ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

68
CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO COM VARIAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE ÁLCOOL NA GASOLINA EM MOTOR FLEX 1.6 - 8V CURITIBA 2007

Transcript of ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

Page 1: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO

ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO COM VARIAÇÃO DA

CONCENTRAÇÃO DE ÁLCOOL NA GASOLINA EM MOTOR FLEX 1.6 - 8V

CURITIBA

2007

Page 2: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

ERLON MURILO FOGAÇA

RAIMUNDO FERREIRA MATOS JÚNIOR

WAGNER FERNANDES BORGES

ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO COM VARIAÇÃO DA

CONCENTRAÇÃO DE ÁLCOOL NA GASOLINA EM MOTOR FLEX 1.6 - 8V

Monografia apresentada como requisito parcial à obtenção de grau de Engenheiro Mecânico do Curso de Engenharia Mecânica, do Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas do Centro Universitário Positivo. Orientador: Prof. Rafael Albea

CURITIBA

2007

Page 3: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

ii

DEDICATÓRIA

As nossas companheiras e famílias que sempre nos incentivaram e nos apoiaram

constantemente, abdicando de horas preciosas para que nós pudéssemos completar

mais esta etapa de nossas vidas.

Page 4: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

iii

AGRADECIMENTOS

Aos nossos colegas, pelas importantes discussões geradas em sala de aula e na

empresa sobre os assuntos acadêmicos que ajudaram a integrar esse trabalho.

Aos professores que muito contribuíram para a nossa formação acadêmica e que

hoje fazem parte de nossas vidas e de nossas memórias, pelos momentos

agradáveis que passamos durante o processo de aprendizagem.

Agradecemos principalmente a nosso professor e orientador Rafael Albea, pelo

acompanhamento e revisão do estudo, contribuindo com críticas construtivas para

maior entendimento e aprofundamento do respectivo trabalho.

Aos amigos (Gustavo / Fábio / Amy) que contribuíram com muitas idéias nas

análises e coleta de documentações bem como o fechamento final deste trabalho.

A Octávio e Nadir pais do Erlon, pelo cafezinho e a disponibilidade de um local

tranqüilo e calmo para as discussões e desenvolvimento teórico deste trabalho.

Page 5: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

iv

Bem aventurados os que trilham caminhos retos, e andam na lei do Senhor. Salmos 119-1.

Page 6: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

v

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS ................................................................................................ iii

SUMÁRIO................................................................................................................... v

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................ vii

LISTA DE TABELAS .............................................................................................. viii

LISTA DE GRÁFICOS .............................................................................................. ix

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .................................................................... x

LISTA DE SÍMBOLOS .............................................................................................. xi

RESUMO.................................................................................................................. xii

ABSTRACT............................................................................................................. xiii

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 1

1.1 IMPORTÂNCIA DO TEMA ................................................................................... 2

1.2 OBJETIVOS ......................................................................................................... 2

1.2.1 Objetivo Geral .................................................................................................. 2

1.2.2 Objetivo Específico ............................................................................................ 2

1.3 ESTRUTURA........................................................................................................ 3

1.4 ESCOPO .............................................................................................................. 3

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 4

2.1 MÉTODOS DE MEDIÇÃO DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.............................. 4

2.2 PROPRIEDADES GASOLINA E ÁLCOOL........................................................... 7

2.3 PARÂMETROS DO MOTOR................................................................................ 9

2.3.1 Potência Indicada .............................................................................................. 9

2.3.2 Potência Efetiva e Torque ............................................................................... 11

2.3.3 Pressão Média Indicada .................................................................................. 13

2.3.4 Pressão Média Efetiva e Pressão Média de Atrito........................................... 14

2.3.5 Ponto de Ignição e Avanço.............................................................................. 15

3 FUNDAMENTAÇÃO ............................................................................................. 16

3.1 MODELO EXPERIMENTAL PARA CÁLCULO DA PMI...................................... 16

3.2 MODELO MATEMÁTICO PARA CÁLCULO DA PMI ......................................... 17

4 DESENVOLVIMENTO........................................................................................... 19

4.1 OBTENÇÃO DA PMI EXPERIMENTAL.............................................................. 19

4.1.1 Medição da Pressão de Combustão................................................................ 21

4.1.2 Condições de Ensaio....................................................................................... 26

4.2 OBTENÇÃO DA PMI MODELO MATEMÁTICO................................................. 27

5 RESULTADOS E VALIDAÇÃO ............................................................................ 28

Page 7: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

vi

6 CONCLUSÃO ....................................................................................................... 39

6.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.................................................. 41

REFERÊNCIAS........................................................................................................ 43

APÊNDICE ............................................................................................................... 45

ANEXO..................................................................................................................... 48

Page 8: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

vii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 01: CURVA DE PRESSÃO NO CILINDRO – CICLO COMPLETO .............. 5

FIGURA 02: DIAGRAMAS P-V................................................................................. 10

FIGURA 03: ESQUEMA DE MEDIÇÃO DE TORQUE ............................................. 11

FIGURA 04: BANCADA COM DINAMÔMETRO E MOTOR..................................... 20

FIGURA 05: CARRO DO MOTOR E SUAS CONEXÕES PARA FLUÍDO ............... 21

FIGURA 06: LEITURA E TRANSFORMAÇÃO DO SINAL DE PRESSÃO............... 22

FIGURA 07: TRANSDUTOR INCORPORADO A VELA DE IGNIÇÃO..................... 24

FIGURA 08: FLUXO PARA A REALIZAÇÃO DO ENSAIO....................................... 25

FIGURA 09: DETALHAMENTO DA VELA COMERCIAL E A INSTRUMENTADA... 25

FIGURA 010: VELA COMERCIAL E INSTRUMENTADA NO CABEÇOTE.............. 26

FIGURA 11: PMI PONTO A PONTO OBTIDA NO CILINDRO 3 (E0)...................... 35

FIGURA 12: PMI PONTO A PONTO OBTIDA NO CILINDRO 3 (E100)................... 36

Page 9: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

viii

LISTA DE TABELAS

TABELA 01: COMPOSIÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS DERIVADOS DO PETRÓLEO. 7

TABELA 02: COMPOSIÇÃO DO ÁLCOOL COMBUSTÍVEL...................................... 8

TABELA 03: COMPOSIÇÃO DA GASOLINA BRASILEIRA....................................... 9

TABELA 04: PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DO MOTOR ................................... 27

TABELA 05: CÁLCULO DA PMF PARA MODELO MATEMÁTICO DA PMI ............ 32

TABELA 06: DEMONSTRAÇÃO DOS VALORES DA PMI (E0 / E24 / E62 / E100). 41

Page 10: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

ix

LISTA DE GRÁFICOS

GRÁFICO 01: CURVA CARACTERÍSTICA DE TORQUE MOTOR (1.6-8V) ........... 12

GRÁFICO 02: CURVA CARACTERÍSTICA DE POTÊNCIA MOTOR (1.6-8V) ........ 13

GRÁFICO 03: PMI MEDIDO NOS 4 CILINDROS DO MOTOR................................ 29

GRÁFICO 04: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E0)... 30

GRÁFICO 05: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E24). 31

GRÁFICO 06: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E62). 31

GRÁFICO 07: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E100)32

GRÁFICO 08: CURVA CARACTERÍSTICA PMI MEDIDA NO CILINDRO 3 ............ 33

GRÁFICO 09: CURVA CARACTERÍSTICA PMI CALCULADA DO CILINDRO 3 .... 34

GRÁFICO 10: GRÁFICO P-V DO CILINDRO 3 (E0) ................................................ 35

GRÁFICO 11: GRÁFICO P-V DO CILINDRO 3 (E100) ............................................ 36

GRÁFICO 12: PRESSÃO COMB. CILIND. 3 2750 RPM PLENA CARGA (E0)........ 38

GRÁFICO 13: PRESSÃO COMB. CILIND. 3 2750 RPM PLENA CARGA (E100).... 38

GRÁFICO 14: ZONAS DE ANÁLISE DA PMI........................................................... 40

Page 11: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

x

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

MCI Motor de combustão interna

PCI Poder calorífico inferior

Pi Pressão indicada

PME Pressão média efetiva

PMF Pressão média de atrito

PMI Pressão média indicada

Pmi Ponto morto inferior

Pms Ponto morto superior

RBC Rede Brasileira de Calibração

Page 12: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

xi

LISTA DE SÍMBOLOS

E0 Combustível com 0% de álcool e 100% de gasolina

CC Volume do cilindro

D Diâmetro do pistão

E100 Combustível com 100% de álcool

E24 Combustível com 24% álcool e 76% gasolina

E62 Combustível com 62% álcool e 38% gasolina

L Curso do pistão

Mar Massa de ar

nc Rotação do motor

Pj Pressão de combustão medida

q Energia calorífica

R Taxa de compressão

T Torque

Vcyl Volume do cilindro

Vd Volume deslocado no cilindro

Vp Velocidade do pistão

We Potência efetiva

Wi Potência indicada

ηth Rendimento térmico

Page 13: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

xii

RESUMO

Este trabalho visa uma análise da dispersão do valor da pressão de combustão

média indicada de um motor flex 1.6 – oito válvulas com a utilização de diferentes

concentrações de álcool na gasolina, entre um modelo matemático empírico,

comparado com um modelo experimental, que utiliza equipamentos específicos para

coleta de dados e tratamento do sinal com software dedicado. O modelo matemático

é constituído por valores constantes, como os dados geométricos do motor (curso e

diâmetro do pistão) e por dados variáveis (torque e rotação do motor) que para sua

obtenção é necessário a utilização de um equipamento conhecido como

dinamômetro. Para a obtenção dos dados experimentais, utiliza-se também uma

bancada dinamométrica, além de um sistema de aquisição e de tratamento de sinal.

