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Renan Cabral Rodrigues

OTIMIZAÇÃO DO FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR FLEX

PARA OPERAR APENAS COM ETANOL HIDRATADO

Centro Universitário Toledo

Araçatuba

2015

Renan Cabral Rodrigues

OTIMIZAÇÃO DO FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR FLEX

PARA OPERAR APENAS COM ETANOL HIDRATADO

Trabalho de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Instituição Centro

Universitário Toledo, como parte dos requisitos

necessários para obtenção do título de Engenheiro

Mecânico, sob a orientação do Prof. Me. Lucas Mendes

Scarpin.

Centro Universitário Toledo

Araçatuba

2015

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus por tudo o que tem feito por mim, para que pudesse

estar aqui.

Agradeço a minha mãe, meus irmãos e meus familiares por estarem sempre do meu

lado me apoiando, dando forças e incentivando para não desistir dos meus sonhos.

Ao meu orientador, Prof. Me Lucas Mendes Scarpin pelo conhecimento, paciência e

amizade, que compartilhou comigo para a execução desse trabalho.

Aos professores e amigos que fizeram parte dessa caminhada, compartilho com eles

essa vitória.

Ao centro universitário Toledo e seu reitor Bruno Toledo por todo suporte e toda a

estrutura física e humana.

RESUMO

Os motores de combustão interna revolucionaram a sociedade moderna, porém o

mesmo é tido como um grande vilão por conta dos gases emitidos pela queima dos

combustíveis, principalmente os de origem fóssil. Uma forma de minimizar este problema é

desenvolvendo motores mais eficientes, operando com combustíveis de origem renovável.

Sendo assim, foram feitas análises das configurações de um motor flex, buscando a

otimização dos seus parâmetros dinâmicos e geométricos, para que o mesmo opere apenas

com etanol hidratado. No decorrer dos estudos, utilizou-se o software Diesel-RK,

desenvolvido para análise termodinâmica dos motores de combustão interna. Com os

resultados, concluiu-se que o desenvolvimento de motores operando apenas com etanol

hidratado seria uma forma de aumentar o torque dos motores, diminuindo o consumo de

combustível e, consequentemente, a emissão de gases nocivos ao meio ambiente.

Palavras-chave: Motores de combustão interna; Otimização; Etanol hidratado.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Sistema biela-manivela. ........................................................................................... 10

Figura 2. Representação do PMS, PMI e C. ............................................................................ 10

Figura 3. Ciclo de ignição por centelha ideal. ......................................................................... 11

Figura 4. Ciclo de ignição por compressão ideal. ................................................................... 11

Figura 5. Eventos do ciclo de ignição por centelha ideal. ....................................................... 13

Figura 6. Motor de ignição por centelha ideal operando com carga parcial. .......................... 13

Figura 7. Motor de ignição por centelha real operando com carga parcial. ............................ 14

Figura 8. Eventos do ciclo de ignição por compressão ideal. ................................................. 15

Figura 9. Motor de ignição por compressão ideal. .................................................................. 16

Figura 10. Motor de ignição por compressão real. .................................................................. 17

Figura 11. Primeiro carro flex produzido no país, Volkswagen Gol 1.6 (2003). .................... 17

Figura 12. Simulação ICE. ...................................................................................................... 27

Figura 13. Escolha da variável para ser escaneada.................................................................. 27

Figura 14. Escaneamento......................................................................................................... 28

Figura 15. Plotagem dos gráficos em função do torque e octanagem do combustível. .......... 28

Figura 16. Alteração da variável escaneada. ........................................................................... 29

Figura 17. Resultados obtidos através do modo ICE. ............................................................. 29

Figura 18. Torque em função da rotação para diversas configurações. .................................. 32

Figura 19. Potência em função da rotação para diversas configurações. ................................ 32

Figura 20. Consumo específico em função da rotação para diversas configurações. ............. 33

Figura 21. Emissão de NOx em função da rotação para diversas configurações. ................... 34

Figura 22. Gráfico aproximado para melhor visualização dos níveis de NOx. ....................... 34

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Características geométricas e operacionais do motor. ............................................. 24

Tabela 2. Características da gasolina. ...................................................................................... 25

Tabela 3. Características do etanol hidratado. ......................................................................... 25

Tabela 4. Listagem das variáveis a serem otimizadas. ............................................................ 26

Tabela 5. Resultados das variáveis a rotação nominal de 2500 rpm. ...................................... 30

Tabela 6. Resultados das variáveis em função da rotação. ...................................................... 31

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

bmep - brake mean effective pressure (pressão média efetiva de eixo)

C - curso

CI - compression ignition (ignição por compressão)

cm³ - centímetro cúbico

CO - monóxido de carbono

CO2 - dióxido de carbono

cv - cavalo vapor

D - diâmetro

E0 - gasolina pura

E10 - gasolina com 10% de etanol anidro

E10W - gasolina com 10% de etanol hidratado

ECU - unidade de comando eletrônica

EVC - exhaust valve closing (fechamento válvula de escape)

EVO - exhaust valve opening (abertura válvula de escape)

g/kWh - grama por quilowatt hora

HC - hidrocarboneto

ICE - internal combustion engine (motor de combustão interna)

ICE 0 - parâmetros originais do motor operando com gasolina

ICE I - parâmetros originais do motor operando com etanol

ICE II - parâmetros otimizados do motor operando com etanol hidratado (1ª iteração)

ICE III - parâmetros otimizados do motor operando com etanol hidratado (2ª iteração)

IVC - intake valve closing (fechamento válvula de admissão)

IVO - intake valve opening (abertura válvula de admissão)

kg/kmol - quilograma por quilomol

kg/kWh - quilograma por quilowatt hora

kg/m3 - quilograma por metro cúbico

kW - quilowatt

L - litros

MJ/kg - megajoule por quilograma

mm - milímetro

Nm - Newton metro

NOx - óxidos de nitrogênio

p - pressão

PMI - ponto morto inferior

PMS - ponto morto superior

Q - calor transferido no processo

rpm - revoluções por minuto

SI - spark ignition (ignição por centelha)

V - volume

W - trabalho de eixo

θi - avanço de ignição

λ - relação de equivalência ar-combustível

SUMÁRIO

RESUMO ................................................................................................................................... 4

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ 5

LISTA DE TABELAS ............................................................................................................... 6

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ................................................................................ 7

1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 9

1.1. Motores de combustão interna ........................................................................................ 9

1.2. Ciclo de ignição por centelha de quatro cursos – Otto ................................................. 12

1.3. Ciclo de ignição por compressão - Diesel .................................................................... 15

1.4. Motores flex no Brasil ................................................................................................... 17

1.5. Proálcool ....................................................................................................................... 18

1.6. Etanol perspectivas no cenário brasileiro ..................................................................... 18

1.7. Octanagem vs Cetanagem ............................................................................................. 18

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E OBJETIVOS ................................................................... 20

2.2 Objetivos ........................................................................................................................ 22

3. METOLOGIA ...................................................................................................................... 23

3.1. Diesel-RK ..................................................................................................................... 23

3.2. Parâmetros do motor ..................................................................................................... 24

3.3. Dados dos combustíveis ................................................................................................ 24

3.4. Procedimentos ............................................................................................................... 25

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................................... 30

5. CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 36

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 37

APÊNDICES ............................................................................................................................ 39

9

1. INTRODUÇÃO

Neste capítulo, será apresentada uma breve introdução a respeito de motores de

combustão interna, além de apresentar um histórico a respeito dos motores flex no Brasil,

assim como sobre o Etanol.

