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Universidade Federal de Santa Maria

Centro de Cincias Rurais

Programa de Ps-graduao em Engenharia Agrcola

A Comisso Examinadora, abaixo assinada, aprova a Tese de DoutoradoEstudo do ciclo real de um motor de ignio por compresso, trabalhando em regime bi-combustvel com leo Diesel e gs naturalelaborada por

Miguel Neves Camargo

como requisito parcial para a obteno do grau de

Doutor em Engenharia AgrcolaComisso Examinadora:

Jos Fernando Schlosser, Dr.(Presidente/orientador)

Ademar Michels, Dr.Leandro Costa de Oliveira, Dr.Leonardo Nabaes Romano, Dr.Reges Durigon, Dr.Santa Maria, 15 de abril de 2008.

Dedicatria

Dedico este trabalho ao meu velho pai que com um sculo de vida ainda sonha e faz planos para seu futuro. E memria de minha me, exemplar mulher que viveu para os filhos e soube lhes ensinar os caminhos do conhecimento.

Agradecimentos

Ao Prof. Dr. Jos Fernando Schlosser, meu orientador e amigo.

Aos acadmicos e meus estagirios: Paula Martins Machado; Ricardo Ferreira Severo; Alan Ricardo Rampelotto e Jonas Daniel Lauxen.

Aos diversos estudantes que diretamente ou indiretamente ajudaram nos ensaios.

empresa Polo Electro, pela ajuda prestada na primeira fase dos experimentos.

empresa SR Engenharia Industrial pela doao dos elementos estruturais da torre de arrefecimento.

empresa Metalrgica Milani pela doao de materiais e servios para concluir a torre de arrefecimento.

E, principalmente:

Ao Msc Eng Diego Berlezzi Ramos pela parceria, amizade e colaborao no desenvolvimento dos circuitos eletrnicos, e Ao acadmico Eder Dornelles Pinheiro pela sua incansvel contribuio no trabalho pesado de construo dos equipamentos e montagem dos experimentos.

A todos aqueles que de uma ou outra maneira colaboraram para a execuo deste trabalho.

Muito obrigado.

Palavras de Prtico

Navegadores antigos tinham uma frase gloriosa: Navegar preciso; viver no preciso.

Quero para mim o esprito desta frase, transformada a forma para casar com o que eu sou: Viver no necessrio; o que necessrio criar.

No conto gozar a minha vida; nem em goz-la penso. S quero torn-la grande, ainda que para isso tenha de ser o meu corpo e a minha alma a lenha desse fogo.

S quero torn-la de toda a humanidade; ainda que para isso tenha de a perder como minha.

Cada vez mais penso assim. Cada vez mais ponho na essncia anmica do meu sangue o propsito impessoal de engrandecer a ptria e contribuir para a evoluo da humanidade.

a forma que em mim tomou o misticismo da nossa raa.

Fernando Pessoa

RESUMO

Tese de Doutorado

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Agrcola

Universidade Federal de Santa Maria

Estudo do ciclo real de um motor de ignio por compresso, trabalhando em regime bi-combustvel com leo Diesel e gs natural

Autor: Miguel Neves Camargo

ORIENTADOR: pROF. dR. Jos Fernando Schlosser

Data e Local da Defesa: Santa Maria, 15 de abril de 2008.

Um das fontes mais importantes de poluentes atmosfricos a emisso gasosa dos motores de combusto interna. Os motores convertidos para gs natural geralmente emitem grandes quantidades de hidrocarbonetos no queimados devido m qualidade dos dispositivos de converso. Torna-se necessrio melhorar a qualidade das converses, criando tecnologias mais eficientes. A tecnologia dos motores a gs natural tem sido aplicada comercialmente em motores de ciclo Otto, mas ainda incipiente em motores de ciclo Diesel. necessrio melhorar a tecnologia dos motores bi-combustvel de ignio por compresso, conhecendo melhor suas caractersticas e seu funcionamento. Um dos itens pouco estudado o ciclo real de funcionamento de um motor bi-combustvel, trabalhando simultaneamente com Diesel e gs natural. O objetivo deste trabalho estudar as diferenas existentes no diagrama de presses dentro do cilindro de um motor Diesel, trabalhando em regime Diesel e em regime bi-combustvel. Para atender os objetivos deste trabalho foi projetado um dispositivo de medio da presso dentro do cilindro. Tambm foi desenvolvido um sistema de gerenciamento eletrnico para injeo de gs natural. Os testes foram realizados em um motor Diesel adaptado para trabalhar em regime bi-combustvel com injeo eletrnica de gs. Foi usada uma placa de aquisio de dados com uma taxa de 10 aquisies a cada milsimo de segundo. Foram feitos 10 ensaios dinamomtricos com durao aproximada de 25 segundos para o motor trabalhando em regime Diesel em regime bi-combustvel. Para maior representatividade destes ensaios foi feita uma mdia dos mesmos. Destas mdias foram tomadas amostras de 200 em 200rpm e para estas amostras foram traados os grficos de presso dentro da cmara de combusto. Foram feitas comparaes entre as curvas equivalentes de regime Diesel e de regime bi-combustvel. Foram observadas diferenas significativas no ciclo de expanso. O pico de presso do motor trabalhando em regime Diesel apresentou valores mais baixos do que no regime bi-combustvel. A durao deste pico no regime Diesel foi bem maior do que no regime bi-combustvel e o seu topo apresentou a forma de uma reta ou uma curva levemente arredondada caracterstica do ciclo Diesel onde a combusto ocorre com presso constante. No regime bi-combustvel o pico foi acentuado e de curta durao, aproximando do padro de um ciclo Otto.Palavras-chaves: Motor Diesel; motor bi-combustvel; gs natural, leo Diesel.

ABSTRACT

Doctorate Theory

Pos-graduate Program in Agricultural Engineering Federal University of Santa Maria

study of a real cycle of a compression ignition engine, running in dual-fuel regime with Diesel oil and natural gasAuthor: Miguel Neves Camargo

adviser: pROF. dR. Jos Fernando Schlosser

Santa Maria, April 15th, 2008.

