O Ciclo Otto, fundamental para motores a gasolina, consiste em quatro tempos: admissão, compressão, potência e escape. Atinge eficiência térmica de até 25-30%. A taxa de compressão, normalmente entre 8:1 e 12:1, influencia diretamente a eficiência e a potência.
Definição do Ciclo Otto
A Motor do ciclo Otto | Diagrama de tempo de válvula
- A válvula de entrada abre em 5-100 antes do Top Dead Center. Isso é para garantir que a entrada deve abrir totalmente quando o pistão atinge o PMS e uma nova carga começa a entrar no cilindro o mais cedo possível após o PMS.
- Válvula de sucção fecha em 20 - 300 após o ponto morto inferior BDC para aproveitar a vantagem do momento dos gases em movimento.
- A centelha ocorre 30 - 400 antes do TDC. Isso é para permitir um atraso de tempo entre a faísca e a conclusão da combustão.
- A pressão no final do curso de força está acima da atmosférica, o que aumenta o trabalho de expulsão dos gases de exaustão. Então, a válvula de escape abre em 20 - 300 antes do BDC para que no BDC a pressão seja reduzida à pressão atmosférica e o trabalho útil possa ser salvo.
- A válvula de escape fecha em 15-200 após o TDC, de modo que a inércia dos gases de escape tende a limpar o cilindro, o que aumentará a eficiência volumétrica.
Eficiência do ciclo Otto | eficiência térmica do Ciclo Otto Fórmula
A eficiência do ciclo Otto é especificada por
Onde r = taxa de compressão.
Diagrama do Ciclo Otto
Diagrama fotovoltaico do ciclo Otto | Diagrama de TS do ciclo Otto
Ciclo Otto, Diesel e Dual | Comparação
Caso 1: para taxa de compressão semelhante e i / p de calor semelhante, esta relação será
[Qin]oito = [Qin]Diesel
[QR]oito<[QR]Diesel
Neste caso de mesma taxa de compressão e entrada de calor igual, será
Caso 2: neste caso de mesma taxa de compressão e mesma rejeição de calor, esta relação será
[Qin]oito> [Qin]Diesel
[QR]oito= [QR]Diesel
Neste caso, mesma taxa de compressão e mesma rejeição de calor.
Caso 3: Neste caso, mesma Temperatura Máxima e mesma rejeição de calor.
[QR]oito= [QR]Diesel
[Qin]Diesel> [Qin]oito
Para a mesma temperatura máxima e mesma rejeição de calor
Taxa de compressão do ciclo Otto
A taxa de compressão do ciclo Otto é definida como a razão do volume antes da expansão para o volume após a expansão
Onde Vs = Volume de varredura do cilindro
Vc = Volume de folga do cilindro
Neste ciclo, a taxa de compressão é geralmente de 6 a 10. É limitada a 10 devido a batidas no motor.
Fórmula de pressão média efetiva para o ciclo Otto
Normalmente, a pressão dentro do cilindro em um motor IC muda continuamente; A pressão efetiva média é uma pressão imaginária que se presume ser constante ao longo de todo o processo.
Onde estáp = Razão de pressão = P3/P2 = P4/P1
Análise do ciclo Otto | Cálculos do ciclo Otto | Derivação da eficiência do ciclo Otto
Considere um ciclo de Otto padrão de ar com pressão, volume e temperatura iniciais como P1, V1T1 respectivamente.
Processo 1-2: compressão adiabática reversível.
Onde,
r é a taxa de compressão.
Processo 2 -3: A adição de calor em volume constante é calculada como,
Qin = mCv [T3-T2].
Processo 3-4: A expansão adiabática reversível é calculada como
Processo 4 -1: A rejeição de calor em volume constante será
QR = mCv [T4-T1]
Trabalho realizado = Qin - QR.
A eficiência do ciclo Otto é representada como.
Onde r = taxa de compressão.
Funcionamento do motor de dois tempos
Os motores de dois tempos funcionam tanto no ciclo Otto quanto no ciclo diesel.