Neste trabalho não é observado o que a diferença entre o valor calculado e o valor

obtido no experimento, pode acarretar em relação aos esforços nos componentes

internos do motor.

Palavras-chave: Motor flex, pressão de combustão, pressão média indicada.

Page 14: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

xiii

ABSTRACT

This work presents the dispersion of the average indicated pressure of an 1,6 - eight

valves flex engine using different alcohol concentrations in gasoline, comparing an

empirical mathematical model with an experimental model, that uses specific

equipment for data acquisition and signal treatment with a dedicated software. The

mathematical model is constituted by constant values, as the geometric data of the

engine (course and diameter of the piston), and variable data (torque and engine

rotation) which demands the assistance of a specific equipment known as a

dynamometer. In order to get the experimental data, a dynamometer test bench is

used with the assistance of an acquisition system and a signal treatment equipment.

In this work it not be considered the consequences on internal engine components

stresses caused by the difference between the calculated value and the value gotten

by experiment.

Keywords: flex engine, combustion pressure, indicated average pressure

Page 15: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

1 INTRODUÇÃO

No cenário atual de mercado, com a filosofia da globalização, existe uma

grande concorrência entre as empresas de mesmo nicho de mercado. Esta

concorrência tende a inibir comercialmente o fornecedor menos capacitado

tecnologicamente, para a fabricação e desenvolvimento de um determinado produto.

Nas grandes empresas multinacionais automobilísticas, a busca por novas

tendências de mercado e novas tecnologias, faz com que aquelas que as possuem,

saiam na frente na corrida para atender os mercados consumidores, que por sinal é

abundante e ativo, visto que foram vendidos no Brasil aproximadamente 800.000

veículos leves no ano de 2006, propulsionados por motores a álcool, gasolina e flex,

sendo este último responsável por 70% das vendas (ANFAVEA, 2007).

A venda de veículos com motor flex, que são motores propulsionados a

álcool, gasolina ou com uma mistura entre ambos, iniciou-se no país em meados de

2003, sendo assim, essa nova tecnologia propicia campos para estudos e análises

do sistema como um todo. Um desses pontos é a questão da pressão de

combustão, oriunda da queima da mistura ar combustível na câmara de combustão,

que por sua vez é analisada no período equivalente a um ciclo de combustão

resultando em uma Pressão Média Indicada (PMI), sendo esta a responsável

diretamente pela força exercida sobre a cabeça do pistão (OLIVEIRA, 2004).

Atualmente a pressão média indicada, pode ser obtida através de cálculos

teóricos, com o auxílio de fórmulas, utilizando alguns dados extraídos do

equipamento dinamômetro ou coletada diretamente de um conjunto de

equipamentos, composto por um dinamômetro, um hardware e um software

dedicado para aquisição e leitura dos dados, sendo estes obtidos por sensores

instalados em lugares específicos do motor (SILVA, 2006).

A aquisição prática da PMI, por necessitar de instrumentos de aquisição e de

leitura de dados específicos, necessita de um alto custo para a montagem de um

laboratório, e em contra partida, devido à análise teórica utilizar-se de fórmulas

empíricas, pode-se afastar do resultado real.

Page 16: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

2

Neste cenário é possível desenvolver um estudo focado e centralizado nos

valores apresentados pelos dois métodos, a fim de compará-los e avaliar seus

valores.

1.1 IMPORTÂNCIA DO TEMA

A medição correta da pressão média indicada, garante no desenvolvimento

do motor a utilização e otimização dos recursos materiais, ou seja, um real

dimensionamento de componentes internos do mesmo, a fim de apresentar uma

redução de custo com toda a manufatura, um uso racional de matéria prima, além de

ser um dado muito importante na questão de rendimentos específicos, potência

efetiva, consumo especifico e emissões (MELO, 2007).

A comparação da medição de pressão, utilizando métodos teóricos e

práticos, se faz necessária devido à verificação da porcentagem de erro que uma

pode ter em relação à outra, salientando que a pressão média indicada é uma

pressão que atuará nos componentes internos do motor (conjunto pistão, pino, biela,

virabrequins e mancais), e por isso é um parâmetro base de cálculos no

desenvolvimento como um todo do motor (PISCHINGER, 2002).

1.2 OBJETIVOS

A apresentação dos objetivos deste trabalho esta dividida em objetivo geral

e objetivo específico.

1.2.1 Objetivo Geral

Analisar o comportamento da pressão de combustão com a variação da

proporção de álcool na gasolina em motor flex 1.6 oito válvulas.

1.2.2 Objetivo Específico

Confrontar os resultados teóricos e práticos de obtenção da pressão de

combustão com a variação da proporção de álcool (E0, E24, E62, E100) na

gasolina, demonstrar e explicar as possíveis dispersões, caso ocorram. As análises

Page 17: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

3

teóricas são baseadas em fórmulas matemáticas. Já nos ensaios práticos utiliza-se

um transdutor de pressão com tratamento de sinal por sistema de aquisição e

software dedicado (Indimodul / Indicom) em bancada dinamométrica.

1.3 ESTRUTURA

Este trabalho é composto por cinco capítulos.

No Capítulo 1, é feita uma apresentação geral do trabalho, mostrando a

importância do estudo, os objetivos a serem alcançados, um resumo bibliográfico

sobre o assunto e contribuições que o estudo pode trazer.

No Capítulo 2, é feita uma explicação sobre os métodos teóricos e práticos

de medição de pressão de combustão, sobre as características dos combustíveis

álcool e gasolina e um detalhamento sobre parâmetros do motor, pressões médias e

de pico que ocorrem na combustão do motor em análise.

No Capítulo 3, é apresentada a descrição detalhada das teorias,

metodologias e técnicas utilizadas para a obtenção e análise da pressão de

combustão.

No Capítulo 4, é descrito o desenvolvimento utilizado para a resolução do

problema.

No Capítulo 5, são apresentados os resultados e suas análises.

1.4 ESCOPO

O presente trabalho descreve uma análise da pressão de combustão em

motor flex 1.6 - oito válvulas. Esta análise limita-se a indicação de possíveis

diferenças encontradas no cálculo matemático em relação ao experimental da

pressão média efetiva. O estudo não avalia esforços nos elementos do motor, nem a

influência destes no sistema.

Page 18: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

4

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O desempenho de um motor de combustão interna esta ligado diretamente

às transformações ocorridas na câmara de combustão. Para o desenvolvimento de

motores que apresentam como resultados uma alta performance, se faz necessário

um estudo do ciclo termodinâmico, através de curvas de pressões, essas por sua

vez, são de fundamental importância para a otimização do processo de combustão

bem como o cálculo da Pressão Média Efetiva e Pressão Média Indicada (KISTLER

1995).

2.1 MÉTODOS DE MEDIÇÃO DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO

Na história do desenvolvimento de motores, vários métodos foram aplicados

para análise da combustão. Métodos mais antigos para este monitoramento,

observavam o processo de propagação da chama com a utilização de uma máquina

fotográfica de alta velocidade, através de um visor na câmara de combustão e o

monitoramento da passagem da frente da chama com o uso de um detector de

ionização.

Após 1930, a ferramenta mais utilizada para o estudo da combustão, foi um

indicador de pressão de cilindro que utilizava um tubo de raios catódicos, o qual foi

posteriormente substituído pelo indicador mecânico com mola. Com a utilização do

indicador mecânico e um planímetro, era possível medir a área do diagrama p-V,

pressão x volume (SILVA 2006).

Antes que Nikolaus August Otto inicia-se a operação de seu primeiro motor,

ele calculou antecipadamente o diagrama de pressão e a estimativa do trabalho,

utilizando como base as leis dos gases. Posteriormente ele confirmou seus

resultados através da medição da pressão em um teste de motor (PISCHINGER

2002).

Em 1925, iniciaram-se as primeiras utilizações de cristais piezelétricos na

medição de pressão de combustão. O Dr. M. Okochi e seus colegas foram um dos

pioneiros na medição de pressão em um cilindro de combustão interna através da

utilização de um sensor de quartzo.

Page 19: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

5

Segundo FERGUSON (2000), o método mais atual e aplicado entre os

laboratórios de teste de motores é o que utiliza um transdutor piezoelétrico para

aquisição das variações de pressão no interior da câmara de combustão.

Hoje os transdutores piezelétricos são usados para a medição das fases de

admissão, exaustão e medição na câmara de combustão. Para a medição da

pressão na câmara de combustão, podem-se utilizar dois métodos de fixação do

transdutor, o primeiro é a adaptação do transdutor no bloco do motor, com uma

ligação que finaliza dentro da câmara. A outra maneira é a adaptação de um

transdutor de pressão em uma vela de ignição e a mesma ser fixada no local da vela

convencional.