1.1. Motores de combustão interna

Os motores de combustão interna, uma das invenções que mais revolucionaram a

sociedade moderna, inventado no século XIX, sendo muito utilizado para gerar energia

mecânica em veículos para locomoção como, carros, motos, caminhões, navios, locomotivas,

aviões e outros, além de ser utilizado em outras áreas como a geração de energia elétrica em

grande e pequena escala, bombeamento de fluidos, produção de ar comprimido, entre outros.

Apesar de todos os seus benefícios é tido como um dos principais vilões na poluição

do meio ambiente, por conta dos gases poluentes liberados pela queima do combustível,

principalmente os de origem fóssil. Apesar da sua grande evolução em termos de emissão de

poluentes, chegando até a poluir cem vezes menos que comparado há 40 anos.

Teve também uma grande evolução no seu rendimento ao longo das décadas, partido

de 10% até alcançar níveis acima de 50% em alguns motores a Diesel atuais. Os motores de

combustão interna podem variar sua potência de 10 W a 10 MW, sendo em sua maioria

utilizado na ordem das dezenas e centenas de quilowatts (MARTINS, 2013).

Os motores de combustão interna são denominados assim, pois a queima do

combustível acontece no interior do mesmo, em uma câmara de combustão. Estes podem ser

dinâmicos e volumétricos. Os motores dinâmicos são classificados em rotativos e a reação,

como exemplo, respectivamente, uma turbina a gás para geração de potência de eixo e outra

para aplicação aeronáutica. Por outro lado, os motores volumétricos são classificados em

alternativos e rotativos, como exemplo os motores a pistão e o motor Wankel,

respectivamente.

Os Motores alternativos, sobre o qual incide esse estudo, têm por característica o

volume variável do cilindro, com componentes móveis, como o pistão ou o êmbolo, que

transmitem energia gerada pela combustão através da movimentação em vaivém,

10

impulsionando o eixo de manivelas, que também é conhecido como cambota, árvore de

manivelas, virabrequim, por meio de um sistema biela-manivela (Figura 1), estando o mesmo

acoplado direta ou indiretamente ao pistão.

Figura 1. Sistema biela-manivela.

Fonte: Martins (2013).

Se o eixo de manivelas for girado, o pistão sobe e desce no interior do cilindro, cujo

ponto mais alto que o pistão atinge denomina-se ponto morto superior (PMS) e o ponto mais

baixo é conhecido como ponto morto inferior (PMI). O curso (C) é determinado pela distância

percorrida pelo pistão entre os dois pontos extremos, conforme Figura 2.

Figura 2. Representação do PMS, PMI e C.


11

Os motores podem variar em muitos aspectos, como número de cursos, ciclo de

operação, posicionamento ou quantidade de válvulas, combustível usado, método de carga,

tipo de injeção, preparação da mistura ar-combustível, tipo de ignição, arrefecimento e,

principalmente, na geometria dos cilindros.

Os motores de combustão interna são máquinas térmicas, cujos principais modos de

operação podem ser classificados em ciclo de ignição por centelha (Otto) e ciclo de ignição

por compressão (Diesel). O funcionamento dos motores pode ser analisado sob o ponto de

vista da termodinâmica, dividindo o ciclo de funcionamento em diferentes eventos: admissão,

compressão, injeção de calor, expansão motora, blowdown, e exaustão. Diante disso,

assumindo os eventos como sendo ideais, as Figuras 3 e 4 ilustram os dois ciclos

apresentados.

Figura 3. Ciclo de ignição por centelha ideal.


Figura 4. Ciclo de ignição por compressão ideal.


12

1.2. Ciclo de ignição por centelha de quatro cursos – Otto

Um motor de quatro cursos efetua duas revoluções do eixo de manivelas para

percorrer um ciclo completo de operação, passando por todos os eventos descritos

anteriormente. A seguir, serão descritos cada um dos eventos para um motor de ignição por

centelha ideal, de quatro cursos e carga homogênea. Adicionalmente, a Figura 5 ilustra cada

um dos eventos descritos.

Admissão: por convenção é o primeiro evento do ciclo, inicia-se no PMS, quando o

pistão parte em movimento descendente até o PMI, gerando uma depressão no interior

do cilindro. Neste evento, a válvula de escape se encontra fechada e a de admissão

aberta e, com isso, a mistura ar-combustível é admitida para o interior do cilindro até o

final do processo, no qual ocorre o fechamento da válvula.

Compressão: após admitir a mistura ar-combustível, o pistão inicia o retorno para o

PMS, dando início ao segundo evento do ciclo. Com as válvulas de admissão e escape

fechadas, a mistura é comprimida, gerando um aumenta da pressão e temperatura no

interior da câmara, porém sem ultrapassar a temperatura de autoignição da mistura.

Injeção de calor: com o pistão em PMS, é liberada uma centelha entre os eletrodos da

vela de ignição, promovendo a combustão instantânea da mistura ar-combustível e,

consequentemente, gerando produtos de combustão a elevados níveis de pressão e

temperatura.

Expansão motora: neste evento, ocorre o deslocamento do pistão do PMS para PMI,

em função da expansão dos produtos de combustão no interior da câmara de

combustão. Vale ressaltar que se trata do único evento em que o motor gera potência

de eixo.

Blowdown: ao final do evento de expansão motora, ou seja, quando o pistão atinge o

PMI, tem-se a abertura da válvula de escape, promovendo uma descompressão rápida

da câmara de combustão e, consequentemente, expulsão parcial dos produtos de

combustão, o qual ocorre a volume constante.

Exaustão: o pistão, em movimento ascendente, retorna até o PMS com a válvula de

escape aberta, para que os produtos de combustão possam ser despejados para fora da

câmara de combustão e, com isso, finalizar o ciclo termodinâmico.

13

Figura 5. Eventos do ciclo de ignição por centelha ideal.


Neste ciclo de funcionamento, é importante ressaltar que a potência gerada pelo motor

é controlada pelo nível de estrangulamento no coletor de admissão. Diante disso, existe uma

válvula neste coletor, a qual controla o fluxo mássico de ar que é admitida pelo motor e,

consequentemente, a fração de combustível que é induzida em conjunto com o ar atmosférico.

A Figura 6 ilustra o funcionamento de um motor de ignição por centelha com carga parcial.

Figura 6. Motor de ignição por centelha ideal operando com carga parcial.


Além disso, nessa configuração, a relação de equivalência ar-combustível se mantém

constante ao longo de toda faixa de rotação e operação do motor. Conforme apresentado pela

Figura 6, é possível visualizar a diferença entre as pressões de admissão e exaustão, a qual

14

aumenta com o nível de estrangulamento. Quando o motor opera em carga máxima, a

tendência é uma aproximação entre as pressões descritas, pois o nível de estrangulamento será

mínimo, facilitando o escoamento do fluido para o interior do cilindro.