Ciclo Atkinson vs Ciclo Otto
Ciclo Atkinson | Ciclo Otto |
O ciclo de Atkinson usa um diagrama de tempo de válvula ligeiramente diferente. A válvula de entrada permanece aberta até o início do curso de compressão | A válvula de entrada abre em 5-100 antes do Top Dead Center. Isso é para garantir que a entrada deve abrir totalmente quando o pistão atinge o PMS e uma nova carga começa a entrar no cilindro o mais cedo possível após o PMS. |
Proporciona maior economia de combustível em comparação ao ciclo Otto. | Oferece menor economia de combustível em comparação com o ciclo Atkinson. |
Fornece potência de pico inferior em comparação com o ciclo Otto. | Fornece maior potência de pico em comparação com o ciclo de Atkinson. |
Principalmente usado em veículos híbridos onde motor elétrico compensa a deficiência de energia. | Mais usado em motores SI de 4 e 2 tempos, onde maior potência é necessária |
Ciclo Brayton vs Ciclo Otto
Ciclo de Brayton | Ciclo Otto |
A adição e a rejeição de calor de pressão constante ocorrem no ciclo de Brayton. | Volume constante A adição e a rejeição de calor ocorrem no ciclo Otto. |
Ele tem capacidade para lidar com grande volume de gás de baixa pressão. | Não é capaz de lidar com grande volume de gás de baixa pressão devido à restrição no espaço do motor alternativo. |
A alta temperatura é sentida em todo o processo de fluxo em estado estacionário. | A alta temperatura é sentida pelo motor apenas durante o curso de potência. |
Adequado para turbina a gás | Adequado para motor IC e SI. |
Vantagens e desvantagens do motor de ciclo Otto
Vantagens:
- Este ciclo tem mais eficiência térmica em comparação com diesel e ciclo duplo para taxa de compressão idêntica e taxa de entrada de calor igual e mesma taxa de compressão e mesma rejeição de calor.
- Este motor de ciclo requer menos manutenção e é simples e leve em design.
- Para uma combustão completa, as emissões de poluentes são baixas para os motores Otto.
Desvantagens:
- Tem taxa de compressão mais baixa, portanto, é ruim para mover cargas pesadas em baixa velocidade.
- Não será capaz de suportar maiores tensões e tensões em comparação com o motor a diesel
Exemplo de ciclo Otto | Problemas do ciclo otto
Q.1] Um motor de ignição por centelha projetado para ter uma taxa de compressão de 10. Este está operando em baixa temperatura e pressão no valor 2000C e 200 quilopascais, respectivamente. Se Work O / P for 1000 kilo-Joule / kg, calcule a eficiência máxima possível e a pressão efetiva média.
A eficiência deste ciclo é dada por
Onde r = taxa de compressão = 10
Para processo de compressão
Para o processo de expansão, podemos assumir que
O trabalho líquido realizado pode ser calculado pela fórmula
De acordo com a teoria dos gases ideais, sabemos
P1v1 = TR1
v1= (RT1) / (P1) = (0.287 * 473) /200=0.6788 m3/kg
Q.2] qual será o efeito sobre a eficiência de um ciclo de Otto tendo uma taxa de compressão 6, se Cv aumenta em 20%. Para efeitos de cálculo, suponha que Cv é 0.718 kJ / kg.K.
Fazendo log em ambos os lados
Diferenciando os dois lados
Ou seja, se Cv aumenta 2% e η diminui 1.36%.
Perguntas Frequentes
Qual é a diferença entre os ciclos Otto e Diesel?
No ciclo Otto, a adição de calor ocorre em volume constante, enquanto no ciclo diesel, a adição de calor a pressão constante ocorre e o ciclo Otto tem menor taxa de compressão abaixo de 12, enquanto o ciclo diesel tem maior taxa de compressão até 22. O ciclo Otto usa vela de ignição para ignição enquanto o ciclo diesel não precisa de assistência para ignição. O ciclo Otto apresenta menor eficiência em relação ao ciclo diesel.
Qual combustível é usado no ciclo Otto ? | O que é combustível de 4 tempos?
Geralmente gasolina ou gasolina misturada com etanol 3-5% é usada no motor Otto. No ciclo Otto padrão de ar, o ar é considerado como um combustível.
Qual é o ciclo Otto ou Diesel mais eficiente?
A faixa normal da taxa de compressão para o ciclo diesel é de 16-20, enquanto no ciclo Otto a taxa de compressão é 6 - 10 e devido à maior taxa de compressão usada no ciclo diesel, a eficiência do ciclo diesel é maior do que no ciclo Otto.
Como funciona o ciclo Otto?