O método por cristais piezelétricos apresenta excelente comportamento

dinâmico e pouca suscetibilidade à variação de temperatura, evitando o efeito de

deriva do sinal com o aumento da temperatura (PISCHINGER, 2002).

O pico de pressão medido através do sistema de medição da pressão da

câmara de combustão do motor de combustão interna (MCI) pode ser visto na Figura

01. A faixa de medição normalmente inclui o ciclo completo de funcionamento do

motor, porém, pode ter restrições quanto ao ângulo do virabrequim, dependendo do

objetivo a ser analisado. É através da curva de pressão que o software pode

processar os dados e obter o diagrama pressão x volume.

FIGURA 01: CURVA DE PRESSÃO NO CILINDRO – CICLO COMPLETO

FONTE: PISCHINGER (2002)

Page 20: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

6

Segundo PIFFAUT (2004) a pressão e a temperatura em um MCI podem

variar pelos seguintes motivos:

a) O movimento do pistão;

b) A combustão;

c) A expansão dos gases queimados;

d) As trocas térmicas com as paredes do cilindro e

e) A energia transferida pela frente de chama aos gases frescos.

E a descrição dos níveis de pressão e temperatura para um MCI é função da

pressão e temperatura do ar de admissão, da taxa de compressão e da energia

calorífica da mistura ar/combustível, conforme Equação 2.1 e 2.2.

ηthqMarncPi ∗∗∗=

( 2 . 1 )

Onde:

Pi= Pressão indicada (bar)

nc= Rotação do motor (rpm)

Mar= Massa de ar (g)

q= Energia calorífica (W)

ηth= Rendimento térmico

T*r

Vcyl*PMar =

( 2 . 2 )

Onde:

Mar= Massa de ar (g)

P= Pressão (Pa)

Vcyl= Volume do cilindro (cm³)

r= Taxa de compressão

T= Temperatura (°C)

Page 21: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

7

2.2 PROPRIEDADES GASOLINA E ÁLCOOL

Os hidrocarbonetos constituem a parte principal dos combustíveis usados

em motores de combustão interna. De acordo com VLASSOV (2002), os

hidrocarbonetos de combustíveis misturam-se facilmente com o ar formando uma

mistura combustível.

A característica mais importante de qualquer combustível é o poder

calorífico, ou seja, a quantidade de calor que se liberta durante a combustão

completa do combustível.

O Poder Calorífico Inferior, conhecido como PCI é determinado na

experiência em um banco de ensaio especial chamado bomba calorimétrica. Nesse

instrumento é determinado o chamado poder calorífico superior (H sup), o qual inclui

um calor de condensação do vapor da água do combustível formado durante a

combustão do hidrogênio e da umidade contida no combustível.

Segundo OLIVEIRA (2004), nos motores, os gases de escape têm a

temperatura maior do que a condensação do vapor de água e por isso este calor de

condensação não se aproveita. Nos cálculos térmicos dos motores é usado o PCI,

que não inclui o calor de condensação de vapor da água.

Um combustível líquido derivado do petróleo é composto em geral de

carbono (C), hidrogênio (H) e pequenas quantidades de enxofre (S), oxigênio (O) e

nitrogênio (N).

A Tabela 01 apresenta as composições típicas e alguns parâmetros de combustíveis derivados do petróleo.

TABELA 01: COMPOSIÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS DERIVADOS DO PETRÓLEO Porcentagem em massa de

elementos Massa molecular Poder cal. inferior Combustível C H O µ, kg/kmol PCI MJ/kg

Gasolina (pura) 85,5 14,5 110 - 120 43,93

Diesel 87,0 12,6 00,4 180 - 220 42,44 FONTE: VLASSOV (2002)

Para os combustíveis de motores de ciclo Otto é muito importante à

resistência à detonação, a qual se trata de uma combustão demasiada rápida de

Page 22: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

8

uma mistura combustível. A velocidade de propagação de chama durante a

combustão normal, por centelha, é por volta de 30 m/s, mas durante a detonação ela

aumenta até aproximadamente 2000 m/s.

A resistência à detonação é caracterizada por índice de octanas. A gasolina

tem valor de índice de octanas no intervalo de 70 a 100 octanas. Como regra de um

motor de carburação externa (Otto) exige uma gasolina com o número de octanas de

10 vezes maior que o valor da taxa de compressão deste motor (VLASSOV, 2002).

No Brasil, devido a fatores geográficos, a produção de álcool é bem

favorável. Muitos países Europeus dependentes da importação de petróleo

adicionam certas quantidades do etanol misturando-o com a gasolina e o diesel

(OLIVEIRA, 2004).

Da fórmula química do etanol C2H5OH vê-se que a sua molécula contem

oxigênio, por isso, este combustível exige menor o oxigênio do ar para sua

combustão. No entanto, de acordo com VLASSOV (2002), à parte do oxigênio do

etanol não é suficiente para que ele seja um material explosivo.

Em virtude das razões tecnológicas e econômicas, o etanol industrial

(popularmente denominado álcool) contém por volta de 4% da água (etanol de 96%)

e de pequenas quantidades de óleos de éter. A composição mássica do etanol de

96% é mostrada na Tabela 02 (VLASSOV, 2002)

TABELA 02: COMPOSIÇÃO DO ÁLCOOL COMBUSTÍVEL Porcentagem em massa de

elementos Massa molecular Poder cal. Inferior

Combustível C H O µ, kg/kmol PCI MJ/kg

Álcool de 96%

50,5 13,05 36,9 43,37 25,078

FONTE: VLASSOV (2002)

Um quilograma de etanol de 96% contém 50,5 g de carbono; 130,5 g do

hidrogênio e 369 g do oxigênio. O poder calorífico do etanol de 96% é por volta de

26,4 MJ/kg, pois o poder calorífico do etanol é cerca de 40% menor do que da

gasolina. A adição do etanol na gasolina diminui o poder calorífico dela e diminui

também a quantidade do ar necessária para a combustão.

O etanol muito facilmente dissolve-se na água e absorve a umidade do ar. É

muito importante que o poder calorífico do etanol, ainda baixo, fortemente diminui

Page 23: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

9

com o aumento da porcentagem da água. O etanol de 80% tem poder calorífico

PCI= 20,9 MJ/kg e o de 70% têm PCI= 18 MJ/kg. Em comparação com a gasolina, o

etanol tem menor percentagem de carbono e de hidrogênio.

A composição do álcool, conforme apresentado, garante para ele um maior

poder calorífico inferior em relação à gasolina, assim, é possível obter uma maior

potência de um motor que seja propulsionado a álcool, ao invés de gasolina,

considerando uma mesma geometria (OLIVEIRA, 2004).

A atual gasolina brasileira é composta com o álcool. A porcentagem do

álcool na gasolina é de 24%. Na Tabela 03, é apresentada a composição elementar

e o poder calorífico inferior dessa gasolina.

TABELA 03: COMPOSIÇÃO DA GASOLINA BRASILEIRA

Parte em massa de elementos Poder cal. Inferior Combustível

C H O PCI MJ/kg

Gasolina com 24% do álcool 77,9 13,1 9 41,563 FONTE: VLASSOV (2002) 2.3 PARÂMETROS DO MOTOR

Uma das limitações básicas da operação do motor é a pressão desenvolvida

no cilindro, durante a combustão. Neste contexto, pressão média efetiva e média

indicada, pode ocorrer aumento de potência. No entanto, se a pressão no cilindro

não for controlada dentro de limites estreitos, podem aparecer excessivas cargas

internas, podendo resultar em falha do motor. É, portanto, necessário ter meios de

determinar essas pressões no cilindro, como medida de proteção, e para uma

aplicação eficiente da potência.

2.3.1 Potência Indicada

De acordo com NOBUYUKI (2007), a pressão de combustão dentro do

cilindro pode ser utilizada para calcular o trabalho transferido do gás para o pistão. A

pressão do cilindro e seu respectivo volume são relacionados em um diagrama P-V,

Page 24: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

10

conforme apresentado na Figura 02. O trabalho indicado por ciclo é numericamente

igual à área obtida com a integração da curva do diagrama através da Equação 2.3.

FIGURA 02: DIAGRAMAS P-V

FONTE: SILVA (2006)

∫= PdVW

( 2 . 3 )

Onde:

W= Trabalho por ciclo (W)

P= Pressão (Pa)

V= Volume (m³)

A potência indicada é resultante do trabalho transferido pelo gás ao pistão. É

diferente da potência efetiva disponível no flange de acoplamento do eixo do

virabrequim, pois inclui a potência de atrito dos componentes móveis e a de

acionamento dos acessórios do motor. A potência indicada bruta é a melhor

definição, pois é a soma da potência útil no eixo mais à potência perdida durante o

funcionamento do motor (HEYWOOD, 1988).

Page 25: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

11

2.3.2 Potência Efetiva e Torque

De acordo com Silva (2006) a potência efetiva, diferentemente da indicada,

não pode ser obtida teoricamente, necessita ser medida. O torque do motor é

normalmente medido com um dinamômetro, podendo ser eletromagnético, hidráulico

ou mecânico. O motor é fixado num banco de testes e seu eixo conectado ao rotor

do dinamômetro. O dinamômetro é um motor elétrico cujo rotor é suportado por

rolamentos para redução do atrito e tende a ser girado pelo rotor quando este gira. O

torque exercido pelo rotor provoca um movimento no estator, o qual é medido

através de uma alavanca de força de comprimento conhecido e um instrumento

indicador (célula de carga), conforme Figura 03.