Por meio de uma análise termodinâmica, o ciclo de ignição por centelha ideal com

estrangulamento parcial, conforme visto na Figura 6, ocorre percorrendo os seguintes

processos:

7 → 1: admissão a pressão constante;

1 → 2: compressão isoentrópica;

2 → 3: combustão a volume constante;

3 → 4: expansão motora isoentrópica;

4 → 5: blowdown a volume constante;

5 → 6: exaustão a pressão constante.

Quando se analisa um ciclo real, todos os processos termodinâmicos envolvidos são

reais. Por isso, os eventos de admissão e exaustão ocorrem com variação de pressão, a

compressão e a expansão motora são irreversíveis e existe transferência de calor em ambos e,

por fim, a combustão não ocorre a volume constante, ou seja, não é instantânea. A Figura 7

apresenta o funcionamento de um ciclo de ignição por centelha real, operando com

estrangulamento parcial.

Figura 7. Motor de ignição por centelha real operando com carga parcial.

Fonte: Adaptado de Pulkrabek (2004).

15

1.3. Ciclo de ignição por compressão - Diesel

O motor de ignição por compressão, também designado como motor de ciclo Diesel,

pois o mesmo foi desenvolvido por Rudolf Diesel. Este utiliza, basicamente, os mesmos

componentes que o motor de ignição por centelha (ciclo Otto), porém com algumas

particularidades em seus eventos, os quais serão detalhados abaixo:

Admissão: Neste evento a válvula de escape se encontra fechada, e a de admissão está

aberta, e com isso, motor admite apenas ar atmosférico para o interior do cilindro;

Compressão: as válvulas de admissão e escape estão fechadas, o ar admitido é

comprimido elevando sua pressão e temperatura significativamente;

Combustão - Expansão motora: o evento de combustão é a principal diferença entre o

ciclo Diesel e o Otto, pois o combustível é injetado no interior do cilindro em uma

pressão superior a do ar comprimido, ocasionando a combustão espontânea em contato

com o mesmo. Ocasionando o deslocamento do pistão, proveniente da expansão dos

produtos de combustão, gerando potência de eixo no motor;

Exaustão: a válvula de escape se abre liberando os gases provenientes da combustão,

finalizando o ciclo termodinâmico.

Figura 8. Eventos do ciclo de ignição por compressão ideal.


A principal diferença entre o ciclo Diesel e o Otto está na fase de injeção de calor,

sendo no ciclo Diesel a pressão constante (Figura 9). O ciclo Diesel opera com elevada taxa

de compressão, para que no final do evento de compressão o ar admitido esteja a uma

temperatura alta o suficiente, para que o combustível injetado possa entrar em combustão.

16

Figura 9. Motor de ignição por compressão ideal.


A representação do gráfico, pressão por volume (p-V), do ciclo de ignição por

compressão ideal, conforme visto na Figura 9, ocorre percorrendo os seguintes processos:

6 → 1: admissão a pressão constante;

1 → 2: compressão isoentrópica;

2 → 3: combustão a pressão constante;

3 → 4: expansão motora isoentrópica;

4 → 5: blowdown a volume constante;

5 → 6: exaustão a pressão constante

Conforme citado acima, no ciclo Otto real, o ciclo Diesel real também apresenta

diferenças, comparado com o ciclo ideal. Por isso, os eventos de admissão e exaustão ocorrem

com variação de pressão, a compressão e a expansão motora são irreversíveis e existem

perdas por transferência de calor em ambos e, principalmente, a combustão não ocorre a

pressão constante. A Figura 10 apresenta o funcionamento de um ciclo de ignição por

compressão real.

17

Figura 10. Motor de ignição por compressão real.


1.4. Motores flex no Brasil

O primeiro carro flex a ser produzido no Brasil foi o modelo Gol da marca

Volkswagen em março de 2003, com um motor AP 1.6 8v, gerando uma potência de 97 cv

operando com gasolina e 99 cv com etanol hidratado. Essa inovação tecnológica permitiu ao

consumidor a flexibilidade de escolha do combustível na hora de abastecer o veículo.

O carro flex pode operar com etanol, gasolina ou mistura em qualquer proporção dos

dois combustíveis. De forma resumida o seu funcionamento se da através de uma Unidade de

Comando Eletrônica (ECU), que faz o gerenciamento do sistema de injeção eletrônica que

adapta o funcionamento do motor com o combustível utilizado. No Brasil já foram fabricados

mais de 20 milhões de carros flex desde o seu lançamento (CAR BLOG, 2014).

Figura 11. Primeiro carro flex produzido no país, Volkswagen Gol 1.6 (2003).

Fonte: Carros.uol (2013).

18

1.5. Proálcool

O Programa Nacional do Álcool, conhecido como Proálcool, criado em 1975 no

Brasil, com o objetivo de aumentar a produção do setor sucroenergético, expandindo a

produção de etanol anidro, para adiciona-lo a gasolina. Desta forma, diminuindo a

dependência por petróleo de outros países. O programa contribuiu para a instalação de novas

plantas produtoras de etanol, chegando a investir aproximadamente US$ 1,5 bilhões no setor

durante a sua primeira fase. Em sua segunda fase incentivou o desenvolvimento de veículos

operando com etanol hidratado gerando um aumento do consumo para fins automotivos

(RODRIGUES, 2012).

1.6. Etanol perspectivas no cenário brasileiro

O cenário atual brasileiro para o setor sucroalcooleiro é positivo, pois existem muitos

fatores que contribuem para esse pensamento, como a disposição de muitas terras aptas para o

plantio da cana de açúcar, o desenvolvimento de novas tecnologias e de novas técnicas,

aumentando consideravelmente o seu rendimento em termos de produção de etanol por

hectare, a necessidade de redução dos gases de efeito estufa e com a escalada do preço do

petróleo, o etanol tem sido muito competitivo frente à gasolina (NOVACANA, 2015).

1.7. Octanagem vs Cetanagem

A capacidade que o combustível tem de ser comprimido sem entrar em autoignição é

denominada octanagem, conhecida também como poder antidetonante. O índice de

octanagem é a característica mais importante dos combustíveis para motores de ignição por

centelha. Sendo indispensável o seu conhecimento para o dimensionamento dos parâmetros

geométricos do motor, principalmente a taxa de compressão do motor.

Desta forma, um combustível com alto índice de octanagem pode ser elevado a

maiores pressões e temperaturas, possibilitando uma maior eficiência ao queimar. Porém um

combustível com maior octanagem, não significa maior potência quando utilizado em um

19

motor, e sim que o motor foi projetado para operar com um alto índice de octanagem

(MARTINS, 2013).

A cetanagem é para os óleos combustíveis, o que a octanagem é para a gasolina e

éteres. O índice de cetano representa a capacidade de autoignição, uma das características

mais importante do óleo diesel, por exemplo. Pois, os motores de ignição por compressão

necessitam de combustíveis com facilidade de autoignição, para que os mesmos possam ser

injetados na câmara de combustão e, consequentemente, entrar em contato com o ar, a altos

níveis de temperatura e pressão, possibilitando o início da combustão.

20

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E OBJETIVOS

Neste capítulo será apresentada uma breve revisão dos trabalhos diversos realizados

nos últimos anos relacionados às análises termodinâmicas dos motores de combustão interna.

