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1
ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE DE SO PAULO
HUMBERTO YUKI HIGA
ESTUDO E PROPOSIO PARA REDUO DE CONSUMO DO
MOTOR FLEX-FUEL
SO PAULO
2011
-
2
HUMBERTO YUKI HIGA 4942328
ESTUDO E PROPOSIO PARA REDUO DE CONSUMO DO
MOTOR FLEX-FUEL
Trabalho de Formatura PME2600 Projeto Integrado III.
rea de Concentrao:
Engenharia Mecnica.
Orientador:
Prof. Dr. Marcos de Mattos Pimenta
SO PAULO
2011
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3
-
4
Resumo
Inicialmente, o presente trabalho fez uma recordao histrica que culminou
na criao dos motores Flex-Fuel. Tambm uma reviso bibliogrfica foi
necessrio para o melhor entendimento da problemtica do motor Flex-
Fuel, ou seja, entender melhor o porqu esse tipo de motor consumir mais
do que seus equivalentes movidos a um combustvel s. Tambm foram
abordadas algumas questes tecnolgicas como a da Sonda Lambda e
alguns conceitos tericos tambm foram discutidos. Foi proposto um
modelo matemtico de uma combusto no motor e foi realizada uma
simulao com o programa SCILAB. Feito isso, uma simulao foi realizada
com a proposta de usar a tecnologia Downsizing. Por fim, foi feita a anlise
dos resultados e feita a concluso.
Palavras-chave: Motor de Combusto Interna (MCI), Flex-Fuel, Rendimento,
Consumo, Etanol, Downsizing.
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5
Abstract
Initially, this work made a historical that culminated in the creation of Flex-
Fuel engine. Also a literature review was needed to better understand the
problem of flex-fuel engines, or better understand why this type of engine to
consume more. Also discussed were some technological issues such as the
Lambda Sensor and some theoretical concepts were also discussed. We
proposed a mathematical model of a combustion engine and the simulation
was carried out with the program SCILAB. This simulation was performed
with the proposal to use technology Downsizing. Finally, the analysis was
made, and the results and the conclusion were obtained.
Keywords: Internal Combustion Engine (ICE), Flex-Fuel, Consumption,
Ethanol, Downsizing.
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6
Sumrio Pg.
1.Introduo....................................................................................................11
2.Breve histria...............................................................................................11
2.1.Pr-lcool....................................................................................................11
2.2. O motor Flexvel.........................................................................................14
2.3 Perspectivas ambientais e comerciais.........................................................16
2.4. Curiosidades...............................................................................................17
2.4.1. Ford-T.....................................................................................................17
2.4.2. Buick Regal Turbo Flex 2011..................................................................18
3. Reviso terica sobre motores a combusto interna..............................19
3.1. Ciclo mecnico...........................................................................................23
3.2. Ciclo termodinmico...................................................................................25
4. Motor Flex-Fuel...........................................................................................28
4.1. Equacionamento bsico e pr-anlise do consumo do motor Flex............28
4.1.1. Octanagem do combustvel.....................................................................31
4.2. Pr-anlise de dados reais.........................................................................33
4.2.1.Funcionamento bsico do motor Flex......................................................35
4.3. Caractersticas dos combustveis...............................................................36
4.3.1. Gasolina...................................................................................................36
4.3.2. Etanol...................................................................................................... 37
4.4. Relao ar/combustvel da mistura e a sonda Lambda..............................38
4.5.Modelagem termodinmica..........................................................................42
4.5.1.Modelo zero-dimensional.........................................................................43
4.6. Modelo proposto de um MCI em uma anlise termodinmica....................44
4.6.1.Diferena entre o Ciclo Otto e o motor real..............................................44
4.6.2. Perda de calor por conveco.................................................................48
4.6.3.Clculo do coeficiente de transferncia de calor......................................49
4.6.4. Clculo do calor especfico.....................................................................49
4.6.5. Equacionamento do motor......................................................................55
4.6.6. Clculo da variao da temperatura na cmara de combusto..............57
4.6.7. Clculo da presso da cmara de combusto.........................................57
4.7. Simulao e resultados do programa.........................................................58
-
7
4.8. Anlise, simulao e resultados da soluo proposta: Downsizing............62
5- Concluso....................................................................................................70
7. Sugestes para trabalho futuro.................................................................70
8. Referncias bibliogrficas..........................................................................71
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8
Lista de figuras.
Figura 1: Fiat 147 1978 a lcool.
Figura 2: Dodge 1800 1975 a lcool.
Figura 3: Produo de acar versus lcool perodo 1975-2000
Figura 4: Vendas de carro a lcool e gasolina.
Figura 5: Volkswagen Total Flex 1.6 2003
Figura 6: Sistema de Injeo eletrnica Flex-Fuel.
Figura 7: Ford T 1910
Figura 8: Buick Regal Flex-Fuel
Figura 9: Buick Regal Flex-Fuel
Figura 10: Aero-Willys 1959
Figura 11: Rural Willys 1960
Figura 12: Willys CJ 1961
Figura 13: Vista em corte do motor Willys-Overland do Brasil
Figura 14: Vista em corte do motor Willys-Overland do Brasil
Figura 15: Vista em corte do motor Willys-Overland do Brasil
Figura 16:Ciclo do Motor a Combusto Interna.
Figura 17: Diagrama p-v para Ciclo Otto
Figura 18: Diagrama T-s para Ciclo Otto
Figura 19: Diagrama p-v para Ciclo real
Figura 20: Diagrama rendimento e taxa de compresso.
Figura 21: Pisto com furo devido a detonao.
Figura 22: Vela danificada devido a detonao.
Figura 23: Esquema do funcionamento do motor Flex
Figura 24: Curva da reao da Sonda Lambda.
Figura 25: Detalhe internos e de instalo da Sonda Lambda.
Figura 26: Detalhe externo da Sonda Lambda
Figura 27: Diferena de queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)
Figura 28: Queima do ciclo Otto com Wiebe (Heywood, 1988, DE MELO, 2007)
Figura 29: Queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)
Figura 30: Queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)
Figura 31: Rendimento da combusto.
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9
Figura 32: Variao do calor especfico da gasolina
Figura 33: Variao do calor especfico do etanol
Figura 34: Variao do calor especfico do gs carbono.
Figura 35: Variao do calor especfico do oxignio.
Figura 36: Variao do calor especfico do nitrognio.
Figura 37: Variao do calor especfico da gasolina e etanol.
Figura 38: Variao do calor especfico do ar e dos produtos da combusto do
etanol.
Figura 39: Variao do calor especfico do ar e dos produtos da combusto da
gasolina.
Figura 40: Desenho de um MCI (DE MELLO.2007)
Figura 41: Presso versus ngulo do girabrequim para motor 1.8.
Figura 42: Presso versus volume da cmara de combusto para motor 1.8.
Figura 43: Presso versus ngulo do girabrequim para motor 1.8 (etanol rico).
Figura 44: Presso versus volume da cmara de combusto para motor
1.8(etanol rico).
Figura 45: Consumo por combusto
Figura 47: Motor 1.0 Ford Ecoobost.
Figura 48: VW Gol 1.0 16V Turbo.
Figura 49: Motor VW AT 1.0 16V Turbo
Figura 50: Ford Fiesta Supercharger
Figura 51: Motor Ford Zetec 1.0 Supercharged, com destaque no compressor.
Figura 52: Mapa do consumo especfico
Figura 53: Fora sobre o pisto versus ngulo do girabrequim.
Figura 54: Presso versus ngulo do girabrequim.
Figura 55: Presso versus volume da cmara de combusto.
Figura 57: Consumo por combusto
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10
Lista de tabelas.
