Phenomenological Reduction to Corporeality

De acordo com Giacosa (1970) o ciclo real do motor é obtido experimentalmente, por meio de aparelhos indicadores, capazes de registar o diagrama em função de pressão (p) e volume (V) em um cilindro em movimento. Este diagrama reflete as condições reais do ciclo e as variações descritas pelos ciclos padrão ar e ar-combustível em comparação ao ciclo ideal. Assim, são conhecidas as perdas de calor, a duração da combustão, as perdas causadas pelo atrito do fluido, a duração do tempo de abertura das válvulas, o tempo de ignição, o tempo de injeção e as perdas de exaustão.

Pulkrabek (1997) afirma que o ciclo real de um motor opera como um ciclo aberto e com mudança de composição, tanto do gás admitido quanto do gás de exaustão, e também a vazão em massa destes não permanecem constante. Há uma massa gasosa maior que sai pela exaustão do que a massa gasosa que é admitida, no ciclo real. A análise do ciclo padrão ar considera o fluxo de fluido em todo o motor como ar, e o aproxima de gás ideal. No caso do ciclo real, o fluxo de entrada pode ser todo de ar ou ter uma adição de até 7% de combustível, tanto como gás ou na forma de gotículas ou ambos. Durante a combustão, a composição dos gases é então alterada para uma mistura de gases principalmente CO2, H2O e N2 como

menores quantidades de CO e vapores de hidrocarbonetos. No motor Diesel, há partículas sólidas de carbono presentes nos gases de combustão. Aproximar os produtos de exaustão de ar simplifica a análise, mas produz erros.

Segundo Pulkrabek (1997) mesmo que todo o fluido em um ciclo do motor fosse ar, algum erro seria introduzido, assumindo que este fosse um gás ideal como calor específico constante. Na admissão e na exaustão, que possuem baixa pressão, o ar pode ser tratado com precisão como um gás ideal, mas com as maiores pressões durante a combustão, o ar se desviará do comportamento de gás ideal. Um erro grave é assumir constante o valor do calor específico. O calor específico do gás tem forte dependência da temperatura, podendo variar 30% na faixa de temperatura do motor (para ar Cp=1,004kJ/kg.K a 300K e Cp=1,292kJ/kg.K a

3000K).

Pulkrabek (1997) afirma que há perdas de calor no ciclo real que são ignoradas no ciclo padrão ar. A perda de calor durante a combustão reduz a temperatura e pressão, diminuindo a potência máxima e a produção de trabalho na expansão. A transferência de calor continua na

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expansão, levando a uma diminuição da eficiência térmica, ficando abaixo do nível da eficiência térmica do ciclo padrão ar. A transferência de calor também está presente na compressão, mas é menor em relação à transferência de calor que ocorre na expansão, em função da temperatura ser menor na compressão.

Giacosa (1970) afirma que existem diferenças substanciais entre os ciclos teórico e real, tanto na forma do diagrama p-V quanto nos valores de temperaturas e pressões. Há distinção de forma nos perfis dos diagramas p-V do ciclo teórico e real tanto no ciclo Otto figura 3.20a, quanto no ciclo Diesel figura 3.20b:

Combustão não instantânea: No ciclo teórico se supõe que a combustão se realiza a

volume constante e instantânea. No ciclo real, ao contrário, a combustão ocorre durante certo intervalo de tempo. A ignição não ocorre exatamente quando o pistão está em PMS. Assim, é necessário antecipar a ignição, para que ela ocorra em sua maior parte quando o pistão estiver próximo de PMS, como pode ser visto pela área B da figura 3.20a. Este fato produz um arredondamento da curva do diagrama indicando uma perda de trabalho útil.

(a) (b)

Figura 3.20- Comparação entre ciclo Otto teórico e real (a) e o ciclo Diesel teórico e real (b).

Fonte: (Giacosa, 1970).

Perdas de calor: No ciclo teórico são nulas as perdas de calor, mas são muito

sensíveis no ciclo real. Como o cilindro do motor está refrigerado para assegurar o bom funcionamento do pistão, calor do fluido é transmitido para as paredes do cilindro. Assim, as linhas de compressão e expansão do diagrama, não são adiabáticas

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e sim politrópicas com expoente n diferente de k. Como o fluido ativo experimenta uma perda de calor, durante a expansão tem-se n>k e durante a compressão n<k. E como consequência há uma perda de trabalho útil como é visto pela área A da figura 3.20a.

