Diferenças e funcionamento dos motores Otto, Miller e Atkinson

Motor de Ciclo Otto

Para começarmos, precisamos relembrar sobre o motor de Ciclo Otto, este motor é o mais comum em veículos de passeio movidos a gasolina, etanol ou GNV, operando por ignição por centelha (spark ignition). Ele funciona de acordo com um ciclo termodinâmico idealizado por Nikolaus Otto em 1876 e baseia-se em quatro tempos fundamentais: admissão, compressão, combustão/expansão e escape.

Admissão

• A válvula de admissão se abre e o pistão desce, permitindo a entrada da mistura ar-combustível.
• A pressão no cilindro é ligeiramente menor que a atmosférica devido ao vácuo criado pelo deslocamento do pistão.
• A válvula de escape está fechada.

Compressão

• O pistão sobe, comprimindo a mistura ar-combustível.
• A válvula de admissão se fecha e a pressão no cilindro aumenta.
• O aumento da pressão e temperatura melhora a eficiência da combustão.

Combustão e Expansão (Força/Motor)

• No topo da compressão, a vela de ignição gera uma centelha, iniciando a combustão.
• A rápida queima da mistura aumenta bruscamente a pressão e temperatura, empurrando o pistão para baixo.
• Essa fase é responsável pela geração de potência do motor.

Exaustão/ Escape (4→1)

• A válvula de escape se abre e os gases queimados são expulsos pelo movimento ascendente do pistão.
• A válvula de admissão permanece fechada.
• No final do processo, a válvula de escape se fecha, e um novo ciclo se inicia.

Motor de Ciclo Atkinson

O motor de ciclo Atkinson é uma variação do ciclo Otto, projetada para maximizar a eficiência térmica, mesmo que isso reduza a potência. Esse ciclo foi desenvolvido por James Atkinson em 1882 e é amplamente utilizado em veículos híbridos, pois sua menor potência e consumo de combustível é compensado pelo motor elétrico.

Princípio de Funcionamento

A principal diferença entre o ciclo Atkinson e o ciclo Otto está na duração das fases de admissão e compressão:

No ciclo Otto, os tempos de compressão e expansão são iguais.

No ciclo Atkinson, a válvula de admissão fica aberta por mais tempo, permitindo que parte da mistura ar-combustível volte ao coletor de admissão. Isso reduz o volume de compressão, mas mantém o volume de expansão alto.

Expansão > Compressão → Melhor aproveitamento da energia da combustão

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Os Quatro Tempos do Motor de Ciclo Atkinson

1. Admissão: A válvula de admissão fica aberta por mais tempo enquanto o pistão sobe, permitindo o refluxo da mistura.
2. Compressão: Como parte da mistura escapou, a compressão real é menor do que no ciclo Otto.
3. Combustão e Expansão: A combustão ocorre normalmente, mas a expansão é maior do que a compressão, extraindo mais trabalho dos gases.
4. Escape: Os gases queimados são expelidos e um novo ciclo começa.

Representação no Diagrama PV

O Diagrama Pressão x Volume (PV) do ciclo Atkinson é similar ao do ciclo Otto, mas com uma grande diferença:

A curva de compressão é menor que a curva de expansão!

Isso ocorre porque o volume de compressão é reduzido devido à admissão prolongada, mas o volume de expansão continua grande, garantindo maior eficiência térmica.

Isso significa que o ciclo Atkinson consegue converter mais energia térmica em trabalho útil!

Vantagens e Desvantagens do Ciclo Atkinson

· Maior eficiência térmica que o ciclo Otto.

· Menor consumo de combustível;

· Menos emissões de poluentes;

· Ideal para veículos híbridos, pois a menor potência é compensada pelo motor elétrico.

Desvantagens

· Menor potência e torque em comparação ao ciclo Otto;

· Menos adequado para altas rotações e cargas pesadas;

· Requer um motor elétrico para compensar a perda de desempenho.

Motor de ciclo Miller

A principal característica do ciclo Miller é o controle do tempo de fechamento da válvula de admissão, que pode ocorrer de duas formas:

Fechamento atrasado da válvula de admissão: Permite que parte da mistura ar-combustível volte ao coletor, reduzindo o volume de compressão real.
Fechamento antecipado da válvula de admissão: Limita a quantidade de ar admitida, reduzindo o esforço de compressão.

Uso de turbocompressor ou supercharger: Para compensar a menor densidade de ar na câmara de combustão e manter boa potência.

Os Quatro Tempos do Motor de Ciclo Miller

1. Admissão: A válvula de admissão fecha antes ou depois do ponto ideal, alterando a relação compressão/expansão.
2. Compressão: Como parte da mistura escapou ou foi reduzida, a compressão real é menor.
3. Combustão e Expansão: A combustão ocorre normalmente, mas a expansão é maior que a compressão, aproveitando melhor a energia.
4. Escape: Os gases queimados são expelidos e um novo ciclo começa.

Representação no Diagrama PV

O Diagrama Pressão x Volume (PV) do ciclo Miller é similar ao ciclo Otto, mas a compressão real é menor que a expansão, resultando em menor desperdício de calor e maior eficiência.

Eficiência Térmica do Ciclo Miller

Motores Miller atingem eficiência térmica entre 35% e 40%, superior ao ciclo Otto convencional (~30%).

Vantagens

· Maior eficiência térmica que o ciclo Otto;

· Menor consumo de combustível;

· Menos emissões de poluentes;

· Menor tendência à detonação (knock), permitindo maior taxa de compressão efetiva;

· Compatível com motores turboalimentados, que recuperam a perda de potência.

Desvantagens

· Menor potência sem um compressor (supercharger ou turbo);

· Maior complexidade mecânica devido ao controle preciso das válvulas;

· Menos adequado para aplicações de alta rotação, pois depende de sobrealimentação para compensar a perda de potência.

O ciclo Otto é ideal para motores convencionais devido à sua alta potência e resposta rápida, já o ciclo Miller melhora a eficiência térmica sem perder muita potência, ideal para motores turbo e híbridos e o ciclo Atkinson maximiza a eficiência em detrimento da potência, sendo a escolha ideal para motores híbridos.