FIGURA 03: ESQUEMA DE MEDIÇÃO DE TORQUE

FONTE: SILVA (2006)

O torque exercido pelo motor é determinado por:

bFT ∗=

( 2 . 4 )

Onde:

N= Rotação do rotor (rpm)

F= Força aplicada no braço (N)

B= Distância do centro do rotor até a célula de carga (m)

Estator

Page 26: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

12

No Gráfico 01, é mostrado uma curva característica de torque em função da

rotação para o motor 1.6 8V em estudo.

GRÁFICO 01: CURVA CARACTERÍSTICA DE TORQUE MOTOR (1.6-8V)

A Potência Efetiva (We) fornecida pelo motor e absorvida pelo dinamômetro é

o produto do torque pela velocidade angular:

TN2We ∗∗π∗=

( 2 . 5 )

Onde:

We= Potencia efetiva (cv)

N= Rotação (rpm)

T= Torque (Nm)

O valor da potência medida é a Potência Útil fornecida pelo motor e

absorvida pela carga, neste caso o dinamômetro. Devido às perdas de energia

térmica e mecânica, a potência efetiva será menor que a potência indicada

(HEYWOOD, 1988). A curva característica de potência do motor em questão é

apresentada no Gráfico 02.

1000 1250 1750 2250 2604 2750 2850 2950 31003300350037003900 4100 4300 4400 4500 4600 47505100 52005300 5400 57506101 Rotação (rpm)

Torque (N.m)

Page 27: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

13

GRÁFICO 02: CURVA CARACTERÍSTICA DE POTÊNCIA MOTOR (1.6-8V)

1000

1250

1750

2250

2604

2750

2850

2950

3100

3300

3500

3700

3900

4100

4300

4400

4500

4600

4750

5100

5200

5300

5400

5750

6101

Rotação (N.m)

Potência (kW)

2.3.3 Pressão Média Indicada

A Pressão Média Indicada (PMI) é obtida com a divisão do trabalho liquido

por ciclo pelo volume de deslocamento do cilindro, por integração numérica, através

da Equação 2.6 (NAGASHIMA, 2002).

( )VV2

pp

Vd

1PMI j1j

1n

0j

1j1j −∗

+= +

=

++∑

( 2 . 6 )

Onde:

Vd = volume de deslocamento (m³)

Pj = pressão de combustão medida (bar)

Vj = volume do cilindro (m³)

n = número de medidas

Page 28: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

14

A PMI é a pressão média produzida na câmara de combustão durante o ciclo

de operação, e é uma expressão teórica de potência sem fricção. Além de desprezar

completamente a potência perdida por atrito, a potência média indicada não informa

quanta potência real é entregue ao virabrequim para produzir trabalho útil. Contudo,

está relacionada com a pressão real, a qual ocorre no cilindro e pode ser usada

como uma medida dessas pressões.

2.3.4 Pressão Média Efetiva e Pressão Média de Atrito

A Pressão Média Efetiva (PME) é uma variável muito expressiva no

julgamento da eficácia com que um motor tira proveito do seu tamanho (Cilindrada),

sendo, por isso, muito usada para fins de comparação entre motores. A pressão

média efetiva é definida como a pressão que ao atuar sobre o pistão durante o curso

motor, realiza uma quantidade de trabalho igual ao realmente efetuado sobre o

pistão. Isto permite calcular o trabalho realizado em um ciclo (SHIMIDT, 2005).

O torque, por exemplo, apresenta variações que dependem da geometria

dos motores, impossibilitando seu uso como parâmetro de comparação. Os motores

maiores produzem maiores torques. A potência, também, não é um bom elemento

para permitir a comparação de motores, pois depende, não somente das dimensões,

mas também da velocidade de rotação.

Este indicador específico é chamado de pressão média efetiva PME

(HEYWOOD, 1988) e obtido através da Equação 2.7.

( )

Vd

4πTPME

∗=

( 2 . 7 )

Onde:

T= Torque (Nm)

Vd= Volume deslocado (m³)

Pressão Média de Atrito (PMF) é a pressão indicada menos à pressão

efetiva. É a pressão usada por um motor para vencer o atrito entre as partes móveis,

Page 29: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

15

aspirar combustível, expulsar os gases de escapamento, acionar bombas de óleo e

combustível, e similares.

2.3.5 Ponto de Ignição e Avanço

De acordo com SILVA (2006) o momento da inflamação da mistura até a sua

queima total transcorre cerca de dois milisegundos. A faísca de ignição deve,

portanto, saltar de modo a encontrar uma pressão ideal de combustão em qualquer

regime de funcionamento do motor. O ponto de ignição deve ser escolhido de modo

que os seguintes requisitos possam ser cumpridos:

a) Máxima potência do motor

b) Consumo econômico de combustível

c) Evitar detonação do motor

d) Emissões nocivas reduzidas

Silva (2006) relata a importância dos requisitos de injeção:

Essas exigências não podem ser satisfeitas simultaneamente; é necessário

priorizar um requisito em detrimento de outro de acordo com a necessidade.

Atualmente, para obter a máxima potência nos motores Otto, a mistura ar-

combustível é altamente comprimida, com taxas da ordem de 12:1. Com

isso o risco de detonação é maior em relação a condições de compressão

anteriormente menores. A detonação no motor ocorre pela queima brusca

de partes da mistura que ainda não foram atingidas pela frente da chama. O

ponto de ignição neste caso está muito adiantado.

O funcionamento detonante leva ao aumento da temperatura na câmara de

combustão, aumento intenso da pressão e produz oscilações de pressão, que se

sobrepõe à curva normal de pressão. A tendência à detonação depende do tipo de

construção da câmara, da preparação uniforme da mistura ar / combustível, do

coletor de admissão e do combustível (BOSCH, 2001).

Page 30: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

16

3 FUNDAMENTAÇÃO

A busca por qualidade de ensaios, que resulta na qualidade e confiabilidade

dos produtos proporciona a procura das grandes indústrias por equipamentos cada

vez mais modernos. Estes equipamentos apresentam maior praticidade de

instalação e economia na utilização de recursos humanos e tempo de configuração,

justificando os investimentos cada vez maiores (NAGASHIMA, 2002).

3.1 MODELO EXPERIMENTAL PARA CÁLCULO DA PMI

O método e equipamento escolhido para o desenvolvimento do experimento

prático são disponíveis como recursos para ensaios de pressão de combustão na

Renault do Brasil.

O sistema opera com transdutor piezoelétrico integrado a vela de ignição,

tratamento de sinal AVL-INDIMODUL que utiliza um processador de 800MHz por

canal e software Indicom do mesmo fabricante (AVL 2002).

Frente aos métodos disponíveis, como por exemplo, o que utiliza um

transdutor de pressão adaptado à parede do cabeçote. A vela instrumentada

apresenta menor necessidade de modificação do motor, fato este que simplifica a

atividade de montagem, pois apenas é necessário retirar a vela original e montar a

vela instrumentada.

O sistema de medição com cristal piezoelétrico apresenta características de

trabalho que não necessita de refrigeração. O modelo empregado não utiliza sistema

de refrigeração externa, operando com limite de 400ºC com fácil aplicação em

motores de combustão interna. O transdutor apresenta comportamento linear e alta

velocidade de resposta para variações de pressão como característica do cristal de

quartzo, elemento piezoelétrico utilizado na construção do transdutor.

O sistema trabalha com pontos de rotação do motor com resolução de 0,1º,

ou seja, para cada 0,1º de rotação do eixo virabrequim é associado um valor de

pressão de combustão, possibilitando a construção da curva de pressão para cada

cilindro.

Page 31: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

17

O ensaio para medição da pressão de combustão bem como os demais

parâmetros foram aquisitados e realizados com o auxílio de um dinamômetro elétrico

específico para banco de ensaio automobilístico .

3.2 MODELO MATEMÁTICO PARA CÁLCULO DA PMI

A equação utilizada no cálculo da Pressão Média Indicada, apresentada na

Equação (3.1), é baseada em dados que relacionam a Pressão Média de Atrito,

Equação (3.2), ou seja, a pressão gasta pelo motor para vencer o atrito entre as

partes móveis, aspirar combustível, expulsar os gases de escapamento, acionar

bombas de óleo e combustível, e similares, e a Pressão Média Efetiva, Equação

(2.7), que necessita do parâmetro de torque do motor no ponto de análise

(OLIVEIRA, 2004).