Sendo de suma importância para a realização deste trabalho.

Carvalho (2011) estudou um motor de combustão interna ciclo Otto, 1,4 L de volume

e potência máxima de 77,2 kW, utilizando diversos tipos de combustíveis, abordando suas

principais características, as emissões veiculares e fatores que contribuem no desempenho,

rendimento e emissões do motor. Utilizando conceitos da termodinâmica como entropia,

irreversibilidades, exergia e a aplicação da 1ª e 2ª Lei da Termodinâmica em motores de

combustão interna. Através de ensaios experimentais executados em um dinamômetro de

bancada, comparando os resultados de desempenho (torque e potência), consumo de

combustível, eficiências e emissões entre etanol, gasolina, misturas gasolina/etanol e Gás

Natural Veicular. Analisando os resultados de desempenho, o combustível que proporcionou

os maiores valores de torque e potência ao motor foi o etanol anidro, aumentando também o

desempenho e eficiência da gasolina conforme o aumento do seu percentual. O Gás Natural

Veicular apresentou a maior eficiência comparada aos outros combustíveis, porém com

desempenho inferior aos demais. Destacando assim o etanol pelos bons resultados de

desempenho e rendimento, e pelo ponto de vista ambiental, sendo sua fonte de origem

renovável.

Melo (2012), analisou experimental e numericamente um motor flex fuel para o estudo

da influência da adição de diferentes teores de etanol hidratado à gasolina no desempenho do

motor. Realizando ensaios de desempenho, emissões e de medição da pressão na câmara de

combustão em um banco de provas de motor, utilizando os dados experimentais para validar

um modelo computacional que gera curvas de pressão na câmara de combustão em função do

ângulo de manivelas e valores de emissões de alguns poluentes, usando as equações de

cinética química para simulação dos poluentes e equação de Wiebe de duas zonas para

estimativa da fração de massa de combustível queimado. Contribuindo para estudos de

melhoria da eficiência e de redução de emissões em veículos com tecnologia flex fuel. Na área

de simulação há contribuições na avaliação das limitações do modelo de Wiebe de duas zonas

e dos mecanismos de cinética química conhecidos para uso na simulação de emissões com o

uso de combustíveis contendo misturas de gasolina e etanol.

21

Segundo Lanzanova (2013) uma forma ecologicamente correta de gerenciar os

recursos energéticos disponíveis e minimizar as emissões de gases de efeito estufa é a

utilização de biocombustíveis no lugar de combustíveis de origem fóssil em motores de

combustão interna. Contudo, o preço elevado dos biocombustíveis podem limitar o

crescimento e a viabilização do seu uso. Para alcançar misturas com mais de 80% de etanol

em água o valor da produção aumenta consideravelmente. Seria mais viável caso misturas de

etanol com alto percentual de água, pudessem ser utilizados em motores de combustão interna

com sucesso. Sendo assim, analisou através de simulações computacionais e experimentais o

desempenho de um motor de ignição por centelha monocilíndrica de 0,668L, naturalmente

aspirado, com razão de compressão de 19:1 e injeção direta em pré-câmara, ciclo Diesel,

alterado para operar em ciclo Otto, com injeção de combustível na porta e razão de

compressão de 12:1, operando com etanol em vários níveis de hidratação. Foram realizados

testes em dinamômetro com o etanol hidratado comercial com 95% etanol e 5% água e

misturas com percentuais de hidratação de até 60% etanol e 40% água, e utilizando um

software de volumes finitos unidimensionais para análise da combustão obteve valores

satisfatórios com misturas de até 40% de água, e aumento da eficiência térmica com misturas

de até 30% de água.

Rodrigues (2014) estudou downsizing com o objetivo de apresentar soluções

tecnológicas utilizadas em motores de combustão interna, buscando elevar a eficiência

energética, diminuindo o consumo de combustível e emissão de gases poluentes, através de

simulação computacional e testes com dinamômetro. Comparando os resultados de consumo e

emissões dos propulsores originais, e com a solução elaborada, evidenciando as vantagens em

relação à sua aplicação. As tecnologias apresentadas tendo impacto direto na aplicação do

conceito de downsizing (redução do tamanho dos motores), pois quando aplicadas se mantém

a potência em um propulsor menor comparado a outro de maior cilindrada, reduzindo a

emissão de gases poluentes e consumo de combustível. Apresentando as soluções:

sobrealimentação, taxa de compressão variável, injeção direta e coletor de admissão variável.

Wang et. al (2015), realizaram experiências comparativas em um motor de combustão

interna a gasolina com injeção na porta, utilizando gasolina com 10% de etanol hidratado

(E10W), gasolina com 10% etanol anidro (E10) e gasolina pura (E0). Analisando

criteriosamente os efeitos das cargas do motor e as adições de etanol e água na combustão e as

características dos gases emitidos. De acordo com os resultados experimentais, em

comparação com E0, E10W apresentou maior pressão nos cilindros à carga elevada. Foram

22

observados aumentos no calor de pico para o combustível E10W em todas as condições de

funcionamento. O uso do E10W aumentou as emissões de NOX em uma larga faixa de

rotação. Contudo, em condições de baixa rotação, E10W reduziu HC, CO e emissões de CO2

significativamente. E10W também produzido ligeiramente menos emissões de HC e CO,

enquanto que as emissões de CO2 não foram significativamente afetadas em alta rotação.

Comparado com E10, E10W apresentou maior pico de pressão nos cilindros e injeção de calor

de pico nas condições operacionais testados. Além disso, diminui as emissões de NOx,

observadas para o E10W de 5 Nm a 100 Nm, enquanto o HC, CO e as emissões de CO2 foram

ligeiramente maiores em condições de carga baixa e média. Desta forma, concluíram que o

combustível E10W pode ser considerado como um combustível alternativo em potencial para

aplicações nos motores a gasolina.

2.2 Objetivos

O presente trabalho tem por objetivo a otimização do funcionamento de um motor, o

qual foi concebido originalmente para operar com gasolina e etanol (flex), operando apenas

com etanol hidratado. Para isso, propõe-se a análise dos parâmetros dinâmicos (relação ar-

combustível, avanço de ignição) e geométricos (razão de compressão, tempo de válvulas) do

motor, visando alcançar maiores níveis de torque, potência e menor consumo específico de

combustível. Para este fim, utilizou-se o software Diesel-RK.

23

3. METOLOGIA

Neste capítulo será apresentada toda a metodologia utilizada para o desenvolvimento

do trabalho. Sendo assim, serão apresentadas informações sobre o software utilizado,

características do motor flex e dos combustíveis utilizados para as análises, assim como os

passos executados para obtenção dos resultados.

3.1. Diesel-RK

O desenvolvimento do software DIESEL-RK foi iniciado em 1981, no Departamento

de Motores de Combustão de Interna de Bauman MSTU (Moscow State Technical

University).

Desde o seu início, o software foi concebido como uma ferramenta de pesquisa à

otimização e, portanto, apresenta ênfase com relação ao aumento da velocidade operacional e

adequação dos modelos matemáticos e algoritmos aplicados para a solução de problemas

relacionados às simulações de motores de combustão interna.