One of the most important sources of pollutant atmospheric it is the gaseous emission of the engines. The engines converted to natural gas usually emit great amounts of no burned fuel due to bad quality of the conversion devices. It is necessary to improve the quality of the conversions, creating more efficient technologies. The technology of the natural gas engine has been applied commercially in the Otto cycle engines, but it is still incipient in engines of Diesel cycle. It is necessary to improve the technology of the dual-fuel engines, knowing their characteristics and its better operation. One of the items that there arent sufficient studies is the real cycle of operation of a dual-fuel engine, working simultaneously with Diesel and natural gas. The objective of this work is to study the existent differences in the diagram of pressures inside of the cylinder among a Diesel engine, working in regime Diesel and the same engine working in dual-fuel regime. To assist the objectives of this work, was projected a device for measurement of the pressure inside of the cylinder. Also was developed a system for electronic administration of natural gas injection. The tests were accomplished in a Diesel engine adapted to work in dual-fuel regime with electronic injection of gas. It was used a data acquisition device with a rate of acquisition of 10 samples at each thousandth of second. They were made 10 experiments with approximate duration of 25 seconds for the engine working in regime Diesel and 10 experiments for the engine working in dual-fuel regime. It was made an average of these experiments. Of these averages, were taken samples of 200 by 200 rpm and for these samples were drawn the pressure graphs inside of the combustion chamber. They were made comparisons among the equivalent curves of Diesel regime and dual-fuel regime. Significant differences were observed in the expansion cycle. The peak of pressure of the engine working in regime Diesel presented lower values than in the dual-fuel regime. The duration of this peak in the Diesel regime was much larger than in the dual-fuel regime and its top presented the form of a straight line or a curve slightly round, characteristic of the Diesel cycle, where the combustion happens with constant pressure. In the dual-fuel regime the peak was accentuated and it has a short duration, approximating of the pattern of a cycle Otto.

Key-words: Diesel engine, dual-fuel engine; natural gas; Diesel oil.LISTA DE FIGURAS23Figura 1 - Mapeamento da curva espacial de relao ar/combustvel para um motor de ciclo Otto. (Bosch, 2002).

33Figura 2 Taxa de compresso. (Camargo, 2004).

44Figura 3 Relao Lambda. (Bosch, 2002).

49Figura 4 Central de gerenciamento eletrnico micro-processado (Camargo, 2004).

49Figura 5 Sensor de posio angular e rotao. (Camargo, 2004)

51Figura 6 Mapeamento da relao lambda. (Bosch, 2002)

54Figura 7 Mapeamento do ngulo de avano da ignio. (Bosch, 2002)

57Figura 8 - Transformaes isomtricas representadas pelos diagramas PV (a) e TS (b) (Giacaglia, 2007).

58Figura 9 - Transformaes isobricas representadas pelos diagramas PV (a) e TS (b) (Giacaglia, 2007).

58Figura 10 - Transformaes adiabticas representadas nos diagramas PV (a) e TS (b) (Giacaglia, 2007).

59Figura 11 - Transformaes isotrmicas representadas nos diagramas PV (a) e TS (b). (Giacaglia, 2007).

61Figura 12 - Diagrama Presso x Volume para o ciclo de Carnot (Giacaglia, 2007).

62Figura 13 Ciclo de Carnot no plano de Clausius. (Giacaglia, 2007).

63Figura 14 Ciclo Otto terico. (Giacaglia, 2007).

65Figura 15 Diagrama genrico Presso x Volume.

66Figura 16 Fases do ciclo de um motor Diesel (A) admisso, (B) compresso, (C) expanso e (D) exausto. (Camargo, 2004).

68Figura 17 Ciclo terico Diesel em coordenadas: (a) PV (Clapeyron) e (b) TS (Clausius).

69Figura 18 - Diagrama de presso e volume.

70Figura 19 - Diagrama de presses.

72Figura 20 - Motor utilizado nos experimentos.

73Figura 21 Engrenagem e rvore de comando de vlvulas montada com os contrapesos.

74Figura 22 - Mola e garfo acionado pelo anel de deslocamento axial.

74Figura 23 Detalhe mostrando a montagem da bomba com a alavanca da cremalheira e o garfo.

75Figura 24 Detalhe mostrando a alavanca do acelerador.

76Figura 25 - Vlvula redutora/reguladora de presso usada para baixar e regular a presso do gs natural.

77Figura 26 Esquema elementar do atuador eletromagntico. (Ramos, 2006)

78Figura 27 Bico injetor modificado para trabalhar com gs natural.

79Figura 28 Roda fnica instalada em um eletrodomstico.

80Figura 29 Detalhe da montagem do grupo sensor/roda fnica (Bosch, 2002).

81Figura 30 Medio da largura de pulsos.

82Figura 31 Osciloscpio mostrando os pulsos gerados pela roda fnica.

82Figura 32 Montagem do conjunto sensor/roda fnica no motor Agrale.

83Figura 33 Foto em corte de um bico injetor (a) e detalhes dos componentes do injetor (b) (Bosch, 2004).

84Figura 34 - A fotografia (a) mostra o bico injetor j modificado, pronto para o uso e a fotografia (b) mostra o mesmo bico desmontado.

85Figura 35 A fotografia (a) mostra o alargamento do canal de sada e a fotografia (b) mostra um corte no mbolo para aumentar a passagem de gs.

85Figura 36 - Foto do bico injetor instalado no canal de admisso do motor Agrale.

87Figura 37 - (a) Conexes da CPU, (b) entrada do sensor de rotao, (c) interface de potncia.

88Figura 38 - Foto do prottipo construdo para o gerenciamento do motor.

89Figura 39 Desenho parcial do dinammetro projetado.

89Figura 40 Desenho em corte do dinammetro projetado.

90Figura 41 Rotor e carcaa aletadas do dinammetro

90Figura 42 Foto do dinammetro mostrando o registro de sada de gua.

91Figura 43 Foto do dinammetro mostrando o brao da balana com o transdutor hidrulico.

92Figura 44 Torre de arrefecimento da gua do dinammetro

92Figura 45 Detalhe interno da torre de arrefecimento em funcionamento.

93Figura 46 Motor instalado no dinammetro

93Figura 47 - Sensor de presso utilizado.

94Figura 48 - Cilindro hidrulico condicionador da presso instalado no brao do dinammetro.

95Figura 49 - Sensor de presso montado na placa de circuito impresso.

95Figura 50 - Dispositivo condicionador de presso do sensor cmara de combusto.

96Figura 51 Furao da cmara de combusto.

96Figura 52 Fixao do tubo de furo calibrado no cabeote, com a base do cilindro hidrulico

97Figura 53 - Cilindro hidrulico com haste e o sensor de presso j instalados.

