Motores Otto Trabalho

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Universidade Técnica De Moçambique
Faculdade de Ciências Tecnológicas
Engenharia e Gestão De Energias Renováveis
	
Projecto de Pesquisa
Bioenergia e Sustentabilidade
Motores Otto
Turma:A
Matutino, Sala: 12
Discentes: 
Browen Ilidio Matsinhe
Cristina Trindade Fumane
Elzo Vicente Justino Matusse
Hélio Emílio Nantamigo
Juliett Liquidão
Nilyan Sulude
Docente:
Dr. Miguel Uamusse
Maputo, 12 de Dezembro de 2024
Índice
Introdução	3
Motores do Ciclo Otto	4
Motores do Ciclo Otto de Quatro Tempos	5
Admissão	6
Compressão	6
Expansão	7
Exaustão	7
Funcionamento de um motor à quatro tempos.	8
Diagrama indicador de um Motor de Quatro Tempos.	9
Os processos químicos nos motores de Ciclo Otto e as Respectivas Equações Químicas.	9
Funcionamento do motor de 2 tempos.	10
Funcionamento de um motor à dois tempos.	12
Diagrama indicador do motor à dois tempos.	12
Ciclo Termodinâmico (internamente reversível).	13
Fórmula para o calculo da eficiência térmica dos motores de ciclo Otto:	13
Os processos do ciclo de Otto.	14
Exercícios	14
Conclusão	21
Referências Bibliográficas	22
Introdução
Os motores de Ciclo Otto representam um marco na evolução tecnológica e na mobilidade, sendo amplamente utilizados em veículos automotores e outras aplicações. Desenvolvido por Nikolaus Otto no século XIX, esse ciclo termodinâmico é a base para o funcionamento de motores a gasolina, transformando energia química em energia mecânica de forma eficiente.
Apesar de sua eficiência e robustez, o Ciclo Otto enfrenta desafios significativos no contexto atual, como a busca por maior eficiência energética e a redução de emissões de gases poluentes. Com o avanço da ciência e da engenharia, novas tecnologias têm sido incorporadas a esses motores, como sistemas de injeção eletrônica, turbos compressores e o uso de combustíveis alternativos, visando atender às exigências de sustentabilidade e desempenho.
Motores do Ciclo Otto
Os motores que operam pelo Ciclo Otto, também conhecidos como motores de ignição por centelha, utilizam a energia gerada por uma centelha elétrica, fornecida pela vela de ignição, para iniciar o processo de combustão. Essa combustão é essencial para converter a energia química do combustível em trabalho mecânico, movimentando o motor.
Nos motores de quatro tempos, o funcionamento ocorre em quatro fases distintas, distribuídas em quatro cursos do pistão: admissão, compressão, combustão (ou expansão) e exaustão. Durante o curso de admissão, a mistura de ar e combustível é aspirada para dentro do cilindro. Na fase seguinte, o pistão comprime essa mistura, aumentando sua temperatura e pressão, otimizando a combustão. Em seguida, a centelha gerada pela vela inflama a mistura, causando a expansão dos gases e movendo o pistão para baixo, gerando trabalho útil. Finalmente, no curso de exaustão, os gases queimados são expulsos do cilindro, completando o ciclo.
Por outro lado, os motores de dois tempos realizam todas as etapas do ciclo em apenas dois cursos do pistão, tornando-os mais compactos e simples. No primeiro curso, as fases de admissão e compressão ocorrem simultaneamente, enquanto no segundo curso acontecem a expansão e a descarga dos gases. Além disso, nesses motores, a mistura admitida é composta por ar, combustível e óleo lubrificante, o que elimina a necessidade de um sistema de lubrificação separado.
Embora os motores de dois tempos sejam mais leves e tenham um funcionamento mais simples, são menos eficientes e mais poluentes do que os de quatro tempos, devido à menor separação entre as fases e à mistura parcial de gases frescos e de escape. Por outro lado, os motores de quatro tempos apresentam maior eficiência e menor emissão de poluentes, sendo amplamente utilizados em veículos automotores e máquinas de grande porte.