- A válvula de entrada abre em 5-100 antes do Top Dead Center. Isso é para garantir que a entrada deve abrir totalmente quando o pistão atinge o PMS e uma nova carga começa a entrar no cilindro o mais cedo possível após o PMS.
- Válvula de sucção fecha em 20 - 300 após o ponto morto inferior BDC para aproveitar a vantagem do momento dos gases em movimento.
- A centelha ocorre 30 - 400 antes do TDC. Isso é para permitir um atraso de tempo entre a faísca e a conclusão da combustão.
- A pressão no final do curso de força está acima da atmosférica, o que aumenta o trabalho de expulsão dos gases de exaustão. Então, a válvula de escape abre em 20 - 300 antes do BDC para que no BDC a pressão seja reduzida à pressão atmosférica e o trabalho útil possa ser salvo.
- A válvula de escape fecha em 15-200 após o TDC, de modo que a inércia dos gases de escape tende a limpar o cilindro, o que aumentará a eficiência volumétrica.
Processo 1-2: compressão adiabática reversível
Onde r = taxa de compressão
Processo 2 -3: Adições de calor em volume constante
Qin = mCv [T3-T2]
Processo 3-4: Expansão adiabática reversível
Processo 4 -1: A rejeição de calor em volume constante será
QR = mCv [T4-T1]
Trabalho realizado = Qin - QR.
A eficiência do ciclo Otto é representada como.
Onde r = taxa de compressão.
Diferença entre o ciclo Otto do ciclo Diesel e o ciclo duplo
Ciclo Otto vs Ciclo duplo
Ciclo Otto vs Ciclo Carnot
Ciclo de Carnot Ciclo OttoÉ composto por dois processo isotérmico e dois processos adiabáticos reversíveis. | O ciclo Otto do padrão de ar ideal consiste em dois processos isocóricos e dois processos adiabáticos reversíveis. |
É um ciclo hipotético e não é praticamente possível construí-lo. | É um ciclo real e é a base do funcionamento do moderno motor de ignição Spark. |
Ele serve como um parâmetro para medir o desempenho de outros ciclos do motor. | Não serve como parâmetro para medir o desempenho de outros ciclos do motor. |
Possui 100% de eficiência. | Possui eficiência térmica geral na faixa de 50 a 70%. |
Pode ser revertido para obter refrigeração de Carnot / bomba de calor com coeficiente de desempenho máximo. | É um ciclo irreversível. |
Ciclo Otto vs Ciclo Atkinson
Ciclo Atkinson | Ciclo Otto |
O ciclo de Atkinson usa um diagrama de tempo de válvula ligeiramente diferente. A válvula de entrada permanece aberta até o início do curso de compressão | A válvula de entrada abre em 5-100 antes do Top Dead Center. Isso é para garantir que a entrada deve abrir totalmente quando o pistão atinge o PMS e uma nova carga começa a entrar no cilindro o mais cedo possível após o PMS. |
Oferece maior economia de combustível em comparação ao ciclo Otto. | Oferece menor economia de combustível em comparação com o ciclo Atkinson. |
Fornece potência de pico mais baixa em comparação com o ciclo Otto. | Fornece maior potência de pico em comparação com o ciclo Atkinson. |
Mais usado em veículos híbridos onde o motor elétrico compensa a deficiência de potência. | Mais usado em motores SI de 4 e 2 tempos, onde maior potência é necessária |
Fórmula do ciclo otto
A eficiência do ciclo Otto é dada pela equação
Onde r = taxa de compressão = 10
Ciclo Otto com exemplo de processo politrópico
Um motor SI tem uma taxa de compressão de 8 enquanto opera com baixa temperatura de 3000C e uma baixa pressão de 250 kPa. Se Work o / p for 1000 quilo-Joule / kg, calcule a eficiência mais alta. A compressão e expansão ocorrem poltropicalmente com índice politrópico (n = 1.33).
Solução: A eficiência do ciclo Otto é dada pela equação
Aqui γ = n
Por que o ciclo Otto é conhecido como ciclo de volume constante?
Para este ciclo, a adição e rejeição de calor acontecem no volume fixo e a quantidade de trabalho realizado é proporcional à taxa de adição e rejeição de calor, por esta razão o ciclo Otto é denominado como ciclo de volume constante.
Quais são as limitações do ciclo Otto?
- Ele tem uma taxa de compressão mais baixa, portanto, é ruim para mover cargas pesadas em baixa velocidade.