Tabela 01: Vendas de veculos de acordo com o tipo de combustvel.
Tabela 02: Chevrolet Monza 1989
Tabela 03: Chevrolet Vectra 2010
Tabela 04: Ford Focus 1.6 Flex
Tabela 05: Ford Focus 2.0 Gasolina
Tabela 06: Toyota Corolla 1.6 gasolina
Tabela 07: Toyota Corolla 1.8 Flex
Tabela 08: Caractersticas da gasolina.
Tabela 09: Caractersticas do etanol.
Tabela 10: Razo Ar/Combustvel e resposta do sensor.
Tabela 11: Constantes dos reagentes e produtos da combusto.
Tabela 12: Dados do motor 1.8
Tabela 13: Dados do motor 1.0 Downsizing
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11
1- Introduo.
Usualmente, os fabricantes de automveis brasileiros, privilegiam uma taxa
de compresso para um tipo de combustvel, ou ento usam uma taxa de
compresso intermediria nos motores de combusto interna do tipo Flex-
Fuel. Ambos os casos, de uma forma ou outra, o motor no funciona de
forma eficiente, j que a taxa de compresso sempre mantida constante
tanto para a gasolina, quanto para o etanol. Dessa forma, o motor
consumir mais combustvel e emitir poluentes em maior quantidade
comparando com um automvel monocombustvel. Intuito do presente
trabalho estudar o funcionamento dos motores Flex-Fuel e propor uma
soluo no que diz respeito no menor consumo.
2. Breve histria.
2.1- Pr-lcool.
Com a crise do petrleo instalada na dcada de 70 (1973), promovida pelos
pases membros da OPEP, instigou naes dependentes do leo mineral a
buscar alternativas energticas que pudessem substituir o petrleo de
maneira mais adequada possvel. No caso do Brasil, atravs do decreto n
76.593 de 1975, cria-se o Pr-lcool. O programa visava substituir a escassa
gasolina pelo lcool etlico carburante. A poca da crise do petrleo, cerca
de 80% do lcool era importado. Logo aps, primeira experincias com este
tipo de combustvel estavam sendo realizadas pelo Centro Tcnico
Aeroespacial (CTA) em So Jos dos Campos em conjunto com a Chrysler-
Dodge oferecendo um modelo denominado de Dodge 1800. pelo Com a ps
implantao do programa, em 1976, o Brasil j produziria cerca de 600
milhes de litros. Em 1980, 3,4 bilhes e em 1987, 12,3 bilhes de litros de
lcool etanol. O primeiro carro lanado comercialmente no Brasil movido a
esse tipo de combustvel, foi o Fiat 147 em 1978. Popularmente, era
conhecido como Cachacinha.
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12
Figura 1: Fiat 147 1978 a lcool.
Fonte: g1.globo.com
Figura 2: Dodge 1800 1975 a lcool.
Fonte: http://www.iae.cta.br/?action=motor
A partir da, automveis com esse tipo de combustvel tiveram uma
participao cada vez maior. A propaganda era muito forte e o mote era
Carro a lcool: voc ainda ter um. J em 1986, praticamente 90% dos
carros de passeio vendidos no Brasil era movida a esse tipo de combustvel.
Porm, o Pr-lcool comeo a ruir quando o preo internacional do petrleo
comeou a baixar muito ao mesmo tempo em que o preo do acar
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13
comeou a subir. Pela Lei da demanda e oferta, os usineiros preferiram
produzir mais acar do que o lcool.
Figura 3: Produo de acar versus lcool perodo 1975-2000
Fonte: UNICA
Logo, o combustvel comeou a deixar de ser oferecido regularmente para
o mercado e o aumento de preo foi considervel. Com crises sucessivos
de abastecimento aliadas ao maior consumo do lcool pelos automveis a
esse tipo de combustvel, levaram descrena do consumidor na
motorizao lcool. J em 1989, automveis a gasolina superaram em
vendas comparando a aquelas movidas a etanol. De 1990 at o ano 2000,
carros lcool se tornou irrelevante. O Pro-lcool estava beira da
fracasso.
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1975 1980 1985 1990 1995 2000
Per
cen
tual
em
mas
sa p
rod
uzi
do
Ano
lcool etanol produzido.
Acar produzido
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14
Figura 4: Vendas de carro a lcool e gasolina. Fonte: UNICA
2.2- O motor flexvel.
O lcool combustvel s se tornou interessante para o consumidor em uso
automotivo com a tecnologia flexvel. A novidade possibilitava ao motorista,
abastecer o tanque de acordo com o preo do lcool/gasolina. O primeiro
carro a ser lanado com essa tecnologia foi o Volkswagen Gol Total Flex,
lanado em abril de 2003.
Figura 5: Volkswagen Total Flex 1.6 2003
Fonte: www2.uol.com.br
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Car
ros
pro
du
zid
os
em t
erm
os
per
cen
tuai
s
Ano
Carro produzidos lcool
Carros produzidos gasolina
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15
O sistema de injeo de combustvel fora desenvolvida pela Magnetti-
Marelli. A Bosch tambm vinha desenvolvendo esse sistema e em junho
daquele mesmo ano, juntamente com a Ford, lana o Fiesta Flex-Fuel. A
GM lana no mesmo ms, o Corsa Flexpower juntamente com a tecnologia
da Delphi.
Atualmente (2010), carros com esse tipo de motorizao representa quase
que 80% da produo brasileira de automveis de passeio.
Tabela 1: Vendas de veculos de acordo com o tipo de combustvel. Fonte: Anfavea.
Essa tecnologia que conhecemos hoje, no exclusividade brasileira. Ela
provem de experincias realizadas nos Estados Unidos. Ressentidos pela
crise de petrleo, o governo federal dos EUA aprovaram em 1988, a lei Ato
dos Combustveis Alternativos. Essa lei estimulava o desenvolvimento de
veculos Flex e limitava a mistura de lcool/gasolina em 85%. Atualmente,
esse tipo de combustvel denominado nos EUA como E-85. A tecnologia
Flex s foi possvel ser implantada devido ao uso da injeo eletrnica, j
disponvel em grande escala no mercado norte-americano. Isso possibilitou
implementar algoritmos que modificavam a resposta da injeo do
combustvel de acordo com o combustvel misturado, utilizando sensores e
software disponveis no sistema.
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16
Figura 6: Sistema de Injeo eletrnica Flex-Fuel.
Fonte: www.redetec.org.br
O primeiro fabricante de sistemistas a pesquisar essa tecnologia foi a filial
da Bosch nos Estados Unidos. J em 1992, a General Motors lana o
primeiro carro Flex. Estima-se que cerca de 2,5 milhes de unidades, foram
vendidas entre os anos de 1992 a 2005.
No Brasil, esta tecnologia foi desenvolvida a partir de 1994 pela Bosch.
Paralelamente, a Magneti-Marelli tambm comeou a desenvolver o
sistema em 1999 e ela foi a pioneira a lanar no mercado, essa tecnologia
em 2003 com o Volkswagen Gol 1.6 TotalFlex.
2.3. Perspectivas ambientais e comerciais.
Em termos ambientais, na perspectiva brasileira e no mundial, o Flex
imbatvel na questo de emisses do gs carbono. Basicamente, o gs
carbono que liberado durante a combusto do etanol, reabsorvido a
partir do plantio da cana de acar, ou seja, o ciclo do gs carbono se
fecha. Um outro dado importante, uma mistura simples de apenas 25% na
-
17
gasolina(o que de fato realizado no Brasil) to eficaz na reduo de gs
carbono quanto um carro hbrido movida por gasolina pura. Ou seja, uma
soluo muito mais simples e barata que os caros hbridos se
considerarmos uma perspectiva de curto e mdio prazo. A diferena de
preo de um modelo convencional a gasolina com um modelo Flex, no
mais que 150 dlares enquanto que se compararmos com um modelo
hbrido com um modelo convencional, o preo supera os 30% do valor total
do carro e esse preo com incentivos governamentais.