Essas diferenças no funcionamento entre os dois tipos de motores ilustram como o Ciclo Otto pode ser adaptado a diversas aplicações, dependendo das necessidades específicas de desempenho, durabilidade e eficiência.
Motores do Ciclo Otto de Quatro Tempos
Os motores de Ciclo Otto de quatro tempos possuem um sistema de lubrificação integrado, que garante o funcionamento eficiente e a durabilidade dos componentes móveis do motor. Nesse sistema, o óleo lubrificante é armazenado no cárter, uma parte inferior do motor que serve como reservatório e também como proteção para os mecanismos internos. O óleo é bombeado continuamente para lubrificar as partes móveis, como pistões, bielas e virabrequim, reduzindo o atrito e evitando o desgaste excessivo.
Esses motores realizam o ciclo completo em quatro cursos do pistão, o que corresponde a duas rotações completas (720°) do virabrequim, também chamado de árvore de manivelas. Cada curso está associado a uma fase específica do ciclo: admissão, compressão, combustão (ou expansão) e exaustão. Durante essas fases, o movimento sincronizado do pistão e das válvulas é coordenado pelo sistema de comando de válvulas, garantindo que o motor funcione de maneira eficiente e confiável.
Figura 1 .Constituição geral dos motores de quatro tempos do ciclo otto.
Admissão
A primeira etapa, também denominada de primeiro tempo, é denominada admissão. Nessa etapa a válvula de admissão permite a entrada, na câmara de combustão, de uma mistura de ar e combustível enquanto o pistão se move de forma a aumentar o espaço no interior da câmara.
Figura 2 . Posição das válvulas durante o primeiro curso do pistão na fase de admissão.
Compressão
A segunda etapa é a compressão. Nesta o pistão se move de forma a comprimir a mistura, fazendo seu volume diminuir. Aqui ocorre uma compressão adiabática e em seguida a máquina térmica recebe calor numa transformação isocórica.
Figura 3 . Posição das válvulas durante o segundo curso do pistão na fase de compressão.
Expansão
A terceira etapa denomina-se expansão. No término da compressão um dispositivo elétrico gera uma centelha que ocasiona a explosão da mistura ocasionando sua expansão.
Figura 4. Posição das válvulas durante o terceiro curso do pistão na fase de expansão.
Exaustão
Após isto ocorre então o quarto tempo quando a válvula de saída abre e permite a exaustão do gás queimado na explosão. A expansão adiabática leva a máquina ao próximo estado, onde ela perde calor e retorna ao seu estado inicial, onde o ciclo se reinicia.
Figura 5 . Posição das válvulas durante o quarto curso do pistão na fase de descarga.
Funcionamento de um motor à quatro tempos.
Diagrama indicador de um Motor de Quatro Tempos.
Os processos químicos nos motores de Ciclo Otto e as Respectivas Equações Químicas.
Durante a admissão, o cilindro aspira uma mistura de ar e combustível (geralmente hidrocarbonetos, como a gasolina). Não há reações químicas significativas nesta etapa, pois a mistura ainda não está em combustão.
A mistura de ar e combustível é comprimida no cilindro, aumentando sua temperatura e pressão. Durante essa fase, também não ocorre combustão, mas a alta pressão e temperatura criam as condições ideais para a ignição.
A vela de ignição gera uma centelha que inicia a combustão da mistura comprimida. A reação principal é a queima de hidrocarbonetos com o oxigênio do ar, produzindo dióxido de carbono (CO₂), vapor de água (H₂O), e energia térmica.
Equação Química Geral da Combustão (Gasolina - Isooctano, C₈H₁₈ e Oxigénio - O₂):
2C₈​H​₁₈ + 25O₂​ → 16CO₂​ + 18H₂​O + Energia
Hidrocarboneto (combustível): Exemplos comuns são o isooctano (C₈H₁₈) e outros compostos da gasolina.
Oxigênio (O₂): Fornecido pelo ar admitido no motor (o ar contém cerca de 21% de oxigênio).
Subprodutos Indesejáveis: Em condições imperfeitas de combustão, podem ser formados:
Monóxido de carbono (CO): Quando há insuficiência de oxigênio.