97Figura 54 - Cilindro hidrulico com haste e o sensor de presso desmontados.

100Figura 55 - Tubo no inflado com a tampa rgida e com as mangueiras conectadas.

101Figura 56 - Tubo inflado com gs, sendo medido durante um teste de aferio do fluxmetro.

102Figura 57 Aferio do bico injetor para 1800 rpm.





103Figura 62 Aferio do bico injetor para rotao de 2800 rpm.

104Figura 63 - Osciloscpio usado nos ensaios.

105Figura 64 - Ensaio de abertura e fechamento (a) e Detalhe do pulso de acionamento (b).

105Figura 65 Sinal do sensor de rotao com ocorrncia de excentricidade.

106Figura 66 - Sinal do sensor de rotao aps o tratamento.

108Figura 67 Curvas completas do motor trabalhando a 2000 rpm e em regime bi-combustvel.

109Figura 68 - Sinal de referncia de tempo (Clock).

110Figura 69 - Sinal da roda fnica.

111Figura 70 Curva de presses dentro do cilindro.

112Figura 71 Curva de torque instantneo no virabrequim.

114Figura 72 Curvas de presso dentro do cilindro no ciclo de expanso com rotao de 1800 rpm.




116Figura 76 - Curvas de presso dentro do cilindro no ciclo de expanso com rotao de 2600 rpm.

116Figura 77 - Curvas de presso dentro do cilindro no ciclo de expanso com rotao de 2800 rpm.

118Figura 78 Curvas de presso dentro do cilindro no ciclo de exausto com rotao de 1800 rpm.






121Figura 84 Curvas de presso dentro do cilindro no ciclo de admisso com rotao de 1800 rpm.


122Figura 86 - Curvas de presso dentro do cilindro no ciclo de admisso com rotao de 2200 rpm.




125Figura 90 Curvas de presso dentro do cilindro no ciclo de compresso com rotao de 1800 rpm.






161Figura 96 - Ciclo completo do motor para a rotao de 1800 rpm.






167Figura 102 Ciclos fechados do motor para a rotao de 1800 rpm.






175Figura 108 Valores d Figura 108 os torques mdios para cada rotao.

176Figura 109 Curva de oxignio livre. Ensaio feito sem carga.

176Figura 110 Curva de oxignio livre. Ensaio feito com carga.

177Figura 111 Emisses de dixido de carbono.

178Figura 112 Emisses de monxido de carbono.

178Figura 113 Emisses de SO2.

179Figura 114 Hidro carbonetos no queimados.

LISTA DE QUADROS

38Quadro 1 Composio do gs natural. (ABREU, 1999)

71Quadro 2 Caractersticas tcnicas do motor usado nos experimentos (dados do fabricante)

99Quadro 3 Exemplo de clculo das larguras de pulso de injeo.

Lista de tabelas

173Tabela 1 Presses mdias.

174Tabela 2 Valores dos torques mdios para cada rotao

LISTA DE APNDICES8 Apndice 1 Presso dentro do cilindro...............................................................192LISTA DE ANEXOS9 Anexo 1 Norma NBR 5484 Motores alternativos de combusto interna de ignio por compresso (Diesel) ou ignio por centelha (Otto) de velocidade angular varivel . ensaio................................................228SUMRIO

221 Introduo

221.1 Generalidades

271.2 Caracterizao do problema

271.2.1 Definio do problema

271.3 Hiptese

281.4 Objetivos

281.4.1 Objetivo geral

281.4.2 Objetivos especficos

291.5 Justificativa

291.6 Importncia da pesquisa para a regio

301.7 Importncia da pesquisa para o PPGEA

301.8 Local da pesquisa

311.9 Pessoal

322 Reviso bibliogrfica

322.1 Introduo

322.2 Taxa de compresso

332.3 Requisitos do combustvel Diesel

332.3.1 ndice de cetano

342.3.2 Rendimento

362.3.3 Tipos de leo Diesel no Brasil

372.4 Gs combustvel

372.4.1 Composio do gs natural

382.4.2 Caractersticas e propriedades

392.4.3 Motores a gs natural

402.5 Motores Bi combustveis

432.6 Formao da mistura ar e combustvel em motores de ciclo Otto

452.7 Formao da mistura ar e combustvel em motores bi-combustvel

462.8 Gerenciamento eletrnico de motores

562.10 Reviso de termodinmica - transformaes dos gases perfeitos

602.11 Ciclos dos motores trmicos

612.11.1 Ciclo de Carnot

632.11.2 Ciclo Otto terico

662.11.3 Ciclo Diesel

692.11.3.2 Ciclo real de um motor Diesel

713 Materiais e mtodos

713.1 Introduo

713.2 Objeto da pesquisa

723.3 Adaptaes necessrias

733.3.1 Alimentao de leo Diesel

763.3.2 Alimentao de gs natural

793.4 Perifricos utilizados

793.4.1 Sensores

823.4.2 Atuador

853.4.3 Potencimetro do acelerador

863.4.4 CPU

863.4.4.1 Esquemas eltricos do controlador

873.4.5 Interface para o circuito de potncia

883.4.6 Interface para a comunicao

893.5 Montagem do experimento

893.5.1 Dinammetro

933.5.2 Clula de carga

943.5.3 Dispositivo de medio da presso interna da cmara de combusto

983.6 Metodologia de ensaio

983.6.1 Mtodo para medir a vazo do injetor de gs

1043.6.2 Ensaio de acionamento do bico injetor

1053.6.3 Ensaios com o sensor indutivo e a roda fnica

1063.6.4 Ensaios do motor

1093.6.5 Anlise individual das curvas obtidas no exemplo da Figura 67

1134 RESULTADOS E DISCUSSO

1134.1 Anlise das presses dentro do cilindro

1134.1.1 Ciclo de expanso

1174.1.2 Ciclo de exausto

1214.1.3 Ciclo de admisso

1244.1.4 Ciclo de compresso

1284.2 Ciclos completos do motor

1734.3 Clculo da presso mdia

1744.4 Estudo das curvas de torque

1754.5 Anlise de emisses

1764.5.1 Oxignio livre

1774.5.2 Dixido de carbono

1774.5.3 Monxido de carbono

1784.5.4 Gases sulfurosos (SO2)

1794.5.5 Hidrocarbonetos Livres

1794.6 Obteno dos objetivos

1835 CONCLUSES

1835.1 Concluses

1855.2 Comprovao da hiptese

1866 recomendaes

1887 referncias bibliogrficas

1928 Apndice 1 Presso dentro do cilindro

2289 Anexo 1 Norma NBR 5484 Motores alternativos de combusto interna de ignio por compresso (Diesel) ou ignio por centelha (Otto) de velocidade angular varivel ensaio.