2.4- Curiosidades.
2.4.1. Ford T.
O primeiro carro Flex vendido no mundo foi o Ford T. A venda no foi em
larga escala, apenas para clientes especficos. Este Ford, possua um
carburador com injeo ajustvel, bem como a sua ignio. Henry Ford
defendeu o uso do lcool, nem com a Lei Seca o desestimulou. Apesar
disso, o uso da gasolina que prevaleceu devido a baixo custo da poca.
Figura 7: Ford T 1910
Fonte: www.webmotors.com.br
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18
2.4.2. Buick Regal Turbo Flex 2011.
Recentemente, a Buick, diviso pertencente General Motors, anunciou
que lanar nos meados de 2011 um modelo Flex, com Turbo e Injeo
Direta de combustvel. O automvel em questo, utilizar uma mistura de
combustvel at numa graduao de 85% em volume de etanol. Esse tipo
de combustvel denomina-se de E-85. Existe a perspectiva que com o uso
do Turbo e da Injeo Direta, a flexibilidade do modelo seja melhor
aproveitada do que feito atualmente. O projeto proveniente da Europa
da Opel, diviso europia da GM.
Figura 8: Buick Regal Flex-Fuel
Fonte: http://green.autoblog.com/2010/05/03/all-2011-buick-regals-to-be-flex-fuel-capable-from-
this-fall/
Figura 9: Buick Regal Flex-Fuel
Fonte: http://green.autoblog.com/2010/05/03/all-2011-buick-regals-to-be-flex-fuel-capable-from-
this-fall/
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19
3. Reviso terica sobre motores a combusto interna(MCI) .
Basicamente, o motor de combusto interna uma mquina trmica que
envolve a combusto do seu fluido de trabalho, interna ao seu bloco do
motor. Pode ser classificado de acordo com a sua configurao de
funcionamento, tais como ser de 2 ou 4 tempos, por ignio de centelha ou
por combusto espontnea, por injeo direta ou indireta entre outras.
Porm, neste presente trabalho, abordaremos aspectos de um motor a
combusto interna de 4 tempos por ignio de centelha com pisto
alternativo e injeo indireta. A seguir, est uma figura esquemtica de um
motor 6 cilindros que equipou a linha Willys-Overland do Brasil(Aero Willys,
Jeep e Rural Willys) nos anos de 1958 a 1962.O motor era denominado de
BF-161.
Figura 10: Aero-Willys 1959
Fonte:
http://www.carroantigo.com/portugues/conteudo/curio_nacionais_willys.htm
-
20
Figura 11: Rural Willys 1960
Fonte: http://www.carroantigo.com/portugues/conteudo/curio_nacionais_willys.htm
Figura 12: Willys CJ 1961
Fonte: http://www.carroantigo.com/portugues/conteudo/curio_nacionais_willys.htm
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21
Figura 13: Vista em corte do motor Willys-Overland do Brasil
Fonte: Manual Willys-Overland do Brasil.
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22
Figura 14: Vista em corte do motor Willys-Overland do Brasil
Fonte: Manual Willys-Overland do Brasil.
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23
Figura 15: Vista em corte do motor Willys-Overland do Brasil
Fonte: Manual Willys-Overland do Brasil.
3.1. Ciclo mecnico.
Resumidamente, o ciclo mecnico restringe ao tempo de aberturas das
vlvulas, da ignio e do movimento alternativo do pisto. Pode-se dividir o
ciclo em 4 tempos. So elas.
Admisso: O pisto desloca-se no sentido descendente no intuito de
aspirar a mistura combustvel/ar que se encontra no
coletor/cabeote. Essa admisso possvel devido a abertura da
vlvula de admisso. No ponto mais baixo do deslocamento do
pisto, denomina-se de PMI (Ponto Morto Inferior).
Compresso: No PMI, o volume ocupado o mximo. Sendo
assim, a vlvula de admisso fecha-se e inicia o deslocamento do
pisto de forma ascendente at atingir o ponto mais alto.
Denominamos este ponto de PMS (Ponto Morto Superior). Nesta
condio, a compresso mxima.
Combusto/Expanso: A combusto inicia-se praticamente no PMS,
na verdade ocorre um pouco antes. O incio do processo da queima
do combustvel, se d atravs de uma vela de ignio que fornece
-
24
energia para a reao em cadeia. A combusto ocorre praticamente
a volume constante. Com esse fenmeno, ocorre um aumento da
temperatura considervel e com a coexistncia de um pico de
presso. Conseqentemente, o fludo fornece trabalho no
movimento descendente do pisto, expandindo o volume ocupado.
Escape: Com a descida do pisto, um pouco antes do PMI, abre-se
a vlvula de escape. Os gases queimados ou no, so expulsos por
conta prpria devido a presso residual da combusto. Para que a
expulso se d uma maneira mais completa, o pisto move em
direo ascendente na direo do PMS com a vlvula de escape
aberta, sendo assim, praticamente todo gs residual expulso.
Com esses 4 tempos, o ciclo se encerra. Sendo assim, com o
movimento alternativo do pisto, converte-se a fora e a energia gerada
pelo ciclo de potncia da combusto em movimento rotativo atravs da
biela e girabrequim. A figura a seguir ilustra bem o ciclo.
Figura 16: Ciclo do Motor a Combusto Interna.
Fonte:
http://4.bp.blogspot.com/_TmCihpsmK8Q/TKCPHEBeoSI/AAAAAAAAAFw/k9FIGjgfj3
Q/s1600/av2-alcool_html_m63dcf6bd.jpg
-
25
3.2. Ciclo termodinmico.
Apesar na termodinmica definir Ciclo em processos fechados, contnuos
e com recirculao, para fins de anlise, possvel uma comparao com
processos abertos que o caso de um motor a combusto interna para o
Ciclo Otto. Para isso, desde j so aplicadas algumas hipteses
simplificadoras, tais como:
O processo de combusto substitudo pelas trocas de calor com o
meio.
O fludo de trabalho se comporta como um gs perfeito.
A combusto no interfere no calor especfico e se mantm
constante durante o processo.
As transformaes so internamente reversveis.
Com essas hipteses, definimos como motor de Ciclo Otto. No caso real, o
Ciclo Otto no se aplica, devido s irreversibilidades do sistema e das
constantes variarem durante o ciclo, entre outros. No rigor cientfico,
erroneamente, muitos profissionais do setor automotivo, afirmam que um
tipo de motor real o prprio motor de Ciclo Otto. Esse tipo de ciclo
pressupe que tais hipteses simplificadoras sejam seguidas no mundo
real, o que no verdade. Porm, o Ciclo Otto a maneira mais prxima de
avaliarmos um motor real. adequado para uma anlise qualitativa.
Pode-se representar o ciclo atravs de diagramas p-v(Presso-Volume
especfico) e T-s(Temperatura-Entropia):
-
26
Figura 17: Diagrama p-v para Ciclo Otto
Figura 18: Diagrama T-s para Ciclo Otto
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27
Temos pela figura, o ciclo termodinmico:
De 1 para 2: Ocorre a compresso e conseqente aumento de
temperatura e presso. um fenmeno isoentrpico devido as
hipteses simplificadores citadas. O fluido recebe trabalho da inrcia
do motor atravs proveniente do volante do motor.
De 2 para 3: Ocorre o processo de combusto e o aumento da
temperatura significativa, bem como surge o pico de presso
simultaneamente. O sistema ganha calor devido a combusto.
