CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO
ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO COM VARIAÇÃO DA
CONCENTRAÇÃO DE ÁLCOOL NA GASOLINA EM MOTOR FLEX 1.6 - 8V
CURITIBA
2007
ERLON MURILO FOGAÇA
RAIMUNDO FERREIRA MATOS JÚNIOR
WAGNER FERNANDES BORGES
ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO COM VARIAÇÃO DA
CONCENTRAÇÃO DE ÁLCOOL NA GASOLINA EM MOTOR FLEX 1.6 - 8V
Monografia apresentada como requisito parcial à
obtenção de grau de Engenheiro Mecânico do
Curso de Engenharia Mecânica, do Núcleo de
Ciências Exatas e Tecnológicas do Centro
Universitário Positivo.
Orientador: Prof. Rafael Albea
CURITIBA
2007
DEDICATÓRIA
As nossas companheiras e famílias que sempre nos incentivaram e nos apoiaram
constantemente, abdicando de horas preciosas para que nós pudéssemos completar
mais esta etapa de nossas vidas.
ii
AGRADECIMENTOS
Aos nossos colegas, pelas importantes discussões geradas em sala de aula e na
empresa sobre os assuntos acadêmicos que ajudaram a integrar esse trabalho.
Aos professores que muito contribuíram para a nossa formação acadêmica e que
hoje fazem parte de nossas vidas e de nossas memórias, pelos momentos
agradáveis que passamos durante o processo de aprendizagem.
Agradecemos principalmente a nosso professor e orientador Rafael Albea, pelo
acompanhamento e revisão do estudo, contribuindo com críticas construtivas para
maior entendimento e aprofundamento do respectivo trabalho.
Aos amigos (Gustavo / Fábio / Amy) que contribuíram com muitas idéias nas
análises e coleta de documentações bem como o fechamento final deste trabalho.
A Octávio e Nadir pais do Erlon, pelo cafezinho e a disponibilidade de um local
tranqüilo e calmo para as discussões e desenvolvimento teórico deste trabalho.
iii
Bem aventurados os que trilham
caminhos retos, e andam na lei do
Senhor.
Salmos 119-1.
iv
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ................................................................................................ iii
SUMÁRIO................................................................................................................... v
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................ vii
LISTA DE TABELAS .............................................................................................. viii
LISTA DE GRÁFICOS .............................................................................................. ix
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .................................................................... x
LISTA DE SÍMBOLOS .............................................................................................. xi
RESUMO.................................................................................................................. xii
ABSTRACT............................................................................................................. xiii
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 1
1.1 IMPORTÂNCIA DO TEMA ................................................................................... 2
1.2 OBJETIVOS ......................................................................................................... 2
1.2.1 Objetivo Geral .................................................................................................. 2
1.2.2 Objetivo Específico ............................................................................................ 2
1.3 ESTRUTURA........................................................................................................ 3
1.4 ESCOPO .............................................................................................................. 3
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 4
2.1 MÉTODOS DE MEDIÇÃO DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.............................. 4
2.2 PROPRIEDADES GASOLINA E ÁLCOOL ........................................................... 7
2.3 PARÂMETROS DO MOTOR ................................................................................ 9
2.3.1 Potência Indicada .............................................................................................. 9
2.3.2 Potência Efetiva e Torque ............................................................................... 11
2.3.3 Pressão Média Indicada .................................................................................. 13
2.3.4 Pressão Média Efetiva e Pressão Média de Atrito........................................... 14
2.3.5 Ponto de Ignição e Avanço.............................................................................. 15
3 FUNDAMENTAÇÃO ............................................................................................. 16
3.1 MODELO EXPERIMENTAL PARA CÁLCULO DA PMI...................................... 16
3.2 MODELO MATEMÁTICO PARA CÁLCULO DA PMI ......................................... 17
4 DESENVOLVIMENTO........................................................................................... 19
4.1 OBTENÇÃO DA PMI EXPERIMENTAL.............................................................. 19
4.1.1 Medição da Pressão de Combustão................................................................ 21
4.1.2 Condições de Ensaio....................................................................................... 26
4.2 OBTENÇÃO DA PMI MODELO MATEMÁTICO ................................................. 27
5 RESULTADOS E VALIDAÇÃO ............................................................................ 28
v
6 CONCLUSÃO ....................................................................................................... 39
6.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.................................................. 41
REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 43
APÊNDICE ............................................................................................................... 45
ANEXO..................................................................................................................... 48
vi
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 01: CURVA DE PRESSÃO NO CILINDRO – CICLO COMPLETO .............. 5
FIGURA 02: DIAGRAMAS P-V................................................................................. 10
FIGURA 03: ESQUEMA DE MEDIÇÃO DE TORQUE ............................................. 11
FIGURA 04: BANCADA COM DINAMÔMETRO E MOTOR..................................... 20
FIGURA 05: CARRO DO MOTOR E SUAS CONEXÕES PARA FLUÍDO ............... 21
FIGURA 06: LEITURA E TRANSFORMAÇÃO DO SINAL DE PRESSÃO ............... 22
FIGURA 07: TRANSDUTOR INCORPORADO A VELA DE IGNIÇÃO..................... 24
FIGURA 08: FLUXO PARA A REALIZAÇÃO DO ENSAIO....................................... 25
FIGURA 09: DETALHAMENTO DA VELA COMERCIAL E A INSTRUMENTADA ... 25
FIGURA 010: VELA COMERCIAL E INSTRUMENTADA NO CABEÇOTE.............. 26
FIGURA 11: PMI PONTO A PONTO OBTIDA NO CILINDRO 3 (E0)...................... 35
FIGURA 12: PMI PONTO A PONTO OBTIDA NO CILINDRO 3 (E100)................... 36
vii
LISTA DE TABELAS
TABELA 01: COMPOSIÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS DERIVADOS DO PETRÓLEO. 7
TABELA 02: COMPOSIÇÃO DO ÁLCOOL COMBUSTÍVEL...................................... 8
TABELA 03: COMPOSIÇÃO DA GASOLINA BRASILEIRA ....................................... 9
TABELA 04: PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DO MOTOR ................................... 27
TABELA 05: CÁLCULO DA PMF PARA MODELO MATEMÁTICO DA PMI ............ 32
TABELA 06: DEMONSTRAÇÃO DOS VALORES DA PMI (E0 / E24 / E62 / E100). 41
viii
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO 01: CURVA CARACTERÍSTICA DE TORQUE MOTOR (1.6-8V) ........... 12
GRÁFICO 02: CURVA CARACTERÍSTICA DE POTÊNCIA MOTOR (1.6-8V) ........ 13
GRÁFICO 03: PMI MEDIDO NOS 4 CILINDROS DO MOTOR................................ 29
GRÁFICO 04: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E0)... 30
GRÁFICO 05: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E24). 31
GRÁFICO 06: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E62). 31
GRÁFICO 07: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E100)32
GRÁFICO 08: CURVA CARACTERÍSTICA PMI MEDIDA NO CILINDRO 3 ............ 33
GRÁFICO 09: CURVA CARACTERÍSTICA PMI CALCULADA DO CILINDRO 3 .... 34
GRÁFICO 10: GRÁFICO P-V DO CILINDRO 3 (E0) ................................................ 35
GRÁFICO 11: GRÁFICO P-V DO CILINDRO 3 (E100) ............................................ 36
GRÁFICO 12: PRESSÃO COMB. CILIND. 3 2750 RPM PLENA CARGA (E0)........ 38
GRÁFICO 13: PRESSÃO COMB. CILIND. 3 2750 RPM PLENA CARGA (E100).... 38
GRÁFICO 14: ZONAS DE ANÁLISE DA PMI........................................................... 40
ix
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
MCI
Motor de combustão interna
PCI
Poder calorífico inferior
Pi
Pressão indicada
PME
Pressão média efetiva
PMF
Pressão média de atrito
PMI
Pressão média indicada
Pmi
Ponto morto inferior
Pms
Ponto morto superior
RBC
Rede Brasileira de Calibração
x
LISTA DE SÍMBOLOS
E0
Combustível com 0% de álcool e 100% de gasolina
CC
Volume do cilindro
D
Diâmetro do pistão
E100
Combustível com 100% de álcool
E24
Combustível com 24% álcool e 76% gasolina
E62
Combustível com 62% álcool e 38% gasolina
L
Curso do pistão
Mar
Massa de ar
nc
Rotação do motor
Pj
Pressão de combustão medida
q
Energia calorífica
R
Taxa de compressão
T
Torque
Vcyl
Volume do cilindro
Vd
Volume deslocado no cilindro
Vp
Velocidade do pistão
We
Potência efetiva
Wi
Potência indicada
ηth
Rendimento térmico
xi
RESUMO
Este trabalho visa uma análise da dispersão do valor da pressão de combustão
média indicada de um motor flex 1.6 – oito válvulas com a utilização de diferentes
concentrações de álcool na gasolina, entre um modelo matemático empírico,
comparado com um modelo experimental, que utiliza equipamentos específicos para
coleta de dados e tratamento do sinal com software dedicado. O modelo matemático
é constituído por valores constantes, como os dados geométricos do motor (curso e
diâmetro do pistão) e por dados variáveis (torque e rotação do motor) que para sua
obtenção é necessário a utilização de um equipamento conhecido como
dinamômetro. Para a obtenção dos dados experimentais, utiliza-se também uma
bancada dinamométrica, além de um sistema de aquisição e de tratamento de sinal.