Corresponde a um software completo de simulação do ciclo termodinâmico de um

motor. Foi projetado para simular e otimizar motores de combustão interna de dois e quatro

cursos. O programa pode ser utilizado para modelar os seguintes tipos de motores:

motores do ciclo de ignição por compressão (CI) de dois ou quatro cursos, que

apresentam injeção direta e também os que apresentam pré-câmara (PCCI),

movidos a diesel e a biocombustíveis.

motores do ciclo de ignição por centelha (SI) de dois ou quatro cursos, movidos à

gasolina e a biocombustíveis como o etanol.

motores a gás SI, incluindo sistemas de pré-câmara, e motores alimentados por

diferentes gases: metano, propano, butano, biogás, gás oriundo da pirólise de

madeira, gás de síntese, entre outros.

capacidade de simular o processo de lavagem em motores de dois cursos.

possibilidade de simulação de motores de vários designs de disposição dos

cilindros, tais como, em linha, em V, opostos e radial.

24

3.2. Parâmetros do motor

A proposta de simulação do motor CCRA (Total flex), utilizado em alguns modelos de

veículos da marca Volkswagen®, cujos principais parâmetros geométricos e de funcionamento

foram obtidos através de um sistema de informações técnicas da Volkswagen, os quais

seguem apresentados por meio da Tabela 1.

Tabela 1. Características geométricas e operacionais do motor.

Parâmetros Informação

Tipo do motor Motor SI de 4 cursos

Número de cilindros 4

Número de válvulas no cabeçote 8

Geometria do motor Linha

Sistema de arrefecimento Líquido

Cilindrada 1598 cm3

Potência (Gasolina) 74,0 kW a 5250 rpm

Potência (Etanol) 76,0 kW a 5250 rpm

Torque (Gasolina) 151,0 Nm a 2500 rpm

Torque (Etanol) 153,0 Nm a 2500 rpm

Diâmetro Ø76,5 mm

Curso 86,9 mm

Taxa de compressão 12,0:1

Combustível Bicombustível (Gasolina tipo C / Etanol)

Fonte: Ficha técnica da Volkswagen.

3.3. Dados dos combustíveis

Nesta seção serão apresentadas a composição química e as principais características

dos combustíveis utilizados no decorrer das análises. Diante disso, as Tabelas 3 e 4

apresentam, respectivamente, as informações a respeito da gasolina e etanol hidratado.

Resaltando que os dados da gasolina utilizada neste trabalho são da própria biblioteca do

software.

25

Tabela 2. Características da gasolina.

Parâmetros Valor

Percentual mássico de carbono 85,5 %

Percentual mássico de hidrogênio 14,5 %

Percentual mássico de oxigênio 0 %

Poder calorífico inferior 44 MJ/kg

Densidade 720 kg/m3

Massa molecular 115 kg/kmol

Octanagem 95 octanas

Fonte: Diesel-RK (2015).

Tabela 3. Características do etanol hidratado.

Parâmetros Valor

Percentual mássico de carbono 52,9 %

Percentual mássico de hidrogênio 11,6 %

Percentual mássico de oxigênio 35,5 %

Poder calorífico inferior 25 MJ/kg

Densidade 810 kg/m3

Massa molecular 46 kg/kmol

Octanagem 110 octanas

Fonte: Próprio autor.

3.4. Procedimentos

Para o desenvolvimento do trabalho, foi desenvolvida uma metodologia para alcançar,

de modo satisfatório, a otimização do motor em questão. Diante disso, foi proposta a seguinte

ordem de execução:

I. Listagem de variáveis a serem otimizadas no passo em questão;

II. Fixadas as condições iniciais, realizar uma simulação ICE antes de qualquer outra

simulação (Figura 12);

III. Escolher uma das variáveis listadas no item I para ser escaneada (Figuras 13 e 14);

IV. Depois do escaneamento, plotar os gráficos da variável em questão pelo torque

gerado e pela octanagem (Figura 15);

26

V. Definir o valor para a variável onde o torque é máximo, respeitando sempre o

requisito de octanagem imposto pelo combustível;

VI. Atualizar o valor determinado nos parâmetros iniciais do software, antes da

próxima simulação (Figura 16);

VII. Repetir as etapas III, IV, V e VI, até que todas as variáveis listadas no item I sejam

escaneadas;

VIII. Fixadas as novas variáveis, realizar outra simulação ICE e compará-la com o valor

obtido na etapa II (Figura 17);

IX. Caso o torque tenha aumentado em mais de 5%, repetir mais uma vez o

procedimento geral de otimização de variáveis, de acordo com etapas, III, IV, V,

VI, VII e VIII, com a finalidade de refinar os parâmetros operacionais;

X. Comparar o novo valor do torque com o da última simulação ICE.

Desta forma, neste trabalho foi feita a listagem das seguintes variáveis, conforme

Tabela 4. Ressaltando que para os modos ICE 0 e ICE I foram utilizados os parâmetros

geométricos originais e, com isso, foram atribuídos os valores apenas para o avanço de

ignição (θi) e a relação de equivalência ar-combustível (lambda), buscando alcançar o torque

máximo do motor operando, respectivamente, com gasolina ou etanol, conforme informado

na Tabela 1.

Tabela 4. Listagem das variáveis a serem otimizadas.

Variável Definição

rc razão de compressão

IVO abertura da válvula de admissão

IVC fechamento da válvula de escape

EVO abertura da válvula de escape

EVC fechamento da válvula de escape

λ relação de equivalência ar-combustível

θi avanço de ignição

Fonte: próprio autor.

No modo ICE simulation, conforme ilustrado na Figura 12, a partir dos dados

inseridos no software é feita simulação, retornando os resultados alcançados e suas principais

configurações, obtendo assim um ponto de partida antes do escaneamento das variáveis.

27

Figura 12. Simulação ICE.


Após realizar a ICE simulation e obter um ponto de partida, inicia-se o escaneamento

das variáveis, como exemplificado na Figura 13, foi escolhido a variável lambda (relação de

equivalência ar-combustível), e inserido os valores de mínimo e máximo. Feito isso, foi

realizada a simulação no modo Scanning, conforme Figura 14.

Figura 13. Escolha da variável para ser escaneada.


28

Figura 14. Escaneamento.


Realizado o modo Scanning, apertar as teclas Ctrl+5, para abrir uma nova interface do

software, onde será realizada a plotagem dos gráficos em função do torque e requisito de

octanagem, conforme Figura 15. Após a plotagem dos gráficos observa-se em qual valor da

variável obtém-se o máximo torque, atentando sempre para não ultrapassar o requisito de

octanagem. No exemplo o valor de lambda para alcançar o máximo torque de 99,7 Nm com

61,8 octanas, está entre o intervalo de 0,73 a 0,74, sendo de aproximadamente 0,734, valor

que respeita o requisito de octanagem, que nesse caso era de 110 octanas para o etanol

hidratado.

Figura 15. Plotagem dos gráficos em função do torque e octanagem do combustível.


29

Sendo assim, é feito a atualização dos parâmetros inicialmente determinados no

software com o novo valor da variável, conforme Figura 16. Desta forma, é realizado outro

ICE simulation para a comparação dos resultados, avaliando se houve otimização.

Figura 16. Alteração da variável escaneada.


