INJEO DE GUA EM MOTORES DE COMBUSTO

INTERNA

ALUNO DE DOUTORADO: JAIR LOAIZA

ORIENTADOR: PROF. DR. JANITO VAQUEIRO FERREIRA

Universidade Estadual de CampinasFaculdade de Engenharia Mecnica

Departamento de Mecnica Computacional (DMC)

Contedo

1. Introduo

2. Sistemas de injeo de gua nos tubos de admisso

3. Sistemas de injeo de gua nos tubos de admisso (Modelo

Experimental. R. Lanzafame.)

4. Sistemas de injeo de gua para motores com injeo direta de

combustvel

5. Sistemas de injeo de gua para motores com injeo direta de

combustvel. (Modelo Computacional A. Boretti)

6. Concluses

7. Bibliografia

Os primeiros desenhos de motores a pisto de aeronaves apresentam alta taxa de

compresso e empregam um sistema de induo de vapor de gua para aumentar a

capacidade de anti-detonao do combustvel e da potncia do motor. A injeo com

10% de gua, em relao ao volume de combustvel durante o consumo, aumenta o

ndice octano cerca de 2 a 4 unidades com aumento simultneo da potncia do motor

de 30 - 50%. [1]

O uso de emulses de gua / combustvel para controlar as emisses de NOx foi

descrito por Nicholls (1969). [4] Verificou-se que 10% de gua na emulso com gasolina

produziu uma reduo de 10-20% dos xidos nitrognio.[1]

Pesquisadores russos, Satpov e Lusho (1982) [6], mostraram que o teor de NOx nos

gases de escape diminuiu 1,3% com a adio de 1% de gua na emulso

gua/combustvel. [1]

Introduo

Injeo de gua tem sido usada por mais de 60

anos na aviao para aumentar a presso. Em

avies comerciais, a Boeing vem utilizando por mais

de 45 anos, inicialmente, com os avies 707 e mais

tarde em seus avies maiores de passageiros

produzidos, o Boeing 747 (sries 100 e 200 sries)

.[7]

Como os motores de turbina a gs evoluiram e

foram capazes de gerar mais presso, injeo de

gua foi abandonado pelos novos motores.

At agora, a injeo de gua no foi seriamente

considerada para reduzir as emisses de NOx em

aeronaves. [7].

Sistemas de injeo de gua no tubo de admisso

a configurao mais comum e que na sua

maioria so oferecidos nas mudanas do

mercado para aumentar o desempenho.

Consiste em colocar um injetor de gua perto da

vlvula de admisso no tubo que transporta o ar /

combustvel desde o carburador (ou o sistema de

injeo de combustvel) para o cilindro.

Oferece a vantagem de eliminar grande parte da

instabilidade observada em misturas (emulses)

de combustvel/gua.

Sistemas de injeo de gua no tubo de admisso

consideraes

No final do curso de admisso tem combustvel e gua no estado lquido (spray),

suspendidas no gs (ar e outros compostos se EGR).

Durante a compresso da gua vaporizada absorvendo parte do calor da mistura

gaseificada, esfriando-a. Isto necessita de uma menor quantidade de trabalho para

realizar o curso de compresso.

Ao mesmo tempo, a vaporizao do combustvel atrasada at que o mbolo se

aproxima do PMS, o que requer um trabalho de compresso consideravelmente

baixa.

Mais tarde, durante a fase de vapor (combustvel), o pisto pode fornecer uma

quantidade maior de trabalho devido expanso significativa.

Sistemas de injeo de gua no tubo de admissoModelo experimental R. Lanzafame.

= +

=

+

= +

=

=

=

= + 1

=

, =

( )

=

+ ,

( )

=

+ ,

= + ,

= + ,

= + , = +

Tomando em conta que:

,

= ,

=

Sistemas de injeo de gua no tubo de admisso(Modelo experimental R. Lanzafame).

Na ausncia de perdas por vazamento :

,

=

, ,

=

Durante a combusto, a frao demassa queimado definida como aequao De Wiebe:

=

= 1 (,)

Para o modelo de detonao :

1

tempo instantneo de atraso como uma funo da presso e temperatura.

1

= tempo do incio da detona.

=

Sistemas de injeo de gua no tubo de admissoModelo experimental R. Lanzafame.

=

1

30

1

=30

1

o:

=1

30

Onde:

30 =

1

=

s: relao de masaa de agua/combustvelm: massa total de gasmu: massa de gas sem queimarmb : massa de gases queimados: ngulo do virabrequimV: volume de gas totalVu: volume de gas sem queimarVb: volume de gas quemadoRu: constante de gas sem queimarRb: constante de gas queimadov: volume especifico de gasvu : volume especfico gas sem queimarvb: volume especfico gas queimadoxb : massa de gases queimados fraohu : gas no queimado entalpa especficahb : gases queimados entalpa especfica

eu : energa interna especifica (sem queimar)eb : energa interna especifica (queimado): energa especifica de formao a T de ref. (sem queimar)

: energa especifica de formao a T de ref. (queimada)

p: presso del cilindroT: temperatura absolutat: tiempo: Tempo de atrason: velocidade do motorIdet: detonao ndiceSubndicesU: queimarB: queimadoR: reaoCR: rachaduras

Sistemas de injeo de gua no tubo de admissoModelo experimental R. Lanzafame.