1 Introduo1.1 GeneralidadesAps um crescimento acentuado da demanda por veculos convertidos para gs natural nos ltimos anos no Brasil, torna-se necessrio melhorar a qualidade das converses, criando tecnologias mais eficientes.

Atualmente, so utilizados dois tipos de motores veiculares: os motores de ciclo Diesel (motores de ignio por compresso) empregados em veculos de carga, tratores e em algumas caminhonetes de turismo e os motores de ciclo Otto (motores de ignio por centelha) usados nos automveis e na maioria das pick-up leves.

A tecnologia dos motores a gs natural tem sido aplicada comercialmente em motores de ciclo Otto, mas ainda incipiente em motores de ciclo Diesel de pequeno porte, apesar da existncia de estudos que tratam da aplicao de gs natural nestes motores, como Camargo (2003). No Brasil, atualmente j est disponvel um dispositivo adaptador produzido por uma empresa multinacional fabricante de autopeas, desenvolvido com base em estudos de Camargo (2003), que permite a aplicao de gs natural em motores de ciclo Diesel.

Na prtica, os dispositivos de converso para motores de ciclo Otto existentes no mercado partem da evoluo da antiga vlvula redutora de presso utilizada em botijes de gs de cozinha, qual foram adicionados mais dois estgios de reduo de presso. Um anterior, que rebaixa a alta presso do reservatrio de gs (20 MPa) presso 0,34 MPa admissvel pela antiga vlvula de gs de cozinha, a qual rebaixa a presso para cerca de 0,13 MPa e um estgio posterior, que reduz a presso para a presso atmosfrica. Assim, mesmo com a vlvula aberta no h passagem de gs, sendo necessrio, portanto, que o motor aspire o gs. Para isto, colocado um venturi no coletor de admisso, que produz uma depresso proporcional velocidade do ar aspirado pelo motor. Nesta regio de depresso instalada a ponteira de um tubo que est interligado vlvula redutora de presso. O processo de regulagem da relao de mistura emprico e pode ser teoricamente incorreto.

A relao ideal da mistura entre ar e combustvel varia em funo da carga e da rotao do motor, alm de sofrer a influncia da temperatura e da presso atmosfrica. Alm disto, esta variao no linear e sim uma funo caracterstica, tridimensional, que depende tambm das caractersticas dimensionais de cada motor. Em um motor de ciclo Otto que utiliza carburador os diversos circuitos de alimentao do carburador compensam de uma maneira aproximada a no linearidade deste comportamento.

Em um motor de ciclo Otto dotado de injeo eletrnica (a maioria dos motores modernos so injetados) feito um mapeamento das variveis do motor em funo da rotao e da carga (Figura 1). Os dados obtidos so armazenados em uma memria do tipo eprom (Eraseble programable read only memory, ou seja, memria apagvel e programvel somente para leitura).

Para cada ciclo de ignio, de cada cilindro, o processador central do veculo recebe informaes dos diversos sensores existentes no motor e com as informaes de rotao instantnea e carga, localiza nos dados do mapeamento armazenado na memria o valor nominal da injeo de combustvel e sobre o valor encontrado faz as correes necessrias em funo da temperatura e presso.

Figura 1 - Mapeamento da curva espacial de relao ar/combustvel para um motor de ciclo Otto. (Bosch, 2002).Nas converses de gasolina para gs natural que hoje so feitas, todo o sistema eletrnico de gerenciamento do motor isolado atravs de um componente chamado emulador. Ento, o motor passa a trabalhar como se fosse um motor com carburador, porm com uma relao de mistura ar combustvel errnea. Geralmente, para facilitar o funcionamento do motor, usada uma mistura muito rica. Assim uma considervel poro de combustvel no queimada por falta de oxignio e liberada, aumentando a poluio pela adio de hidrocarbonetos livres na atmosfera.