PMFPMEPMI +=

( 3 . 1 )

Onde:

PMI= Pressão média indicada (bar)

PME= Pressão média efetiva (bar)

PMF= Pressão média de atrito (bar)

De acordo com (OLIVEIRA, 2004) a pressão média de atrito (PMF), é a

relação entre os dados físicos do motor, como: diâmetro, curso e velocidade do

pistão, levando em consideração a rotação que o mesmo se encontra no momento

da medição.

vpBAPMF ∗+=

( 3 . 2 )

Onde:

A= 0,05 para (L>D), 0,040 para (L<D)

B= 0,0155 para (L>D), 0,0135 para (L<D)

L= Curso do pistão (m)

D= Diâmetro do cilindro (m)

Page 32: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

18

Vp = Velocidade do pistão (m/s)

A velocidade do pistão é calculada através da Equação (3.3)

60

Ln2vp

∗∗=

( 3 . 3 )

Onde:

vp= Velocidade do pistão (m/s)

n = Rotação do motor (rpm)

L = Curso do pistão (m)

Ordenando as equação e fazendo as devidas substituições, na Equação

(3.4) é possível avaliar a equação que origina o cálculo da pressão média indicada,

sendo que a mesma leva em consideração a pressão media efetiva e a pressão de

atrito na câmara de combustão do motor.

60

nL2BA

Vd

4TPMI ∗++

π∗=

(3.4)

Com a Equação (3.4), é possível calcular o valor da pressão média indicada

de um motor apenas com o torque extraídos do dinamômetro. Os outros dados

necessários são determinados através de relações físicas e matemáticas. No

Capítulo 5 deste trabalho são apresentados os dados levantados e as curvas de

pressões calculadas e medidas experimentalmente conforme detalhado na seção

3.1.

Page 33: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

19

4 DESENVOLVIMENTO

A apresentação do desenvolvimento deste trabalho esta dividida em duas

partes: o desenvolvimento do método prático para obtenção da PMI e o método

teórico de obtenção.

4.1 OBTENÇÃO DA PMI EXPERIMENTAL

Os dados obtidos para este trabalho foram registrados no laboratório de

ensaios da Renault do Brasil com a utilização de um dinamômetro AVL e sistema de

aquisição de pressão do mesmo fabricante com participação do fornecedor Kistler

para amplificação do sinal de carga dos transdutores de pressão.

Para simular as condições de funcionamento do motor o mesmo foi instalado

na bancada dinamométrica a qual possui instrumentação capaz de realizar medições

de seus parâmetros de funcionamento. As medições das pressões foram obtidas

através do funcionamento do motor com a instalação de um transdutor de pressão

no interior da câmera de combustão e posterior tratamento dos dados.

O dinamômetro, do fornecedor e fabricante AVL, da Renault do Brasil

modelo AFA 160 assíncrono representado na Figura 04, tem capacidade para

motores de até 160KW e 500Nm de torque. O sistema de controle da bancada utiliza

driver de controle AVL ENCON 300 e software supervisório Puma versão 5.22 para

monitoramento e aquisição de parâmetros do motor durante os ensaios. A estrutura

de controle conta também com sensores e módulos de tratamento de sinais como,

por exemplo, canais para transdutores de pressão, termopares e entradas

analógicas.

As medições durante a realização dos ciclos de ensaio são realizadas pelo

software supervisório da bancada conforme relacionados a seguir:

Variáveis coletadas do sistema do banco:

a) Rotação do motor (rpm);

b) Torque do motor (Nm);

c) Temperatura e umidade do ar de admissão (°C/HR);

d) Temperatura de saída da água do motor (°C);

e) Temperatura de entrada da água do motor (°C);

Page 34: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

20

f) Temperatura do óleo na galeria (°C);

g) Temperatura do óleo no carter (°C);

h) Temperatura do escapamento (°C);

i) Temperatura do combustível (°C);

j) Pressão de entrada da água do motor (mbar);

k) Pressão de saída da água do motor (mbar);

l) Pressão do óleo (bar);

m) Pressão do carter (mbar);

n) Pressão de combustível (bar);

o) Pressão de escapamento (mbar);

p) Pressão do coletor de admissão (mbar);

q) Riqueza dos gases de escapamento (λ);

r) Consumo de combustível (g/kWh) e

s) Vazão de água do motor (m3/h).

Variáveis coletadas do modulo de injeção:

a) Avanço de ignição (°);

b) Avanço de ignição corrigido (°).

FIGURA 04: BANCADA COM DINAMÔMETRO E MOTOR

FONTE: AUTORES

Page 35: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

21

O motor está montado sobre um carro móvel que se conecta a transmissão

e se fixa na bancada mediante os elementos de fixação. O carro do motor consta de

uma série de conexões para os circuitos de fluidos do motor. Estas conexões se

unem com a placa de conexões situadas no suporte do dinamômetro, cujos circuitos

de fluidos circulam por dentro deste suporte. Na Figura 05 é possível visualizar o

carro que foi utilizado para a montagem do motor.

FIGURA 05: CARRO DO MOTOR E SUAS CONEXÕES PARA FLUÍDO

FONTE: AUTORES

A bancada possui trilhos pelos quais entra o carro com o motor a ensaiar. O

sistema de acoplamento deste carro é pneumático. Possui uma trava de segurança

que prende a placa móvel (palete) com a placa fixa de conexões rápidas da

bancada.

4.1.1 Medição da Pressão de Combustão

O sistema de medição da pressão de combustão Engine Indicating é

basicamente composto pelos elementos a seguir.

Transdutor piezoelétrico que utiliza o princípio de carga eletrostática de

saída de determinados cristais sobre carga mecânica, convertendo o sinal de

pressão em um sinal de carga por unidade mecânica (pC/bar). Esse princípio

Page 36: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

22

representa um elemento de medição ativo com a carga de saída proporcional a

carga aplicada.

Este sinal por sua vez é enviado a um amplificador de carga que amplifica o

sinal analógico em um sinal de saída em tensão entre 0 a 10 volts.

Além da função de amplificação e conversão, o amplificador de carga

também pode ser identificado como um elemento de tratamento de sinal, ou seja,

condicionamento do sinal. Utiliza funções internas do circuito eletrônico como filtro,

ajuste de zero (Offset) e correção do desvio do sinal em função da temperatura

(Drift).

Os cabos de medição são utilizados para a transmissão dos sinais de carga

e tensão. Devido ao pequeno sinal de saída de carga dos transdutores, a conexão

entre o transdutor e o amplificador de carga possui uma importância crítica. Um

isolamento com valores muito altos (10E13 Ω) e baixo ruído são requisitos

importantes para os cabos e para o amplificador de carga.

A etapa seguinte consiste no envio do sinal de saída do amplificador até o

equipamento de análise, composto de placa de tratamento de sinal, computador e

software dedicado (Indicom fornecedor AVL). O processamento da pressão medida

no interior da câmara de combustão pode ser entendido observando a Figura 06 que

descreve passo a passo às transformações realizadas durante a leitura do sinal.

FIGURA 06: LEITURA E TRANSFORMAÇÃO DO SINAL DE PRESSÃO

FONTE: P ISCH INGER

Page 37: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

23

A placa de aquisição recebe o sinal analógico e transforma para digital,

armazenando dados e disponibilizando-os para o computador. O software possui o

ambiente de trabalho e as rotinas de cálculo fornecidas pelo fabricante e

configuradas pelo usuário.

Além do sinal de pressão o sistema recebe informações do deslocamento do

pistão, através de um encoder que traduz o deslocamento do pistão em ângulos do

virabrequim, assumindo uma resolução de até 0,1º.

Na Figura 07 é possível visualizar a instalação do sistema de medição da

pressão de combustão.

As curvas foram obtidas a partir de um motor 1.6 8V, com estabilização do

consumo de óleo, ou seja, motor que realizou ciclo de funcionamento inicial para

estabilidade de funcionamento. O ensaio realiza uma seqüência de pontos de

funcionamento do motor, considerando condição de plena carga (100% de

aceleração) e os pontos de rotação do motor para cada aquisição inicia em 1000rpm

até 5500rpm com intervalo de 250rpm, somando um total de 19pontos.

Cada etapa do ensaio foi realizada em manual, ou seja, o operador altera a

rotação do motor em uma condição estabilizada seguindo os pontos de rotação

definidos e realiza as medições no dinamômetro e no sistema de medição de

pressão. Cada ponto de rotação deve respeitar um período de estabilização de

aproximadamente 1 minuto.

Page 38: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

24

FIGURA 07: TRANSDUTOR INCORPORADO A VELA DE IGNIÇÃO

FONTE: S ILVA ( 20 06 )

O fluxo de atividades para realização do ensaio pode ser visualizado na

Figura 08. Nele estão expressas as atividades macro do desenvolvimento do

experimento. O processo de instalação é similar a montagem do motor em um

veículo, posteriormente o motor é aquecido a temperatura de 90ºC evitando

qualquer tipo de dispersão entre as curvas relacionada à temperatura de

funcionamento do motor, os parâmetros de configuração de medição, ou seja, por

exemplo a quantidade de medições para cada condição de funcionamento do motor

ou o valor de calibração do transdutor são checadas antes do inicio das medições.

Além da verificação dos parâmetros de configuração do sistema é importante

assegurar a perfeita determinação do ponto morto superior, ou seja, ângulo do eixo

do motor em que o pistão esta em sua posição de maior compressão. Certo da

perfeita configuração é iniciado a curva conforme já descrito neste Capítulo. Com os

Page 39: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

25

resultados das curvas é possível calcular o valor da PMI através do torque e do

transdutor de pressão passando a tarefa de análise dos resultados.

FIGURA 08: FLUXO PARA A REALIZAÇÃO DO ENSAIO

FONTE: AUTORES

Os dados obtidos através do software Indicom AVL e aquisições do sistema do

banco de ensaios serão exportados em formato compatível com o MSExcel para construção

de curvas e análise dos resultados.