2C₈H₁₈ + 17O₂ → 16CO + 18H₂O
Óxidos de nitrogênio (NOₓ): Devido às altas temperaturas na câmara de combustão.
N₂ + O₂ → 2NO 
Os gases resultantes da combustão (principalmente CO₂, H₂O, e outros subprodutos como NOₓ) são expelidos do cilindro através da válvula de escape. Não há reações químicas adicionais, mas os gases ainda podem passar por sistemasde tratamento de emissões, como catalisadores, para reduzir poluentes.
 Funcionamento do motor de 2 tempos.
A pressurização da mistura de ar-combustível ou ar ocorre durante o movimento do pistão para baixo (no curso de potência), utilizando o cárter vedado como uma câmara de pressurização. Essa leve pressurização facilita a entrada da carga no cilindro através das janelas de admissão, substituindo as válvulas convencionais.
Durante o curso de potência, enquanto o pistão desce, ele primeiro destapa a janela de escape, permitindo a saída inicial dos gases queimados. Em seguida, a abertura da janela de admissão possibilita a entrada da nova mistura no cilindro, que também auxilia na expulsão dos gases de escape remanescentes.
No curso de compressão, o pistão sobe comprimindo a mistura fresca no cilindro. A ignição ocorre por meio de uma centelha (no caso de motores que operam no Ciclo Otto) ou pela injeção de combustível (no caso de motores que seguem o Ciclo Diesel).
Os motores a dois tempos são geralmente menos eficientes do que os motores a quatro tempos devido à expulsão incompleta dos gases de escape, que pode incluir uma fração da mistura fresca. No entanto, são relativamente simples e econômicos, com alta relação potência/peso e potência/volume, tornando-os adequados para aplicações que exigem dimensões e peso reduzidos, como ciclomotores, motosserras e cortadores de relva.
Avanços em diversas tecnologias, como injeção direta de combustível, combustão com carga estratificada e controle eletrônico, trouxeram um interesse renovado por motores a dois tempos. Esses avanços permitem alcançar alto desempenho e economia de combustível, ao mesmo tempo em que atendem a requisitos rigorosos de emissões de poluentes.
Para um dado peso e capacidade, um motor de dois tempos bem projetado pode fornecer significativamente mais potência do que um motor de quatro tempos, devido à existência de um tempo motor por cada volta da cambota, enquanto um motor a quatro tempos apresenta um tempo motor a cada duas voltas da cambota.
Figura 6 .Constituição geral dos motores de dois tempos do ciclo otto.
Funcionamento de um motor à dois tempos.
Diagrama indicador do motor à dois tempos.
Ciclo Termodinâmico (internamente reversível).
Fórmula para o calculo da eficiência térmica dos motores de ciclo Otto:
Os processos do ciclo de Otto.
	
Processos
	Equação de Energia
	Equação da Entropia
	Equação do Processo
	Compressão
	u₂ ₋ u₁ ₌ ₁w₂
	s₂ ₋ s₁ ₌ (0/T) + 0
	q ₌ 0,s₁ ₌ s₂
	Combustão
	u₃ ₋ u₂ ₌ qʜ
	s₃ ₋ s₂ ₌ ꭍ dqʜ/T + 0
	v₃ ₌ v₂ ₌ C
	Expansão
	u₄ ₋ u₃ ₌ ₃w₄
	s₄ ₋ s₃ ₌ (0/T) + 0
	q ₌ 0,s₃ ₌ s₄
	Exaustão
	u₁ ₋ u₄ ₌ qʟ
	s₁ ₋ s₄ ₌ ꭍ dqʟ/T + 0
	v₄ ₌ v₁ ₌ C
Exercícios
1. A relação de compressão num ciclo padrão a ar Otto é 10. No início do curso de compressão, a pressão é igual a 0,1MPa e a temperatura é 15°C. Sabendo que a transferência de calor ao ar, por ciclo é igual 1800kJ/kg de ar, determine:
a) A pressão e a temperatura no estado final de cada processo do ciclo.
b) O rendimento térmico.
c) A pressão média efetiva.