Sistemas de injeo de gua no tubo de admissoModelo experimental R. Lanzafame.

Sistemas de injeo de gua diretamente para a cmeracombusto.

Esta forma de adio de gua para o processo de

combusto est ainda em fase experimental.

Consiste em adicionar um injetor de gua

diretamente cmara de combusto, na sada do

injetor de combustvel.

Sistemas de injeo de gua diretamente para cmeracombusto. (Modelo computacional. A. Boretti)

consideraes

Modelo de desempenho foi simulado usando a funo de Wiebe que tem parmetrosque no mudam com a relao de equivalncia ar / combustvel.

Os mesmos parmetros no so alterados com injeo de gua. Ambas asconsideraes podem afetar os resultados ao se trabalhar com misturas ricas decombustveis ou quantidades substanciais de gua.

A injeo de gua muda a evoluo de combusto. Pequenas porcentagens dareao de combusto lenta compensada com o avano de ignio, e a utilizaode uma constante na funo de Wiebe, se espera que no altere muito a tendnciaprevista.

Modelagem de combusto com injeo direta de gua complexa porque a

gua necessria para os modelos existentes no so conhecidos, ou no foram

validados, ou no foram ajustados o suficiente. Isto resulta uma fase

experimental muito extensa para suportar adequadamente algumas das

atividades de modelagem.

A simulao apresentada a seguir foi realizada utilizando o software GT-

POWER

Sistemas de injeo de gua para motores com injeo direta de combustvel

Parmetros de entrada para o

programa GT-POWER,

utilizados para o modelo de A.

Boretti.

Sistemas de injeo de gua para motores com injeo direta de combustvel. (Modelo computacional. A. Boretti)

Modelo de detonao utilizado

O modelo de detonao simples esta baseado no tempo de correlao induzido

(tempo de atraso, ), calculado para cada passo de tempo utilizando la equao:

=0.018869

. .

100

.

.

3800

Onde: um multiplicador introduzido pelo usurio

O.N. o nmero de octano

p a presso do cilindro (kgf/)

o multiplicador da temperatura de ativao introduzida pelo usurio

T a temperatura do gs queimado.

Sistemas de injeo de gua para motores com injeo direta de combustvel. (Modelo computacional. A. Boretti)

O modelo assume que a auto-ignio (detonao) ocorre quando:

= 1

Onde:

= , .

= .

= , .

Sistemas de injeo de gua para motores com injeo direta de combustvel. (Modelo computacional. A. Boretti)

Sistemas de injeo de gua para motores com injeo direta de combustvel. (Modelo computacional. A. Boretti)

Sistemas de injeo de gua para motores com injeo direta de combustvel. (Modelo computacional. A. Boretti)

Concluses.

A injeo de gua aumenta o nmero de octano (NO) do combustvel, ou seja, a

gua age como um agente anti-denotao.

Demonstrou-se que a injeo de gua reduz grandemente a emisso de NOX

(50% para uma razo em massa de gua / combustvel entre 1 e 1,25).

Em contraste com a afirmao anterior, para razes de massa de gua /

combustvel iguais a 1, as emisses de hidrocarbonetos no queimados

aumentam en 20%.

A injeo de gua mostra uma efetiva reduo na temperatura de gs no interior

do cilindro, e na cmara de combusto, o que resulta em uma elevada densidade

de potncia e uma maior eficincia na converso de energia

Concluses.

Injeo de gua reduz a perda de calor para as paredes do cilindro

No caso de mquinas de HCCI, injeo de gua pode ser utilizada para retardar o

ponto de ignio e de combusto lenta, mas de uma margem muito estreita.

Bibliografia

Water Injection on Commercial Aircraft to Reduce Airport Nitrogen Oxides. David L. Daggett and Lars Fucke Boeing Commercial Airplane, Seattle, Washington Robert C. Hendricks Glenn Research Center, Cleveland, Ohio David J.H. Eames Rolls-Royce Corporation, Indianapolis, Indiana. National Aeronautics and Space Administration (NASA) Julio 2004.

Contingency Power for Small Turboshaft Engines Using Water Injection into Turbine Cooling Air. Thomas J. Biesiadny Lewis Research Center Cleveland, Ohio Gary A. Klannand David A. Clark Propulsion Directorate U.S. Army Aviation Research and Technology Activity-A VSCOM Lewis Research Center Cleveland, Ohio and Brett Berger Lewis Research Center Cleveland, Ohio. National Aeronautics and Space Administration (NASA) Julio 1987.

Water Addition to Practical Combustion Systems-Concepts and Application. F. L. Dryer. Princeton University, Princeton, New Jersey 08540.

Water Injection Effects In A Single-Cylinder CFR Engine. R. Lanzafame University of Catania - Engineering Faculty - Machinery Institute. SAE 1999.

Bibliografa

Water Injection in Directly Injected Turbo-Charged Spark Ignition Engines,Alberto Boretti. Applied Thermal Engineering, Melbourne, Australia. Elsevier. 2013.

Experimental study of inlet manifold water injection on combustion and emissions of an automotive direct injection Diesel engine. Xavier Tauzia* , Alain Maiboom, Samiur Rahman Shah. Energy. Elsevier. 2010.