O motor opera com vela de ignição NGK BKR 6EK bieletrodo rosca M14

comprimento de 17,5mm, substituída por uma vela instrumentada AVL modelo ZF43

e transdutor de pressão integrado GU13Z-24.

Na Figura 09 é possível verificar a disposição do mono eletrodo da vela

instrumenta e o orifício de alojamento do transdutor de pressão, instalados na

câmara de combustão, em comparação à vela aplicada ao motor NGK bieletrodo.

FIGURA 09: DETALHAMENTO DA VELA COMERCIAL E A INSTRUMENTADA Montagem da ve la c omerc i a l Mon tagem ve la i n s t r umen tada

FONTE: AUTORES

Eletrodo

Orifício do transdutor

Page 40: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

26

A conexão da vela instrumentada com o sistema de ignição é mantida com a

mesma configuração da vela original NGK conforme constatado na Figura 09,

porém, o cabo de transmissão de carga deve permanecer afastado do cabo de

ignição evitando perturbações do sinal por efeito das altas tensões que circulam nos

cabos de ignição, verificando a melhor forma montagem entre ambos.

FIGURA 010: VELA COMERCIAL E INSTRUMENTADA NO CABEÇOTE

FONTE: AUTORES

4.1.2 Condições de Ensaio

A calibração deve considerar que o sistema de medição de pressão opera

com a dependência do sinal de carga para um determinado amplificador de carga,

descrevem assim um conjunto (transdutor / amplificador) que segue para o processo

de calibração por comparação de um transdutor padrão e um sistema de bomba de

pressão de peso morto para aplicar os pontos de calibração. O sinal de saída do

amplificador de carga foi medido com a utilização de multímetro calibrado e

rastreado RBC (Rede Brasileira de Calibração).

Deve ser verificada a condição de limpeza dos cabos e conexões elétricas

bem como o estado de conservação do transdutor, qualquer dano ao cabo ou

conexão pode comprometer o sistema de isolamento que é muito sensível a fugas

VELA COMERCIAL

VELA INSTRUMENTADA

Page 41: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

27

de corrente. A limpeza do transdutor deve ser considerada em caso de deposição de

partículas carbonizadas que podem comprometer a sensibilidade do transdutor.

Os transdutores foram calibrados no laboratório de metrologia ABSI,

fornecedor de serviço de calibração, em São Paulo, credenciado com certificado

RBC, Rede Brasileira de Calibração, conforme processo descrito no apêndice.

4.2 OBTENÇÃO DA PMI MODELO MATEMÁTICO

Para a determinação da pressão média indicada foram utilizadas as

Equação descritas e detalhados no item 3.2. O uso das equação na seqüência

descrita possibilita o cálculo da PMI. Os dados referentes ao motor, para base dos

cálculos estão apresentados na Tabela 05.

TABELA 04: PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DO MOTOR

Desc r i ção Va lo r Vo lume [ l i t ro ] 1 ,58 E -3 Curso p i s tão [m ] 8 ,05 E -4 D iâmet ro p is t ão [m] 7 ,95 E -4 FONTE: AUTORES

Primeiramente foi calculado o valor da pressão média efetiva (2.7), em

função do volume deslocado de ar dentro da câmara de combustão e do torque,

sendo este, o valor coletado no dinamômetro de cada rotação aferida no ensaio. O

cálculo da pressão média de atrito, definida na Equação (3.2), apresenta duas

componentes constantes em relação ao curso e o diâmetro do pistão, além de

possuir um dado variável em cada medição denominada velocidade do pistão, que

depende diretamente da rotação do motor.

Com a obtenção das duas pressões, a soma de ambas, apresenta o valor

calculado da pressão média indicada, expressa na Equação (3.1) na seção 3.2,

sendo este um dos parâmetros de análise deste trabalho.

Com a utilização do procedimento descrito acima, é possível obter o valor

calculado da pressão média indicada do motor. Observando que a obtenção baseia-

se em equações empíricas e no valor do torque que é extraído do dinamômetro.

Page 42: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

28

5 RESULTADOS E VALIDAÇÃO

Os motores de ignição por centelha apresentam grande variação na

combustão entre os ciclos do motor, em uma mesma condição de operação, com

base nesta afirmação de (HEYWOOD,1979) e analisando

O motor selecionado foi preparado com uma vela instrumentada com

transdutor de pressão para cada cilindro, possibilitando a comparação entre as

pressões de combustão entre ambos os cilindros. A medição independente da

pressão de combustão foi convertida em uma PMI para cada cilindro do motor. A

independência entre os valores obtidos representando mais claramente o equilíbrio

de funcionamento do motor.

Buscando a condição mais crítica e sabendo que o motor a combustão

interna possui diferenças consideráveis em seu funcionamento como, por exemplo, o

processo de combustão incompleto, perdas de carga diferentes na abertura e

fechamento das válvulas, troca de calor entre os gases e a parede dos cilindros e os

gradientes de pressão e temperatura foi considerado o critério de seleção do cilindro

para análise entre os dois métodos e entre as diferentes concentrações de

combustível a maior pressão média indicada.

Entre os diferentes pontos de funcionamento do motor a plena carga, ou

seja, rotação de funcionamento com 100% de aceleração, foi possível evidenciar

que entre as diferentes concentrações da mistura de combustível, o valor de pressão

média indicada foi superior no cilindro três em comparação aos demais cilindros (1, 2

e 4). As diferenças de pressões encontradas estão relacionadas a variação das

condições de funcionamento de cada cilindro, quanto ao enchimento da mistura ar

combustível , refrigeração e estanqueidade do sistema, que influenciam diretamente

no ciclo de combustão.

No Gráfico 3 que apresenta a PMI, para mistura de combustível E100, em

cada cilindro em um espaço amostral de 200 ciclos de um motor a combustão

interna, sendo que um ciclo corresponde a duas voltas do eixo do motor, ou seja, os

quatro tempos do processo de combustão, é possível identificar a diferença de

pressão entre os cilindros, justificando a escolha do cilindro três. O Gráfico 01

Page 43: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

29

representa o valor de PMI para cada cilindro em um espaço amostral de 200 ciclos

para uma mistura combustível de E100.

GRÁFICO 03: PMI MEDIDO NOS 4 CILINDROS DO MOTOR

FONTE: AUTORES

Simplificando a análise do método de medição da PMI diretamente na

câmara de combustão, foi analisada a forma da curva da pressão de combustão

para as diferentes concentrações da mistura de combustível identificando sua forma

característica e a relação entre o modelo de medição através do torque e o modelo

que utiliza o diagrama p-v gerado pela medição da pressão.

Para ambos os métodos, é possível identificar que as curvas seguem a

mesma tendência entre as diferentes misturas, porém é possível identificar um

acréscimo de pressão à medida que o valor da concentração de álcool aumenta

indicando melhor rendimento do motor com a presença de álcool na mistura de

combustível.

Os Gráfico 04,05,06 e 07 mostram o comparativo entre a PMI calculada e a

medida para cada tipo de combustível. Em uma primeira análise, o comportamento

tanto das curvas calculadas quanto as medidas apresentam a mesma forma.

-- Cil. 4; -- Cil. 1; -- Cil. 2; -- Cil. 3.

Page 44: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

30

Analisando em detalhe e considerando a fórmula de obtenção da curva

calculada que acrescenta a parcela de perdas por atrito a curva de PME, é possível

perceber que o modelo utilizado aplica um valor gradativo de atrito diferentemente

do valor real, afirmando que as considerações do modelo para velocidade do pistão

não se comportam proporcionalmente ao seu aumento. Além do desvio da forma

real da curva da PMI, o valor de PMF, somado para cada ponto da curva é sempre o

mesmo, pois a rotação e o curso do pistão são os mesmos.

Os valores de PMF para cada rotação são mostrados na Tabela 05.

GRÁFICO 04: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E0)

PMI E0

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

750 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 4750 5250 5750

Rotação (rpm)

Pressão (bar)

Calculada

Medida

FONTE: AUTORES

Page 45: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

31

GRÁFICO 05: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E24)

PMI E24

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

750 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 4750 5250 5750

Rotação (rpm)

Pressão (bar)

Calculada

Medido

FONTE: AUTORES

GRÁFICO 06: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E62)

PMI E62

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

750 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 4750 5250 5750

Rotação (rpm)

Pressão

(bar)

Calculada

Medida

FONTE: AUTORES

Page 46: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

32

GRÁFICO 07: PMI CALCULADA E MEDIDA UTILIZANDO COMBUSTÍVEL (E100)

PMI E100

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

750 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 4750 5250 5750

Rotação (rpm)

Pressão

(bar)

Calculada

Medida

FONTE: AUTORES

TABELA 05: CÁLCULO DA PMF PARA MODELO MATEMÁTICO DA PMI Rotação [rpm] PMF [bar]

1000 0,915917 1250 1,019896 1500 1,123875 1750 1,227854 2000 1,331833 2250 1,435813 2500 1,539792 2750 1,643771 3000 1,747750 3250 1,851729 3500 1,955708 3750 2,059688 4000 2,163667 4250 2,267646 4500 2,371625 4750 2,475604 5000 2,579583 5250 2,683563

5500 2,787542 FONTE: AUTORES

Page 47: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

33

O balanço entre poder calorífico inferior e a relação ar/combustível, resulta

em uma energia total para conversão com valores muito próximos entre as

diferentes mistura de combustível, descartando a possibilidade de apresentarem

uma diferença considerável no processo de conversão de energia (VLASSOV 2002).

