Comparando os motores a gasolina e a diesel: Faça um comparativo entre os motores a gasolina e a diesel, em relação aos seguintes aspectos: ciclos (diagramas p-V ), transformações termodinâmicas, eficiências, substância de trabalho, ignição.

Passo 1

O enunciado pede um comparativo entre motores a gasolina e a diesel nos seguintes pontos:
  • Ciclos termodinâmicos (diagramas p\!-\!V)
  • Transformações em cada ciclo
  • Eficiências
  • Substância de trabalho
  • Tipo de ignição
    Para isso, vamos usar o modelo de ciclo ideal Otto para gasolina e de ciclo ideal Diesel para motores a diesel, além das fórmulas-padrão de eficiência em ciclos de aproximação de gás perfeito.

Passo 2

Análise do motor a gasolina (ciclo Otto ideal):
1. Ciclo p\!-\!V: formato aproximado de losango com dois ramos quase verticais (isochoras) e dois ramos quase inclinados (adiabáticos).
2. Transformações ( 4 tempos convertidos em 4 processos):
1 2: compressão adiabática (sem troca de calor) da mistura ar-combustível.
2 3: aquecimento isocórico (centelha gera combustão rápida, volume constante).
3 4: expansão adiabática (fornece trabalho útil).
4 1: resfriamento isocórico (rejeição de calor para o escapamento e para a carcaça).
3. Eficiência teórica: depende só da taxa de compressão r e do expoente adiabático \gamma
\eta_{\mathrm{Otto}} =1-\frac{1}{r^{\,\gamma-1}}.
4. Substância de trabalho: mistura pré-misturada de ar e gasolina (combustível vaporizado).
5. Ignição: por centelha (spark ignition), controlada pelo distribuidor e bobina.

Passo 3

Análise do motor a diesel (ciclo Diesel ideal):
1. Ciclo p\!-\!V: parecendo um trapézio, com um ramo de pressão praticamente horizontal (isobára).
2. Transformações ( 4 processos ideais):
1 2: compressão adiabática do ar puro (sem combustível ainda).
2 3: adição de calor a pressão constante (injeção de diesel, volume aumenta).
3 4: expansão adiabática (trabalho útil).
4 1: rejeição de calor isocórica (resfriamento do gás residual).
3. Eficiência teórica: além de r e \gamma, aparece a razão de corte \rho=V_3/V_2
\eta_{\mathrm{Diesel}} =1-\frac{1}{r^{\,\gamma-1}}\;\frac{\rho^{\,\gamma}-1}{\gamma\,(\rho-1)}.
4. Substância de trabalho: ar comprimido, no qual se injeta o combustível diesel diretamente.
5. Ignição: por compressão (compression ignition), o calor da alta pressão inflama o combustível.

Passo 4

Comparação direta:
  • Formato p\!-\!V: Otto tem aquecimento isocórico (ramos verticais), Diesel tem aquecimento isobárico (ramo horizontal).
  • Transformações: Otto troca calor num volume constante; Diesel, num nível de pressão constante.
  • Eficiência: para mesma r, tipicamente \eta_{\mathrm{Diesel}}>\eta_{\mathrm{Otto}} porque o calor é introduzido a pressão mais alta e Diesel opera com r maior sem risco de pré-ignição.
  • Substância de trabalho: Otto mistura antes da compressão; Diesel comprime só ar e depois injeta combustível, permitindo razões de ar-combustível mais altas (combustão mais magra).
  • Ignição: Otto usa faísca; Diesel usa calor de compressão (ignição espontânea), o que impõe maiores taxas de compressão em motores diesel.

Resposta

Motor a gasolina (ciclo Otto):
  • Ciclo p\!-\!V: losango com ramos isocóricos e adiabáticos.
  • Processos: adiabático \to isocórico \to adiabático \to isocórico.
  • \displaystyle \eta=1-r^{1-\gamma}.
  • Substância de trabalho: mistura ar-gasolina.
  • Ignição: spark ignition.
Motor a diesel (ciclo Diesel):
  • Ciclo p\!-\!V: trapézio com ramo isobárico.
  • Processos: adiabático \to isobárico \to adiabático \to isocórico.
  • \displaystyle \eta=1-\frac{1}{r^{\gamma-1}}\frac{\rho^{\gamma}-1}{\gamma(\rho-1)}.
  • Substância de trabalho: ar comprimido + injeção de diesel.
  • Ignição: compression ignition.

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