Por qual motivo as razões de compressão em motores de ignição espontânea são consideravelmente maiores do que aquelas presentes em motores de ignição por faísca? Por que no motor de ignição centelha, com mistura homogênea, não se utilizam taxas de compressão muito altas?
Passo 1
Beleza, o enunciado pergunta por que os motores a ignição espontânea (Diesel) têm taxas de compressão bem maiores que os motores a ignição por faísca (Otto) e, em particular, por que num motor Otto de mistura homogênea a gente não manda a taxa de compressão lá em cima.
Conteúdo: Termodinâmica de motores (ciclos Otto × Diesel), taxa de compressão, eficiência térmica, fenômeno de “knock” (detonação).
O que vamos precisar:
Conteúdo: Termodinâmica de motores (ciclos Otto × Diesel), taxa de compressão, eficiência térmica, fenômeno de “knock” (detonação).
O que vamos precisar:
- Entender o que é taxa de compressão e como ela afeta eficiência
- Saber como funciona a ignição por compressão (Diesel) versus ignição por faísca (Otto)
- Conhecer o conceito de detonação/autoinflamação
Passo 2
Primeiro, o ciclo Diesel:
- Você comprime só ar até uma pressão e temperatura bem altas.
- No ponto mais comprimido, injeta o combustível que “espontaneamente” pega fogo (auto-ignição).
- Combustão quase a pressão constante; expansão e exaustão.
Por que a gente quer CR alta no Diesel? Porque a eficiência térmica aproximada cresce com a taxa de compressão. Num ciclo Otto a gente costuma usar
η≈1−1/ε^(γ−1)
mas no Diesel, pela diferença de fase de injeção, a eficiência também sobe com r (r = CR). Quanto mais alto r, maior a temperatura final de compressão e mais energia é aproveitada. Além disso, o motor Diesel não sofre tanto com “end-gas” porque a mistura fica estratificada – o combustível só chega no ar quente quando você injeta.
η≈1−1/ε^(γ−1)
mas no Diesel, pela diferença de fase de injeção, a eficiência também sobe com r (r = CR). Quanto mais alto r, maior a temperatura final de compressão e mais energia é aproveitada. Além disso, o motor Diesel não sofre tanto com “end-gas” porque a mistura fica estratificada – o combustível só chega no ar quente quando você injeta.
Passo 3
Agora o ciclo Otto (faísca e mistura homogênea):
- Você mistura ar + combustível antes da compressão.
- Comprime até certo ponto e dá faísca para iniciar a queima quase instantânea.
- Expansão e exaustão.
Teoricamente, também valeria η≈1−1/ε^(γ−1), mostrando que quanto maior ε, melhor a eficiência. Mas tem um porém: a mistura homogênea no fim da compressão fica tão quente e tão sob pressão que pode “autoinflamar” antes do disparo da vela – isso é a tal detonação (knock).
Passo 4
Detonação é ruim porque gera picos de pressão descontrolados e faz “batida de pino”, danificando o motor. Para atrasar ou evitar esse fenômeno o combustível precisa de alto número de octanas e/ou a gente precisa manter ε num valor seguro (geralmente entre 8:1 e 12:1 em motores de produção). Aí não adianta querer turbinar a taxa de compressão para ganhar eficiência, porque você esbarra na auto-ignição precoce.
Resposta
Os motores Diesel usam taxas de compressão muito maiores (tipicamente 16:1 a 24:1) porque precisam de alta pressão/temperatura para a auto-ignição do combustível e não sofrem com o “end-gas” da mistura homogênea, garantindo alta eficiência. Já nos motores Otto de mistura homogênea limitamos a taxa de compressão (8:1 a 12:1) para evitar detonação (knock), que ocorre quando a mistura se auto-inflama antes da centelha e pode danificar o motor.