Nos motores de ciclo Diesel trabalhando com gs natural em regime bi- combustvel, segundo Camargo (2003), o gs natural introduzido sob baixa presso no coletor de admisso, onde misturado com o ar que est sendo aspirado pelo motor. Esta mistura de ar e combustvel comprimida pelo motor sem entrar em ignio espontnea, j que o gs natural tem um ndice de octanas superior a 145 octanas (MON, motor octane number) e, assim, suporta a taxa de compresso de um motor Diesel. Ao final do ciclo de compresso, a bomba injetora injeta uma pequena quantidade de leo Diesel. O leo Diesel injetado, ao encontrar um ambiente favorvel em oxignio, temperatura e presso, entra em ignio, produzindo uma chama que d incio combusto do combustvel principal (gs natural). Assim, o leo Diesel injetado produz apenas uma chama piloto no momento correto definido, pela bomba injetora. O uso de motores Diesel bi-combustvel reduz o consumo de leo Diesel que passa a ser parcialmente substitudo pelo gs natural. necessrio que o pas encontre formas de reduzir o consumo de leo Diesel. Hoje, apesar de auto-suficiente em petrleo, o Brasil importa uma quantidade considervel de petrleo para atender as necessidades de leo Diesel, e exporta igual quantidade, excedente, de gasolina. Segundo Pereira (2006), consomem-se no Brasil cerca de 100 milhes de litros de leo Diesel por dia. Sendo o transporte rodovirio interurbano, responsvel por 78,1 milhes de litros dirios, seguido do transporte coletivo urbano, responsvel pelo consumo de outros 12 milhes de litros por dia. interessante notar que o volume de Diesel importado aproximadamente igual ao volume consumido no transporte coletivo urbano. Se for possvel converter a frota de transporte coletivo urbano para usar combustveis alternativos a dependncia brasileira de petrleo importado poderia, ser eliminada ou ao menos reduzida. Outra contribuio importante para a reduo do consumo de leo Diesel seria a substituio parcial deste combustvel nas atividades agrcolas. Por outro lado, ao contrrio da situao do Diesel, a produo nacional de gasolina supera a demanda do pas. Hoje se exportam volumes significativos de gasolina, especialmente para os Estados Unidos e frica.Um dos combustveis alternativos capazes de substituir parcialmente o leo Diesel o gs natural, que pode ser usado em motores Diesel convertidos para bi-combustvel, com uma considervel contribuio ao meio ambiente. A possibilidade de usar gs natural em motores Diesel tambm abre um leque de oportunidades no meio agrcola onde a principal fonte de energia o motor Diesel, e o combustvel Diesel representa uma parcela considervel no custo da produo. Segundo experimentos de Camargo (2003), o melhor rendimento do motor bi-combustvel se d para um consumo mdio de 100 litros de gs natural por kWh e 22% de consumo de leo Diesel em relao ao mesmo motor trabalhando somente com Diesel. Nestas condies h uma reduo no custo do combustvel em torno de 46%. A reduo do custo do combustvel na atividade agrcola representa diretamente reduo de custos na produo de alimentos. Deve-se, entretanto, considerar que o gs natural ainda no est disponvel na zona rural do Brasil e mesmo nas reas urbanas, apenas algumas cidades mais importantes ou que se situam na rota dos gasodutos, tm disponibilidade de gs natural. Entretanto, na rea rural pode-se usar biogs que pode ser gerado na prpria fazenda empregando dejetos orgnicos e esterco. O biogs um gs obtido da fermentao de materiais orgnicos e constitudo de cerca de 70% de metano e 30% de gs carbnico e outros gases. Considerando que o gs natural contm cerca de 98% de metano, um motor bi-combustvel trabalhando com biogs, ter um consumo de gs 30% maior do que com gs natural e, possivelmente, uma queda na sua potncia, j que parte do gs admitido pelo motor um gs inerte que no queima e s ocupa espao. Porm, como o biogs gerado na prpria fazenda tem um custo muito baixo, o aumento de consumo no se torna significante e pode compensar financeiramente a reduo de potncia. Em uma primeira etapa necessrio melhorar a tecnologia dos motores bi-combustvel de ignio por compresso, conhecendo melhor suas caractersticas e seu funcionamento, para ento em uma segunda etapa, com a tecnologia j consolidada, partir para solues alternativas, e entre estas o uso de biogs no lugar de gs natural. Outra aplicao importante dos motores Diesel bi-combustivel na gerao de energia eltrica. Segundo Ramos (2006), nos ltimos tempos, tem se observado um aumento no mercado de motores diesel bi-combustvel em aplicaes de gerao de energia. Isto resulta da difuso das regulamentaes de emisses para plantas estacionrias e o aumento da disponibilidade de GN proveniente de gasodutos.

Os motores bi-combustvel tambm se mostram favorveis em situaes onde o suprimento de gs mais barato que o combustvel Diesel, como em localidades prximas de gasodutos, plataformas martimas em regies costeiras, fontes de biogs (locais de aterro, fbricas e biodigestores agrcolas), entre outros. Assim, crescente o nmero de situaes, nas quais, o gs est disponvel a custos relativamente baixos e em provises relativamente ininterruptas.

Os motores Diesel bi-combustvel se adaptam bem a situaes de co-gerao, fornecendo calor e energia eltrica com uma nica mquina primria de baixas emisses. Uma aplicao onde existe uma verdadeira sinergia entre a mquina e a fonte de combustvel um sistema de tratamento de esgoto. Nestes, alm da energia mecnica usada para acionar um gerador eltrico, o motor produz calor, emitido pelo escapamento e pela gua de arrefecimento. Este calor pode ser aproveitado para aquecer os biodigestores que iro produzir o gs a ser usado como combustvel do prprio motor. O calor recuperado da exausto do motor e da gua circulante do arrefecimento pode ser usado para manter tanques digestores na temperatura adequada para a produo de gs.

Outra aplicao interessante encontra-se nos prprios gasodutos, que devem ter estaes de bombeamento a intervalos regulares para manter a presso do gs. Estas estaes, muitas vezes, esto situadas em locais remotos onde no h disponibilidade de energia eltrica, mas h disponibilidade de gs que pode ser usado como combustvel de um grupo gerador.

1.2 Caracterizao do problema

1.2.1 Definio do problema

Conforme ficou demonstrado por Camargo (2003), um motor de ciclo Diesel pode trabalhar em regime bi-combustvel (Diesel e gs natural) com melhores resultados do que apenas em ciclo Diesel (considerando torque, potncia, e consumo especfico). Neste trabalho foi determinado que, para o motor estudado, a relao de 13 l/min e 22% de leo Diesel apresentou os melhores resultados, ou seja: aumento da potncia e do torque em 14% e reduo do custo do consumo em 46%. A relao acima citada corresponde a 100 litros de gs por kWh e 49 gramas de leo Diesel por kWh. Entretanto, muitos fatores importantes na caracterizao do motor ainda no foram estudados. Entre estes, um item relevante no estudo de um motor o seu ciclo real. Os motores de ciclo Diesel e os motores de ciclo Otto j tiveram seus ciclos de funcionamento (diagrama presso-volume) exaustivamente estudados, entretanto para um motor bi-combustvel, Diesel gs natural, no foi encontrado nenhum levantamento do ciclo real.

Desta forma, fica caracterizado como um problema o desconhecimento do diagrama presso-volume do motor bi-combustvel, trabalhando simultaneamente com Diesel e gs natural.1.3 Hiptese

A introduo de um combustvel gasoso em um motor Diesel funcionando em regime bi-combustvel aumenta a presso interna dentro do cilindro, proporcionando maiores torques em rotaes de trabalho normais nos regimes de utilizao.1.4 Objetivos1.4.1 Objetivo geralEste trabalho tem como objetivo principal determinar forma, caractersticas e valores de funcionamento do ciclo real de um motor de combusto por compresso, trabalhando em regime bi-combustvel com Diesel e gs natural em diferentes regimes de carga e rotao.

1.4.2 Objetivos especficos

a) Determinar o ciclo real de funcionamento de um motor bi-combustvel em diversos regimes de carga e rotao. b) Comparar o ciclo real obtido em regime bi-combustvel com o ciclo real obtido do motor Diesel original.

c) Projetar e construir um dinammetro hidrulico para avaliar o desempenho do referido motor.

d) Avaliar um sistema eletrnico de dosificao de gs natural e o desempenho de um bico injetor de gs natural quanto vazo e resposta ao circuito eletrnico de comando. e) Medir as emisses gasosas do motor trabalhando em regime bi-combustvel e comparar as emisses do mesmo motor trabalhando somente com Diesel.f) Construir um dispositivo para medio da presso interna do cilindro de um motor em funcionamento.1.5 Justificativa

Segundo Abreu (1999), o gs natural uma opo de energia mais limpa, eficiente, segura e econmica. Utilizado no mundo inteiro h bastante tempo, o gs natural representa hoje 23% do consumo mundial de energia, enquanto no Brasil h previso de atingir cerca de 12% apenas em 2010. (Abreu, 1999)No Rio Grande do Sul, a distribuio do gs natural realizada pela Sulgs, Companhia de Gs do Estado do Rio Grande do Sul, uma empresa criada em 1993 numa parceria do governo do estado e a Petrobras Distribuidora S/A.

