Máquinas térmicas à combustão interna de Otto e de Diesel


Fernando Lang da Silveira

Instituto de Física da UFRGS

lang@if.ufrgs.br


As máquinas à combustão interna do tipo Otto e Diesel, inventadas no final do século XIX, são compostas de no mínimo um cilindro, contendo um êmbolo móvel (pistão) e diversas peças móveis. A figura 1 é uma representação esquemática e simplificada das partes principais de uma máquina Otto (ou Diesel).


A figura 2 apresenta os quatro tempos de uma máquina térmica do tipo Otto. A característica fundamental das máquinas Otto é a de na admissão (1o tempo) aspirarem uma mistura gasosa de ar e combustível (gasolina, álcool, gás e outro combustível).


Figura 1 - Partes principais de uma máquina térmica à combustão interna.































Depois que o cilindro está cheio com esta mistura, a válvula de admissão, que estava aberta durante o 1o tempo, fecha-se; então a mistura de ar e combustível sofre a compressão (2o tempo). A seguir uma centelha elétrica na vela de ignição deflagra a explosão e, conseqüentemente, a expansão (3o tempo) da mistura gasosa. Finalmente a válvula de escape abre-se, ocorrendo simultaneamente a descarga da mistura gasosa para a atmosfera e a exaustão do restante dos gases queimados (4o tempo).
























Figura 2 - Corte de um motor do tipo Otto.


As máquinas do tipo Diesel diferem das máquinas do tipo Otto por, no 1o tempo, admitirem apenas ar. O ar é então comprimido durante o 2o tempo e, como neste processo ainda não há combustível, é possível se atingir uma taxa de compressão (razão entre o máximo volume admitido pelo volume mínimo no início da admissão) mais elevada - entre 16:1 e 20:1 - do que nas máquinas do tipo Otto1. Quando, no início do 3o tempo, o ar está maximamente comprimido e à alta temperatura (de 600 a 750 K), uma bomba injetora (posicionada no lugar da vela de ignição da figura 1) vaporiza combustível (usualmente óleo diesel) para dentro do cilindro, ocorrendo a combustão espontânea (explosão) e a expansão dos gases. Finalmente ocorre o 4o tempo, durante o qual os gases são expulsos do cilindro.


O ciclo ideal que mais se aproxima do que efetivamente ocorre em máquinas do tipo Otto ou Diesel é o ciclo composto Otto-Diesel, representado na figura 3 através de um diagrama pressão versus volume. As linhas curvas representam transformações adiabáticas.


Além da taxa de compressão (representada na figura 3 pelo parâmetro ε) diferir entre as máquinas de Otto e Diesel, há também diferenças nos outros dois parâmetros - λ e ρ - apresentados na figura 3.


O parâmetro λ expressa em que proporção a pressão aumenta durante a explosão da mistura gasosa. Este crescimento é maior na máquina Otto, pois conforme já notado, a explosão é deflagrada por uma centelha elétrica na vela de ignição. Ocorre então um brusco aumento da pressão, praticamente sem variação de volume, que chega a triplicá-la; isto é, λ é aproximadamente igual a 3 na máquina Otto. Já na máquina de Diesel, a explosão se dá concomitantemente à introdução de combustível no cilindro (lembremos que nesta máquina apenas o ar foi comprimido), determinando que a pressão, sem variar o volume, não cresça muito. Assim, λ é aproximadamente igual a 1,3 para a máquina Diesel.

Figura 3 - Ciclo ideal composto Otto-Diesel.




























O parâmetro ρ expressa o crescimento do volume, sem variar a pressão, até que todo o combustível foi queimado (final da combustão). Na máquina Otto este crescimento é ordem de 1,3. Na máquina Diesel, como a injeção de combustível não se dá instantaneamente, o gás se expande isobaricamente por cerca de 4 vezes o seu volume inicial. Desta forma, o parâmetro ρ é cerca de 1,3 na máquina Otto e cerca de 3,5 na máquina Diesel.


A figura 4 permite que se comparem os ciclos das máquinas de Otto e Diesel; ambos com o mesmo volume máximo, em um diagrama pressão versus volume. Esta figura representa o ciclo uma máquina Otto com taxa de compressão de 8:1 e o ciclo de uma máquina Diesel com taxa de compressão de 18:1, ambos com o mesmo volume máximo e utilizando um gás diatômico. A área no interior do ciclo representa o trabalho fornecido pela máquina em um ciclo completo.