Tempo de abertura das válvulas de exaustão: No ciclo teórico supõe-se que a retirada

de calor ocorre instantaneamente no PMI. No ciclo real, isto ocorre em certo intervalo de tempo, sendo que a válvula de exaustão deve ser aberta com antecipação, para dar tempo a uma parte dos gases deixarem o cilindro antes que o pistão alcance o PMI. Isto provoca uma perda de trabalho como é observado pela área C da figura 3.20a. Segundo Giacosa (1970) as causas das diferenças nos valores de pressão e temperatura máxima entre os ciclos teórico e real no caso do ciclo Otto são:

Aumento do valor dos calores específicos do fluido ativo com a temperatura: Tanto o

calor específico à pressão constante (Cp) quanto o calor específico a volume constante

(Cv) de um gás real, aumentam com a temperatura, de tal forma que a sua diferença

Cp-Cv permanece constante. Assim, ao aumentar a temperatura, diminui-se o valor k

da expressão C C k v p

 . Isto permite dizer que os valores máximos de temperatura e

pressão são sempre menores daqueles que seriam alcançados no caso em que os calores específicos fossem constantes com a variação de temperatura, como é feito para traçar o diagrama do ciclo teórico. Mas, para o ciclo real, como os produtos da combustão têm calores específicos maiores do que os do ar, e, portanto, os valores de pressão e temperatura máxima, no ciclo real, são inferiores. Por isto, a superfície na figura 3.20a e o rendimento são diminuídos;

Dissociação na combustão: Os produtos da combustão são essencialmente CO2 e

H2O, além de outros compostos como CO, H2 e O2. A dissociação destes produtos da

combustão é uma reação que ocorre com a absorção de calor, em que a temperatura máxima alcançada é menor e há perda de certa quantidade de trabalho. Mas, como a temperatura diminui durante a expansão, a reação de dissociação diminui. Ocorre nesta fase, uma associação parcial com liberação de calor, e diminui o expoente de expansão politrópica n, que deve ser maior que k. E por meio de perdas de calor através das paredes do cilindro, aproxima-se do coeficiente de politropia de compressão. Com isto, consegue-se uma parcial recuperação do trabalho que foi perdido;

62 Pressão na admissão e exaustão: no caso do ciclo real, a pressão no cilindro é menor

na admissão do que a pressão na exaustão; Salvo em casos particulares, a pressão durante a admissão é menor do que a pressão atmosférica. Enquanto que a pressão de exaustão é superior, como é visto pela área D da figura 3.20a, que corresponde ao trabalho perdido;

Segundo Giacosa (1970) nos ciclos real e teórico Diesel, como no caso do ciclo Otto, diferenças na forma do diagrama p-V, nos valores de pressão e de temperatura. Sendo que algumas dessas diferenças correspondem ao ciclo Otto, como por exemplo, as diferenças devidas a variação dos calores específicos, as perdas de calor e ao tempo de abertura da válvula de exaustão. Outras diferenças se diferem em parte e são originadas pela dissociação na combustão e perdas pelo bombeamento de combustível. Uma diferença específica do ciclo Diesel é dada pela combustão, que no caso do ciclo real, a pressão não é constante:

Combustão à pressão constante: O diagrama p-V da figura 3.20b mostra que na

prática, a combustão ocorre com a variação da pressão, enquanto que no ciclo teórico, admite-se que a mesma se mantem constante. Na realidade, uma parte da combustão ocorre a volume constante e outra a pressão constante, como no ciclo Otto real. Apenas nos motores muito lentos ocorre como no ciclo teórico;

Dissociação dos produtos da combustão: Nos motores Diesel, a dissociação não tem

efeito tão importante como ocorre nos motores Otto, onde o excesso de ar e a mistura dos produtos da combustão são tais que reduzem a temperatura máxima e em consequência reduz a dissociação dos produtos da combustão;

Perda por bombeamento: As perdas por bombeamento, no ciclo Diesel, são menores

do que no ciclo Otto, uma vez que no ciclo Diesel não há estrangulamento no ar de admissão e não existe, nos motores de ignição por compressão, a válvulas borboleta, característica nos motores de ignição por centelha, no carburador. Assim, a superfície negativa do ciclo real Diesel é menor do que a superfície negativa do ciclo real Otto;