Ciclo Otto | Suas relações e fórmulas importantes

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

“Um ciclo Otto é um ciclo termodinâmico ideal que explica o funcionamento de um motor de pistão de ignição por centelha típico e este ciclo explica especificamente, o que acontece se a massa de gás é sujeita a mudanças devido à pressão, temperatura, volume, entrada de calor e liberação de aquecer."

A Motor do ciclo Otto | Diagrama de tempo de válvula

  1. 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.
  2. Válvula de sucção fecha em 20 - 300 após o ponto morto inferior BDC para aproveitar a vantagem do momento dos gases em movimento.
  3. A centelha ocorre 30 - 400 antes do TDC. Isso é para permitir um atraso de tempo entre a faísca e a conclusão da combustão.
  4. 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.
  5. 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

\\eta =1-\\frac{1}{r^{\\gama-1}}

Onde r = taxa de compressão.

Diagrama do Ciclo Otto

Diagrama fotovoltaico do ciclo Otto | Diagrama de TS do ciclo Otto

Diagrama PV do ciclo Otto
Diagrama PV
Diagrama de TS do ciclo Otto
Diagrama TS

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

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

Neste caso de mesma taxa de compressão e entrada de calor igual, será

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

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

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

Neste caso, mesma taxa de compressão e mesma rejeição de calor.

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

Caso 3: Neste caso, mesma Temperatura Máxima e mesma rejeição de calor.

[QR]oito= [QR]Diesel

[Qin]Diesel> [Qin]oito

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D>\\eta_O

Para a mesma temperatura máxima e mesma rejeição de calor

\\eta_D>\\eta_{dual}>\\eta_O

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

r=\\frac{V_s+V_c}{V_s}=\\frac{V_1}{V_2}

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.

P_m=\\frac{P_1 r(r_p-1)(r^{\\gamma-1}-1)}{(\\gamma-1)(r-1)}

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.

Diagrama PV do ciclo Otto
Diagrama de TS do ciclo Otto
Diagrama TS

Processo 1-2: compressão adiabática reversível.

\\frac{T_2}{T_1}=[\\frac{V_1}{V_2}]^{\\gamma-1}

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

\\frac{T_3}{T_4}=[\\frac{V_4}{V_3}]^{\\gamma-1}=r^{\\gamma-1}

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.

\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}

\\\\\\eta=1-\\frac{[T_4-T_1]}{[T_3-T_2]}\\\\\\\\ \\frac{T_2}{T_1}=\\frac{T_3}{T_4}\\\\\\\\ \\frac{T_4}{T_1}=\\frac{T_3}{T_2}\\\\\\\\ \\eta=1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

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 AtkinsonCiclo 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 compressãoA 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
dual
Ciclo Duplo Diagrama PV

Ciclo Brayton vs Ciclo Otto

Ciclo de BraytonCiclo 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 gásAdequado 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

\\eta =1-\\frac{1}{r^{\\gama-1}}

Onde r = taxa de compressão = 10

\\eta =1-\\frac{1}{10^{1.4-1}}=0.602=60.2\\%

Para processo de compressão

\\frac{T_2}{T_1}=r^{\\gama-1}

\\frac{T_2}{473}=10^{1.4-1}

T_2=1188\;K

Para o processo de expansão, podemos assumir que

\\frac{T_3}{T_4}=r^{\\gama-1}

\\frac{T_3}{T_4}=10^{1.4-1}

T_3=2.512T_4

O trabalho líquido realizado pode ser calculado pela fórmula

W=C_v [T_3-T_2 ]-C_v [T_4-T_1]

\\\\1000=0.717*[473-1188+T_3-T_4]\\\\\\\\ 1000=0.717*[473-1188+2.512 T_4-T_4]\\\\\\\\ T_4=1395 K

T_3=2.512*1395=3505K

De acordo com a teoria dos gases ideais, sabemos

P1v1 = TR1

v1= (RT1) / (P1) = (0.287 * 473) /200=0.6788 m3/kg

mep=\\frac{W}{v_1-v_2}=\\frac{1000}{0.6788-\\frac{0.6788}{10}}=1636.87\\;kPa

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.