Nos resultados (Figura 17), é possível fazer avaliação de diversos parâmetros como

exemplo, torque, potência, eficiências, consumo, emissões, avanço de ignição, tempo de

válvulas, razão de compressão entre outros.

Figura 17. Resultados obtidos através do modo ICE.


30

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos no decorrer do presente

trabalho. Sendo estes, apresentados por meio de tabelas e gráficos, para melhor representação.

As variáveis seguem apresentadas em função do modo de operação do motor, levando em

consideração o combustível aplicado e a faixa de rotação analisada.

A Tabela 5 apresenta os resultados obtidos através do software Diesel-RK,

comparando os valores das variáveis listadas, em várias configurações do motor, as quais

foram alcançadas para a rotação nominal de 2.500 rpm, na qual, teoricamente, se enxerga o

torque máximo do motor.

Estes resultados são de extrema importância, pois, é possível evidenciar a melhoria no

desempenho do motor após a otimização das variáveis, por meio da elevação do torque e,

consequentemente potência, aliados à redução do consumo específico de combustível e outros

parâmetros como podem ser visualizados no decorrer deste capítulo.

Tabela 5. Resultados das variáveis a rotação nominal de 2500 rpm.

ICE 0 ICE I ICE II ICE III

Torque [N m] 151,35 150,59 167,36 168,14

Potência [kW] 39,62 39,42 43,81 44,02

Consumo específico de combustível [kg/kWh] 0,27 0,50 0,49 0,48

Lambda (relação de equivalência ar-combustível) 0,78 0,71 0,70 0,71

Avanço de ignição (θi) 9,00 11,00 8,00 7,00

Requisitos de octanagem [octanas] 94,96 95,52 105,18 103,93

Redução específica de emissão de NOx [g/kWh] 1,11 0,00 0,00 0,00

bmep [bar] 11,90 11,84 13,16 13,22


Sendo,

ICE 0: Parâmetros originais do motor operando com gasolina;

ICE I: Parâmetros originais do motor operando com etanol;

ICE II: Parâmetros otimizados do motor operando com etanol hidratado (1ª iteração);

ICE III: Parâmetros otimizados do motor operando com etanol hidratado (2ª iteração).

Após obter o torque máximo para todas as configurações do motor, sempre

respeitando os requisitos de octanagem dos respectivos combustíveis, foram feitas iterações

31

para alcançar os valores de todas as variáveis, em função da rotação, com um passo de 1.000

rpm, conforme apresentado na Tabela 6.

Tabela 6. Resultados das variáveis em função da rotação.

Rotação [rpm]

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Torque

[N.m]

ICE 0 132,06 150,75 151,76 149,55 126,17 114,11 94,89 69,240

ICE I 135,24 151,11 150,59 145,72 122,54 110,18 88,317 62,452

ICE II 139,34 164,04 173,14 174,99 161,39 148,66 125,9 95,502

ICE III 140,54 164,26 172,95 172,14 157,77 146,28 123,03 93,313

Potência

[kW]

ICE 0 13,828 31,571 47,673 62,639 66,059 71,694 69,553 58,002

ICE I 14,161 31,647 47,305 61,035 64,157 69,225 64,735 52,316

ICE II 14,591 34,353 54,389 73,295 84,497 93,401 92,283 80,001

ICE III 14,717 34,401 54,33 72,101 82,6 91,906 90,178 78,168

Consumo

Específico

[kg/kWh]

ICE 0 0,330 0,273 0,267 0,271 0,283 0,299 0,328 0,375

ICE I 0,548 0,505 0,502 0,513 0,537 0,551 0,633 0,738

ICE II 0,549 0,487 0,476 0,478 0,489 0,503 0,535 0,591

ICE III 0,540 0,488 0,477 0,480 0,492 0,507 0,540 0,605

Lambda

[λ]

ICE 0 0,72 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78

ICE I 0,71 0,71 0,71 0,71 0,71 0,74 0,71 0,71

ICE II 0,7 0,71 0,71 0,71 0,71 0,72 0,73 0,74

ICE III 0,71 0,71 0,71 0,71 0,71 0,72 0,73 0,73

Theta_i

[θi]

ICE 0 -7 4 12 14 16 19 21 26

ICE I 4 9 14 17 18 19 24 26

ICE II -2 6 8 11 13 15 16 21

ICE III -2 6 9 11 13 14 16 19

Requisito de

Octanagem

[octanas]

ICE 0 94,482 94,189 94,701 90,489 79,667 77,336 71,771 66,259

ICE I 107,74 99,201 95,336 91,946 79,555 75,127 71,429 61,755

ICE II 108,7 108,08 101,97 100,15 92,954 89,013 81,314 76,268

ICE III 109,19 108,17 103,82 99,093 91,594 86,524 80,093 71,956

NOx

[g/kWh]

ICE 0 0,2130 0,8809 1,1482 1,0643 0,9216 0,9665 0,9014 0,8568

ICE I 3,9E-04 7,5E-04 0,0014 0,0018 9,7E-04 0,0034 8,9E-04 7,9E-04

ICE II 1,6E-04 NaN 0,0035 0,0067 0,0070 0,0130 0,0178 0,0308

ICE III 2,9E-04 0,0018 0,0044 0,0067 0,0072 0,0118 0,0187 0,0178

bmep

[bar]

ICE 0 10,386 11,856 11,935 11,762 9,9231 8,9747 7,4629 5,4455

ICE I 10,636 11,885 11,843 11,461 9,6375 8,6656 6,946 4,9117

ICE II 10,959 12,901 13,617 13,763 12,693 11,692 9,9018 7,511

ICE III 11,053 12,919 13,602 13,539 12,408 11,505 9,6759 7,3389


32

Em termos de valores para comparação e discussão, os principais resultados são: ICE

I, ICE II e ICE III. Para melhor compreensão e visualização dos resultados, as Figuras de 18 a

22 apresentam, respectivamente, o comportamento do torque, potência, consumo específico

de combustível e emissões de NOx, todos traçados em função dos modos de operação e da

faixa de rotação analisada. Adicionalmente, o software Excel® foi empregado para a plotagem

dos gráficos.

Figura 18. Torque em função da rotação para diversas configurações.


Figura 19. Potência em função da rotação para diversas configurações.


50

70

90

110

130

150

170

190

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

To

rqu

e [N

m]

Rotação [rpm]

ICE 0

ICE I

ICE II

ICE III

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Po

tên

cia

[k

W]

Rotação [rpm]

ICE 0

ICE I

ICE II

ICE III

33

Figura 20. Consumo específico em função da rotação para diversas configurações.


Conforme esperado, após a otimização das variáveis, foi avaliado um salto em termos

de torque e potência, comparando os modos ICE I e ICE II, conforme ilustrado nas Figuras 18

e 19. Além disso, observou-se uma melhoria com relação ao consumo específico do motor,

conforme ilustrado pela Figura 20.

Diante disso, no modo ICE II, o motor otimizado gerou um torque máximo de 174,99

Nm a 4.000 rpm, enquanto que no modo ICE I se alcançou um torque máximo de 151,11 Nm

a 2.000 rpm. Em termos percentuais, a otimização proporcionou um aumento de 15,8% no

valor do torque máximo.

