Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010
EFICIÊNCIA VOLUMETRICA DE UM MOTOR DE COMBUSTAO
INTERNA UTILIZANDO UM SISTEMA DE INJECAO DIRETA DE GAS
NATURAL
Andre Luiz Martelli1, Pedro Teixeira Lacava 2
Divisão de Engenharia Aeronáutica, Instituto Tecnológico da Aeronáutica Pça Mal Eduardo Gomes 50,Jd
das Acácias, 12228-900 – São José dos Campos, SP - Brasil, [email protected], http://www.ita.br
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Divisão de Engenharia Aeronáutica, Instituto Tecnológico da Aeronáutica, Pça Mal Eduardo Gomes 50,Jd
das Acácias, 12228-900 – São José dos Campos, SP - Brasil, [email protected], http://www.aer.ita.br
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1. Introdução
Motores de combustão interna utilizam, em geral, misturadores ou injetores individuais no pórtico de admissão
(ambos anteriores as válvulas de admissão) como método de dosagem de combustível gasoso. A presença do gás
natural reduz a quantidade mássica de ar máxima admitida pelo motor, o que limita a máxima potência por ele
desenvolvida.
Recentes desenvolvimentos aplicam métodos de injeção no interior da câmara de combustão, por meio de injetores
especiais. Tais sistemas permitem a adoção de estratégias de injeção atrasada, iniciando-se próximo ao fechamento das
válvulas de admissão, o que a reduz influência do combustível no processo de aspiração.
Com este conceito Caley, D. e Cathcart (2006) aumentaram a vazão de ar de um motor de 450 cm³ em 4 % para
5000 rotações por minuto (RPM) atingindo até 10% de aumento em baixas rotações. O mesmo estudo alerta também
para problemas relativos à preparação da mistura para altas cargas e velocidades, uma vez que para a manutenção da
vazão de combustível o período de injeção (em graus do ciclo de compressão) torna-se critico.
Neste trabalho utilizou-se de uma ferramenta de simulação 1-D (GT-POWER) para estudar a iteração da injeção
direta de combustível gasoso no processo de admissão avaliando, sobretudo, o parâmetro de eficiência volumétrica
definido segundo Heywood (1988) com base na massa de ar admitida (mar) velocidade de rotação (N) e volume
deslocado (Vd) para uma densidade referência (ρa) como mostra a Eq.(1).
ߟ௩ =
ଶ.௠ೌೝ
(1)
ఘೌ .௏೏.ே
2. Metodologia
A construção do modelo numérico 1-D baseou-se na geometria de um motor monocilíndrico de pesquisa (Figura 1
e Tabela 1). Sua validação se deu pela comparação dos dados de vazão mássica de combustível (mcomb) e fator lambda
(λ) obtidos durante os experimentos com injeção direta de gás natural para diferentes posições de inicio de injeção (SOI
em graus relativos ao ponto morto superior de compressão, °CA).
A velocidade de estudo foi de 1800 RPM, que corresponde a operação de um gerador síncrono de 4 polos acoplado
ao um motor deste porte.
Figura 1 - Motor monocilindrico e modelo numérico simplificado
Tabela 1 – Principais caracteristicas geométricas do motor
Diâmetro do cilindro
Curso do pistão
Volume deslocado
Razão de compressão
128 mm
160 mm
2059 cm³
13 : 1
Abertura da válvula de admissão
Fechamento da válvula de admissão
Abertura da válvula de escape
Fechamento da válvula de escape
353 °CA
601 °CA
134 °CA
399 °CA
Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010
,
O fator lambda relaciona a massa de ar real à massa de ar teórica para a combustão estequiométrica de uma unidade
mássica de combustível, que para o gás natural utilizado é de 15,58. Deste modo, a vazão de ar foi determinada segundo
a Equação (2), possibilitando o cálculo da eficiência volumétrica.
(2)
mୟ୧୰ = mሶୡ୭୫ୠ . λ. .15,58
O injetor foi modelado como uma válvula de admissão de 8 mm de diâmetro e levantamento de 0,2 mm. O perfil
de abertura e fechamento é do tipo trapezoidal, com rampas de 1 milissegundo (ou 10,8° CA a 1800 RPM) para cada
evento. Convencionaram-se como inicio e fim da injeção (SOI eEOF) os instantes de acionamento e desligamento do
pulso elétrico aplicado ao solenóide de abertura, inicio das rampas de abertura e fechamento. A vazão de combustível
foi ajustada aos dados experimentais pelo coeficiente de descarga do injetor. A pressão de injeção foi de 25 bar.
3. Resultados e Discussões
Considerando as incertezas de medição, para os dados experimentais dos casos A e B a simulação apresentou a
mesma tendência no aumento da eficiência volumétrica (ver Tabela 2). O atraso de 40° CA na injeção elevou a
eficiência volumétrica em 1,5 % aproximadamente.
Tabela 2 - Dados experimentais e da simulação
Fuel Flow [Kg/h]
6.61 ± 0.04
6.57 ± 0.04
6.54
6.54
SOI [º CA]
413
453
413
453
Lambda Factor
1.01 ± 0.01
1.03 ± 0.01
1.02
1.03
Volumetric efficiency
80.4 ± 1.2 %
A
81.9 ± 1.2 %
B
80,4%
Simulação A
81,7%
Simulação B
O modelo foi então submetido a diversas condições de SOI e até mesmo a condições de não injeção de combustível
(no fuel) e injeção de combustível no pórtico (PFI), condições conseguidas atribuindo zero ao levantamento do injetor e
ao ambiente a composição ar/combustível para o fator lambda desejado.
Volumetric Efficiency
86%
84%
EOI
82%
PFI
80%
SOI
78%
No fuel
76%
350
400
450
500
550
600
650
700
°CA
Figura 2 - Simulação de diversas condições de injeção e seu impacto na eficiência voluétrica
Observou-se que a adoção da injeção direta aumentou, para a condição estudada, a eficiência volumétrica do motor
de 2 a 7 %. A região que mais impacta a eficiência é a de SOI entre 450 e 520 °CA. É possível concluir que a injeção
direta pouco interfere no processo de admissão quando SOI ocorre muito próximo ao fechamento das válvulas de
admissão (600°CA), uma vez que a eficiência volumétrica atinge os níveis da não injeção de combustível.
4. Conclusões
Para a condição PFI a eficiência volumétrica foi de 77,6 %, sendo identificados aumentos de 2 a 7% nos valores
absolutos da eficiência volumétrica para injeção direta de gás natural com SOI de 350 a 560°CA respectivamente. Esta
ultima condição aproxima-se ao estudo de não injeção de combustível que representa um processo ideal, sem a
influência do combustível no processo de admissão.
Agradecimentos
À Sygma Motors, por suprir o aparato experimental utilizado neste trabalho.
5. Referências
Caley, D. and Cathcart, G., Development of a Natural Gas Spark Ignited Direct Injection.
http://www.orbeng.com.au/orbital/tp/pdf/2006_ngv.pdf
Heywood, J. B. - Internal Combustion Engines Fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1988