Neste trabalho não é observado o que a diferença entre o valor calculado e o valor
obtido no experimento, pode acarretar em relação aos esforços nos componentes
internos do motor.
Palavras-chave: Motor flex, pressão de combustão, pressão média indicada.
xii
ABSTRACT
This work presents the dispersion of the average indicated pressure of an 1,6 - eight
valves flex engine using different alcohol concentrations in gasoline, comparing an
empirical mathematical model with an experimental model, that uses specific
equipment for data acquisition and signal treatment with a dedicated software. The
mathematical model is constituted by constant values, as the geometric data of the
engine (course and diameter of the piston), and variable data (torque and engine
rotation) which demands the assistance of a specific equipment known as a
dynamometer. In order to get the experimental data, a dynamometer test bench is
used with the assistance of an acquisition system and a signal treatment equipment.
In this work it not be considered the consequences on internal engine components
stresses caused by the difference between the calculated value and the value gotten
by experiment.
Keywords: flex engine, combustion pressure, indicated average pressure
xiii
1 INTRODUÇÃO
No cenário atual de mercado, com a filosofia da globalização, existe uma
grande concorrência entre as empresas de mesmo nicho de mercado. Esta
concorrência tende a inibir comercialmente o fornecedor menos capacitado
tecnologicamente, para a fabricação e desenvolvimento de um determinado produto.
Nas grandes empresas multinacionais automobilísticas, a busca por novas
tendências de mercado e novas tecnologias, faz com que aquelas que as possuem,
saiam na frente na corrida para atender os mercados consumidores, que por sinal é
abundante e ativo, visto que foram vendidos no Brasil aproximadamente 800.000
veículos leves no ano de 2006, propulsionados por motores a álcool, gasolina e flex,
sendo este último responsável por 70% das vendas (ANFAVEA, 2007).
A venda de veículos com motor flex, que são motores propulsionados a
álcool, gasolina ou com uma mistura entre ambos, iniciou-se no país em meados de
2003, sendo assim, essa nova tecnologia propicia campos para estudos e análises
do sistema como um todo. Um desses pontos é a questão da pressão de
combustão, oriunda da queima da mistura ar combustível na câmara de combustão,
que por sua vez é analisada no período equivalente a um ciclo de combustão
resultando em uma Pressão Média Indicada (PMI), sendo esta a responsável
diretamente pela força exercida sobre a cabeça do pistão (OLIVEIRA, 2004).
Atualmente a pressão média indicada, pode ser obtida através de cálculos
teóricos, com o auxílio de fórmulas, utilizando alguns dados extraídos do
equipamento
dinamômetro
ou
coletada
diretamente
de
um
conjunto
de
equipamentos, composto por um dinamômetro, um hardware e um software
dedicado para aquisição e leitura dos dados, sendo estes obtidos por sensores
instalados em lugares específicos do motor (SILVA, 2006).
A aquisição prática da PMI, por necessitar de instrumentos de aquisição e de
leitura de dados específicos, necessita de um alto custo para a montagem de um
laboratório, e em contra partida, devido à análise teórica utilizar-se de fórmulas
empíricas, pode-se afastar do resultado real.
2
Neste cenário é possível desenvolver um estudo focado e centralizado nos
valores apresentados pelos dois métodos, a fim de compará-los e avaliar seus
valores.
1.1 IMPORTÂNCIA DO TEMA
A medição correta da pressão média indicada, garante no desenvolvimento
do motor a utilização e otimização dos recursos materiais, ou seja, um real
dimensionamento de componentes internos do mesmo, a fim de apresentar uma
redução de custo com toda a manufatura, um uso racional de matéria prima, além de
ser um dado muito importante na questão de rendimentos específicos, potência
efetiva, consumo especifico e emissões (MELO, 2007).
A comparação da medição de pressão, utilizando métodos teóricos e
práticos, se faz necessária devido à verificação da porcentagem de erro que uma
pode ter em relação à outra, salientando que a pressão média indicada é uma
pressão que atuará nos componentes internos do motor (conjunto pistão, pino, biela,
virabrequins e mancais), e por isso é um parâmetro base de cálculos no
desenvolvimento como um todo do motor (PISCHINGER, 2002).
1.2 OBJETIVOS
A apresentação dos objetivos deste trabalho esta dividida em objetivo geral
e objetivo específico.
1.2.1 Objetivo Geral
Analisar o comportamento da pressão de combustão com a variação da
proporção de álcool na gasolina em motor flex 1.6 oito válvulas.
1.2.2 Objetivo Específico
Confrontar os resultados teóricos e práticos de obtenção da pressão de
combustão com a variação da proporção de álcool (E0, E24, E62, E100) na
gasolina, demonstrar e explicar as possíveis dispersões, caso ocorram. As análises
3
teóricas são baseadas em fórmulas matemáticas. Já nos ensaios práticos utiliza-se
um transdutor de pressão com tratamento de sinal por sistema de aquisição e
software dedicado (Indimodul / Indicom) em bancada dinamométrica.
1.3 ESTRUTURA
Este trabalho é composto por cinco capítulos.
No Capítulo 1, é feita uma apresentação geral do trabalho, mostrando a
importância do estudo, os objetivos a serem alcançados, um resumo bibliográfico
sobre o assunto e contribuições que o estudo pode trazer.
No Capítulo 2, é feita uma explicação sobre os métodos teóricos e práticos
de medição de pressão de combustão, sobre as características dos combustíveis
álcool e gasolina e um detalhamento sobre parâmetros do motor, pressões médias e
de pico que ocorrem na combustão do motor em análise.
No Capítulo 3, é apresentada a descrição detalhada das teorias,
metodologias e técnicas utilizadas para a obtenção e análise da pressão de
combustão.
No Capítulo 4, é descrito o desenvolvimento utilizado para a resolução do
problema.
No Capítulo 5, são apresentados os resultados e suas análises.
1.4 ESCOPO
O presente trabalho descreve uma análise da pressão de combustão em
motor flex 1.6 - oito válvulas. Esta análise limita-se a indicação de possíveis
diferenças encontradas no cálculo matemático em relação ao experimental da
pressão média efetiva. O estudo não avalia esforços nos elementos do motor, nem a
influência destes no sistema.
4
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O desempenho de um motor de combustão interna esta ligado diretamente
às transformações ocorridas na câmara de combustão. Para o desenvolvimento de
motores que apresentam como resultados uma alta performance, se faz necessário
um estudo do ciclo termodinâmico, através de curvas de pressões, essas por sua
vez, são de fundamental importância para a otimização do processo de combustão
bem como o cálculo da Pressão Média Efetiva e Pressão Média Indicada (KISTLER
1995).
2.1 MÉTODOS DE MEDIÇÃO DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO
Na história do desenvolvimento de motores, vários métodos foram aplicados
para análise da combustão. Métodos mais antigos para este monitoramento,
observavam o processo de propagação da chama com a utilização de uma máquina
fotográfica de alta velocidade, através de um visor na câmara de combustão e o
monitoramento da passagem da frente da chama com o uso de um detector de
ionização.
Após 1930, a ferramenta mais utilizada para o estudo da combustão, foi um
indicador de pressão de cilindro que utilizava um tubo de raios catódicos, o qual foi
posteriormente substituído pelo indicador mecânico com mola. Com a utilização do
indicador mecânico e um planímetro, era possível medir a área do diagrama p-V,
pressão x volume (SILVA 2006).
Antes que Nikolaus August Otto inicia-se a operação de seu primeiro motor,
ele calculou antecipadamente o diagrama de pressão e a estimativa do trabalho,
utilizando como base as leis dos gases. Posteriormente ele confirmou seus
resultados através da medição da pressão em um teste de motor (PISCHINGER
2002).
Em 1925, iniciaram-se as primeiras utilizações de cristais piezelétricos na
medição de pressão de combustão. O Dr. M. Okochi e seus colegas foram um dos
pioneiros na medição de pressão em um cilindro de combustão interna através da
utilização de um sensor de quartzo.
5
Segundo FERGUSON (2000), o método mais atual e aplicado entre os
laboratórios de teste de motores é o que utiliza um transdutor piezoelétrico para
aquisição das variações de pressão no interior da câmara de combustão.
Hoje os transdutores piezelétricos são usados para a medição das fases de
admissão, exaustão e medição na câmara de combustão. Para a medição da
pressão na câmara de combustão, podem-se utilizar dois métodos de fixação do
transdutor, o primeiro é a adaptação do transdutor no bloco do motor, com uma
ligação que finaliza dentro da câmara. A outra maneira é a adaptação de um
transdutor de pressão em uma vela de ignição e a mesma ser fixada no local da vela
convencional.
O método por cristais piezelétricos apresenta excelente comportamento
dinâmico e pouca suscetibilidade à variação de temperatura, evitando o efeito de
deriva do sinal com o aumento da temperatura (PISCHINGER, 2002).