Em termos de potência máxima, foi possível alcançar 93,401 kW com o motor

otimizado e 69,225 kW com motor original, resultando em um ganho percentual de 34,9% na

potência máxima desenvolvida pelo propulsor.

O consumo específico de combustível diminuiu, fazendo uma comparação do ICE I

com o ICE II, por consequência do aumento do torque e potência, desta forma gerando uma

melhor autonomia do motor. Em função dos dados obtidos, tem-se uma redução na ordem de

5,18%.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Co

nsu

mo

Esp

ecíf

ico

[k

g/k

Wh

]

Rotação [rpm]

ICE 0

ICE I

ICE II

ICE III

34

Figura 21. Emissão de NOx em função da rotação para diversas configurações.


Figura 22. Gráfico aproximado para melhor visualização dos níveis de NOx.


A Figura 21 ilustra os níveis de emissão de NOx, evidenciando os maiores níveis de

emissão da gasolina, se comparado ao etanol. Por outro lado, A Figura 22, se trata de uma

aproximação da Figura 21, a fim de se facilitar a visualização das emissões de NOx, nos

modos em que se opera com etanol. O aumento nas emissões do motor otimizado, quando

comparado ao motor original operando com etanol, se deve ao aumento da taxa de

0,0000

0,2000

0,4000

0,6000

0,8000

1,0000

1,2000

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

NO

x[g

/kW

h]

Rotação [rpm]

ICE 0

ICE I

ICE II

ICE III

0,00000

0,00500

0,01000

0,01500

0,02000

0,02500

0,03000

0,03500

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

NO

x[g

/kW

h]

Rotação [rpm]

ICE I

ICE II

ICE III

35

compressão, que proporciona um aumento dos níveis de pressão e temperatura no interior da

câmara de combustão, ocasionando uma maior emissão de NOx.

36

5. CONCLUSÃO

Neste trabalho, desenvolveu-se uma análise numérica do funcionamento de um motor

de ignição por centelha flex fuel, buscando a otimização dos parâmetros dinâmicos e

geométricos para se alcançar um melhor desempenho do motor operando apenas com etanol

hidratado.

Para a obtenção dos resultados, foi utilizado o software Diesel-RK, desenvolvido para

realizar uma completa análise termodinâmica em motores de combustão interna,

contemplando suas diversas configurações geométricas e de funcionamento.

Após a análise das variáveis do motor, pode-se concluir que é possível realizar a

otimização de vários parâmetros, como os tempos de válvula, avanço de ignição, relação de

equivalência ar-combustível e razão de compressão.

Diante disso, comparando a operação com etanol nas configurações original e

otimizada, se alcançou um aumento de 15,8% no torque e, consequentemente, uma elevação

de 34,9% na potência de eixo. Adicionalmente, tem-se uma redução de 5,18% no consumo

específico de combustível.

Por fim, se conclui que uma opção para alcançar maior desempenho nos motores é a

fabricação de modelos que funcionam apenas com um combustível, ou seja, apenas gasolina

ou apenas etanol, para então realizar a otimização dos seus parâmetros e alcançar maior

eficiência.

37

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CARRO FLEX NO BRASIL. Carros. Disponível em: <http://www.car.blog.br/2004/03/vw-

gol-total-flex-e-o-primeiro-carro-bi.html>. Acesso em: 04 de dezembro 2015.

CARVALHO, M. A. S. de. Avaliação de um motor de combustão interna ciclo Otto

utilizando diferentes tipos de combustíveis. 2011. 168 p. Dissertação (Pós-Graduação).

Escola Politécnica, Universidade Estadual da Bahia, Salvador, BA.

ETANOL NO BRASIL. Cana de açúcar. Disponível em:

<http://www.novacana.com/etanol/perspectivas-mercado-combustiveis-veiculos-leves/>.

Acesso em: 06 de dezembro 2015.

GOL FLEX. Carros. Disponível em: <http://carros.uol.com.br/album/2013/06/11/dez-anos-

de-carros-flex-no-brasil.htm>. Acesso em: 04 de dezembro 2015.

LANZANOVA, T. D. M. Avaliação numérica e experimental de um motor Otto

operando com etanol hidratado. 2013. 115 p. Dissertação (Pós-Graduação). Escola de

Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do sul, Rio Grande do Sul, RS.

MARTINS, Jorge. Motores de combustão interna. 4. Ed. Porto. Publindústria, edições

técnicas, 2013. 480p.

MELO, T. C. C. de. Análise experimental e simulação computacional de um motor flex

operando com diferentes misturas de etanol hidratado na gasolina. 2012. 201p.

Doutorado (Pós-Graduação). UFRJ/COPPE, Rio de Janeiro, RJ.

PULKRABEK, W. W. Engineering fundamentals of the internal combustion engine. 2ª

Ed.. 478 p.

38

RODRIGUES, B. R. Estoques reguladores de etanol combustível frente à introdução dos

veículos flex fuel na frota nacional. 2012. 110 p. Mestrado (Pós-Graduação). UFRJ/COPPE,

Rio de Janeiro, RJ.

RODRIGUES, T. de M. “Downsizing” em motores de combustão interna: uma

abordagem de inovação tecnológica. 2014. 64 p.(Pós-Graduação). CEUN/IMT, São Caetano

do Sul, SP.

WANG, X. et. al. The effects of hydrous ethanol gasoline on combustion and emission

characteristics of a port injection gasoline engine. 2015. 8 p. ScienceDirect.

39

APÊNDICES

Segue os resultados das simulações ICE 0, ICE I, ICE II e ICE III por completo

utilizados na Tabela 5.

ICE 0: Parâmetros originais do motor operando com gasolina.

2015-12-11 13-51-55 "Motor CCRA 1.6 -"

Mode: #1 :: "RPM=2500, PR=2.00 ";

Title: "A/F ratio is settled"

www.diesel-rk.bmstu.ru

Fuel: Gasolina

----------------- PARAMETERS OF EFFICIENCY AND POWER ----------------

2500.0 - RPM - Engine Speed, rev/min

39.620 - P_eng - Piston Engine Power, kW

11.903 - BMEP - Brake Mean Effective Pressure, bar

151.35 - Torque - Brake Torque, N m

0.03529 - m_f - Mass of Fuel Supplied per cycle, g

0.26724 - SFC - Specific Fuel Consumption, kg/kWh

0.30616 - Eta_f - Efficiency of piston engine

13.551 - IMEP - Indicated Mean Effective Pressure, bar

0.34853 - Eta_i - Indicated Efficiency

1.3820 - FMEP - Friction Mean Effective Pressure, bar

0.87842 - Eta_m - Mechanical Efficiency of Piston Engine

--------------------- ENVIRONMENTAL PARAMETERS ----------------------

1.0000 - po_amb - Total Ambient Pressure, bar

288.00 - To_amb - Total Ambient Temperature, K

1.0000 - p_Te - Exhaust Back Pressure, bar (after turbine)