De 3 para 4: O processo de expanso verificado e pelas hipteses,
isoentrpico. Nesse momento, o fluido fornece trabalho ao sistema.
De 4 para 1: Ocorre o descarte do calor.
Para um motor real, desconsiderando todas hipteses
simplicadoras, teremos.
Figura 19: Diagrama p-v para Ciclo real
-
28
Como se observa, para o motor real o que est representado pelo trao
vermelho, e acrescentando:
De 0 para 1: Ocorre a admisso da mistura ar/combustvel.
De 1 para 0: Ocorre a expulso dos gases.
4. Motor Flex-Fuel.
4.1. Equacionamento bsico e pr-anlise do consumo do motor Flex.
Um dos parmetros para avaliarmos as caractersticas do motor o
rendimento trmico. A frmula dada a seguir:
e
s
TrmicoQ
Q1 (1)
Sendo que:
)( 14 TTcmQ ve (2)
)( 23 TTcmQ vs
(3)
especficoCalorc
misturadamassadeFluxom
saiqueCalorQ
entraqueCalorQ
v
s
e
Como possui processos isoentrpicos, podemos afirmar:
4
3
1
2
T
T
T
T (4)
Substituindo (4), (2) e (3) em (1), obtemos:
1
21T
TTrmico (5)
Porm, tambm temos:
-
29
3
4
2
1
V
V
V
V (6)
Assim como:
1
3
4
1
2
1
kk
V
V
V
V=
4
3
1
2
T
T
T
T (7)
E definindo a taxa de compresso como a relao de volumes:
3
4
2
1
V
V
V
Vr (8)
E substituindo (8) em (7) e o resultado substituindo em (5), finalmente
obtemos:
k
Trmico r11 (9)
Nota-se que quanto maior a taxa de compresso, maior ser o seu
rendimento trmico. Isso observado pelo grfico a seguir.
Figura 20: Diagrama rendimento e taxa de compresso.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 5 10 15 20
Ren
dim
ento
tr
mic
o (
%)
Taxa de compresso
-
30
A importncia do rendimento trmico est relacionado ao desempenho do
motor e a sua economia. A potncia efetiva do motor pode ser calculada
como:
MecnicoTrmicoce PCImN (10)
Mecnicoenton
trm icoenton
eriorcalorferoPoderPCI
lcom bustvedoVazom
efetivaPotnciaN
Mecnico
Trmico
c
e
dimRe
dimRe
inf
Como se observa, a potncia do motor diretamente proporcional ao
rendimento trmico
A economia, ou seja, o consumo especfico (kg/cv h), est relacionado pela
frmula:
MecnicoTrmico
ePCI
C632
(11)
Normalmente, o PCI do lcool menor que a da gasolina, o que contribui
com a menor potncia efetiva. Porm, para compensar este efeito, o
rendimento trmico do motor exclusivamente a lcool maior, pois trabalha
com taxa de compresso maior. Sendo assim, a potncia especfica
equivalente ou maior que o motor exclusivamente a gasolina. Considerando
o motor Flex, observa-se que o rendimento trmico se mantm constante, j
que a taxa de compresso no varia com os dois combustveis. Como o
rendimento trmico o mesmo e o PCI do lcool menor e para que no
haja modificaes em sua potncia efetiva, pela frmula (10), uma das
nicas formas aumentando a vazo do combustvel, ou seja, aumenta-se
-
31
o consumo de combustvel. Tambm aumenta o consumo especfico. por
isso que o carro Flex possui um consumo maior que um motor
exclusivamente a lcool. Ento porque no dimensionar um motor que
privilegie o lcool aumentando a taxa de compresso, j que a gasolina
tambm ser beneficiada com esse aumento? Existe um parmetro fsico
que impede isso. Denomina-se de Octanagem do combustvel.
4.1.1. Octanagem do combustvel.
Octanagem a resistncia do combustvel compresso sem que ela
inicie uma auto-ignio denominado de detonao. A detonao ultra-
prejudicial ao motor, j que apresenta picos altssimos de presso,
temperatura e de vibrao, podendo at furar o pisto e outros
componentes mecnicos. Esse fenmeno conhecido pelos mecnicos
como Batida de Pino e percebido como um som metlico durante o
funcionamento do motor. O nome Octanagem, provm da substncia iso-
octanos. Das diversas substncias que existem na gasolina, o iso-octano
o que mais resiste compresso. Quanto maior a quantidade de iso-octano,
maior ser a resistncia, logo, maior ser a octanagem. O lcool etanol no
possui iso-octanos, sendo assim, foi criado um ndice anti-detonante para
poder comparar vrios tipos de combustveis inclundo aqueles que no
possuem o iso-octano, dada pela frmula (MAURO, CONTANI, 2004)[11]:
2
MONRONIA (12)
Sendo que o RON(Research Octane Number) e o MON(Motor Octane
Number) so parmetros definidos por padres da ASTM(American Society
for Testing and Materials).
O ndice de octanas para a gasolina comum fica ao redor de 85 e o lcool,
passa facilmente de 100. Devido a essa caracterstica, a taxa de
compresso para o motor a gasolina fica limitado, sendo assim, fabricantes
-
32
preferem dimensionar o motor para a gasolina usando a taxa de
compresso deste combustvel, e compensar durante o funcionamento com
o lcool, com o consumo. Outros dimensionam o motor com uma taxa de
compresso intermediria, porm, como foi visto, existe um risco grande
detonao.
Figura 21: Pisto com furo devido a detonao.
Fonte: http://4.bp.blogspot.com/_TlTPdhX-
Bfk/SvgyL152rLI/AAAAAAAAFu0/bECNJBGqFnM/s400/Fig5_32.jpg
Figura 22: Vela danificada devido a detonao.
Fonte : http://www.envenenado.com.br/manutencao/velas/vela_07.jpg
-
33
4.2. Pr-anlise de dados reais.
Como foi citado anteriormente, motores Flex tendem a consumir mais e
algumas emisses tendem a ser maiores se comparados a modelos
monocombustveis.
Temos pela tabela:
Tabela 2: Chevrolet Monza 1989
(fonte: revista Mecnica Maro/89)
Chevrolet Monza 1.8 1989
km/h lcool gasolina
60 11,9 17,4
80 10,6 16
100 9,5 14,1
120 8,5 11,8
Tabela 3: Chevrolet Vectra 2010
(fonte: Best Cars)
Chevrolet Vectra 2.0 Flex 2010
km/h lcool gasolina
60 8,8 12,4
80 8,1 11,3
100 7,4 10,2
120 9,1 6,6
Observa-se que um Chevrolet Monza SL/E de 1989 monocombustvel, com
toda limitao tecnolgica da poca com o uso do carburador, consegue
ser mais econmico que um Vectra atual com motorizao Flex. Ambos os
motores so equivalentes, pertencem Famlia II da linha GM, porm com
uma cilindrada levemente superior no Vectra, porm , isso no justifica um
aumento de consumo em demasia. No Monza a lcool, em mdia,
consegue ser 21% mais econmico que um Vectra Flex utilizando lcool.
No Monza a gasolina, a economia chega a 46% frente ao Vectra Flex
utilizando gasolina velocidade constante.