O pico de pressão medido através do sistema de medição da pressão da
câmara de combustão do motor de combustão interna (MCI) pode ser visto na Figura
01. A faixa de medição normalmente inclui o ciclo completo de funcionamento do
motor, porém, pode ter restrições quanto ao ângulo do virabrequim, dependendo do
objetivo a ser analisado. É através da curva de pressão que o software pode
processar os dados e obter o diagrama pressão x volume.
FIGURA 01: CURVA DE PRESSÃO NO CILINDRO – CICLO COMPLETO
FONTE: PISCHINGER (2002)
6
Segundo PIFFAUT (2004) a pressão e a temperatura em um MCI podem
variar pelos seguintes motivos:
a) O movimento do pistão;
b) A combustão;
c) A expansão dos gases queimados;
d) As trocas térmicas com as paredes do cilindro e
e) A energia transferida pela frente de chama aos gases frescos.
E a descrição dos níveis de pressão e temperatura para um MCI é função da
pressão e temperatura do ar de admissão, da taxa de compressão e da energia
calorífica da mistura ar/combustível, conforme Equação 2.1 e 2.2.
Pi = nc ∗ Mar ∗ q ∗ ηth
(2.1)
Onde:
Pi= Pressão indicada (bar)
nc= Rotação do motor (rpm)
Mar= Massa de ar (g)
q= Energia calorífica (W)
ηth= Rendimento térmico
Mar =
P * Vcyl
r*T
(2.2)
Onde:
Mar= Massa de ar (g)
P= Pressão (Pa)
Vcyl= Volume do cilindro (cm³)
r= Taxa de compressão
T= Temperatura (°C)
7
2.2 PROPRIEDADES GASOLINA E ÁLCOOL
Os hidrocarbonetos constituem a parte principal dos combustíveis usados
em motores de combustão interna. De acordo com VLASSOV (2002), os
hidrocarbonetos de combustíveis misturam-se facilmente com o ar formando uma
mistura combustível.
A característica mais importante de qualquer combustível é o poder
calorífico, ou seja, a quantidade de calor que se liberta durante a combustão
completa do combustível.
O Poder Calorífico Inferior, conhecido como PCI é determinado na
experiência em um banco de ensaio especial chamado bomba calorimétrica. Nesse
instrumento é determinado o chamado poder calorífico superior (H sup), o qual inclui
um calor de condensação do vapor da água do combustível formado durante a
combustão do hidrogênio e da umidade contida no combustível.
Segundo OLIVEIRA (2004), nos motores, os gases de escape têm a
temperatura maior do que a condensação do vapor de água e por isso este calor de
condensação não se aproveita. Nos cálculos térmicos dos motores é usado o PCI,
que não inclui o calor de condensação de vapor da água.
Um combustível líquido derivado do petróleo é composto em geral de
carbono (C), hidrogênio (H) e pequenas quantidades de enxofre (S), oxigênio (O) e
nitrogênio (N).
A Tabela 01 apresenta as composições típicas e alguns parâmetros de
combustíveis derivados do petróleo.
TABELA 01: COMPOSIÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS DERIVADOS DO PETRÓLEO
Combustível
Gasolina
(pura)
Diesel
Porcentagem em massa de
elementos
C
H
O
85,5
87,0
14,5
12,6
00,4
Massa molecular
µ, kg/kmol
Poder cal. inferior
PCI MJ/kg
110 - 120
180 - 220
43,93
42,44
FONTE: VLASSOV (2002)
Para os combustíveis de motores de ciclo Otto é muito importante à
resistência à detonação, a qual se trata de uma combustão demasiada rápida de
8
uma mistura combustível. A velocidade de propagação de chama durante a
combustão normal, por centelha, é por volta de 30 m/s, mas durante a detonação ela
aumenta até aproximadamente 2000 m/s.
A resistência à detonação é caracterizada por índice de octanas. A gasolina
tem valor de índice de octanas no intervalo de 70 a 100 octanas. Como regra de um
motor de carburação externa (Otto) exige uma gasolina com o número de octanas de
10 vezes maior que o valor da taxa de compressão deste motor (VLASSOV, 2002).
No Brasil, devido a fatores geográficos, a produção de álcool é bem
favorável. Muitos países Europeus dependentes da importação de petróleo
adicionam certas quantidades do etanol misturando-o com a gasolina e o diesel
(OLIVEIRA, 2004).
Da fórmula química do etanol C2H5OH vê-se que a sua molécula contem
oxigênio, por isso, este combustível exige menor o oxigênio do ar para sua
combustão. No entanto, de acordo com VLASSOV (2002), à parte do oxigênio do
etanol não é suficiente para que ele seja um material explosivo.
Em virtude das razões tecnológicas e econômicas, o etanol industrial
(popularmente denominado álcool) contém por volta de 4% da água (etanol de 96%)
e de pequenas quantidades de óleos de éter. A composição mássica do etanol de
96% é mostrada na Tabela 02 (VLASSOV, 2002)
TABELA 02: COMPOSIÇÃO DO ÁLCOOL COMBUSTÍVEL
Combustível
Álcool de
96%
Porcentagem em massa de
elementos
C
H
O
50,5
13,05
36,9
Massa molecular
µ, kg/kmol
43,37
Poder cal. Inferior
PCI MJ/kg
25,078
FONTE: VLASSOV (2002)
Um quilograma de etanol de 96% contém 50,5 g de carbono; 130,5 g do
hidrogênio e 369 g do oxigênio. O poder calorífico do etanol de 96% é por volta de
26,4 MJ/kg, pois o poder calorífico do etanol é cerca de 40% menor do que da
gasolina. A adição do etanol na gasolina diminui o poder calorífico dela e diminui
também a quantidade do ar necessária para a combustão.
O etanol muito facilmente dissolve-se na água e absorve a umidade do ar. É
muito importante que o poder calorífico do etanol, ainda baixo, fortemente diminui
9
com o aumento da porcentagem da água. O etanol de 80% tem poder calorífico
PCI= 20,9 MJ/kg e o de 70% têm PCI= 18 MJ/kg. Em comparação com a gasolina, o
etanol tem menor percentagem de carbono e de hidrogênio.
A composição do álcool, conforme apresentado, garante para ele um maior
poder calorífico inferior em relação à gasolina, assim, é possível obter uma maior
potência de um motor que seja propulsionado a álcool, ao invés de gasolina,
considerando uma mesma geometria (OLIVEIRA, 2004).
A atual gasolina brasileira é composta com o álcool. A porcentagem do
álcool na gasolina é de 24%. Na Tabela 03, é apresentada a composição elementar
e o poder calorífico inferior dessa gasolina.
TABELA 03: COMPOSIÇÃO DA GASOLINA BRASILEIRA
Combustível
Gasolina com 24% do álcool
Parte em massa de elementos
C
H
O
77,9
13,1
9
Poder cal. Inferior
PCI MJ/kg
41,563
FONTE: VLASSOV (2002)
2.3 PARÂMETROS DO MOTOR
Uma das limitações básicas da operação do motor é a pressão desenvolvida
no cilindro, durante a combustão. Neste contexto, pressão média efetiva e média
indicada, pode ocorrer aumento de potência. No entanto, se a pressão no cilindro
não for controlada dentro de limites estreitos, podem aparecer excessivas cargas
internas, podendo resultar em falha do motor. É, portanto, necessário ter meios de
determinar essas pressões no cilindro, como medida de proteção, e para uma
aplicação eficiente da potência.
2.3.1 Potência Indicada
De acordo com NOBUYUKI (2007), a pressão de combustão dentro do
cilindro pode ser utilizada para calcular o trabalho transferido do gás para o pistão. A
pressão do cilindro e seu respectivo volume são relacionados em um diagrama P-V,
10
conforme apresentado na Figura 02. O trabalho indicado por ciclo é numericamente
igual à área obtida com a integração da curva do diagrama através da Equação 2.3.
FIGURA 02: DIAGRAMAS P-V
FONTE: SILVA (2006)
W = ∫ PdV
(2.3)
Onde:
W= Trabalho por ciclo (W)
P= Pressão (Pa)
V= Volume (m³)
A potência indicada é resultante do trabalho transferido pelo gás ao pistão. É
diferente da potência efetiva disponível no flange de acoplamento do eixo do
virabrequim, pois inclui a potência de atrito dos componentes móveis e a de
acionamento dos acessórios do motor. A potência indicada bruta é a melhor
definição, pois é a soma da potência útil no eixo mais à potência perdida durante o
funcionamento do motor (HEYWOOD, 1988).
11
2.3.2 Potência Efetiva e Torque
De acordo com Silva (2006) a potência efetiva, diferentemente da indicada,
não pode ser obtida teoricamente, necessita ser medida. O torque do motor é
normalmente medido com um dinamômetro, podendo ser eletromagnético, hidráulico
ou mecânico. O motor é fixado num banco de testes e seu eixo conectado ao rotor
do dinamômetro. O dinamômetro é um motor elétrico cujo rotor é suportado por
rolamentos para redução do atrito e tende a ser girado pelo rotor quando este gira. O
torque exercido pelo rotor provoca um movimento no estator, o qual é medido
através de uma alavanca de força de comprimento conhecido e um instrumento
indicador (célula de carga), conforme Figura 03.