As representações das curvas de PMI para o método de medição direto e calculado

podem ser vistas respectivamente nos Gráficos 08 e 09.

(SILVA, 2006) relata a importância do ponto de ignição no controle da

combustão. Sabendo da característica do álcool de possuir poder antidetonante

superior a da gasolina, foi possível identificar que durante a realização dos ensaios

um maior valor de avanço de ignição para misturas com maior concentração de

álcool, evidenciada com parcela importante na diferença das curvas da PMI,

conforme mostrado no Gráfico 08. As curvas para os combustíveis E0 e E24, que

apresenta combustível isento de álcool e com concentração de 24%, não

apresentam variação de avanço de ignição com valor máximo de até 21º de avanço

em relação ao ponto motor superior.

GRÁFICO 08: CURVA CARACTERÍSTICA PMI MEDIDA NO CILINDRO 3

PMI Medida

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

750 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 4750 5250 5750

Rotação (rpm)

Pressão

(bar) E0

E20

E62

E100

FONTE: AUTORES

Page 48: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

34

GRÁFICO 09: CURVA CARACTERÍSTICA PMI CALCULADA DO CILINDRO 3

PMI Calculada

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

750 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 4750 5250 5750

Rotação (rpm)

Pressão

(bar) E0

E20

E62

E100

FONTE: AUTORES

O método de medição da PMI utilizando o ciclo P-V para análise da pressão

de combustão como citado na revisão bibliográfica e é exemplificado no Gráfico 10

para a mistura combustível E0.

Já a concentração de E24, apresenta a mesma curva de avanço de ignição

que o combustível E0. Para a mistura de E62 é importante destacar que o sistema

de injeção eletrônico possui capacidade de identificar a mistura combustível

proporcionalmente ao aumento da concentração de álcool executando a correção do

avanço de ignição ideal para a mistura ar/combustível entre outras variáveis Figuras

08 e 09.

Uma análise mais detalhada do fenômeno que ocorre dentro do motor pode

ser realizada utilizando recursos disponíveis no software do fabricante do

equipamento de medição da pressão de combustão. É possível representar

graficamente a forma da curva de pressão para cada ciclo de combustão e

correlacionar as curvas entre as diferentes concentrações de mistura combustível.

Na Figura 11 é possível analisar as curvas de pressão para o combustível

E0 na rotação de 2750rpm e 100% de aceleração com uma população amostral de

200 ciclos identificando forte tendência à variação dos mesmos.

Page 49: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

35

FIGURA 11: PMI PONTO A PONTO OBTIDA NO CILINDRO 3 (E0)

FONTE: AUTORES

Selecionando qualquer um dos 200 ciclos é possível também análisar o

diagrama P-V representado no Gráfico 10 e identificar a região de pressão positiva e

pressão negativa para calculo da PMI conforme descrito no Capítulo 2 e utilizado

neste trabalho para construção da curva da PMI medida.

GRÁFICO 10: GRÁFICO P-V DO CILINDRO 3 (E0)

FONTE: AUTORES

Da mesma forma para executar a comparação, foi elaborada também as

curvas de pressão para o combustível E100 na rotação de 2750rpm e 100% de

aceleração com uma população amostral de 200 ciclos identificando a tendência

Page 50: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

36

mais estável para o controle da combustão em uma mistura de 100% de álcool. É

possível identificar na Figura 12 uma forma mais alongada que atinge valor superior

à pressão máxima da mesma condição de ensaio com combustível E0.

FIGURA 12: PMI PONTO A PONTO OBTIDA NO CILINDRO 3 (E100)

FONTE: AUTORES

Selecionando uma das 200 curvas demonstradas para a mistura combustível

E100 é possível plotar o diagrama P-V, conforme Gráfico 11, e identificar a região de

pressão positiva e pressão negativa para calculo da PMI.

GRÁFICO 11: GRÁFICO P-V DO CILINDRO 3 (E100)

FONTE: AUTORES

As diferenças de posicionamento e valor do ponto de pressão máxima nos

Gráficos 10 e 11 são identificadas principalmente pela variação do avanço de

ignição é justificada por (VLASSOV, 2002) e (SILVA, 2006) que destacam a

Page 51: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

37

importância do poder antidetonante, ou seja, a capacidade do combustível resistir ao

aumento da pressão e temperatura no interior da câmara de combustão sem iniciar o

processo de queima da mistura ar/combustível.

Seguindo a linha de raciocínio proposta e considerando que o avanço de

ignição no álcool é superior e comprovado por medições do sistema de injeção e

neste caso equivalente ao dobro, as curvas dos Gráficos 12 e 13 representam tais

condições onde o píco máximo de pressão em E100 é superior ao E0.

Na curva do combustível E0 o avanço utilizado foi de aproximadamente 15º

antes do PMS já na curva do combustível E100 o avanço ocorreu a 30º antes do

PMS, coincidentemente as pressões em cada ponto de ignição representam

respectivamente 8 e 16 bar. Os avanços aplicados para cada curva seguem

metodologia do fabricante do motor e devem assegurar o funcionamento do motor

sem a presença do fenômeno da detonação, fenômeno este prejudicial ao motor

reduzindo o desempenho podendo chegar até a quebra do mesmo.

No caso do motor em funcionamento com combustível E0 e avanço de

ignição igual ou superior ao álcool em uma dada condição o motor apresentaria forte

ruído e baixo desempenho.

Para a condição exemplificada, a curva E100 apresenta pico de pressão

superior à curva E0 evidenciando melhor aproveitamento do ciclo. Contudo, é

importante ressaltar as características do álcool em absorver o calor das paredes

internas do motor possibilitando maior enchimento, ou seja, maior capacidade de

admitir ar para dentro da câmara de combustão.

Page 52: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

38

GRÁFICO 12: PRESSÃO COMB. CILIND. 3 2750 RPM PLENA CARGA (E0)

FONTE: AUTORES

GRÁFICO 13: PRESSÃO COMB. CILIND. 3 2750 RPM PLENA CARGA (E100)

FONTE: AUTORES

Page 53: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

39

6 CONCLUSÃO

Os resultados das medições apresentam a separação em duas análises

fundamentais, a variação da pressão entre curvas de origem do mesmo método de

obtenção da PMI e a comparação das curvas entre os métodos.

A análise das curvas de pressão para cada concentração de mistura

combustível e ainda separada por método de obtenção Figuras 08 e 09 do Cápitulo

cinco demonstram a tendência de ambos os métodos em aumentar o valor da PMI a

medida que aumenta a concentração de álcool. Contudo, as curvas de E0 e E24 não

apresentam tal tendência, isto é justificado pela ausência de variação do avanço de

ignição, que neste caso e fixo por definição do fabricante do motor.

Para o comparativo das curvas entre os métodos a análise divide as curvas

em três zonas distintas e identificadas através do Gráfico 14.

Nas concentrações de álcool analisada no Gráfico 14, percebeu-se que a

PMI medida é superior até próximo aos 2600 rpm e após esta rotação a PMI

calculada a partir do torque passa a ser superior em todas as misturas, em média de

4%, mas podendo passar dos 9% em E24, E62, E100, estas constatações podem

ser identificada nos gráficos do Capítulo 5.

No início das aquisições teórico e prático, zona um do Gráfico 14, a PMI

calculada é inferior a medida, isto é devido ao desenvolvimento da fórmula para

correção das perdas por atrito que não apresenta de fato a realidade da evolução

dos motores que atualmente possuem a tendência de reduzirem os atritos internos

do motor com o estudo dos materiais e lubrificantes.

Próximo aos 2600 rpm até o fim da zona dois do gráfico 14, em todas as

concentrações, ocorre à inversão entre a PMI calculada e medida, ou seja, nesta

rotação as PMI´s se cruzam e por conseqüência, têm a mesma pressão. No entanto,

a medida que ocorre o aumento da rotação, a dispersão entre a teoria e prática

também aumenta. Da mesma forma a zona dois sofre a influência da correção da

PMF para a curva de PMI calculada pelo torque, indicando perdas maiores por atrito

resultando em valores de PMI superiores em comparação ao método de medição

direta.

Após o ponto de maior valor de PMI, início da zona 3, as curvas passam a

ter um efeito de queda de seus valores, porém mantendo o aumento da diferença

Page 54: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

40

entre ambas. Esta queda é justificada por perdas de rendimento do motor

evidenciada pela análise da curva de potência do motor Gráfico 1. Esta redução

pode ser também entendida pela dificuldade do motor em admitir o volume de ar

necessário para seu funcionamento a partir de uma determinada rotação neste caso

início da zona 3.