-
34
Quanto ao nveis de emisses, tm-se:
Tabela 4: Ford Focus 1.6 Flex
(fonte:CONAMA 2010)
Ford Focus 1.6 (Flex)
NMHC (g/km) 0,032
CO(g/km) 0,347
Tabela 5: Ford Focus 2.0 Gasolina
(fonte:CONAMA 2010)
Ford Focus 2.0 Gasolina
NMHC (g/km) 0,015
CO(g/km) 0,086
Tabela 6: Toyota Corolla 1.6 gasolina
(fonte:CONAMA 2010)
Toyota Corolla 1.6(gasolina)
NMHC (g/km) 0,032
CO(g/km) 0,162
Tabela 7: Toyota Corolla 1.8 Flex
(fonte:CONAMA 2010)
Toyota Corolla 1.8 Flex
NMHC (g/km) 0,039
CO(g/km) 0,552
Nota-se que em motores Flex, as emisses de monxido de carbono so
maiores que seus equivalentes monocombustvel. No Ford Focus, os nveis
de emisses desse gs, chegam a ser 188,37% maiores que o modelo
equivalente. Mesmo o modelo monocombustvel tendo uma cilindrada
maior, que em tese, deveria poluir mais que o motor 1.6. Quanto ao Toyota
Corolla, a diferena chega 340% maior. Emisses de monxido de carbono
tambm um indicativo que o combustvel subaproveitado.
-
35
4.2.1. Funcionamento bsico do motor Flex.
O esquema bsico a seguir demonstra como funciona o motor Flex.
Figura 23: Esquema do funcionamento do motor Flex
Pedal do acelerador: Sensor que capta o comando do motorista em
termos de torque e potncia.
Ignio (Vela e Bobina): Ambas so controladas pela unidade de
controle (Mdulo da Injeo Eletrnica).
Sensor de oxignio: Tambm conhecido como Sonda Lambda,
determina o nvel de oxignio residual da combusto. O sinal
enviado a unidade de controle em forma de ddp. Com essas
informaes, o Mdulo define a quantidade exata de combustvel a
ser injetada, bem como percebe se est queimando lcool ou
gasolina.
-
36
Bomba de combustvel: A bomba est submersa no tanque em
lcool, gasolina, ou a mistura de ambos. controlado pelo Mdulo.
Unidade de Controle: Tambm conhecido como Mdulo da Injeo
Eletrnica, recebe todas as informaes de todos os sensores e
decide como o motor deva funcionar otimizando o desempenho ,
consumo e as emisses atmosfricas.
Corpo de borboleta: Est ligado diretamente ao acelerador. A
borboleta controla a solicitao de potncia, torque e de rotao do
motor. Atualmente, a ligao borboleta/acelerador no mais direta.
O acionamento da borboleta controlado pelo Mdulo em modelos
mais atuais com equipamento do tipo Drive-By-Wire.
Vlvula Injetora: Tambm conhecido como bico injetor, a pea
responsvel na injeo do combustvel no coletor de admisso.
Possui funo equivalente do Gicl do carburador. Tambm
controlado pelo mdulo eletrnico.
4.3. Caractersticas dos combustveis.
4.3.1. Gasolina
Atualmente no Brasil, a gasolina vendida nos postos de combustvel
no totalmente derivado do petrleo. O combustvel nacional
oferecida com uma mistura de lcool anidro de cerca de 25% em
volume, podendo variar de acordo com a legislao vigente. Tambm
conhecido como Gasool. O intuito de retardar o fenmeno da
detonao nos motores MCI. Atua como um aditivo gasolina em
substituio chumbo-tetraetila no aumento da octanagem, muito
comum em gasolinas da dcada de 70. Tambm era popularmente
conhecido como gasolina azul, devido colorao azulada do
combustvel. Este composto derivado de chumbo muito poluente e
extremamente nocivo sade humana. Concentraes elevadas desse
-
37
agente txico pode levar ao ser humano problemas neurolgicos
induzindo patologias como o Saturnismo.
A octanagem est ligada diretamente sua composio qumica.
Quanto maior a quantidade de hidrocarbonetos de cadeia ramificada e
de pequeno peso, considerando que a gasolina uma mistura de vrios
hidrocarbonetos, maior ser a sua resistncia detonao. O iso-octano
o que possui essas caractersticas e est em maior quantidade na
gasolina.
A equao que representa a combusto do iso-octano est seguir:
22222188 4798)76,3(5,12 NOHCONOHC
A seguir, algumas caractersticas da gasolina:
Tabela 8: Caractersticas da gasolina.
Gasolina
Calor especfico (kJ/kg) 43500
RON 91
MON 80
Razo estequiomtrica Ar/Comb. 14,5
Calor latente de vaporizao(kJ/kg) 376 a 502
Temperatura de ignio(C) 220
4.3.2. Etanol
Atualmente, o etanol vendido nos postos de gasolina brasileiro o
lcool hidratado. O lcool anidro, exclusivamente destinado mistura
com a gasolina enquanto que o lcool hidratado, vendido como um
produto nico. O lcool hidratado possui este nome pois da mesma
forma que a gasolina brasileira no pura, o etanol brasileiro tambm
no . Cerca de 95,2 % em volume do combustvel o etanol de fato. O
restante, basicamente gua.
A reao de combusto do etanol est a seguir:
-
38
2222252 28,1132)76,3(3 NOHCONOOHHC
A seguir, algumas caractersticas do etanol:
Tabela 9: Caractersticas do etanol.
Etanol
Calor especfico (kJ/kg) 28225 RON 109 MON 98
Razo estequiomtrica Ar/Comb. 9
Calor latente de vaporizao(kJ/kg) 903 Temperatura de ignio(C) 420
4.4. Relao ar/combustvel da mistura e a sonda Lambda.
Como se se pode observar, para cada tipo de combustvel, existe uma
necessidade ideal da quantidade de ar. No entanto, nem sempre a oferta
de ar igual demanda pelo combustvel. Ora pode estar em
quantidades estequiomtricas, reduzidas ou at em excesso. Quando o
ar est em excesso, diz-se que o motor est com uma mistura pobre e
enquanto que o ar est em falta, diz-se que o motor est com uma
mistura rica. Essa relao de mistura Combustvel/Ar pode ser
representada a seguir:
ArlCombustve mmAC // (13)
ou
ArlCombustve nnAC // (14)
Porm, essa relao usualmente representada por uma relao
adimensional, como se segue:
tricaEstequiomAC
AC
/
/ (15)
-
39
Sendo que:
1: Mistura rica.
=1: Mistura estequiomtrica.
Segundo HEYWOOD, a potncia mxima no regime WOT (Wide Open
Throttle, ou seja, borboleta totalmente aberta), se obtm em misturas
ricas com:
1,1
Esta relao, uma informao que o motor necessita e obtida
atravs de um sensor que est instalado no coletor de escapamento.
Este sensor denomina-se Sonda Lambda. Basicamente, esta pea
detecta a quantidade de oxignio dos produtos da combusto, definindo
assim, se a mistura est rica ou pobre. O sensor uma clula com um
eletrlito slido e quando passa corrrente, os eltrons so levadas pelo
ons dos oxignios. A equao da reao est a seguir:
2
2 24 OMeO
A resposta do Sonda Lambda, uma voltagem. Atravs da equao de
Nernst, e considerando as presses parciais da atmosfera e do
escapamento, temos:
oEscapamentO
atmO
spostaP
P
F
TRV
2
2ln4
Re (16)
Sendo que R a constante universal dos gases perfeitos, T a
temperatura da sada dos gases e F a constante de Faraday.
O nome Lambda, provem da unidade bsica do sensor.
Temos:
-
40
1/ = (17)
Figura 24: Curva da reao da Sonda Lambda.
Fonte: http://www.multifiat.com.br/biblioteca/Tempra/Sequenc/1056bs5_2.html
>1: Mistura pobre.
-
41
Tabela 10: Razo Ar/Combustvel e resposta do sensor.