FIGURA 03: ESQUEMA DE MEDIÇÃO DE TORQUE
Estator
FONTE: SILVA (2006)
O torque exercido pelo motor é determinado por:
T = F∗b
(2.4)
Onde:
N= Rotação do rotor (rpm)
F= Força aplicada no braço (N)
B= Distância do centro do rotor até a célula de carga (m)
12
No Gráfico 01, é mostrado uma curva característica de torque em função da
rotação para o motor 1.6 8V em estudo.
GRÁFICO 01: CURVA CARACTERÍSTICA DE TORQUE MOTOR (1.6-8V)
Torque (N.m)
1000 1250 1750 2250 2604 2750 2850 2950 3100 3300 3500 3700 3900 4100 4300 4400 4500 4600 4750 5100 5200 5300 5400 5750 6101
Rotação (rpm)
A Potência Efetiva (We) fornecida pelo motor e absorvida pelo dinamômetro é
o produto do torque pela velocidade angular:
We = 2 ∗ π ∗ N ∗ T
(2.5)
Onde:
We= Potencia efetiva (cv)
N= Rotação (rpm)
T= Torque (Nm)
O valor da potência medida é a Potência Útil fornecida pelo motor e
absorvida pela carga, neste caso o dinamômetro. Devido às perdas de energia
térmica e mecânica, a potência efetiva será menor que a potência indicada
(HEYWOOD, 1988). A curva característica de potência do motor em questão é
apresentada no Gráfico 02.
13
61
01
57
50
54
00
53
00
52
00
51
00
47
50
46
00
45
00
44
00
43
00
41
00
39
00
37
00
35
00
33
00
31
00
29
50
28
50
27
50
26
04
22
50
17
50
12
50
10
00
Potência (kW)
GRÁFICO 02: CURVA CARACTERÍSTICA DE POTÊNCIA MOTOR (1.6-8V)
Rotação (N.m)
2.3.3 Pressão Média Indicada
A Pressão Média Indicada (PMI) é obtida com a divisão do trabalho liquido
por ciclo pelo volume de deslocamento do cilindro, por integração numérica, através
da Equação 2.6 (NAGASHIMA, 2002).
PMI =
1 n−1  p j+1 + p j+1 
∑  2  ∗ (V j+1 − V j)
Vd j=0 

(2.6)
Onde:
Vd = volume de deslocamento (m³)
Pj = pressão de combustão medida (bar)
Vj = volume do cilindro (m³)
n = número de medidas
14
A PMI é a pressão média produzida na câmara de combustão durante o ciclo
de operação, e é uma expressão teórica de potência sem fricção. Além de desprezar
completamente a potência perdida por atrito, a potência média indicada não informa
quanta potência real é entregue ao virabrequim para produzir trabalho útil. Contudo,
está relacionada com a pressão real, a qual ocorre no cilindro e pode ser usada
como uma medida dessas pressões.
2.3.4 Pressão Média Efetiva e Pressão Média de Atrito
A Pressão Média Efetiva (PME) é uma variável muito expressiva no
julgamento da eficácia com que um motor tira proveito do seu tamanho (Cilindrada),
sendo, por isso, muito usada para fins de comparação entre motores. A pressão
média efetiva é definida como a pressão que ao atuar sobre o pistão durante o curso
motor, realiza uma quantidade de trabalho igual ao realmente efetuado sobre o
pistão. Isto permite calcular o trabalho realizado em um ciclo (SHIMIDT, 2005).
O torque, por exemplo, apresenta variações que dependem da geometria
dos motores, impossibilitando seu uso como parâmetro de comparação. Os motores
maiores produzem maiores torques. A potência, também, não é um bom elemento
para permitir a comparação de motores, pois depende, não somente das dimensões,
mas também da velocidade de rotação.
Este indicador específico é chamado de pressão média efetiva PME
(HEYWOOD, 1988) e obtido através da Equação 2.7.
PME =
(T ∗ 4π )
Vd
(2.7)
Onde:
T= Torque (Nm)
Vd= Volume deslocado (m³)
Pressão Média de Atrito (PMF) é a pressão indicada menos à pressão
efetiva. É a pressão usada por um motor para vencer o atrito entre as partes móveis,
15
aspirar combustível, expulsar os gases de escapamento, acionar bombas de óleo e
combustível, e similares.
2.3.5 Ponto de Ignição e Avanço
De acordo com SILVA (2006) o momento da inflamação da mistura até a sua
queima total transcorre cerca de dois milisegundos. A faísca de ignição deve,
portanto, saltar de modo a encontrar uma pressão ideal de combustão em qualquer
regime de funcionamento do motor. O ponto de ignição deve ser escolhido de modo
que os seguintes requisitos possam ser cumpridos:
a) Máxima potência do motor
b) Consumo econômico de combustível
c) Evitar detonação do motor
d) Emissões nocivas reduzidas
Silva (2006) relata a importância dos requisitos de injeção:
Essas exigências não podem ser satisfeitas simultaneamente; é necessário
priorizar um requisito em detrimento de outro de acordo com a necessidade.
Atualmente, para obter a máxima potência nos motores Otto, a mistura arcombustível é altamente comprimida, com taxas da ordem de 12:1. Com
isso o risco de detonação é maior em relação a condições de compressão
anteriormente menores. A detonação no motor ocorre pela queima brusca
de partes da mistura que ainda não foram atingidas pela frente da chama. O
ponto de ignição neste caso está muito adiantado.
O funcionamento detonante leva ao aumento da temperatura na câmara de
combustão, aumento intenso da pressão e produz oscilações de pressão, que se
sobrepõe à curva normal de pressão. A tendência à detonação depende do tipo de
construção da câmara, da preparação uniforme da mistura ar / combustível, do
coletor de admissão e do combustível (BOSCH, 2001).
16
3 FUNDAMENTAÇÃO
A busca por qualidade de ensaios, que resulta na qualidade e confiabilidade
dos produtos proporciona a procura das grandes indústrias por equipamentos cada
vez mais modernos. Estes equipamentos apresentam maior praticidade de
instalação e economia na utilização de recursos humanos e tempo de configuração,
justificando os investimentos cada vez maiores (NAGASHIMA, 2002).
3.1 MODELO EXPERIMENTAL PARA CÁLCULO DA PMI
O método e equipamento escolhido para o desenvolvimento do experimento
prático são disponíveis como recursos para ensaios de pressão de combustão na
Renault do Brasil.
O sistema opera com transdutor piezoelétrico integrado a vela de ignição,
tratamento de sinal AVL-INDIMODUL que utiliza um processador de 800MHz por
canal e software Indicom do mesmo fabricante (AVL 2002).
Frente aos métodos disponíveis, como por exemplo, o que utiliza um
transdutor de pressão adaptado à parede do cabeçote. A vela instrumentada
apresenta menor necessidade de modificação do motor, fato este que simplifica a
atividade de montagem, pois apenas é necessário retirar a vela original e montar a
vela instrumentada.
O sistema de medição com cristal piezoelétrico apresenta características de
trabalho que não necessita de refrigeração. O modelo empregado não utiliza sistema
de refrigeração externa, operando com limite de 400ºC com fácil aplicação em
motores de combustão interna. O transdutor apresenta comportamento linear e alta
velocidade de resposta para variações de pressão como característica do cristal de
quartzo, elemento piezoelétrico utilizado na construção do transdutor.
O sistema trabalha com pontos de rotação do motor com resolução de 0,1º,
ou seja, para cada 0,1º de rotação do eixo virabrequim é associado um valor de
pressão de combustão, possibilitando a construção da curva de pressão para cada
cilindro.
17
O ensaio para medição da pressão de combustão bem como os demais
parâmetros foram aquisitados e realizados com o auxílio de um dinamômetro elétrico
específico para banco de ensaio automobilístico .
3.2 MODELO MATEMÁTICO PARA CÁLCULO DA PMI
A equação utilizada no cálculo da Pressão Média Indicada, apresentada na
Equação (3.1), é baseada em dados que relacionam a Pressão Média de Atrito,
Equação (3.2), ou seja, a pressão gasta pelo motor para vencer o atrito entre as
partes móveis, aspirar combustível, expulsar os gases de escapamento, acionar
bombas de óleo e combustível, e similares, e a Pressão Média Efetiva, Equação
(2.7), que necessita do parâmetro de torque do motor no ponto de análise
(OLIVEIRA, 2004).
PMI = PME + PMF
(3.1)
Onde:
PMI= Pressão média indicada (bar)
PME= Pressão média efetiva (bar)
PMF= Pressão média de atrito (bar)
De acordo com (OLIVEIRA, 2004) a pressão média de atrito (PMF), é a
relação entre os dados físicos do motor, como: diâmetro, curso e velocidade do
pistão, levando em consideração a rotação que o mesmo se encontra no momento
da medição.
PMF = A + B ∗ vp
(3.2)
Onde:
A= 0,05 para (L>D), 0,040 para (L<D)
B= 0,0155 para (L>D), 0,0135 para (L<D)
L= Curso do pistão (m)
D= Diâmetro do cilindro (m)
18
Vp = Velocidade do pistão (m/s)
A velocidade do pistão é calculada através da Equação (3.3)
vp =
2 ∗n ∗L
60
(3.3)
Onde:
vp= Velocidade do pistão (m/s)
n = Rotação do motor (rpm)
L = Curso do pistão (m)
Ordenando as equação e fazendo as devidas substituições, na Equação
(3.4) é possível avaliar a equação que origina o cálculo da pressão média indicada,
sendo que a mesma leva em consideração a pressão media efetiva e a pressão de
atrito na câmara de combustão do motor.
