Ciclo Lenoir
O ciclo de Lenoir foi um ciclo termodinâmico idealizado usado para modelar o motor a pulso jato. É baseado na operação do motor patenteado por Étienne Lenoir em 1860, considerado como o primeiro motor de combustão interna comercialmente fabricado.
Um ciclo ideal de Lenoir com um gás ideal passa por: 1-2: Adição de calor a volume constante; 3-1: Rejeição de calor a pressão constante. Q H {\displaystyle Q_{H}} = Transferência de calor quente, H= hot Q c {\displaystyle Q_{c}} = Transferência de calor frio, C= cold De acordo com o ciclo, o pistão inicial (1), quando há adição de calor ocorre um aumento de pressão a volume constante, (2); Do ponto (2) para o (3) ocorre uma expansão e de (3) para (1) o calor é liberado a pressão constante. O processo de expansão (2) para (3) é um processo Adiabático e consequentemente não envolve troca de calor. A energia é absorvida em forma de calor durante o aquecimento em volume constante e fornecida como trabalho durante a expansão. O calor restante não é aproveitado e é perdido durante o processo de resfriamento a pressão constante. Para o cálculo da eficiência do ciclo de Lenoir deve ser levado em consideração que
Adição de calor a volume constante (1-2)
No processo isocórico, o volume do sistema é constante, pela equação do trabalho isso faz com que o trabalho seja igual a zero. Logo, ΔU=Q. Na versão com gás ideal do ciclo de Lenoir tradicional, o primeiro estágio (1-2) envolve a adição de calor de modo que o volume seja constante. Este processo se baseia na primeira lei da termodinâmica: Q H = c v ( T 2 − T 1 ) {\displaystyle {}Q_{H}=c_{v}\left({T_{2}-T_{1}}\right)} c v {\displaystyle {\displaystyle {c_{v}}}} o calor específico a volume constante; T 1 {\displaystyle {T_{1}}} a temperatura da fonte fria; T 2 {\displaystyle {T_{2}}} a temperatura da fonte quente. Não existe trabalho durante este processo porque o volume se mantém constante:
Expansão adiabática (2-3)
No processo adiabático não há troca de calor do sistema com o meio, ou seja, Q = 0, então pela equação da 1ª lei da termodinâmica, ΔU=W. A segunda etapa(2-3) envolve uma expansão adiabática reversível do fluido de volta para sua pressão original. Pode-se determinar que, para um processo Adiabático, a aplicação da segunda lei da termodinâmica resulta no seguinte: ( T 2 T 1 ) = ( p 2 p 1 ) {\displaystyle \left({\frac {T_{2}}{T_{1}}}\right)=\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)} e ( T 3 T 1 ) = ( V 3 V 1 ) {\displaystyle \left({\frac {T_{3}}{T_{1}}}\right)=\left({\frac {V_{3}}{V_{1}}}\right)} P 2 V 2 ℘ − 1 = P 3 V 3 ℘ − 1 {\displaystyle P_{2}V_{2}^{\wp -1}=P_{3}V_{3}^{\wp -1}}
Perda de calor a pressão constante (3-1)
A fase final (3-1) envolve uma perda de calor a pressão constante (transformação isobárica), voltando ao estado original. Da primeira lei da termodinâmica, temos: 3 Q 1 − 3 W 1 = U 1 − U 3 {\displaystyle {}_{3}Q_{1}-_{3}W_{1}=U_{1}-U_{3}} concomitantemente, podemos definir também que Q c = c p ( T 3 − T 1 ) {\displaystyle Q_{c}=c_{p}(T_{3}-T_{1})} da definição de calor específico a pressão constante para um gás ideal: c p = γ R γ − 1 {\displaystyle c_{p}={\frac {\gamma R}{\gamma -1}}} 3 W 1 = ∫ 3 1 p d V = p 1 ( V 1 − V 3 ) {\displaystyle {}_{3}W_{1}=\int \limits _{3}^{1}{pdV}=p_{1}\left({V_{1}-V_{3}}\right)}
Eficiência do Ciclo de Lenoir
Outras formas de calcular a eficiência do Ciclo de Lenoir são através das equações: e l = 1 − ( | Q C | | Q H | ) {\displaystyle e_{l}=1-\left({\frac {|Q_{C}|}{|Q_{H}|}}\right)} e l = 1 − ( c p ( T 3 − T 1 ) c v ( T 2 − T 1 ) ) {\displaystyle e_{l}=1-\left({\frac {c_{p}(T_{3}-T_{1})}{c_{v}(T_{2}-T_{1})}}\right)} e l = 1 − ℘ ( ( T 3 T 1 ) − 1 ( T 2 T 1 ) − 1 ) {\displaystyle e_{l}=1-\wp \left({\frac {\left({\frac {T_{3}}{T_{1}}}\right)-1}{\left({\frac {T_{2}}{T_{1}}}\right)-1}}\right)} e l = 1 − ℘ ( ( V 3 V 1 − 1 ) ( V 3 V 2 − 1 ) ) {\displaystyle e_{l}=1-\wp \left({\frac {({\frac {V_{3}}{V_{1}}}-1)}{\left({\frac {V_{3}}{V_{2}}}-1\right)}}\right)}
Representação do ciclo
Quando o pistão está na parte inferior central, gases de combustão são permitidos a escapar. O momento rotacional do sistema de manivela direciona o pistão até a posição centro-topo, expelindo gases adicionais enquanto segue. Uma mistura nova de combustível é recebida novamente na câmara de combustível (cilindro) e o ciclo é repetido. A animação a seguir mostra o funcionamento do Ciclo de Lenoir:
O pistão desce desde o ponto morto superior, admitindo a mistura ar-combustível por uma válvula (que pode ser somente uma válvula anti-retorno, que se abre por depressão). Num dado ponto da descida do pistão dá-se a ignição que produz uma combustão instantânea, produzindo um aumento, também instantâneo, da pressão; a partir daí o pistão é expandido para o ponto morto inferior, baixando a pressão do gás. No ponto morto inferior a válvula de escape abre (por meio de um mecanismo, tipo carne) e os gases queimados são expulsos do cilindros pela subida do pistão. Teoricamente estes motores poderiam atingir um rendimento algo inferior a 30%, embora na prática se obtivessem valores na ordem dos 10%. Mas o grande problema destes motores não residia tanto no rendimento, mas sim na potência que estava disponível. Para se obter um pouco mais de 1 kW estes motores poderiam pesar 2 toneladas. O ciclo de funcionamento destes motores tinha a grande desvantagem de a s condições para grande potência e elevado rendimento serem incompatíveis, ou seja, ao máximo da potência correspondia baixo rendimento e vice versa.
A imagem representa o diagrama Temperatura x Entropia.
Imagem: TurmaAciclolenoir · BY-SA · Openverse
Se o combustível for queimado no seio do fluido motor, a máquina denomina-se por combustão interna. Neste caso, geralmente o fluido ativo é constituído por uma mistura de ar-combustível que vai ser queimado num local apropriado do ciclo (dentro do motor).
Motores de Combustão Interna Atmosféricos
Com o pistão principal no ponto morto inferior, um pistão suplementar (abaixo do principal) admitia mistura que era feita explodir, o que impulsionava o pistão principal rapidamente até o topo do cilindro. Daí o pistão engrenava na roda dentada e descia lentamente, pois o arrefecimento do gás baixava-lhe a pressão e a pressão atmosférica empurrava-o para baixo, produzindo trabalho. Repare-se que ao desligar o pistão do eixo motor origina-se uma expansão muito rápida e portanto adiabática (sem perdas), enquanto que a sua descida seria lenta para permitir as trocas de calor com o exterior (arrefecimento). Embora não se aproveitasse a expansão dos gases proveniente da explosão, esta máquina não tinha muitas perdas, pois a quantidade de combustível era a exata para que o pistão chegasse ao topo adiabaticamente.
Combustíveis
Em relação aos combustíveis, os vários inventores usaram diferentes produtos, desde a pólvora ao pó de carvão (a que os irmãos Niepce juntaram resina em 1806 de modo a permitir uma melhor ignição), passando pela aguarrás (destilada da resina), por destilados de petróleo bruto (o antecessor da gasolina), por álcool e mesmo por hidrogênio (motor de Cecil, em 1820). A maneira como o combustível era fornecido ao motor também variava de autor para autor, mas geralmente havia cuidado em definir as proporções entre o combustível e o ar. Mais uma vez os irmãos Niepce foram os inventores da injeção direta (dentro do cilindro) auxiliada com ar comprimido ( 1816), de modo a permitir atomização do combustível líquido, que propuseram ser derivado do petróleo bruto.
Problemas destes primeiros motores
Um dos grandes problemas destes primeiros motores era a ignição do combustível. Geralmente esta era conseguida por uma chama exterior que se colocava em contacto com a mistura combustível. Claro que Jogo que a combustão se dava, dava-se também uma expansão de gases através do contacto com a chama, o que a poderia apagar, levando os inventores a desenvolver sofisticados sistemas para que tal não acontecesse. Havia fornecimento de uma mistura combustível por A a um cilindro rotativo B que tinha uma janela C que permitia que a chama D entrasse em contacto com essa mistura, que ardia e era expandida (ainda em combustão) para o cilindro do motor (pelo orifício E). iniciando a sua combustão.
Aplicação
Os motores de combustão interna têm diversas aplicações e são muito utilizados atualmente ao serviço da tecnologia e do desenvolvimento da mesma. São usados principalmente na indústria rodoviária, nos automóveis, motos e camiões mas também em aviões e navios. Podem ser encontrados também em outros campos, como na produção de eletricidade e no bombeamento de água tal. Embora estes não consigam competir com as turbinas dos aviões e os motores nucleares dos navios de grande porte, não têm concorrência na estrada. Bastante importante fazer referência também ao aumento do rendimento do motor ao longo do tempo e à diminuição de gases poluentes expelidos pelo mesmo, que é cerca de 100 vezes inferior aos de 40 anos atrás.