A utilizao do gs natural como combustvel veicular poder trazer inmeras vantagens para o estado do Rio Grande do Sul e para o Brasil, principalmente de ordem ambiental, desde que as converses dos veculos sejam feitas corretamente.

A presente pesquisa justificvel porque tem como objetivo desenvolver tcnicas para converso de motores Diesel em bi-combustvel (gs natural / leo Diesel) com controle da qualidade da mistura, reduzindo, assim, a liberao de hidrocarbonetos no queimados para atmosfera, conseqentemente, reduzindo a poluio e o consumo de combustvel. 1.6 Importncia da pesquisa para a regio

a) A importncia mais direta para esta regio ser a provvel implantao de uma indstria para produzir kits de converso para gs natural, tanto para motores de ciclo Otto como para motores de ciclo Diesel em regime bi-combustvel. Esta empresa, hoje de mdio porte e j estabelecida nesta cidade, produz equipamentos eltricos e eletrnicos ligados ao ramo de distribuio de energia. A empresa pretende expandir seus negcios e mostrou interesse nesta pesquisa para auxiliar no desenvolvimento de um produto comercial.

b) Considerando que a principal fonte de riqueza nesta regio do pas a agricultura, tambm se torna importante esta pesquisa porque visa aprimorar uma tecnologia que pode permitir o uso de motores bi-combustvel em atividades agrcolas, reduzindo o custo do combustvel e assim, reduzindo o custo de produo de alimentos. 1.7 Importncia da pesquisa para o PPGEA

importante o estudo sistemtico sobre as bases do conhecimento de motores bi-combustvel com vistas ao seu aperfeioamento, j que este pode ser uma das formas de se reduzir o consumo de leo Diesel e, consequentemente, a poluio gerada pelo mesmo.

Possivelmente, a mais importante contribuio desta pesquisa para o Programa de Ps Graduao em Engenharia Agrcola a formao profissional do pesquisador, cujo trabalho ficar disponvel como obra de pesquisa para formao de novos profissionais. A difuso do conhecimento tem um valor inestimvel para uma sociedade. Nenhuma nao ser suficientemente forte se no tiver uma massa crtica de cientistas, pensadores e intelectuais, que geram e distribuem conhecimento. Como contribuio fsica ao PPGEA, ficar instalado no laboratrio de motores do Ncleo de Ensaios de Mquinas Agrcolas (NEMA) um dinammetro hidrulico, que poder ser usado para outras pesquisas. 1.8 Local da pesquisa

A fase inicial dos experimentos, necessria para a obteno dos resultados preliminares, foi desenvolvida nos laboratrios da empresa Plo Electro. Os experimentos definitivos para a elaborao da tese foram desenvolvidos no NEMA (Ncleo de Ensaios de Mquinas Agrcolas), do Centro de Cincias Rurais da UFSM. Entretanto, o desenvolvimento dos circuitos eletrnicos e adaptao dos programas foram desenvolvidos no laboratrio do CEEMA (Centro de Estudos de Energia e Meio Ambiente) do Curso de Engenharia Eltrica do Centro de Tecnologia da UFSM, o qual emprestou equipamentos (osciloscpio e fonte estabilizada) para o NEMA durante os experimentos.

1.9 Pessoal

Durante o desenvolvimento dos ensaios foram utilizados alm de estudantes estagirios, servios de terceiros, cujos custos foram integralmente cobertos pelo autor desta pesquisa.

2 Reviso bibliogrfica2.1 Introduo

Os motores Diesel so motores de ignio por compresso. Nestes motores, o deslocamento do pisto aspira, pela vlvula de admisso aberta, o ar que ser comprimido. Este ar pode ser aspirado normalmente, ou pode sofrer o efeito de um turbo compressor, que ir favorecer o preenchimento do cilindro aumentando a taxa real de compresso e o volume de oxignio (ar) admitido pelo cilindro.

Nos motores de ignio por compresso, o ar aquecido por compresso dentro do cilindro. O leo Diesel injetado sofre uma ignio espontnea causada pela alta temperatura do ar. A ignio ocorre porque a temperatura do ar comprimido maior que a temperatura de ignio do combustvel Diesel. A alta presso resultante da combusto empurra o pisto atravs do cilindro, produzindo um deslocamento linear, o qual, pela biela transformado em movimento rotativo no virabrequim. Os motores de ignio por compresso podem trabalhar com altas taxas de compresso.

2.2 Taxa de compresso

Segundo Hoag (2006), taxa de compresso a relao entre o volume do cilindro quando o pisto est no ponto morto inferior e o volume do cilindro quando o pisto se encontra no ponto morto superior. Camargo (2004) representa graficamente a taxa de compresso (Figura 2).De acordo com Giacosa (1980), o rendimento termodinmico de um motor aumenta com o aumento da taxa de compresso. Nos motores de ignio por compresso, como a taxa de compresso mais alta, o rendimento termodinmico tambm maior.

Figura 2 Taxa de compresso. (Camargo, 2004).2.3 Requisitos do combustvel DieselPara que um combustvel possa ser utilizado em motores de ignio por compresso necessrio que cumpra alguns requisitos bsicos:

- Facilitar a ignio por compresso (alto ndice de cetano);- Lubrificar a bomba injetora (viscosidade adequada);- Gerar uma alta quantidade de calor na sua combusto (poder calorfico elevado);- Ter baixo ndice de contaminantes slidos;- Ter baixo ndice de contaminantes lquidos ou solveis e, em especial, compostos de enxofre, para evitar a corroso.