AFR
Lambda Gasolina Etanol
0,7 10,3 6,3
0,75 11 6,8
0,8 11,8 7,2
0,85 12,5 7,7
0,9 13,2 8,1
0,95 14 8,8
1 14,7 9
1,05 15,4 9,5
1,1 16,2 9,9
1,15 16,9 10,4
1,2 17,6 10,8
1,25 18,4 11,3
1,3 19,1 11,7
Figura 25: Detalhe internos e de instalo da Sonda Lambda.
Fonte: http://www.fazerfacil.com.br/carros/injecao_4.htm
-
42
Figura 26: Detalhe externo da Sonda Lambda
Fonte:http://www.quantums.info/injection.htm
4.5.Modelagem termodinmica.
De acordo com (HEYWOOD,1988)[13], existem trs tipos de modelos
que simulam a combusto de um MCI. So elas:
Zero-dimensionais
Quasi-dimensionais
Multidimensionais
O zero dimensionais um modelo baseado considerando o tempo como
a nica varivel independente e se baseia na primeira lei da
termodinmica. A taxa da queima do combustvel obtida empiricamente.
O modelo quasi-dimensional, baseado na turbulncia que o fluido em
turbulncia pode ter. Subdivide-se em duas zonas, a dos gases
queimados e a dos gases no queimados. Por simplificao, para este
modelo, a frente de chama um modelo esfrico que se expande a certa
velocidade. O quasi-dimensional bastante adequado em prever
emisses de poluentes tais como o NOx, hidrocarbonetos no queimados
e at particulados. O modelo multidimensional um dos mais completos,
pois alia tanto a proposio do zero-dimensional, tanto quanto o quasi-
dimensional. Tambm acrescenta reaes qumicas, camada limite entre
outros. Possui equaes diferenciais ordinrias de conservao de
energia e resolvida numricamente nas variveis de tempo e espao.
-
43
Deve ser fornecida ao modelo a geometria da frente de chama e a sua
geometria da propagao. Este ltimo modelo, um modelo complexo e
requer um computador de alto desempenho para simular numericamente.
Para este trabalho, o modelo adotado ser inspirado no zero-dimensional,
j que possui formulaes matemticas mais simples, portanto, apto a
qualquer computador pessoal a calcular.
4.5.1.Modelo zero-dimensional.
Por este modelo, aplica-se em quatro situaes diferentes, apenas
considerando a variao ou no do calor especfico (k) ou considerar ou
no a transferncia de calor pela parede do cilindro. So elas:
Pela primeira lei da termodinmica, k constante e a transferncia
de calor pela parede do cilndro no considerado.
Pela primeira lei da termodinmica, k varivel e a transferncia
de calor pela parede do cilndro no considerado.
Pela primeira lei da termodinmica, k varivel e a transferncia
de calor pela parede do cilndro considerado.
Pela primeira lei da termodinmica, k constante e a transferncia
de calor pela parede do cilindro considerado.
O modelo em que o k varivel e considerado a troca de calor pela
parede do cilindro, o mais prximo da realidade.
O modelo de Wiebe(HEYWOOD,1988)[13], descreve a evoluo da
combusto(taxa da queima do combustvel) e Woschni (DE MELO,
2007)[12] props como o coeficiente de transferncia de calor variava
durante a combusto. Para a validao da proposta de Woschni, foram
consideradas algumas hipteses simplificadoras, tais como:
A mistura ar-combustvel homognea
Gs ideal, e a queima do combustvel era todo vaporizada e
queimada.
-
44
4.6. Modelo proposto de um MCI em uma anlise termodinmica.
4.6.1.Diferena entre o Ciclo Otto e o motor real.
No ciclo Otto, considera-se a queima do combustvel a volume constante,
porm, no motor real, a combusto no da mesma maneira, j que o
combustvel possui um certo atraso de queima com relao a posio do
pisto do motor. A cmara se expande ao mesmo tempo que o combustvel
queimado. Essa variao de volume no desprezvel como poderia
supor o ciclo Otto. Pela figura 25, SANTOS JNIOR(2004) (DE MELO
2007)[12] demonstrou as diferenas entre essas duas situaes. Sendo x()
a frao de massa de combustvel queimada e o ngulo da manivela do
eixo do motor(girabrequim) sendo que o ponto zero o PMS(Ponto Morto
Superior).
Figura 27: Diferena de queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)
-
45
Wiebe props uma equao que representava a taxa da queima do
combustvel. Temos a seguir:
(18)
Sendo que representa a quantidade ou posio da vela da ignio e
, representa o comportamento da frente de chama do combustvel. Tambm
conhecido como fator de forma da cmara de combusto.
O ngulo do instante de ignio , o incio da queima do combustvel (o
combustvel possui um atraso com relao ao instante da ignio) e a
durao da queima do combustvel, est representada a seguir
(HEYWOOD, 1988; DE MELO, 2007)[13][12]:
Figura 28: Queima do ciclo Otto com Wiebe (Heywood, 1988, DE MELO, 2007)[12]
Considerando e varivel, tem-se a seguir:
-
46
Figura 29: Queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)[12]
Considerando e cosntante, temos:
Figura 30: Queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)[12]
Segundo HEYWOOD (DE MELO, 2007)[12], o uso de valores de e
se mostraram bastante adequados.
Estabelecidos os parmetros, define-se a quantidade total de energia
fornecida ao sistema, segundo HEYWOOD(DE MELO, 2007)[12]. Sendo
assim, tem-se:
-
47
(19)
Sendo que a eficincia da combusto, a massa do
combustvel e PCI o poder calorfero inferior do combustvel.
Essa mesma frmula pode ser substituda por:
(20)
(21)
Sendo que a massa do ar admitido.
Segundo ALLA (DE MELO, 2007)[12], a eficincia da combusto
pode ser determinada por:
(22)
E segundo HEYWOOD (DE MELO, 2007)[12], a eficincia mxima de
combusto para um motor a ignio por centelha de cerca de
90%.
Figura 31: Rendimento da combusto.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8
Efic
in
cia
da
com
bu
sto
Lambda ()
-
48
Pelo grfico, nota-se que a eficincia da combusto mxima atingido com
um lambda de cerca de 15% maior, ou seja, uma mistura levemente pobre.
Combinando as equaes de Wiebe com a da quantidade total de energia
fornecida, tem-se uma formulao do fornecimento da energia em funo
da posio do girabrequim. Tem-se:
(23)
Porm, deve se considerar a perda de calor pelas paredes do cilindro por
conveco, dessa forma, obtm-se a energia til:
(24)
4.6.2. Perda de calor por conveco.
Pelo princpio da transmisso de calor (KREITH, 1958)[14], a perda de calor
por comveco se d atravs da seguinte expresso:
(25)
Sendo que:
A rea instantnea obtido pela frmula (30) e o h pela frmula (27) que
esto apresentadas nos captulos subseqentes.
-
49
4.6.3.Clculo do coeficiente de transferncia de calor
Temos uma equao proposta por Woschni (DE MELO, 2007)[12]:
(26)
Sendo que:
(27)
(28)
Sendo que :
4.6.4. Clculo do calor especfico.
Segundo HEYWOOD (DE MELO, 2007)[12], a variao do calor
especfico funo da temperatura e obedece a seguinte expresso:
(29)
Para o interesse do presente trabalho, as constantes esto
apresentadas na seguinte tabela (DE MELO, 2007)[12]:
-
50
Tabela 11: Constantes dos reagentes e produtos da combusto.
Sendo que Gasol, a gasolina brasileira vendida com adio de 25% de
volume de etanol.
A seguir, os grficos dos calores especficos em funo da temperatura.
Os grficos foram obtidos atravs de uma programao no ambiente do
software livre SCILAB.
Figura 32: Variao do calor especfico da gasolina
-
51
Figura 33: Variao do calor especfico do etanol
Figura 34: Variao do calor especfico do gs carbono.