- Não pode suportar maiores tensões e esforços em comparação com o motor a diesel.
- A eficiência geral do combustível é menor do que ciclo diesel.
Os motores de dois tempos são considerados motores do ciclo Otto?
Os motores de dois tempos funcionam tanto no ciclo Otto quanto no ciclo diesel. O funcionamento do motor de 2 tempos é dado abaixo:
- O pistão se move para baixo e a potência útil é obtida. O movimento descendente do pistão comprime a nova carga armazenada no cárter.
- Perto do final do curso de expansão, o pistão revelará a porta de escape primeiro. Em seguida, a pressão do cilindro cairá para a pressão atmosférica, pois durante esse tempo o material de combustão sairá do cilindro.
- O movimento posterior do pistão revela a porta de transferência, permitindo que a carga levemente comprimida na caixa de manivela entre no cilindro do motor.
- A projeção no pistão evita que a nova carga passe diretamente para a porta de exaustão e varra os materiais de combustão.
- Quando o pistão se move do ponto morto inferior para o ponto morto superior e a porta de transferência fecha primeiro, a porta de exaustão se fecha e a compressão ocorre. Ao mesmo tempo, o vácuo é criado no cárter e uma nova carga entra no cárter para o próximo ciclo.
Por que o ciclo de Atkinson é mais eficiente, embora produza menor compressão e pressão do que o ciclo de Otto?
No ciclo de Atkinson, para o processo de expansão isentrópica no ciclo Otto é permitido prosseguir e estender para diminuir a pressão do ciclo a fim de aumentar a produção de trabalho e sabemos que a eficiência aumenta para o aumento do trabalho produzido. É por isso que o ciclo de Atkinson é mais eficiente, embora produza menor compressão e pressão do que o ciclo de Otto.
Qual é a taxa de compressão do ciclo de Otto
A taxa de compressão deste ciclo é elaborada como
Onde,
Vs = Volume varrido do cilindro.
Vc = Volume de folga do cilindro.
Geralmente, no ciclo de Otto, a taxa de compressão é de 6 a 10. É limitada a 10 por causa de batidas no motor.
Eficiência do ciclo Otto vs ciclo diesel
A faixa normal da taxa de compressão para o ciclo diesel é de 16-20, enquanto no ciclo Otto a taxa de compressão é 6 - 10 e para mais taxa de compressão usada no ciclo diesel, a eficiência do ciclo diesel é maior do que no ciclo Otto.
Caso 1: para a mesma taxa de compressão e entrada de calor exatamente idêntica, a relação será
[Qin]oito = [Qin]Diesel
[QR]oito<[QR]Diesel
Neste caso de mesma taxa de compressão e entrada de calor igual, será
Caso 2: neste caso de mesma taxa de compressão e mesma rejeição de calor, esta relação será
[Qin]oito> [Qin]Diesel
[QR]oito= [QR]Diesel
Neste caso, mesma taxa de compressão e mesma rejeição de calor.
Caso 3: Neste caso, mesma Temperatura Máxima e mesma rejeição de calor.
[QR]oito= [QR]Diesel
[Qin]Diesel> [Qin]oito
Para a mesma temperatura máxima e mesma rejeição de calor
Sob qual condição a eficiência do ciclo de Brayton e do ciclo de Otto serão iguais.
A eficiência do ciclo Otto é dada pela equação
Solução: A eficiência do ciclo Otto é dada pela equação
r = taxa de compressão = V1/V2
A eficiência do ciclo de Brayton é dada pela equação
r = taxa de compressão = V1/V2
Para a mesma taxa de compressão do ciclo de Brayton e Otto, sua eficiência será igual.
Para saber sobre o processo politrópico (clique aqui)e número de Prandtl (Clique aqui)
Sou Hakimuddin Bawangaonwala, engenheiro de projeto mecânico com experiência em projeto e desenvolvimento mecânico. Concluí M. Tech em Engenharia de Design e tenho 2.5 anos de experiência em pesquisa. Até agora foram publicados dois artigos de pesquisa sobre torneamento duro e análise de elementos finitos de acessórios de tratamento térmico. Minha área de interesse é projeto de máquinas, resistência de materiais, transferência de calor, engenharia térmica, etc. Proficiente em software CATIA e ANSYS para CAD e CAE. Além de Pesquisa.