2.3.1 ndice de cetano

Conforme Giacosa (1980), ndice de cetano um ndice emprico que mede a maior ou menor facilidade que o combustvel tem para entrar em ignio espontnea quando submetido a altas presses em presena de oxignio. Segundo Barger (1963), determina-se a propriedade de ignio de um combustvel Diesel por um mtodo similar ao usado na verificao da propriedade anti-detonante de gasolina. Assim, como no caso da determinao do ndice de octanas de uma gasolina, a escala numrica do ndice de cetano representa a mistura de dois combustveis de referncia, hidrocarbonetos puros. O cetano (C16 H35) um hidrocarboneto com excelentes propriedades para ignio no motor Diesel e foi escolhido para representar o ndice 100. O hidrocarboneto alfametilnaftaleno (C11H16) possui propriedades de ignio marcadamente baixa e foi selecionado para representar o ndice zero. A mistura destes dois combustveis indica as propriedades intermedirias de ignio. O ndice de cetano , portanto, a percentagem de cetano nesta mistura. Este ndice determinado em um motor padronizado com taxa de compresso varivel, chamado motor CFR. Para determinar o ndice de cetano, comparam-se o funcionamento do motor CFR trabalhando com o combustvel a ser testado e o mesmo motor em idnticas condies com uma mistura de cetano e alfametilnaftaleno. A proporo de cetano na mistura, que apresenta as mesmas propriedades de ignio do combustvel testado, define o ndice de cetano deste combustvel.

2.3.2 Rendimento

O rendimento total de um motor, conforme Giacosa (1980) pode ser definido pela seguinte equao:( =(m.(t.(v, (1)Onde: ( = rendimento total, (m= rendimento mecnico, (t= rendimento termodinmico, (v= rendimento volumtrico.

O rendimento mecnico definido como a relao entre a energia lquida disponvel no motor e a energia mecnica gerada pelo motor antes de subtrair as perdas por atrito. Em geral o rendimento mecnico elevado e a melhoria do mesmo obtida pela reduo do atrito.

O rendimento termodinmico a relao entre a parcela de calor transformada em energia mecnica pelo motor e o calor total gerado pela queima do combustvel. O rendimento termodinmico muito importante porque define a intensidade da transformao da energia no motor. definido pelas seguintes equaes:

para ciclos Otto (2), e

para ciclos Diesel (3)onde:

(t - Rendimento termodinmico ideal

k - Relao entre o calor especfico presso constante e o calor especfico a volume constante.

( - Relao entre o volume inicial e o volume final da fase de combusto presso constante.

- Taxa de compresso.

Rendimento volumtrico segundo Hoag (2006), a relao entre o volume de ar realmente aspirado pelo movimento do pisto dentro do cilindro e a capacidade volumtrica terica do cilindro. O volume de ar aspirado pelos motores em geral bastante menor que o volume terico do cilindro devido a perdas de carga na tubulao de admisso e as obstrues naturais dos canais de ar, incluindo no caso dos motores de ciclo Otto, a prpria borboleta do acelerador. Nos motores Diesel o rendimento volumtrico pode ser aumentado com o emprego de turbo - compressores. O rendimento volumtrico muito importante porque define uma taxa de compresso real, menor que a taxa de compresso de projeto, reduzindo, portanto, o rendimento termodinmico que depende da taxa de compresso.

2.3.3 Tipos de leo Diesel no Brasil

Conforme Prodiesel (2007), atualmente, so definidos e especificados pela Agncia Nacional do Petrleo (ANP), quatro tipos bsicos de leo diesel para uso em motores e um tipo padro usado apenas como referncia.

- leo Diesel tipo B: o leo Diesel disponvel para uso em todas as regies do Brasil, exceto para as principais regies metropolitanas, onde so disponibilizados os leos Diesel C e D. Este leo possui um teor de enxofre de, no mximo, 0,50% em massa.

- leo Diesel tipo C: Caracteriza-se por possuir, no mximo, 0,30% de enxofre e uma menor temperatura de destilao de 85% evaporados do produto: 360C contra 370C adotados para o leo tipo B. Este leo est disponvel nas regies metropolitanas de Belo Horizonte, Porto Alegre, Curitiba, Belm, Campinas e So Jos dos Campos.

- leo Diesel tipo D: Este tipo de leo Diesel possui no mximo 0,20% de enxofre e a faixa de densidade especificada varia de 0,8200 a 0,8700 (a densidade dos demais varia de 0,8200 a 0,8800). A temperatura de destilao de 85% de evaporados igual ao do tipo C, ou seja, 360C. Este leo est disponvel desde 1 de janeiro de 1998, para uso nas regies metropolitanas de So Paulo, Santos, Cubato, Salvador, Aracaj, Rio de Janeiro, Recife e Fortaleza.

- leo Diesel martimo: Este leo produzido exclusivamente para utilizao em motores de embarcaes martimas. Caracteriza-se por ter especificado o seu ponto de fulgor em, no mnimo, 60C (o ponto de fulgor dos demais tipos de leo no possui limites de especificao). O teor de enxofre especificado para este leo de no mximo 1,00% e a temperatura de destilao de 85% de evaporados de 370C no mximo.

- leo Diesel padro: um produto desenvolvido para atender s exigncias especificadas dos testes de consumo e emisso de poluentes pelos responsveis pela homologao dos mesmos.

A regionalizao da distribuio destes tipos de leos leva em conta a concentrao de poluentes nas principais regies metropolitanas do pas. Ainda no est disponvel em todo o pas, combustvel pouco poluente, devido ao alto custo que isto representa.

2.4 Gs combustvel

O gs combustvel a ser estudado neste trabalho o gs natural, mais especificamente o gs natural proveniente da Bolvia atravs do gasoduto Gasbol, que atualmente abastece o Rio Grande do Sul.

Segundo Abreu (1999), o gs natural uma substncia composta por uma mistura de hidrocarbonetos leves, basicamente metano, uma pequena parcela de etano e outros componentes. O gs natural pode estar associado ao petrleo, e temperatura ambiente e presso atmosfrica permanece em estado gasoso. Apresenta baixos teores de contaminantes e quase isento de enxofre.

Na natureza, encontrado acumulado em rochas porosas no subsolo, freqentemente acompanhado por petrleo, constituindo um reservatrio.

O gs natural dividido em duas categorias: associado e no associado. Gs associado aquele que, no reservatrio, est dissolvido no leo ou sob a forma de capa de gs. Gs no associado aquele que, no reservatrio, est livre ou em presena de quantidades muito pequenas de leo. Neste caso s se justifica comercialmente produzir o gs.

