq. representada em azul) e o movimento do pistão aspira a mistura de ar e combustível, num movimento de descida.

Até o ponto mais inferior do curso – PMI.

 

(2) COMPRESSÃO:

Ao atingir a posição mais inferior (PMI - ponto morto inferior), a válvula de admissão é fechada, e o pistão inicia o movimento de subida (figura mais a esquerda), comprimindo a mistura.

Até atingir o máximo de compressão, no ponto mais superior do curso - PMS.

 

(3) COMBUSTÃO:

Ao atingir a posição superior (PMS - ponto morto superior), uma centelha na vela é produzida (figura mais a esquerda), provocando a ignição da mistura, e a combustão.

O fornecimento de calor eleva a pressão da mistura que se expande forçando o pistão para baixo (figura central), provocando o movimento de descida do pistão, até o ponto mais inferior (figura direita).

 

 

(4) ESCAPE:

Ao atingir o ponto morto inferior, a válvula de escape é aberta (figura esquerda), reduzindo rapidamente a pressão do gás, agora num movimento de subida do pistão, liberando a maior parte dos gases da combustão, e o ciclo é reiniciado ao atingir o ponto morto superior (figura direita).

Dessa forma, foi ilustrado o princípio de funcionamento utilizado em motores Ciclo Otto 4 tempos. Existem também ciclos com 2 tempos utilizados em motocicletas, aviões e aplicações diversas.

Conforme mostra as figuras, o ciclo Otto inicia no ponto morto inferior  - estado 1 - quando o pistão inicia a compressão da mistura gás/combustível e termina no ponto morto superior - estado 2. 

Fórmulas - Equações

Neste ponto, a mistura é detonada e a pressão aumenta subitamente e o ciclo passa para o estado 3. Este aumento de pressão força o pistão na direção do ponto morto inferior - estado 4- produzindo trabalho. 

A partir do momento em que as válvulas de exaustão são abertas, os gases de exaustão são liberados para a atmosfera.

O trabalho realizado pelo pistão é dado pelo produto do volume de deslocamento pela pressão média efetiva do ciclo (mean effective pressure) - Pmep.

O rendimento do ciclo Otto pode ser calculado, a partir do Ciclo de Carnot,  da seguinte maneira:

Considerando a expansão e a compressão como sendo processos  isentrópicos, que V1=V4  e que V3=V2, teremos que:

Onde:

• k é a relação de calor específico = Cp/Cv;
• r é a taxa de compressão

Motores de múltiplas válvulas

Esses motores são apenas aperfeiçoamentos para o ciclo otto ou quatro tempos e sua única diferença é que existem pelo menos duas válvulas para cumprir uma única funcão ao mesmo tempo. Em um motor convencional, existe uma válvula para admissão e uma para exaustão. Existem atualmente 3 configurações para motores multiválvulas, são os modelos com 3, 4 ou 5 válvulas por cilindro. No caso do motor que possui 3 válvulas por cilindro, 2 são para admissão e uma apenas para exaustão, com 4 válvulas, 2 são para admissão e 2 para exaustão e no caso de 5 válvulas são 3 para admissão e 2 para exaustão. A principal função de um motor de múltiplas válvulas é maximizar o fluxo de gases que entram(entra mais oxigênio) e saem(exausta mais gases com menos força) do motor, conseguindo deste modo uma eficiência maior da combustão.

Motor 16 Válvulas

Neste tipo de motor a explosão de quatro cilindros, sua principal característica é a adoção de mais duas válvulas por cilindro, que trabalham simultaneamente as duas ja existentes, cada cilindro possui 4 válvulas (4 cilindros x 4 válvulas = 16 válvulas), aumentando o fluxo de gases do motor, podendo assim desenvolver maior potência. Este tipo de motor foi maciçamente produzido no Brasil na versão 1.0L (um litro) entre o ano de 97 à 2004, devido a uma lei que cobra um imposto (IPI - imposto sobre produtos industrializados') menor por essa cilindrada, se tornando uma boa opção para o consumidor que paga menos por um carro com uma potência similar a de um 1,4L e viabilizando então os custos para seu desenvolvimento. Por se tratar de um motor 1 litro com potência específica mais elevada, exige um custo maior para produção. No seu auge chegou aos 112 cv (cavalos-vapor) ou 82,5kW, no motor equipado no Gol Turbo que chega à aproximadamente 187,2 km/h (dados da revista CARRO); bom desempenho para um carro com motor de um litro.

Motor 1.8L 16V turbo cortado, veja as válvulas no cilindro.

O proprietário de um automóvel equipado com um motor 16 V. deve ficar atento ao tipo de óleo lubrificante que está usando, bem como o profissional que presta manutenção. Um motor 16 V. requer um profissional experiente neste tipo de Motor, é comum Mecânicos sem conhecimento alegarem que o motor é problemático, o que não é verdade, a verdade é que o motor devido a sua tecnologia exige conhecimento da parte do profissional. O prazo para troca do óleo e a troca da correia dentada, estes indicados no manual do proprietário do automóvel, devem ser rigorosamente obedecidos para evitar uma quebra do motor e um gasto muito maior do que se teria realizando a manutenção correta do motor.

Referências:

http://www.overcar.com.br/o-motor-ciclo-otto/

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Otto
http://antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/ciclo_otto.php