-
52
Figura 35: Variao do calor especfico do oxignio.
Figura 36: Variao do calor especfico do nitrognio.
-
53
Figura 37: Variao do calor especfico da gasolina e etanol.
Ainda, tm-se (DE MELO, 2007, HEYWOOD, 1988)[12][13]:
(61)
Para uma mistura de gases, pode-se fazer uma mdia ponderada para a
mistura (DE MELO, 2007)[12], ou seja, um calor especfico equivalente:
(61)
Sendo que:
Dessa forma, para a combusto do etanol, seguindo a reao qumica:
2222252 28,1132)76,3(3 NOHCONOOHHC
-
54
Obtm-se a variao do coeficientes do calor especfico do ar e dos
produtos da combusto.
Figura 38: Variao do calor especfico do ar e dos produtos da combusto do etanol.
Dessa forma, para a combusto da gasolina, seguindo a reao
qumica:
22222188 4798)76,3(5,12 NOHCONOHC
Obtm-se a variao do coeficientes do calor especfico do ar e dos
produtos da combusto.
Figura 39: Variao do calor especfico do ar e dos produtos da combusto da gasolina.
-
55
4.6.5. Equacionamento do motor.
Pela figura, tm-se uma representao fsica simplificada do motor.
Figura 40: Desenho de um MCI (DE MELLO.2007)[12]
Sendo que o dimetro do pisto, o comprimento da biela do motor,
o raio da circunferncia em que o girabrequim descreve, o ngulo
da manivela do eixo do motor(Girabrequim).
Entre o cabeote do motor e o PMS(Ponto Morto Superior), existe um
volume denominado de regio de volume morto.
A rea da regio onde ocorre a combusto (cabeote, topo do pisto e as
paredes do cilindro), importante principalmente nas questes referentes
as trocas de calor e de distribuio de presses. Sendo assim, tm-se:
Considerando que o topo do pisto e o topo do cabeote sejam iguais,
temos assim, a rea total:
-
56
(62)
A rea lateral da parede do cilindro que se forma ao longo da trajetria do
curso do pisto, segue:
(63)
Sendo que a distncia entre o pino do pisto e o centro do
girabrequim. Temos ento:
(64)
Porm, deve se considerar tambm a regio da rea morta. Tem-se dessa
forma:
(65)
Sendo que 2.R o curso do pisto e a relao de compresso como foi
vista inicialmente na seco do equacionamento bsico.
Assim sendo, a rea superficial total dada pela soma de todas as reas
consideradas, atravs da seguinte frmula:
(66)
Obtendo finalmente:
(67)
Para o volume deslocado devido ao curso do pisto, tm-se:
(68)
Para o volume total, tm-se:
(69)
-
57
4.6.6. Clculo da variao da temperatura na cmara de combusto.
Para o clculo da temperatura durante a compresso do gs, utiliza-se a
seguinde formulao politrpica:
(71)
Por simplificao, considera-se k=1,4 apenas durante a compresso.
Para o clculo da variao da temperatura, durante a queima do
combustvel e a expanso do gs na cmara de combusto, tm-se:
(70)
Porm, para o trabalho presente, tm-se:
(71)
A massa de ar e a massa de combustvel, consumido durante o
processo, enquanto que a massa de resduo produzido durante
combusto. As constantes de calor especfico tambm varia ao longo da
reao e est em funo da temperatura como foi mostrado
anteriormente.
4.6.7. Clculo da presso da cmara de combusto.
Para o clculo da presso, durante a compresso do gs, da queima do
combustvel, da expanso da cmara de combusto do motor e por
hiptese, desconsiderando o fator de correo, tm-se a seguinte
formulao:
-
58
(72)
Porm, para o presente trabalho, tm-se:
(73)
A massa de ar e a massa de combustvel, consumido durante o
processo, enquanto que a massa de resduo produzido. As constantes
de calor especfico tambm varia ao longo da reao e est em funo
da temperatura como foi mostrado anteriormente. O volume tambm
varia de acordo com a equao (69). A temperatura varia de acordo com
a equao (71).
4.7. Simulao e resultados do programa.
A partir dos equacionamentos obtidos, a simulao e programao
(Anexo) foram efetuadas no ambiente do SCILAB.
O motor simulado, possui caractersticas adotadas na seguinte tabela.
Tabela 12: Dados do motor 1.8
Dimetro do cilindro (D) 81,01 mm
Curso do pisto (s) 86,04 mm
Comprimento da biela (L) 144,0 mm
Taxa de compresso 11
Cilindrada Total 1,781 L
Supondo ainmda, por hiptese, que o motor esteja em na condio de
WOT e est a 5500 rpm, a mistura admitida estequiomtrica e o ar
aspirado, se encontra a cerca de 300 K de temperatura.
Simulando o programa, obtemos inicialmente, um grfico da presso em
funo do ngulo do girabrequim para uma combusto, do motor sendo
movido etanol e gasolina.
-
59
Figura 41: Presso versus ngulo do girabrequim para motor 1.8.
A seguir, o grfico da presso em funo do volume instantneo total.
-
60
Figura 42: Presso versus volume da cmara de combusto para motor 1.8.
Nota-se que existem diferenas de desempenho com relao aos dois
combustveis, principalmente no grfico presso versus volume
instantneo , j que a rea interior desse grfico, representa o trabalho
total. Isso j era esperado, pois o PCI do etanol menor que a da
gasolina. Sendo assim, para obter o mesmo desempenho de potncia e
torque para qualquer combustvel usado, o etanol, por possuir menor
PCI, deve ser injetado em maior quantidade. Como no existe a
possibilidade de injetar mais ar/combustvel, pois a cmara s consegue
sugar uma quantidade limitada pela geometria fixa do motor, opta-se em
injetar mais o combustvel utilizado(etanol), ou seja, opta-se por uma
mistura rica.
Sendo assim, observou se que para o etanol obter o mesmo
desempenho da gasolina, deve ser injetado mais 10% de massa
comparado se o etanol funcionasse de forma estequiomtrica. Sendo
assim, obteve-se os seguintes resultados com a nova mistura rica.
Figura 43: Presso versus ngulo do girabrequim para motor 1.8 (etanol rico).
-
61
Figura 44: Presso versus volume da cmara de combusto para motor 1.8(etanol rico).
Pode se agora, observar que o desempenho do lcool, se aproxima da
gasolina. Porm, uma mistura mais rica do que desejado, no o
ideal, pois isso influi diretamente no consumo do combustvel e na
poluio, j que misturas ricas tendem a formar hidrocarbonetos no
queimados ou subaproveitados. Alm disso, como foi demosntrado
anteriormente, misturas ricas tendem a ter uma eficincia de combusto
menor, logo, o motor aproveitar menos o combustvel utilizado.
A seguir, tm-se um grfico do consumo dos combustveis de um ciclo
de potncia como foi representada a seguir.
-
62
Figura 45: Consumo por combusto
Sendo assim, observa-se que existe um consumo a mais de etanol, de
cerca de 3 mg por combusto, ou seja, cerca de 10% a mais de
consumo. Isso significa que se por exemplo, o motor estivesse em mdia
a 3600 rpm, sendo usado uma hora, cosiderando que a densidade do
etanol de 746 g/L, deseperdiam-se cerca de :
Logo, ser de cerca de 0,43 litros de etanol desperdiada em uma hora.
4.8. Anlise, simulao e resultados da soluo proposta: Downsizing.
Atualmente, o termo Downsizing est em voga. Isso representa no
mundo automotivo, um motor com capacidade cbica menor, porm com
desempenho potncia e torque semelhantes a um motor de capacidade
cbica maior. Isso possvel sobrealimentando o motor menor com um
compressor(Blower) ou um turbo-compressor.
