Saiba o que é o ciclo Otto e como ele opera

Inventado no século 19, o ciclo Otto segue atuando em grande parte dos motores a combustão.

De modo geral, as grandes invenções são aquelas diante das quais, muito tempo após entrarem em voga, nós dizemos: “impressionante como isso continua atual”.

Definitivamente, é o caso do ciclo Otto. Elaborado pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto, trata-se de um ciclo termodinâmico ocorrido – até hoje – nos motores de automóveis movidos a gasolina, etanol e gás natural.

Além deste, existem outros três ciclos termodinâmicos. Antes de nos aprofundarmos no tema central do texto, explicaremos brevemente cada um dos outros. E que comece nossa miniaula de Física!

Tipos de ciclos termodinâmicos

Ciclos termodinâmicos são processos realizados por um sistema para que se obtenha ou realize trabalho sobre ele. Por exemplo, cada tipo de motor tem um processo diferenciado visando aos objetivos acima.

Dessa forma, o ciclo que rege o funcionamento do motor a diesel é diferente daquele que comanda o motor a gasolina ou álcool. Ainda existem outros modelos distintos, como o ciclo a vapor, sendo que todos esses citados estão longe de ser um chamado “ciclo ideal”. 

Ciclo Diesel

Obra do engenheiro franco-alemão Robert Diesel, este ciclo caracteriza-se pela combustão gerada pela compressão da mistura entre ar e combustível, sendo aplicado, como o próprio nome sugere, aos motores de veículos movidos a diesel.

O ar é recebido pela câmara na primeira etapa. Na segunda parte, o pistão faz a compressão dessa massa de ar e, ao fim da compressão, o combustível é injetado sob pressão no interior da câmara.

Devido à alta temperatura e pressão dentro da câmara, a mistura sofre uma explosão ao final do ciclo. E o gás formado por essa explosão expande-se a ponto de originar a terceira etapa. Por fim, as válvulas do motor liberam o gás, reiniciando todo o processo.

Vale lembrar que, embora o conteúdo seja outro, a forma é a mesma em relação ao ciclo Otto. Portanto, aqui você já pode ter uma boa noção do seu funcionamento. Mais à frente, essas etapas serão abordadas com maiores detalhes.

Ciclo Stirling

Inventado pelo escocês Robert Stirling, em 1816, esse ciclo surgiu com o objetivo de substituir o sistema aplicado às máquinas a vapor, que explodiam facilmente a ponto de tirar a vida de algumas pessoas que as operavam.

Esse ciclo termodinâmico utiliza gases atmosféricos como fluidos de trabalho. Consiste em quatro processos: expansão isotérmica; resfriamento a volume constante; compressão isométrica, e aquecimento a volume constante.

As vantagens do ciclo Stirling são o baixo nível de poluição gerada, além da queima completa e eficiente do combustível. No entanto, motores desse tipo trazem dificuldade para dar partida, bem como irregularidades na mudança de velocidade.

Ciclo Carnot

Proposto em 1824 pelo físico e engenheiro militar Nicolas Carnot, esse modelo consiste em uma sequência de transformações gasosas, por meio da qual uma máquina térmica tem o seu rendimento máximo operando diante de duas fontes térmicas. 

Quanto maior a temperatura da fonte quente, maior será o seu rendimento para uma substância que atue como um gás ideal. Com isso, as máquinas térmicas que utilizam o ciclo Carnot são consideradas “máquinas térmicas ideais”. O rendimento delas chega próximo a 100%.

Agora, chegou o momento do nosso protagonista.

O que é o ciclo Otto?

Embora tenha sido definido e patenteado pelo engenheiro francês Beaus de Rochas, coube a Nikolaus Otto implementá-lo, construindo um motor com base nesse ciclo, comumente aplicado em motores movidos a gasolina, álcool ou gás natural.

E como isso se deu? Bem, ele encontrou a fórmula que tornou possível conduzir a mistura ar-combustível em um cilindro. Dessa forma, permitiu-se que a combustão ocorresse de modo progressivo.

Seus primeiros protótipos tiveram enorme aceitação por trazerem maior eficiência e serem mais silenciosos do que os concorrentes. Os primeiros modelos eram movidos a gás, e somente depois de alguns anos, Otto aperfeiçoou as peças aos modelos de gasolina com admissão de ar. 

Com o passar do tempo, o motor de ciclo Otto provou ser um dos motores térmicos com maior rendimento energético. O processo acontece assim: o sistema aproveita a energia vinda da queima de combustível nos cilindros, para depois gerar movimento, resultando em trabalho mecânico.