PMI =
T ∗ 4π
2nL
+ A +B∗
Vd
60
(3.4)
Com a Equação (3.4), é possível calcular o valor da pressão média indicada
de um motor apenas com o torque extraídos do dinamômetro. Os outros dados
necessários são determinados através de relações físicas e matemáticas. No
Capítulo 5 deste trabalho são apresentados os dados levantados e as curvas de
pressões calculadas e medidas experimentalmente conforme detalhado na seção
3.1.
19
4 DESENVOLVIMENTO
A apresentação do desenvolvimento deste trabalho esta dividida em duas
partes: o desenvolvimento do método prático para obtenção da PMI e o método
teórico de obtenção.
4.1 OBTENÇÃO DA PMI EXPERIMENTAL
Os dados obtidos para este trabalho foram registrados no laboratório de
ensaios da Renault do Brasil com a utilização de um dinamômetro AVL e sistema de
aquisição de pressão do mesmo fabricante com participação do fornecedor Kistler
para amplificação do sinal de carga dos transdutores de pressão.
Para simular as condições de funcionamento do motor o mesmo foi instalado
na bancada dinamométrica a qual possui instrumentação capaz de realizar medições
de seus parâmetros de funcionamento. As medições das pressões foram obtidas
através do funcionamento do motor com a instalação de um transdutor de pressão
no interior da câmera de combustão e posterior tratamento dos dados.
O dinamômetro, do fornecedor e fabricante AVL, da Renault do Brasil
modelo AFA 160 assíncrono representado na Figura 04, tem capacidade para
motores de até 160KW e 500Nm de torque. O sistema de controle da bancada utiliza
driver de controle AVL ENCON 300 e software supervisório Puma versão 5.22 para
monitoramento e aquisição de parâmetros do motor durante os ensaios. A estrutura
de controle conta também com sensores e módulos de tratamento de sinais como,
por exemplo, canais para transdutores de pressão, termopares e entradas
analógicas.
As medições durante a realização dos ciclos de ensaio são realizadas pelo
software supervisório da bancada conforme relacionados a seguir:
Variáveis coletadas do sistema do banco:
a) Rotação do motor (rpm);
b) Torque do motor (Nm);
c) Temperatura e umidade do ar de admissão (°C/HR);
d) Temperatura de saída da água do motor (°C);
e) Temperatura de entrada da água do motor (°C);
20
f) Temperatura do óleo na galeria (°C);
g) Temperatura do óleo no carter (°C);
h) Temperatura do escapamento (°C);
i) Temperatura do combustível (°C);
j) Pressão de entrada da água do motor (mbar);
k) Pressão de saída da água do motor (mbar);
l) Pressão do óleo (bar);
m) Pressão do carter (mbar);
n) Pressão de combustível (bar);
o) Pressão de escapamento (mbar);
p) Pressão do coletor de admissão (mbar);
q) Riqueza dos gases de escapamento (λ);
r) Consumo de combustível (g/kWh) e
s) Vazão de água do motor (m3/h).
Variáveis coletadas do modulo de injeção:
a) Avanço de ignição (°);
b) Avanço de ignição corrigido (°).
FIGURA 04: BANCADA COM DINAMÔMETRO E MOTOR
F O N T E : AU T O R E S
21
O motor está montado sobre um carro móvel que se conecta a transmissão
e se fixa na bancada mediante os elementos de fixação. O carro do motor consta de
uma série de conexões para os circuitos de fluidos do motor. Estas conexões se
unem com a placa de conexões situadas no suporte do dinamômetro, cujos circuitos
de fluidos circulam por dentro deste suporte. Na Figura 05 é possível visualizar o
carro que foi utilizado para a montagem do motor.
FIGURA 05: CARRO DO MOTOR E SUAS CONEXÕES PARA FLUÍDO
F O N T E : AU T O R E S
A bancada possui trilhos pelos quais entra o carro com o motor a ensaiar. O
sistema de acoplamento deste carro é pneumático. Possui uma trava de segurança
que prende a placa móvel (palete) com a placa fixa de conexões rápidas da
bancada.
4.1.1 Medição da Pressão de Combustão
O sistema de medição da pressão de combustão Engine Indicating é
basicamente composto pelos elementos a seguir.
Transdutor piezoelétrico que utiliza o princípio de carga eletrostática de
saída de determinados cristais sobre carga mecânica, convertendo o sinal de
pressão em um sinal de carga por unidade mecânica (pC/bar). Esse princípio
22
representa um elemento de medição ativo com a carga de saída proporcional a
carga aplicada.
Este sinal por sua vez é enviado a um amplificador de carga que amplifica o
sinal analógico em um sinal de saída em tensão entre 0 a 10 volts.
Além da função de amplificação e conversão, o amplificador de carga
também pode ser identificado como um elemento de tratamento de sinal, ou seja,
condicionamento do sinal. Utiliza funções internas do circuito eletrônico como filtro,
ajuste de zero (Offset) e correção do desvio do sinal em função da temperatura
(Drift).
Os cabos de medição são utilizados para a transmissão dos sinais de carga
e tensão. Devido ao pequeno sinal de saída de carga dos transdutores, a conexão
entre o transdutor e o amplificador de carga possui uma importância crítica. Um
isolamento com valores muito altos (10E13 Ω) e baixo ruído são requisitos
importantes para os cabos e para o amplificador de carga.
A etapa seguinte consiste no envio do sinal de saída do amplificador até o
equipamento de análise, composto de placa de tratamento de sinal, computador e
software dedicado (Indicom fornecedor AVL). O processamento da pressão medida
no interior da câmara de combustão pode ser entendido observando a Figura 06 que
descreve passo a passo às transformações realizadas durante a leitura do sinal.
FIGURA 06: LEITURA E TRANSFORMAÇÃO DO SINAL DE PRESSÃO
FONTE: PISCHINGER
23
A placa de aquisição recebe o sinal analógico e transforma para digital,
armazenando dados e disponibilizando-os para o computador. O software possui o
ambiente de trabalho e as rotinas de cálculo fornecidas pelo fabricante e
configuradas pelo usuário.
Além do sinal de pressão o sistema recebe informações do deslocamento do
pistão, através de um encoder que traduz o deslocamento do pistão em ângulos do
virabrequim, assumindo uma resolução de até 0,1º.
Na Figura 07 é possível visualizar a instalação do sistema de medição da
pressão de combustão.
As curvas foram obtidas a partir de um motor 1.6 8V, com estabilização do
consumo de óleo, ou seja, motor que realizou ciclo de funcionamento inicial para
estabilidade de funcionamento. O ensaio realiza uma seqüência de pontos de
funcionamento do motor, considerando condição de plena carga (100% de
aceleração) e os pontos de rotação do motor para cada aquisição inicia em 1000rpm
até 5500rpm com intervalo de 250rpm, somando um total de 19pontos.
Cada etapa do ensaio foi realizada em manual, ou seja, o operador altera a
rotação do motor em uma condição estabilizada seguindo os pontos de rotação
definidos e realiza as medições no dinamômetro e no sistema de medição de
pressão. Cada ponto de rotação deve respeitar um período de estabilização de
aproximadamente 1 minuto.
24
FIGURA 07: TRANSDUTOR INCORPORADO A VELA DE IGNIÇÃO
FONTE: SILVA (2006)
O fluxo de atividades para realização do ensaio pode ser visualizado na
Figura 08. Nele estão expressas as atividades macro do desenvolvimento do
experimento. O processo de instalação é similar a montagem do motor em um
veículo, posteriormente o motor é aquecido a temperatura de 90ºC evitando
qualquer tipo de dispersão entre as curvas relacionada à temperatura de
funcionamento do motor, os parâmetros de configuração de medição, ou seja, por
exemplo a quantidade de medições para cada condição de funcionamento do motor
ou o valor de calibração do transdutor são checadas antes do inicio das medições.
Além da verificação dos parâmetros de configuração do sistema é importante
assegurar a perfeita determinação do ponto morto superior, ou seja, ângulo do eixo
do motor em que o pistão esta em sua posição de maior compressão. Certo da
perfeita configuração é iniciado a curva conforme já descrito neste Capítulo. Com os
25
resultados das curvas é possível calcular o valor da PMI através do torque e do
transdutor de pressão passando a tarefa de análise dos resultados.
FIGURA 08: FLUXO PARA A REALIZAÇÃO DO ENSAIO
F O N T E : AU T O R E S
Os dados obtidos através do software Indicom AVL e aquisições do sistema do
banco de ensaios serão exportados em formato compatível com o MSExcel para construção
de curvas e análise dos resultados.
O motor opera com vela de ignição NGK BKR 6EK bieletrodo rosca M14
comprimento de 17,5mm, substituída por uma vela instrumentada AVL modelo ZF43
e transdutor de pressão integrado GU13Z-24.