Um exemplo real a nova famlia de motores Ecoobost da Ford. Um
motor 1.0 dessa famlia, com sobrealimentao obtida por um
turbocompressor, consegue extrair cerca de 120 cv e 17 kgfm de torque,
ou seja, um motor 1.0 consegue render quase que a potncia de um
motor 1.8 tradicional.
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Figura 47: Motor 1.0 Ford Ecoobost.
Fonte:http://www.insidemotors.com.br
No Brasil, muitos automveis tambm tiveram este conceito. Dois
exemplos memorveis eram o Ford Fiesta/Ecosport
Supercharger(Lanado em 2003) e o Volkswagen Gol/Parati 1.0 16V
Turbo(Lanado em 2000). Ambos possuam motores 1.0, porm
sobrealimentados por um compressor, no caso do Ford, e
turbocomprimido no caso do Volkswagen. Conseguiam extrair 90 cv e
112 cv respectivamente, potncia equivalente a um motor 1.6 e 2.0
tradicionais poca.
Figura 48: VW Gol 1.0 16V Turbo.
Fonte:Quatro Rodas
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Figura 49: Motor VW AT 1.0 16V Turbo
Fonte:Quatro Rodas
Figura 50: Ford Fiesta Supercharger.
Fonte: Quatro Rodas
Figura 51: Motor Ford Zetec 1.0 Supercharged, com destaque no compressor.
Fonte: Quatro Rodas
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Uma das explicaes para o menor consumo do motor Downsizing, est
no fato que este tipo de tecnologia, possibilita que o motor trabalhe em
uma uma regio do mapa do consumo especfico, favorvel no baixo
consumo. Segunda a equao que representa o PME (Presso Mdia
Efetiva) sobre o pisto, mantendo constante a condio de potncia e
rotao do motor, tm-se:
Sendo que o volume deslocado em um motor pequeno menor, o PME
do motor Downsizing, maior do que o motor tradicional. E seguindo o
mapa do consumo especfico, obtm-se:
Figura 52: Mapa do consumo especfico
Fonte: Fiat Powertrain
Nota-se que o motor opera em um regime que privilegia o menor
consumo especfico pois atua na regio do mapa favorvel isso.
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Porm, para o presente trabalho, ser investigado qual o benefcio
termodinmico do consumo do combustvel, principalmente do lcool.
Supondo que tem-se as seguintes caractersticas do novo motor, porm
sobrealimentado seguindo os conceitos do Downsizing e apenas
reduzindo o dimetro do cilindro.
Tabela 13: Dados do motor 1.0 Downsizing
Dimetro do cilindro (D) 61,01 mm
Curso do pisto (s) 86,04 mm
Comprimento da biela (L) 144,0 mm
Taxa de compresso 11
Cilindrada Total 1,006 L
Porm, para poder comparar com o motor 1.8 anterior, deseja-se que a
potncia e o torque no novo motor 1.0 seja mantido. O parmetro da
fora que a cabea do pisto recebe durante a combusto, deve ser
mantido para manter todos os dados de desempenho. Tm se:
(74)
Sendo que a a rea superior do pisto.
Sendo assim, testou-se para o novo motor, a quantidade de
sobrealimentao para que o novo motor, mantivesse tal fora.
Concluiu-se que no caso da gasolina, a sobrealimentao no novo motor
ficou perto de 76,3 %, enquanto que no caso do lcool, em torno de
85%. A vantagem da sobrealimentao, que o motor pode trabalhar de
uma forma mais prxima da estequiomtrica principalmente no etanol, e
supondo que a vazo da sobrealimentao, varivel em cada tipo de
combustvel. Isso ser benfico para o consumo do combustvel. A
seguir, o grfico da fora sobre o pisto ser demonstrado. Note que o
grfico deve ser aproximado para manter as condies de desempenho
de potncia e torque. A base de comparao o motor 1.8 tradicional
movido a gasolina. Supondo ainda, por hiptese, que o motor esteja em
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na condio de WOT e est a 5500 rpm, a mistura admitida
estequiomtrica e o ar aspirado se encontra a cerca de 300 K de
temperatura.
Figura 53: Fora sobre o pisto versus ngulo do girabrequim.
Como se observa, seguindo de acordo com a sobrealimentao de cada
combustvel, a fora sobre o pisto se conserva
Simulando o programa novamente, obtemos um grfico da presso em
funo do ngulo do girabrequim para uma combusto, do motor sendo
movido etanol e gasolina.
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Figura 54: Presso versus ngulo do girabrequim.
Como era de se esperar, motores sobrealimentados possuem uma
presso maior na cabea do pisto. Isso benfico para o consumo
especfico como foi demonstrado anteriormente.
A seguir, o grfico da presso em funo do volume instantneo total.
Figura 55: Presso versus volume da cmara de combusto.
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Nota-se que o trabalho lquido, que a rea dentro da curva, se
conserva, logo mantmse constante, os requisitos de potncia e
torque.
A seguir, tm-se um grfico do consumo dos combustveis de um ciclo
de potncia como foi representada a seguir.
Figura 57: Consumo por combusto
Como se observa, o motor 1.0 Downsizing movido etanol, cerca de
1,5 mg mais econmico por combusto, se comparado com o motor 1.8
tradicional movido etanol com uma mistura rica. Sendo assim,
economiza-se em combustvel, colocando-se as mesmas hipteses da
questo anterior, ou seja, o motor estivesse em mdia a 3600 rpm,
sendo usado uma hora, considerando que a densidade do etanol de
746 g/L, tm-se:
Economiza-se cerca de 215 ml de etanol. Sendo assim, o Downsizing
muito adequado para o aproveitamento energtico do combustvel,
principalmente do etanol.
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5- Concluso.
A soluo da reduo de consumo em motores Flex, seria interferir de
alguma maneira na taxa de compresso de acordo com o combustvel
utilizado, porm um processo demasiadamente caro e complicado.
Como se pode observar, motores Flex tendem a consumir mais devido a
alguns fatores, tais como, para se manter a mesma condio de
potncia e torque da gasolina, como o PCI do etanol menor,
necessrio que haja uma injeo maior de etanol se comparado com o
motor exclusivamente lcool. Sendo assim, pelo estudo qualitativo
anterior, a mistura que vai na cmara de combusto rica e influi na
eficincia da queima do combustvel e tambm nas emisses
atmosfricas de monxido de carbono e de nmero de hidrocarbonetos.
Tudo isso resulta no consumo maior. O downsizing muito benfico
para motores Flex-Fuel, pois promove uma mistura mais prxima da
estequiomtrica. Alm disso, como foi demonstrado anteriormente,
motores sobrealimentados possuem uma PME maior do que seu
equivalente de mesma potncia porm de maior cilindrada. Isso influi em
um consumo especfico menor. Sem contar que, motores menores,
possuem pistes menores(mais leves), portanto, o momento de inrcia
do motor menor, resultando assim, menores esforos do gs em
mover o motor. Tudo isso, influi diretamente na reduo de consumo,
principalmente se o combustvel utilizado for o etanol.
7. Sugestes para trabalho futuro.
Para o leitor que tenha interesse neste assunto, outras tecnologias que
podem influir na reduo de consumo dos motores Flex-Fuel podem ser
estudadas. Tais como:
Motores Flex-Fuel com injeo direta.
Vlvulas com tempo de abertura controlada (VVTI)
Vlvulas com controle eletrnico de abertura (Fiat MultiAir)
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Associao de MCI Flex com motorizao hbrida.
Motores com taxa de compresso varivel (GM-Saab).
Associao de todas essas tecnologias.
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