Dissemos anteriormente que o ciclo Otto operava sob a mesma forma do ciclo de Diesel, diferenciando-se no conteúdo. Vamos a algumas dessas distinções.

Nos motores Otto, a mistura ar-combustível, mesmo quando comprimida até o ponto ideal, precisa de uma faísca – gerada pelas velas – para dar início ao processo de queima. Os motores a diesel, por sua vez, usam apenas o ar na primeira fase do ciclo. 

Com isso, o óleo é injetado apenas no momento final da compressão, para que inflame a mistura. 

“Primeira fase, “compressão”…esses são termos que você saberá melhor no próximo item.

Esse tipo de mecânica pode operar em dois ou quatro tempos, respeitando as várias etapas de funcionamento.

O motor de ciclo Otto também é chamado de “motor de quatro tempos”, já que ocorre nele um ciclo de 4 etapas: admissão, compressão, expansão e exaustão. Explicaremos cada um deles abaixo.

Os quatro tempos do ciclo Otto: admissão, compressão, combustão e exaustão 

O sistema é definido como a massa de ar que é extraída da atmosfera para dentro do cilindro, comprimida pelo pistão e aquecida pela faísca de ignição injetada pelo combustível, permitindo expandir a medida que comprime o pistão, e finalmente exaurir o ar de volta para a atmosfera. 

A massa de ar segue com seu volume, pressão e variação de temperatura durante as várias etapas termodinâmicas.

Aqui, é interessante pensar que todo esse complexo processo ocorre em questão de segundos, repetindo-se instantaneamente, tal qual nosso organismo durante a respiração.

São coisas que a Física nos proporciona através de suas grandes figuras humanas, entre elas Nikolaus Otto.

De um modo tão rápido e banal, vemos a transformação da energia química (das reações da combustão) em energia mecânica (no momento em que as rodas do veículo se movem).

Primeiro tempo: admissão

Nessa primeira fase, a válvula de admissão (entrada) está aberta, enquanto a válvula de escape (saída) permanece fechada. O pistão deixa o ponto morto superior (PMS), de modo a aumentar o volume da câmara de combustão. Nesse momento, a mistura ar-combustível entra no cilindro sob pressão quase constante. 

Por isso, é dito que no período de admissão ocorre uma transformação isobárica, ou seja, uma transformação sob pressão constante.

Segundo tempo: compressão

A segunda etapa é a compressão, na qual tanto a válvula de admissão como a de escape estão fechadas. O pistão, por sua vez, movimenta-se rapidamente para cima, comprimindo a mistura ar-combustível. Isso faz com que ocorra um aumento de pressão. Consequentemente – e ao mesmo tempo – o volume da mistura diminui.

Para se ter uma ideia, no fim desse estágio, a pressão do sistema é aproximadamente nove vezes superior à pressão atmosférica. 

Terceiro tempo: combustão

No terceiro tempo do ciclo Otto, o motor aumenta significativamente sua força. As válvulas de admissão e escape seguem fechadas; o pistão sobe, e a vela solta uma faísca, provocando a combustão da mistura.

Durante esse processo de queima, obtém-se grande quantidade de energia térmica – parte dela convertida em movimento mecânico. Tal fornecimento de calor aumenta a pressão do sistema, forçando intensamente o pistão a movimentar-se para baixo, elevando o volume do cilindro. 

Quarto tempo: exaustão

Chegamos à fase final, já com o ar e o combustível queimados. Mas tal ação sempre deixa alguns resíduos que precisam ser retirados de dentro do motor. 

Por isso, quando o pistão sobe, a válvula de escape se abre, expulsando da câmara de combustão os gases quentes residuais, arrefecendo todo o sistema. Nesse intervalo, a válvula de admissão permanece fechada.

Depois, o pistão volta a subir, reduzindo o volume da câmara e expulsando os gases da queima, liberados pelo sistema de escape. Com isso, o motor volta à sua condição inicial, reiniciando-se o ciclo.

Agora, imagine quantas vezes o ciclo Otto se repetiria enquanto você lia esse trecho. Simples e complexo ao mesmo tempo. O gráfico abaixo também explica, de maneira bem direta, como funciona esse processo.

Mantendo o ciclo Otto operando corretamente

Sendo o motor uma parte de todo um universo que envolve o veículo, seu bom funcionamento depende da qualidade dos demais componentes. Portanto, cheque o estado das peças, verifique as condições do veículo e realize as manutenções dentro dos prazos estabelecidos.

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