\\\\\\frac{\\mathrm{d} C_v}{C_v}=0.02\\\\\\\\ \\eta=1-\\frac{1}{r^{\\gamma -1 }}=1-\\frac{1}{6^{1.4 -1}}=0.511\\\\\\\\ \\gamma -1=\\frac{R}{C_v}\\\\\ \\\ \\eta=1-[\\frac{1}{r}]^\\frac{R}{C_v}

Fazendo log em ambos os lados

ln(1-\\eta)=\\frac{R}{C_v} ln\\frac{1}{r}

Diferenciando os dois lados

\\\\\\frac{d\\eta}{1-\\eta}=\\frac{-R}{C_v^2}*dC_v*ln[1/r]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{1-\\eta}=\\frac{-R}{C_v}*\\frac{dC_v}{C_v}*ln[1/r]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}=\\frac{1-\\eta}{\\eta}*\\frac{-R}{C_v}*\\frac{dC_v}{C_v}*ln[1/r]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}=\\frac{1-0.511}{0.511}*\\frac{-0.287}{0.718}*0.02*ln[1/6]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}=-0.0136\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}*100=-0.0136*100=-1.36\\%

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?

  1. 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.
  2. Válvula de sucção fecha em 20 - 300 após o ponto morto inferior BDC para aproveitar a vantagem do momento dos gases em movimento.
  3. A centelha ocorre 30 - 400 antes do TDC. Isso é para permitir um atraso de tempo entre a faísca e a conclusão da combustão.
  4. 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.
  5. 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

\\frac{T_2}{T_1}=[\\frac{V_1}{V_2}]^{\\gamma-1}=r^{\\gamma-1}

Onde r = taxa de compressão

Processo 2 -3: Adições de calor em volume constante

Qin = mCv [T3-T2]

Processo 3-4: Expansão adiabática reversível

\\frac{T_3}{T_4}=[\\frac{V_4}{V_3}]^{\\gamma-1}=r^{\\gamma-1}

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.

\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}

\\\\\\eta=1-\\frac{[T_4-T_1]}{[T_3-T_2]}\\\\\\\\ \\frac{T_2}{T_1}=\\frac{T_3}{T_4}\\\\\\\\ \\frac{T_4}{T_1}=\\frac{T_3}{T_2}\\\\\\\\ \\eta=1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

Onde r = taxa de compressão.

Diferença entre o ciclo Otto do ciclo Diesel e o ciclo duplo

Ciclo Otto vs Ciclo duplo

dvs 2

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 AtkinsonCiclo 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 compressãoA 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

\\eta =1-\\frac{1}{r^{\\gama-1}}

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

\\eta =1-\\frac{1}{r^{\\gama-1}}

Aqui γ = n

\\eta =1-\\frac{1}{r^{n-1}}=1-\\frac{1}{8^{1.33-1}}=49.65\\%

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:

  1. O pistão se move para baixo e a potência útil é obtida. O movimento descendente do pistão comprime a nova carga armazenada no cárter.
  2. 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.
  3. 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.
  4. A projeção no pistão evita que a nova carga passe diretamente para a porta de exaustão e varra os materiais de combustão.
  5. 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

r=\\frac{V_s+V_c}{V_s}=\\frac{V_1}{V_2}

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

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

Neste caso de mesma taxa de compressão e entrada de calor igual, será

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

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

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

Neste caso, mesma taxa de compressão e mesma rejeição de calor.

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

Caso 3: Neste caso, mesma Temperatura Máxima e mesma rejeição de calor.

[QR]oito= [QR]Diesel

[Qin]Diesel> [Qin]oito

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D>\\eta_O

Para a mesma temperatura máxima e mesma rejeição de calor

\\eta_D>\\eta_{dual}>\\eta_O

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

\\eta_o =1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

r = taxa de compressão = V1/V2

A eficiência do ciclo de Brayton é dada pela equação

\\eta_B =1-\\frac{1}{r^{\\gama-1}}

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)

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