GRÁFICO 14: ZONAS DE ANÁLISE DA PMI

FONTE: AUTORES

O fato dos cálculos apresentarem aproximadamente 4% de diferença entre

os métodos reflete a dificuldade da fórmula para calculo da PMF representar as

perdas por atrito interno do motor. Um parâmetro marcante na medição é o avanço

de ignição que praticamente dobra quando colocamos frente a frente uma curva de

E0 e E100. A Tabela 6 mostra alguns pontos extraídos dos gráficos das curvas

características de PMI demonstradas no Capítulo cinco com as variações da

concentração de álcool na gasolina. As dispersões apresentadas são calculadas

entre os resultados das colunas de valores calculados e medidos.

Page 55: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

41

TABELA 06: DEMONSTRAÇÃO DOS VALORES DA PMI (E0 / E24 / E62 / E100)

Rotação (rpm) Calculado Medido Dispersão (%) Calculado Medido Dispersão (%)1000 9,6 10,1 5,21 9,6 10,1 5,211250 9,8 10,2 4,08 9,7 10,6 9,281750 10,5 10,6 0,95 10,5 10,65 1,432250 10,8 10,8 0,00 11 11,25 2,272750 11,5 11,2 2,61 11,5 11,4 0,873250 11,6 11,4 1,72 11,75 11,45 2,553750 11,9 11,5 3,36 11,9 11,6 2,524250 12,2 11,6 4,92 12,3 11,6 5,694500 12,26 11,7 4,57 12,4 11,7 5,654750 12,2 11,5 5,74 12,3 11,58 5,855250 11,75 10,7 8,94 11,7 10,7 8,55

Rotação (rpm) Calculado Medido Dispersão (%) Calculado Medido Dispersão (%)1000 9,75 10,2 4,62 9,7 10,37 6,911250 10 10,21 2,10 10,1 10,5 3,961750 10,6 10,7 0,94 10,7 11 2,802250 11 11,1 0,91 11,1 11,5 3,602750 11,8 11,6 1,69 12,2 11,95 2,053250 12,1 11,65 3,72 12,2 12,1 0,823750 12,17 11,8 3,04 12,3 12,15 1,224250 12,6 12,15 3,57 12,65 12,4 1,984500 12,75 12,25 3,92 12,8 12,58 1,724750 12,4 12 3,23 12,6 12,18 3,335250 12 11 8,33 12,3 11,2 8,94

PMI (bar) / E100

PMI (bar) / E24

PMI (bar) / E62

PMI (bar) / E0

FONTE: AUTORES

Fica evidente que as curvas da PMI apresentam diferenças que atinge valores

próximos a um bar de pressão, valor este que representa quase 10% do valor de

PMI. Sendo assim, um valor muito importante e que pode alterar significativamente o

projeto e o estudo dos componentes internos do motor.

6.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Este estudo pode servir como modelo para uma futura comparação entre

diferentes misturas de biodiesel em óleo diesel comum em motores de ciclo diesel.

Pode-se ainda utilizar os dados obtidos para viabilizar a correção dos cálculos

da PMF para obtenção da PMI a partir do torque, com valores mais próximos dos

valores da PMI medida diretamente na câmara de combustão.

Utilização da medição da PMI para análise de rendimento da combustão de

um motor a combustão interna com a variação do parâmetro conhecido como

Page 56: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

42

avanço de ignição, parâmetro que determina quando o sistema de ignição deve

gerar a faísca da vela, ou seja, inicio da combustão.

Page 57: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

43

REFERÊNCIAS

ALMEIDA, Alexandre Amaral. Ensaio de motor ICE a Álcool com dupla ignição. 2005 114f. Dissertação (Mestrado em engenharia mecânica) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2005.

ANFAVEA - Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos AutomotoresComissão de Energia e Meio Ambiente www.anfavea.com.br Abril 2007. CARRO ONLINE. Informações técnicas. Disponível: http://carroonline.terra.com.br [capturado em 20 Mar. 2007]. FERGUSON, Carolin R. Internal Combustion Engines. John Wiley &Sons,1973. FERGUSON, Carolin R. Kirkpatrick Allan T. Internal Combustion Engines – applied thermosciences. 2. ed. EUA, 2000 HEYWOOD, J.B. Internal Combustion Engine. São Paulo, McGraw-Hill, 1988.

MELO, TADEU CAVALCANTE CORDEIRO DE. Modelagem Termodinâmica de um motor do ciclo Otto tipo Flex-Fuel funcionando com Gasolina, Álcool e Gás Natural.Rio de Janeiro, Universidade Federal do Rio de Janeiro (Dissertação de Mestrado) (2007). NAGASHIMA, K. and Tsuchiya, K. New Indicated Mean Effective Pressure Measuring Method and Its Applications. SAE, 2002. NOBUYUKI, Kawahara et al. Cycle-resolved measurements of the fuel concentration near a spark plug in a rotary engine using an in situ laser absorption method. Proceedings of the Combustion Institute 31 (2007) 3033–3040, Science Direct. OLIVEIRA, A.M. Amir. Transferência de calor e escoamento de motores. Turma IV, Programa Brasileiro de Formação em Motores e Combustíveis. Setembro de 2004. PIFFAUT Felix. Módulo combustão e controle de emissões de poluentes. Turma IV, Programa Brasileiro de Formação em Motores e Combustíveis, Dez. de 2004. PISCHINGER, Rudolf. Head of the Institute for Combustion engines and Thermodynamics. University of Technology Graz – Handbook. Graz, Janeiro 2002. SCHIMIDT, Carlos Eduardo. Modelamento de motores de combusto interna a gás natural. 2007 25f. Trabalho de conclusão de curso – Curso de Engenharia Mecânica, Universidade do Rio Grande do Sul, Rio Grande do Sul, 2007.

Page 58: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

44

SILVA, Nerivaldo Rodrigues. Metodologia para determinação da potência indicada em motores de combustão interna. 2006 176f. Dissertação (Mestrado em engenharia mecânica) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2006.

STONE, Richard. Introduction to Internal Combustion Engines. Warrendale, PA. SAE, 1999. VLASSOV Dimitri. Módulo – Fundamentos da combustão. Turma IV, Programa Brasileiro de Formação em Motores e Combustíveis, 2002. NOTICIAS AUTOMOTIVAS. Reportagem [on line] - Recorde de vendas de carros FLEX no Brasil. Disponível: http://www.noticiasautomotivas.com.br [capturado em 25 Fev. 2007].

Page 59: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

45

APÊNDICE

PROCEDIMENTO DE CALIBRAÇÃO DO SISTEMA

O procedimento de calibração das velas instrumentadas utilizadas no

desenvolvimento deste trabalho pode ser aplicado às velas dos fornecedores AVL e

Kistler.

O procedimento orienta a atividade de calibração das velas instrumentadas

utilizadas em motores a gasolina ou álcool com pressão de trabalho máxima de

100bar.

A atividade de calibração é realizada por um fornecedor externo com

escolha dependente da qualidade do serviço e erro do padrão utilizado na

calibração. As etapas de calibração seguem abaixo:

1ª etapa – Conectar o cabo de força e manter o amplificador alimentado por

aproximadamente 30 minutos antes do início da calibração. É necessário configurar

o amplificador sem filtro e constante de tempo “TC” igual a LONG, Tabela 04.

TABELA 4 - AMPL IF ICADOR K ISTLER MODELO 5011

FONTE: AUTORES

2ª etapa – Ajustar o zero do amplificador com auxilio de um multímetro na

saída analógica. Exemplo faixa de 200mV e Ri > 1MΩ.

3ª etapa – Definir a faixa de calibração, neste caso de 0 a 100bar, ajustar o

valor de sensibilidade para cada conjunto vela e amplificador, fixando o valor de

pressão sobre a vela instrumentada em aproximadamente 2/3 do fundo de escala,

exemplo 60bar.

Com a ajuda do painel frontal do amplificador, Figura 10, de carga e a leitura

do sinal de saída, ajustar o valor de sensibilidade do transdutor (pC/bar) até que o

valor da saída seja de 6 volts. Exemplo: 16 pC/bar igual a T1.6E+1.

Va lo r do f i l t r o passa - ba i xa Sem f i l t r o

Cons tan te de t empo LONG.

Page 60: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

46

ILUSTRAÇÃO 01: AMPLIFICADOR KISTLER MODELO 5011

FONTE: AUTORES

4ª etapa – Realizar os 10 pontos da curva de pressão iniciando em 10bar até

100bar com intervalo de 10 bar.

Na Ilustração 01 (vista explodida da vela instrumentada) é possível

identificar as conexões entre o transdutor de pressão, cabo de sinal de carga e

conector que necessitam de maiores cuidados quanto à limpeza, isolamento e

manipulação, que podem comprometer o processo de calibração e ou a utilização da

vela durante os ensaios.

Para avaliar e quantificar o isolamento é utilizado o equipamento modelo

5493 (Insulation Tester) do fornecedor Kistler.

Page 61: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

47

COMPONENTES DE UMA VELA INSTRUMENTADA

FONTE: AUTORES

Eletrodo

Conector eletrodo

Transdutor de Pressão Terminal

Transdutor e cabo

Suporte transdutor e eletrodo de

massa

Conector BNC p/ amplificador

Fixação do

conector

Page 62: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

48

ANEXO

Page 63: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

49

Page 64: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

50

Page 65: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

51

Page 66: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

52

Page 67: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

53

Page 68: ANÁLISE DA PRESSÃO DE COMBUSTÃO.PDF

54