Na Figura 09 é possível verificar a disposição do mono eletrodo da vela
instrumenta e o orifício de alojamento do transdutor de pressão, instalados na
câmara de combustão, em comparação à vela aplicada ao motor NGK bieletrodo.
FIGURA 09: DETALHAMENTO DA VELA COMERCIAL E A INSTRUMENTADA
Montagem da vela com ercial
Montagem vela instrumentada
Eletrodo
Orifício do transdutor
F O N T E : AU T O R E S
26
A conexão da vela instrumentada com o sistema de ignição é mantida com a
mesma configuração da vela original NGK conforme constatado na Figura 09,
porém, o cabo de transmissão de carga deve permanecer afastado do cabo de
ignição evitando perturbações do sinal por efeito das altas tensões que circulam nos
cabos de ignição, verificando a melhor forma montagem entre ambos.
FIGURA 010: VELA COMERCIAL E INSTRUMENTADA NO CABEÇOTE
VELA
COMERCIAL
VELA
INSTRUMENTADA
F O N T E : AU T O R E S
4.1.2 Condições de Ensaio
A calibração deve considerar que o sistema de medição de pressão opera
com a dependência do sinal de carga para um determinado amplificador de carga,
descrevem assim um conjunto (transdutor / amplificador) que segue para o processo
de calibração por comparação de um transdutor padrão e um sistema de bomba de
pressão de peso morto para aplicar os pontos de calibração. O sinal de saída do
amplificador de carga foi medido com a utilização de multímetro calibrado e
rastreado RBC (Rede Brasileira de Calibração).
Deve ser verificada a condição de limpeza dos cabos e conexões elétricas
bem como o estado de conservação do transdutor, qualquer dano ao cabo ou
conexão pode comprometer o sistema de isolamento que é muito sensível a fugas
27
de corrente. A limpeza do transdutor deve ser considerada em caso de deposição de
partículas carbonizadas que podem comprometer a sensibilidade do transdutor.
Os transdutores foram calibrados no laboratório de metrologia ABSI,
fornecedor de serviço de calibração, em São Paulo, credenciado com certificado
RBC, Rede Brasileira de Calibração, conforme processo descrito no apêndice.
4.2 OBTENÇÃO DA PMI MODELO MATEMÁTICO
Para a determinação da pressão média indicada foram utilizadas as
Equação descritas e detalhados no item 3.2. O uso das equação na seqüência
descrita possibilita o cálculo da PMI. Os dados referentes ao motor, para base dos
cálculos estão apresentados na Tabela 05.
TABELA 04: PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DO MOTOR
Descrição
Volume [litro]
Curso pistão [m]
Diâmetro pistão [m]
Valor
1,58 E-3
8,05 E-4
7,95 E-4
F O N T E : AU T O R E S
Primeiramente foi calculado o valor da pressão média efetiva (2.7), em
função do volume deslocado de ar dentro da câmara de combustão e do torque,
sendo este, o valor coletado no dinamômetro de cada rotação aferida no ensaio. O
cálculo da pressão média de atrito, definida na Equação (3.2), apresenta duas
componentes constantes em relação ao curso e o diâmetro do pistão, além de
possuir um dado variável em cada medição denominada velocidade do pistão, que
depende diretamente da rotação do motor.
Com a obtenção das duas pressões, a soma de ambas, apresenta o valor
calculado da pressão média indicada, expressa na Equação (3.1) na seção 3.2,
sendo este um dos parâmetros de análise deste trabalho.
Com a utilização do procedimento descrito acima, é possível obter o valor
calculado da pressão média indicada do motor. Observando que a obtenção baseiase em equações empíricas e no valor do torque que é extraído do dinamômetro.
28
5 RESULTADOS E VALIDAÇÃO
Os motores de ignição por centelha apresentam grande variação na
combustão entre os ciclos do motor, em uma mesma condição de operação, com
base nesta afirmação de (HEYWOOD,1979) e analisando
O motor selecionado foi preparado com uma vela instrumentada com
transdutor de pressão para cada cilindro, possibilitando a comparação entre as
pressões de combustão entre ambos os cilindros. A medição independente da
pressão de combustão foi convertida em uma PMI para cada cilindro do motor. A
independência entre os valores obtidos representando mais claramente o equilíbrio
de funcionamento do motor.
Buscando a condição mais crítica e sabendo que o motor a combustão
interna possui diferenças consideráveis em seu funcionamento como, por exemplo, o
processo de combustão incompleto, perdas de carga diferentes na abertura e
fechamento das válvulas, troca de calor entre os gases e a parede dos cilindros e os
gradientes de pressão e temperatura foi considerado o critério de seleção do cilindro
para análise entre os dois métodos e entre as diferentes concentrações de
combustível a maior pressão média indicada.
Entre os diferentes pontos de funcionamento do motor a plena carga, ou
seja, rotação de funcionamento com 100% de aceleração, foi possível evidenciar
que entre as diferentes concentrações da mistura de combustível, o valor de pressão
média indicada foi superior no cilindro três em comparação aos demais cilindros (1, 2
e 4). As diferenças de pressões encontradas estão relacionadas a variação das
condições de funcionamento de cada cilindro, quanto ao enchimento da mistura ar
combustível , refrigeração e estanqueidade do sistema, que influenciam diretamente
no ciclo de combustão.
No Gráfico 3 que apresenta a PMI, para mistura de combustível E100, em
cada cilindro em um espaço amostral de 200 ciclos de um motor a combustão
interna, sendo que um ciclo corresponde a duas voltas do eixo do motor, ou seja, os
quatro tempos do processo de combustão, é possível identificar a diferença
de
pressão entre os cilindros, justificando a escolha do cilindro três. O Gráfico 01
29
representa o valor de PMI para cada cilindro em um espaço amostral de 200 ciclos
para uma mistura combustível de E100.
GRÁFICO 03: PMI MEDIDO NOS 4 CILINDROS DO MOTOR
-- Cil. 4;
-- Cil. 1;
-- Cil. 2;
-- Cil. 3.
F O N T E : AU T O R E S
Simplificando a análise do método de medição da PMI diretamente na
câmara de combustão, foi analisada a forma da curva da pressão de combustão
para as diferentes concentrações da mistura de combustível identificando sua forma
característica e a relação entre o modelo de medição através do torque e o modelo
que utiliza o diagrama p-v gerado pela medição da pressão.
Para ambos os métodos, é possível identificar que as curvas seguem a
mesma tendência entre as diferentes misturas, porém é possível identificar um
acréscimo de pressão à medida que o valor da concentração de álcool aumenta
indicando melhor rendimento do motor com a presença de álcool na mistura de
combustível.
Os Gráfico 04,05,06 e 07 mostram o comparativo entre a PMI calculada e a
medida para cada tipo de combustível. Em uma primeira análise, o comportamento
tanto das curvas calculadas quanto as medidas apresentam a mesma forma.
30
Analisando em detalhe e considerando a fórmula de obtenção da curva
calculada que acrescenta a parcela de perdas por atrito a curva de PME, é possível
perceber que o modelo utilizado aplica um valor gradativo de atrito diferentemente
do valor real, afirmando que as considerações do modelo para velocidade do pistão
não se comportam proporcionalmente ao seu aumento. Além do desvio da forma
real da curva da PMI, o valor de PMF, somado para cada ponto da curva é sempre o
mesmo, pois a rotação e o curso do pistão são os mesmos.
Os valores de PMF para cada rotação são mostrados na Tabela 05.
GRÁFICO 04: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E0)
PMI E0
13
Pressão (bar)
12,5
12
11,5
Calculada
11
Medida
10,5
10
9,5
9
750
1250
1750
2250
2750
3250
3750
Rotação (rpm)
F O N T E : AU T O R E S
4250
4750
5250
5750
31
GRÁFICO 05: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E24)
PMI E24
13
Pressão (bar)
12,5
12
11,5
Calculada
11
Medido
10,5
10
9,5
9
750
1250
1750
2250
2750
3250
3750
4250
4750
5250
5750
Rotação (rpm)
F O N T E : AU T O R E S
GRÁFICO 06: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E62)
PMI E62
13
12,5
Pressão (bar)
12
11,5
Calculada
11
Medida
10,5
10
9,5
9
750
1250
1750
2250
2750
3250
3750
Rotação (rpm)
F O N T E : AU T O R E S
4250
4750
5250
5750
32
GRÁFICO 07: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E100)
PMI E100
13
12,5
Pressão (bar)
12
11,5
Calculada
11
Medida
10,5
10
9,5
9
750
1250
1750
2250
2750
3250
3750
4250
4750
5250
5750
Rotação (rpm)
F O N T E : AU T O R E S
TABELA 05: CÁLCULO DA PMF PARA MODELO MATEMÁTICO DA PMI
Rotação
[rpm]
PMF [bar]
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
2750
3000
3250
3500
3750
4000
4250
4500
4750
5000
5250
5500
F O N T E : AU T O R E S
0,915917
1,019896
1,123875
1,227854
1,331833
1,435813
1,539792
1,643771
1,747750
1,851729
1,955708
2,059688
2,163667
2,267646
2,371625
2,475604
2,579583
2,683563
2,787542
33
O balanço entre poder calorífico inferior e a relação ar/combustível, resulta
em uma energia total para conversão com valores muito próximos entre as
diferentes mistura de combustível, descartando a possibilidade de apresentarem
uma diferença considerável no processo de conversão de energia (VLASSOV 2002).