0.98000 - po_afltr - Total Pressure after Induction Air Filter, bar

------------------ TURBOCHARGING AND GAS EXCHANGE -------------------

0.98000 - p_C - Pressure before Inlet Manifold, bar

288.00 - T_C - Temperature before Inlet Manifold, K

0.03441 - m_air - Total Mass Airflow (+EGR) of Piston Engine, kg/s

0.0000 - Eta_TC - Turbocharger Efficiency

1.0420 - po_T - Average Total Turbine Inlet Pressure, bar

907.48 - To_T - Average Total Turbine Inlet Temperature, K

0.03709 - m_gas - Mass Exhaust Gasflow of Pison Engine, [g/s

0.78000 - A/F_eq.t - Total Air Fuel Equivalence Ratio

1.2820 - F/A_eq.t - Total Fuel Air Equivalence Ratio

-0.26556 - PMEP - Pumping Mean Effective Pressure, bar

0.90211 - Eta_v - Volumetric Efficiency

0.05411 - x_r - Residual Gas Mass Fraction

1.0001 - Phi - Coeff. of Scavenging (Delivery Ratio / Eta_v)

0.61346 - BF_int - Burnt Gas Fraction Backflowed into the Intake, %

0.69716 - %Blow-by - % of Blow-by through piston rings

--------------------------- INTAKE SYSTEM ---------------------------

0.97323 - p_int - Average Intake Manifold Pressure, bar

297.06 - T_int - Average Intake Manifold Temperature, K

347.06 - Tw_int - Average Intake Manifold Wall Temperature, K

99.063 - hc_int - Heat Transfer Coeff. in Intake Manifold, W/(m2*K)

40

101.14 - hc_int.p - Heat Transfer Coeff. in Intake Port, W/(m2*K)

-------------------------- EXHAUST SYSTEM ---------------------------

1.0400 - p_exh - Average Exhaust Manifold Gas Pressure, bar

907.05 - T_exh - Average Exhaust Manifold Gas Temperature, K

35.583 - v_exh - Average Gas Velocity in exhaust manifold, m/s

32.167 - Sh - Strouhal number: Sh=a*Tau/L (has to be: Sh > 8)

806.03 - Tw_exh - Average Exhaust Manifold Wall Temperature, K

152.15 - hc_exh - Heat Transfer Coeff. in Exhaust Manifold, W/(m2*K)

477.21 - hc_exh.p - Heat Transfer Coeff. in Exhaust Port, W/(m2*K)

---------------------------- COMBUSTION -----------------------------

0.78000 - A/F_eq - Air Fiel Equivalence Ratio in the Cylinder

1.2821 - F/A_eq - Fuel Air Equivalence Ratio in the Cylinder

60.496 - p_max - Maximum Cylinder Pressure, bar

2545.1 - T_max - Maximum Cylinder Temperature, K

21.000 - CA_p.max - Angle of Max. Cylinder Pressure, deg. A.TDC

30.000 - CA_t.max - Angle of Max. Cylinder Temperature, deg. A.TDC

2.0173 - dp/dTheta- Max. Rate of Pressure Rise, bar/deg.

9.0000 - Theta_i - Injection / Ignition Timing, deg. B.TDC

0.12600 - Phi_id - Ignition Delay Period, deg.

51.000 - Phi_z - Combustion duration, deg.

2.2089 - m_w - Wiebe's Factor in the Cylinder

94.960 - ON - Minimum Octane Number of fuel (knock limit)

------------------------ ECOLOGICAL PARAMETERS ----------------------

294.18 - NOx,ppm - Fraction of wet NOx in exh. gas, ppm

1.1125 - NO,g/kWh - Specif. NOx emiss. reduc. to NO, g/kWh (Zeldovich)

0.0000 - SO2 - Specific SO2 emission, g/kWh

------------------------- CYLINDER PARAMETERS -----------------------

1.0841 - p_ivc - Pressure at IVC, bar

341.86 - T_ivc - Temperature at IVC, K

26.773 - p_tdc - Compression Pressure (at TDC), bar

746.22 - T_tdc - Compression Temperature (at TDC), K

5.0147 - p_evo - Pressure at EVO, bar

1420.0 - T_evo - Temperaure at EVO, K

------------------ HEAT EXCHANGE IN THE CYLINDER --------------------

1330.3 - T_eq - Average Equivalent Temperature of Cycle, K

526.27 - hc_c - Aver. Factor of Heat Transfer in Cyl., Wt/m2/K

456.56 - Tw_pist - Average Piston Crown Temperature, K

413.00 - Tw_liner - Average Cylinder Liner Temperature, K

422.71 - Tw_head - Average Head Wall Temperature, K

402.10 - Tw_cool - Average Temperature of Cooled Surface

head of Cylinder Head, K

386.65 - Tboil - Boiling Temp. in Liquid Cooling System, K

12235. - hc_cool - Average Factor of Heat Transfer, W/(m2*K)

from head cooled surface to coolant

2195.2 - q_head - Heat Flow in a Cylinder Head, J/s

2113.3 - q_pist - Heat Flow in a Piston Crown, J/s

2359.6 - q_liner - Heat Flow in a Cylinder Liner, J/s

--------------- MAIN ENGINE CONSTRUCTION PARAMETERS -----------------

12.000 - CR - Compression Ratio

33.000 - EVO - Exhaust Valve Opening, deg. before BDC

-8.0000 - EVC - Exhaust Valve Closing, deg. after DC

-9.0000 - IVO - Intake Valve Opening, deg. before DC

34.000 - IVC - Intake Valve Closing, deg. after BDC

____________________

41

Versions: Kernel 24.09.08; RK-model Not used; NOx-model 5.06.08

ICE I: Parâmetros originais do motor operando com etanol.

2015-12-11 15-23-58 "Motor CCRA 1.6 -"

Mode: #1 :: "RPM=2500, PR=2.00 ";



Fuel: Ethanol


































--------------------------- INTAKE SYSTEM ---------------------------






-------------------------- EXHAUST SYSTEM ---------------------------



42






---------------------------- COMBUSTION -----------------------------















0.96069E-03 - NO,g/kWh - Specif. NOx emiss. reduc. to NO, g/kWh (Zeldovich)


























-8.0000 - EVC - Exhaust Valve Closing, deg. after DC

-9.0000 - IVO - Intake Valve Opening, deg. before DC


____________________


43

ICE II: Parâmetros otimizados do motor operando com etanol hidratado (1ª iteração).

2015-12-11 16-04-28 "Motor CCRA 1.6 -"

Mode: #1 :: "RPM=2500, PR=2.00 ";



Fuel: Ethanol


































--------------------------- INTAKE SYSTEM ---------------------------






-------------------------- EXHAUST SYSTEM ---------------------------








44

---------------------------- COMBUSTION -----------------------------









































10.000 - EVC - Exhaust Valve Closing, deg. after DC

18.000 - IVO - Intake Valve Opening, deg. before DC


____________________


45

ICE III: Parâmetros otimizados do motor operando com etanol hidratado (2ª iteração).

2015-12-11 18-11-48 "Motor CCRA 1.6 -"

Mode: #1 :: "RPM=2500, PR=2.00 ";



Fuel: Ethanol


































--------------------------- INTAKE SYSTEM ---------------------------






-------------------------- EXHAUST SYSTEM ---------------------------






46



---------------------------- COMBUSTION -----------------------------









































12.000 - EVC - Exhaust Valve Closing, deg. after DC

16.000 - IVO - Intake Valve Opening, deg. before DC


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OTIMIZAÇÃO DO FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR FLEX … · hidratado seria uma forma de aumentar o...

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