É importante notar que no final da compressão, a máquina Diesel atinge uma pressão quase três vezes maior do que a pressão na mesma etapa de uma máquina Otto. Isto se deve à taxa de compressão mais elevada na primeira máquina do que na segunda. Da mesma forma a temperatura no final da compressão é maior na máquina Diesel (de 750 K a 900K) do que na máquina Otto (de 600 a 750 K).


Pode-se demonstrar que o rendimento (η)do ciclo composto é dado por


(1)


onde γ é a razão entre a capacidade térmica molar à pressão constante pela capacidade térmica molar à volume constante do gás utilizado no ciclo termodinâmico.


Figura 4 - Comparação entre os ciclos das máquinas de Otto e de Diesel.

























A equação 1 implica que, mantido todos os parâmetros constantes, exceto a taxa de compressão (ε), o rendimento aumenta. Entretanto, se calculamos os rendimentos da máquina de Otto e Diesel utilizando os parâmetros típicos apresentados anteriormente, encontramos rendimentos semelhantes, entre 50% e 60% para ambas (note-se que as duas máquinas não diferem apenas na taxa de compressão).


O rendimento real das máquinas Otto é um pouco inferior ao das máquinas Diesel, situando-se entre 22% a 30% para as primeiras e entre 30% a 38% para as segundas.


Demonstra-se também que o trabalho no ciclo, mantido os demais parâmetros constantes, cresce quando aumenta a taxa de compressão e quando aumenta o produto da pressão pelo volume2 no final da admissão (1o tempo). Desta forma, é desejável implementar a taxa de compressão e o tamanho dos motores, caso se deseje obter mais trabalho e, no mesmo intervalo de tempo, mais potência3. Outra maneira de implementar o trabalho no ciclo é por aumentar a pressão no final da admissão (1o tempo). Neste momento a pressão é um pouco menor do que a pressão externa (pressão atmosférica); um compressor colocado antes da válvula de admissão providencia para que a pressão no final da admissão seja maior, conseqüentemente determinando que o motor tenha aspirado uma quantidade maior de ar (motor Diesel) ou de ar e combustível (motor Otto).



Bibliografia


ARTOMNOV, M. D., ILARONOV, V. A. e MORIN, M. M. Motor vehicles. Moscou: MIR, 1976.

1 - As máquinas Otto operam com taxa de compressão compreendida entre 6:1 e 12:1. Uma taxa de compressão da ordem de 12:1 requer a utilização de combustível com maior poder antidetonante; as gasolinas especiais, de alta octanagem (alto teor de octano), se caracterizam por resistirem, sem pré-ignição, a tal taxa. Se uma taxa de compressão tão elevada quanto as que ocorrem em máquinas Diesel (16:1 a 20:1) fosse implementada sobre uma mistura gasosa de ar e combustível, desencadearia a indesejada combustão espontânea (pré-ignição) antes de ocorrer a centelha elétrica na vela de ignição, devido a um aumento excessivo da temperatura durante a compressão. É importante destacar também que a diferença entre a gasolina comum e a de alta octanagem está no seu poder antidetonante e não na energia liberada durante a combustão; ambas as gasolinas liberam cerca de 45 kJ quando ocorre a combustão completa de 1 g de cada uma delas.

2 - O volume no final da admissão (volume máximo) está relacionado com uma informação importante sobre a máquina: a sua cilindrada. A maioria dos automóveis tem tal informação bem à vista e usualmente é expressa em litros (por exemplo 1.8, entenda-se 1,8 l). Se o motor possui diversos cilindros (como ocorre nos automóveis), a cilindrada está relacionado ao produto do número de cilindros pelo volume máximo de qualquer um deles.

3 - Como a potência é a taxa de variação do trabalho, a potência desenvolvida por um motor é tanto maior quanto mais rapidamente o ciclo acontecer; a rapidez com a qual o ciclo é efetuado depende da freqüência de rotação do motor. Portanto, uma forma de aumentar a potência de um motor, mantido todo o resto constante, é aumentando a sua velocidade angular.