As representações das curvas de PMI para o método de medição direto e calculado
podem ser vistas respectivamente nos Gráficos 08 e 09.
(SILVA, 2006) relata a importância do ponto de ignição no controle da
combustão. Sabendo da característica do álcool de possuir poder antidetonante
superior a da gasolina, foi possível identificar que durante a realização dos ensaios
um maior valor de avanço de ignição para misturas com maior concentração de
álcool, evidenciada com parcela importante na diferença das curvas da PMI,
conforme mostrado no Gráfico 08. As curvas para os combustíveis E0 e E24, que
apresenta combustível isento de álcool e com concentração de 24%, não
apresentam variação de avanço de ignição com valor máximo de até 21º de avanço
em relação ao ponto motor superior.
GRÁFICO 08: CURVA CARACTERÍSTICA PMI MEDIDA NO CILINDRO 3
PMI Medida
13
12,5
Pressão (bar)
12
E0
11,5
E20
11
E62
10,5
E100
10
9,5
9
750
1250
1750
2250
2750
3250
3750
Rotação (rpm)
F O N T E : AU T O R E S
4250
4750
5250
5750
34
GRÁFICO 09: CURVA CARACTERÍSTICA PMI CALCULADA DO CILINDRO 3
PMI Calculada
13
12,5
Pressão (bar)
12
E0
11,5
E20
11
E62
E100
10,5
10
9,5
9
750
1250
1750
2250
2750
3250
3750
4250
4750
5250
5750
Rotação (rpm)
F O N T E : AU T O R E S
O método de medição da PMI utilizando o ciclo P-V para análise da pressão
de combustão como citado na revisão bibliográfica e é exemplificado no Gráfico 10
para a mistura combustível E0.
Já a concentração de E24, apresenta a mesma curva de avanço de ignição
que o combustível E0. Para a mistura de E62 é importante destacar que o sistema
de injeção eletrônico possui capacidade de identificar a mistura combustível
proporcionalmente ao aumento da concentração de álcool executando a correção do
avanço de ignição ideal para a mistura ar/combustível entre outras variáveis Figuras
08 e 09.
Uma análise mais detalhada do fenômeno que ocorre dentro do motor pode
ser realizada utilizando recursos disponíveis no software do fabricante do
equipamento de medição da pressão de combustão. É possível representar
graficamente a forma da curva de pressão para cada ciclo de combustão e
correlacionar as curvas entre as diferentes concentrações de mistura combustível.
Na Figura 11 é possível analisar as curvas de pressão para o combustível
E0 na rotação de 2750rpm e 100% de aceleração com uma população amostral de
200 ciclos identificando forte tendência à variação dos mesmos.
35
FIGURA 11: PMI PONTO A PONTO OBTIDA NO CILINDRO 3 (E0)
F O N T E : AU T O R E S
Selecionando qualquer um dos 200 ciclos é possível também análisar o
diagrama P-V representado no Gráfico 10 e identificar a região de pressão positiva e
pressão negativa para calculo da PMI conforme descrito no Capítulo 2 e utilizado
neste trabalho para construção da curva da PMI medida.
GRÁFICO 10: GRÁFICO P-V DO CILINDRO 3 (E0)
F O N T E : AU T O R E S
Da mesma forma para executar a comparação, foi elaborada também as
curvas de pressão para o combustível E100 na rotação de 2750rpm e 100% de
aceleração com uma população amostral de 200 ciclos identificando a tendência
36
mais estável para o controle da combustão em uma mistura de 100% de álcool. É
possível identificar na Figura 12 uma forma mais alongada que atinge valor superior
à pressão máxima da mesma condição de ensaio com combustível E0.
FIGURA 12: PMI PONTO A PONTO OBTIDA NO CILINDRO 3 (E100)
F O N T E : AU T O R E S
Selecionando uma das 200 curvas demonstradas para a mistura combustível
E100 é possível plotar o diagrama P-V, conforme Gráfico 11, e identificar a região de
pressão positiva e pressão negativa para calculo da PMI.
GRÁFICO 11: GRÁFICO P-V DO CILINDRO 3 (E100)
F O N T E : AU T O R E S
As diferenças de posicionamento e valor do ponto de pressão máxima nos
Gráficos 10 e 11 são identificadas principalmente pela variação do avanço de
ignição é justificada por (VLASSOV, 2002) e (SILVA, 2006) que destacam a
37
importância do poder antidetonante, ou seja, a capacidade do combustível resistir ao
aumento da pressão e temperatura no interior da câmara de combustão sem iniciar o
processo de queima da mistura ar/combustível.
Seguindo a linha de raciocínio proposta e considerando que o avanço de
ignição no álcool é superior e comprovado por medições do sistema de injeção e
neste caso equivalente ao dobro, as curvas dos Gráficos 12 e 13 representam tais
condições onde o píco máximo de pressão em E100 é superior ao E0.
Na curva do combustível E0 o avanço utilizado foi de aproximadamente 15º
antes do PMS já na curva do combustível E100 o avanço ocorreu a 30º antes do
PMS, coincidentemente as pressões em cada ponto de ignição representam
respectivamente 8 e 16 bar. Os avanços aplicados para cada curva seguem
metodologia do fabricante do motor e devem assegurar o funcionamento do motor
sem a presença do fenômeno da detonação, fenômeno este prejudicial ao motor
reduzindo o desempenho podendo chegar até a quebra do mesmo.
No caso do motor em funcionamento com combustível E0 e avanço de
ignição igual ou superior ao álcool em uma dada condição o motor apresentaria forte
ruído e baixo desempenho.
Para a condição exemplificada, a curva E100 apresenta pico de pressão
superior à curva E0 evidenciando melhor aproveitamento do ciclo. Contudo, é
importante ressaltar as características do álcool em absorver o calor das paredes
internas do motor possibilitando maior enchimento, ou seja, maior capacidade de
admitir ar para dentro da câmara de combustão.
38
GRÁFICO 12: PRESSÃO COMB. CILIND. 3 2750 RPM PLENA CARGA (E0)
F O N T E : AU T O R E S
GRÁFICO 13: PRESSÃO COMB. CILIND. 3 2750 RPM PLENA CARGA (E100)
F O N T E : AU T O R E S
39
6 CONCLUSÃO
Os resultados das medições apresentam a separação em duas análises
fundamentais, a variação da pressão entre curvas de origem do mesmo método de
obtenção da PMI e a comparação das curvas entre os métodos.
A análise das curvas de pressão para cada concentração de mistura
combustível e ainda separada por método de obtenção Figuras 08 e 09 do Cápitulo
cinco demonstram a tendência de ambos os métodos em aumentar o valor da PMI a
medida que aumenta a concentração de álcool. Contudo, as curvas de E0 e E24 não
apresentam tal tendência, isto é justificado pela ausência de variação do avanço de
ignição, que neste caso e fixo por definição do fabricante do motor.
Para o comparativo das curvas entre os métodos a análise divide as curvas
em três zonas distintas e identificadas através do Gráfico 14.
Nas concentrações de álcool analisada no Gráfico 14, percebeu-se que a
PMI medida é superior até próximo aos 2600 rpm e após esta rotação a PMI
calculada a partir do torque passa a ser superior em todas as misturas, em média de
4%, mas podendo passar dos 9% em E24, E62, E100, estas constatações podem
ser identificada nos gráficos do Capítulo 5.
No início das aquisições teórico e prático, zona um do Gráfico 14, a PMI
calculada é inferior a medida, isto é devido ao desenvolvimento da fórmula para
correção das perdas por atrito que não apresenta de fato a realidade da evolução
dos motores que atualmente possuem a tendência de reduzirem os atritos internos
do motor com o estudo dos materiais e lubrificantes.
Próximo aos 2600 rpm até o fim da zona dois do gráfico 14, em todas as
concentrações, ocorre à inversão entre a PMI calculada e medida, ou seja, nesta
rotação as PMI´s se cruzam e por conseqüência, têm a mesma pressão. No entanto,
a medida que ocorre o aumento da rotação, a dispersão entre a teoria e prática
também aumenta. Da mesma forma a zona dois sofre a influência da correção da
PMF para a curva de PMI calculada pelo torque, indicando perdas maiores por atrito
resultando em valores de PMI superiores em comparação ao método de medição
direta.
Após o ponto de maior valor de PMI, início da zona 3, as curvas passam a
ter um efeito de queda de seus valores, porém mantendo o aumento da diferença
40
entre ambas. Esta queda é justificada por perdas de rendimento do motor
evidenciada pela análise da curva de potência do motor Gráfico 1. Esta redução
pode ser também entendida pela dificuldade do motor em admitir o volume de ar
necessário para seu funcionamento a partir de uma determinada rotação neste caso
início da zona 3.
