Ciclo de Otto

O ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico utilizado na maioria dos motores de ignição, também conhecidos como motores de quatro tempos, presentes em automóveis modernos. Esses motores funcionam por causa da grande expansão, gerada por uma faísca produzida em seu interior, sofrida pela mistura de ar e combustível (gasolina, álcool ou gás natural). Por isso, dizemos que os motores de ignição são máquinas térmicas de combustão interna.

Veja também: Máquinas térmicas.

Os quatro tempos do ciclo de Otto

Os quatro tempos do ciclo de Otto são processos termodinâmicos sequenciais, caracterizados por uma série de transformações físicas e químicas sofridas pela massa de gás e pelo combustível injetados no interior do motor a cada ciclo. Essas transformações são responsáveis pela movimentação do pistão, uma peça cilindrítica geralmente produzida em alumínio, movida pelas explosões sofridas pela mistura de combustível e ar. Os pistões fornecem toda a potência que o motor poderá utilizar para a realização de algum tipo de trabalho, como o deslocamento do automóvel.

Os quatro tempos do ciclo de Otto são conhecidos como: admissão, compressão, expansão e exaustão. Confira, na figura a seguir, um diagrama P-V (Pressão versus Volume), que mostra o funcionamento dos motores baseados no ciclo de Otto:

Vamos explicar, uma a uma, as transformações sofridas pela mistura de ar e combustível no ciclo mostrado acima:

• I - Processo 0-1: Admissão isobárica - Nesse processo, a mistura de ar e combustível é injetada à pressão constante dentro de uma câmara de combustão, onde fica localizado o pistão do motor.

• II - Processo 1-2: Compressão adiabática - O pistão comprime a mistura de ar e combustível rapidamente em um volume até dez vezes menor que o original. O processo ocorre de forma que não haja trocas de calor com o meio externo.

• III - Processo 2-3-4: Combustão a volume constante (2-3) e expansão adiabática (3-4) - Uma faísca causa a ignição da mistura de gás e combustível. Em seguida, o pistão é rapidamente empurrado para uma posição mais baixa, de forma que não haja trocas de calor entre o meio externo e o interior do motor.

• IV - Processo 4-1-0: Exaustão isobárica - sob pressão constante, os gases formados pela queima do combustível são expelidos do motor, dando início a um novo ciclo.

A figura abaixo mostra as quatro etapas, descritas acima, em um motor convencional de combustão interna:

Durante os processos III e IV, extrai-se o trabalho necessário para se mover o automóvel. Toda essa energia é fornecida pela expansão da mistura do combustível com os gases atmosféricos. Nos outros processos (I e II), o pistão consome parte da energia, comprimindo o gás. A razão (divisão) entre os volumes da mistura de ar e combustível nos processos II e IV é chamada de taxa de compressão volumétrica.

Geralmente, quanto maior for o valor dessa taxa, maior será o rendimento termodinâmico do motor. Esse rendimento termodinâmico está relacionado com o consumo de combustível dos automóveis: valores altos de rendimento indicam que seus motores conseguem produzir uma grande quantidade de trabalho consumindo pequenas quantidades de combustível. A maioria dos motores utilizados nos carros apresentam rendimento termodinâmico próximo de 20%. Na prática, isso indica que somente 20% de toda a energia térmica gerada nas explosões que ocorrem dentro do motor são transformadas em trabalho.