Estado 1:
P₁ =0,1 MPa T₁ =288,2K
Modelo: gás ideal com calor especifico constante e avaliado a 300K.
Análise: Equação da entropia para o processo de compressão 1-2
S₂ = S₁
Assim:
 e 
Primeira Lei da termodinâmica:
qʜ=₂ q₃=u₃−u₂=cv (T₃−T₂ )
Segunda Lei da termodinâmica para o processo de expansão 3-4.
s₄ =s₃
Assim:
 e 
Também
 e 
Solução:
		
Portanto: T₃ =3234 K
4,467 Portanto: P₃ =11,222 MPa
Verificando o valor:
2. Um ciclo Otto ideal tem uma razão de compressão de 8. No início do processo de compressão, o ar está a 100 kPa e 17°C, e 800 kJ/kg de calor são transferidos para o ar durante o processo de adição de calor a volume constante. Levando em consideração a variação das calores específicos do ar com a temperatura, determine:
a) A temperatura e pressão máximas que ocorrem durante o ciclo.
b) O trabalho líquido produzido.
c) A eficiência térmica.
d) A pressão média efetiva para o ciclo.
a) T₁290 Ku₁ 206.91 kJ/kg
 676,1
Processo 1-2 (Compressão Isentrópica de um Gás Ideal):
Processo 2-3 (Adição de Calor a Volume Constante):
b)
Processo 4-1 (Rejeição de Calor a Volume Constante):
 
 
c)
d)
2. Um motor, funcionando Segundo o ciclo Otto de 2 tempos, gera na primeira fase de combustão um calor Q = 55 kcal/kg e na segunda fase Q = 67 kcal/kg a cada kg da substância operante. 
A temperatura no início da compressão é T₁ = 27 ºC e a pressão P₁ = 1 atm. 
Dados: k=1,4; Cv= 0,172 kcal/kg.K; R = 29,27 kgfm/kg.K. 
Calcular: 
a) as pressões e as temperaturas nos demais vertices do ciclo, sabendo-se que a taxa de compressão é 4,84.
b) o trabalho em kcal/kg de substância operante e por ciclo.
c) o rendimento do ciclo.
d) fazer os gráficos nos planos pV e TS deste ciclo.
Dados:
Q23 = 55 kcal/kg 
Q34 = 67 kcal/kg 
T1 = 27oC = 300,15 K 
p1 = 1 atm = = 1,4 
cv = 0,172 kcal/kg.K 
R = 29,27 kgfm/kg.K a)p, T = ? 
RC = 4,84 
b)W (kcal/h) = ? 
c) = ?
a)
Sabendo-se que: 
b)
𝑊 = 67,23 𝑘𝑐𝑎𝑙/kg
c)
Conclusão
Os motores de Ciclo Otto, apesar de suas limitações em eficiência térmica quando comparados a outros ciclos, como o Ciclo Diesel, permanecem amplamente utilizados devido à sua simplicidade mecânica, custo mais acessível e excelente desempenho em altas rotações. Sua eficiência é influenciada por fatores como a razão de compressão e as tecnologias empregadas.
A introdução de avanços como injeção direta, turboalimentação e controle eletrônico tem permitido superar muitas das limitações tradicionais, aumentando tanto a eficiência energética quanto a sustentabilidade ambiental. Assim, os motores de Ciclo Otto continuam a desempenhar um papel essencial no setor automotivo e em outras aplicações, sendo uma combinação equilibrada de desempenho, durabilidade e adaptabilidade tecnológica.
Referências Bibliográficas
(Livro) Termodinâmica: Uma Abordagem de Engenharia, 5ª Edição, por Yunus A. Çengel & Michael A. Bole s.
(Livro) Ciclo de Otto: aplicação teórica e utilidade prática, por Jorge Luiz Gomes Dias – julho 2009.
(Projeto de Graduação) Aplicação do ciclo Otto e do ciclo Atkinson em um motor de combustão interna rotativo com taxa de compressão variável, por Leonardo Pedreira Pereira.
(Livro) PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, por Carlos Alberto Alves Varella.
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