GRÁFICO 14: ZONAS DE ANÁLISE DA PMI
F O N T E : AU T O R E S
O fato dos cálculos apresentarem aproximadamente 4% de diferença entre
os métodos reflete a dificuldade da fórmula para calculo da PMF representar as
perdas por atrito interno do motor. Um parâmetro marcante na medição é o avanço
de ignição que praticamente dobra quando colocamos frente a frente uma curva de
E0 e E100. A Tabela 6 mostra alguns pontos extraídos dos gráficos das curvas
características de PMI demonstradas no Capítulo cinco com as variações da
concentração de álcool na gasolina. As dispersões apresentadas são calculadas
entre os resultados das colunas de valores calculados e medidos.
41
TABELA 06: DEMONSTRAÇÃO DOS VALORES DA PMI (E0 / E24 / E62 / E100)
PMI (bar) / E0
PMI (bar) / E24
Rotação (rpm) Calculado Medido
Dispersão (%) Calculado Medido
Dispersão (%)
1000
9,6
10,1
5,21
9,6
10,1
5,21
1250
9,8
10,2
4,08
9,7
10,6
9,28
1750
10,5
10,6
0,95
10,5
10,65
1,43
2250
10,8
10,8
0,00
11
11,25
2,27
2750
11,5
11,2
2,61
11,5
11,4
0,87
3250
11,6
11,4
1,72
11,75
11,45
2,55
3750
11,9
11,5
3,36
11,9
11,6
2,52
4250
12,2
11,6
4,92
12,3
11,6
5,69
4500
12,26
11,7
4,57
12,4
11,7
5,65
4750
12,2
11,5
5,74
12,3
11,58
5,85
5250
11,75
10,7
8,94
11,7
10,7
8,55
PMI (bar) / E62
Rotação (rpm) Calculado Medido
Dispersão (%)
1000
9,75
10,2
4,62
1250
10
10,21
2,10
1750
10,6
10,7
0,94
2250
11
11,1
0,91
2750
11,8
11,6
1,69
3250
12,1
11,65
3,72
3750
12,17
11,8
3,04
4250
12,6
12,15
3,57
4500
12,75
12,25
3,92
4750
12,4
12
3,23
5250
12
11
8,33
PMI (bar) / E100
Calculado Medido
Dispersão (%)
9,7
10,37
6,91
10,1
10,5
3,96
10,7
11
2,80
11,1
11,5
3,60
12,2
11,95
2,05
12,2
12,1
0,82
12,3
12,15
1,22
12,65
12,4
1,98
12,8
12,58
1,72
12,6
12,18
3,33
12,3
11,2
8,94
F O N T E : AU T O R E S
Fica evidente que as curvas da PMI apresentam diferenças que atinge valores
próximos a um bar de pressão, valor este que representa quase 10% do valor de
PMI. Sendo assim, um valor muito importante e que pode alterar significativamente o
projeto e o estudo dos componentes internos do motor.
6.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Este estudo pode servir como modelo para uma futura comparação entre
diferentes misturas de biodiesel em óleo diesel comum em motores de ciclo diesel.
Pode-se ainda utilizar os dados obtidos para viabilizar a correção dos cálculos
da PMF para obtenção da PMI a partir do torque, com valores mais próximos dos
valores da PMI medida diretamente na câmara de combustão.
Utilização da medição da PMI para análise de rendimento da combustão de
um motor a combustão interna com a variação do parâmetro conhecido como
42
avanço de ignição, parâmetro que determina quando o sistema de ignição deve
gerar a faísca da vela, ou seja, inicio da combustão.
43
REFERÊNCIAS
ALMEIDA, Alexandre Amaral. Ensaio de motor ICE a Álcool com dupla ignição. 2005
114f. Dissertação (Mestrado em engenharia mecânica) – Universidade Estadual de
Campinas, Campinas, 2005.
dos Fabricantes de Veículos
ANFAVEA - Associação Nacional
AutomotoresComissão de Energia e Meio Ambiente www.anfavea.com.br Abril
2007.
CARRO ONLINE. Informações técnicas. Disponível: http://carroonline.terra.com.br
[capturado em 20 Mar. 2007].
FERGUSON, Carolin R. Internal Combustion Engines. John Wiley &Sons,1973.
FERGUSON, Carolin R. Kirkpatrick Allan T. Internal Combustion Engines –
applied thermosciences. 2. ed. EUA, 2000
HEYWOOD, J.B. Internal Combustion Engine. São Paulo, McGraw-Hill, 1988.
MELO, TADEU CAVALCANTE CORDEIRO DE. Modelagem Termodinâmica de
um motor do ciclo Otto tipo Flex-Fuel funcionando com Gasolina, Álcool e Gás
Natural.Rio de Janeiro, Universidade Federal do Rio de Janeiro (Dissertação de
Mestrado) (2007).
NAGASHIMA, K. and Tsuchiya, K. New Indicated Mean Effective Pressure
Measuring Method and Its Applications. SAE, 2002.
NOBUYUKI, Kawahara et al. Cycle-resolved measurements of the fuel
concentration near a spark plug in a rotary engine using an in situ laser
absorption method. Proceedings of the Combustion Institute 31 (2007) 3033–3040,
Science Direct.
OLIVEIRA, A.M. Amir. Transferência de calor e escoamento de motores. Turma
IV, Programa Brasileiro de Formação em Motores e Combustíveis. Setembro de
2004.
PIFFAUT Felix. Módulo combustão e controle de emissões de poluentes. Turma
IV, Programa Brasileiro de Formação em Motores e Combustíveis, Dez. de 2004.
PISCHINGER, Rudolf. Head of the Institute for Combustion engines and
Thermodynamics. University of Technology Graz – Handbook. Graz, Janeiro 2002.
SCHIMIDT, Carlos Eduardo. Modelamento de motores de combusto interna a gás
natural. 2007 25f. Trabalho de conclusão de curso – Curso de Engenharia Mecânica,
Universidade do Rio Grande do Sul, Rio Grande do Sul, 2007.
44
SILVA, Nerivaldo Rodrigues. Metodologia para determinação da potência indicada
em motores de combustão interna. 2006 176f. Dissertação (Mestrado em engenharia
mecânica) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2006.
STONE, Richard. Introduction to Internal Combustion Engines. Warrendale, PA.
SAE, 1999.
VLASSOV Dimitri. Módulo – Fundamentos da combustão. Turma IV, Programa
Brasileiro de Formação em Motores e Combustíveis, 2002.
NOTICIAS AUTOMOTIVAS. Reportagem [on line] - Recorde de vendas de carros
FLEX no Brasil. Disponível: http://www.noticiasautomotivas.com.br [capturado em 25
Fev. 2007].
45
APÊNDICE
PROCEDIMENTO DE CALIBRAÇÃO DO SISTEMA
O procedimento de calibração das velas instrumentadas utilizadas no
desenvolvimento deste trabalho pode ser aplicado às velas dos fornecedores AVL e
Kistler.
O procedimento orienta a atividade de calibração das velas instrumentadas
utilizadas em motores a gasolina ou álcool com pressão de trabalho máxima de
100bar.
A atividade de calibração é realizada por um fornecedor externo com
escolha dependente da qualidade do serviço e erro do padrão utilizado na
calibração. As etapas de calibração seguem abaixo:
1ª etapa – Conectar o cabo de força e manter o amplificador alimentado por
aproximadamente 30 minutos antes do início da calibração. É necessário configurar
o amplificador sem filtro e constante de tempo “TC” igual a LONG, Tabela 04.
T ABEL A 4 - AMPLIFIC ADO R K ISTLER MO DELO 5011
Valor do filtro passa - baixa
Sem filtro
Constante de t em po
LONG.
F O N T E : AU T O R E S
2ª etapa – Ajustar o zero do amplificador com auxilio de um multímetro na
saída analógica. Exemplo faixa de 200mV e Ri > 1MΩ.
3ª etapa – Definir a faixa de calibração, neste caso de 0 a 100bar, ajustar o
valor de sensibilidade para cada conjunto vela e amplificador, fixando o valor de
pressão sobre a vela instrumentada em aproximadamente 2/3 do fundo de escala,
exemplo 60bar.
Com a ajuda do painel frontal do amplificador, Figura 10, de carga e a leitura
do sinal de saída, ajustar o valor de sensibilidade do transdutor (pC/bar) até que o
valor da saída seja de 6 volts. Exemplo: 16 pC/bar igual a T1.6E+1.
46
ILUSTRAÇÃO 01: AMPLIFICADOR KISTLER MODELO 5011
F O N T E : AU T O R E S
4ª etapa – Realizar os 10 pontos da curva de pressão iniciando em 10bar até
100bar com intervalo de 10 bar.
Na Ilustração 01 (vista explodida da vela instrumentada) é possível
identificar as conexões entre o transdutor de pressão, cabo de sinal de carga e
conector que necessitam de maiores cuidados quanto à limpeza, isolamento e
manipulação, que podem comprometer o processo de calibração e ou a utilização da
vela durante os ensaios.
Para avaliar e quantificar o isolamento é utilizado o equipamento modelo
5493 (Insulation Tester) do fornecedor Kistler.
47
COMPONENTES DE UMA VELA INSTRUMENTADA
Eletrodo
Conector eletrodo
Transdutor de
Pressão
Suporte transdutor
e eletrodo de
massa
F O N T E : AU T O R E S
Fixação
do
conector
Terminal
Transdutor e cabo
Conector BNC p/
amplificador
48
ANEXO
49
50
51
52
53
54