2.4.1 Composio do gs natural

Segundo Abreu (1999), a composio do gs natural pode variar de campo para campo, pelo fato de estar associado ou no ao leo e tambm de ter sido ou no processado em unidades industriais. Ele composto predominantemente de metano, etano, propano e, em menores propores, de outros hidrocarbonetos de maior peso molecular (Quadro 1 Composio do gs natural. (ABREU, 1999)

). Normalmente, apresenta baixo teor de contaminantes, como nitrognio, dixido de carbono, gua e compostos de enxofre.

ElementosTipo 1 (%)Tipo 2 (%)

Metano98.091.71

Etano0.53.81

Propano00.91

I-butano00.15

N-butano00.24

I-pentano00.07

N-pentano00.06

Hexano e superiores00.08

Nitrognio0.90.97

Dixido de carbono0.62.00(mx)

EnxofreTraosTraos

Quadro 1 Composio do gs natural. (ABREU, 1999)2.4.2 Caractersticas e propriedades

De acordo com Abreu (1999), o manuseio do gs natural requer alguns cuidados, pois ele inodoro, incolor, inflamvel e asfixiante quando aspirado em altas concentraes. Geralmente, para facilitar a identificao de vazamentos, compostos base de enxofre so adicionados ao gs em baixas concentraes, apenas para lhe dar um cheiro marcante, mas sem lhe atribuir caractersticas corrosivas, num processo conhecido como odorizao.

Por j estar no estado gasoso, o gs natural no precisa ser atomizado para queimar. Isso resulta numa combusto limpa, com reduzida emisso de poluentes e melhor rendimento trmico, o que possibilita reduo de despesas com manuteno e melhor qualidade de vida para a populao.

As especificaes do gs para consumo so ditadas pela resoluo n 18/87, emitidas pelo antigo Conselho Nacional do Petrleo, em 1/12/87, as quais so:

- Poder calorfico superior (PCS) a 20C e 1 atm: 35.562 a 52.325 kJ.m-3- Poder calorfico inferior (PCI) a 20C e 1 atm: 31.813,6 a 48.148,2 kJ.m-3 Densidade relativa ao ar a 20C: 0,60 a 0,81

Enxofre total: 110 mg.m-3 mximo

H2S: 29 mg.m-3 mximo

N2 + CO2 : 6% mximo em volume

Isento de hidrocarbonetos condensados, leos e partculas slidas

No caso especfico do gs proveniente da Argentina, atravs do gasoduto URUP, o poder calorfico 30.563,6 kJ.m-3.2.4.3 Motores a gs natural

Segundo Kates (1970), o gs natural, devido ao baixo ndice de cetano, no adequado para ser usado como combustvel de motores de ignio por compresso (ciclo Diesel). A mistura ar/gs oferece dificuldade para iniciar a combusto apenas por compresso, entretanto tem uma grande facilidade para entrar em combusto por centelha ou por uma chama j iniciada por outro meio. Esta caracterstica permite que este combustvel seja empregado com facilidade nos motores de ciclo Otto.

As modificaes de um motor de ciclo Otto para trabalhar com gs so muito simples e reversveis. J em um motor de ciclo Diesel o processo bastante complexo, devido a alteraes estruturais do motor, incluindo a eliminao da bomba injetora e bicos injetores, adaptao de distribuidor eltrico e velas de ignio, entre outras, ou seja, transformar o motor de ciclo Diesel em ciclo Otto. Estas drsticas modificaes no motor impedem que o mesmo volte a trabalhar em ciclo Diesel, desvalorizando o veculo no caso de revenda como usado (Ortiz-Caavate, 1994). Uma soluo prtica o funcionamento de motores de ciclo Diesel com dois combustveis: leo Diesel e gs, ou seja, motores bi-combustvel.

No mundo inteiro, as leis de controle de poluio esto tornando-se cada vez mais rigorosas, e a utilizao do gs natural nos veculos atende s normas mais rgidas, como RTQ33 e RTQ37 do INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia), alm das normas ABNT NBR 11353 e NBR 12790. A queima do gs natural quando comparada com outros combustveis praticamente completa, diminuindo consideravelmente a emisso de poluentes, sobretudo de monxido de carbono e xidos de enxofre. Segundo Lyons (2002), o uso de motores comerciais Caterpilar (bi-combustvel) demonstra que a emisso de poluentes significativamente reduzida, principalmente as emisses de Nox (xido de nitrognio) e particulados que so reduzidas em mais de 50%.

2.5 Motores Bi combustveis

So chamados motores bi-combustvel todos aqueles motores que trabalham simultaneamente com dois combustveis.

So considerados neste trabalho apenas os motores bi-combustvel, que tenham como combustvel base o leo Diesel, ou seja, motores bi-combustvel de ciclo Diesel. Nestes motores o leo Diesel continua sendo usado normalmente, porm apenas como combustvel piloto, para proporcionar a ignio por compresso, dando incio na combusto do combustvel principal (gs ou lquido vaporizado), que admitido no cilindro pelo coletor de admisso, semelhante alimentao de um motor de ciclo Otto.

No caso de motores bi-combustvel com combustvel lquido a aplicao mais importante o uso do lcool vaporizado, descrito por Bashford (1984). Neste caso chamado de Fumigao, o lcool vaporizado em um carburador semelhante ao usado para motores gasolina, adaptado ao lcool, montado no coletor de admisso. Ainda segundo Bashford (1984), outra opo a utilizao de injeo eletrnica de lcool, semelhante s usadas nos modernos automveis.

Com o uso do gs como principal combustvel h uma simplificao mecnica na adaptao do motor, bastando instalar uma cmara de pr-mistura antes do coletor de admisso, ou mesmo utilizar o coletor de admisso como pr-cmara de mistura. Nesta cmara, o gs misturado com uma pequena quantidade de ar que aspirado atravs da cmara, gerando uma pr-mistura de gs e ar. Esta pr-mistura diluda em uma quantidade maior de ar dentro do coletor de admisso antes de entrar no cilindro.

Dependendo do projeto do motor, algumas outras alteraes de menor porte devem ser executadas, como uma possvel alterao do ngulo de avano da injeo que deve ser aumentado, j que o gs tem uma velocidade de propagao de chama menor que o leo Diesel (Caavate, 1994).Bhattachrya et al.(1988) em ensaios realizados com um motor Diesel agrcola trabalhando em um regime de 2 combustveis, sendo biogs e leo Diesel, conclui que:

a) Um motor com ignio por compresso pode ser modificado para trabalhar em regime bi combustvel.

b) O motor modificado pode partir com Diesel e aps suficientemente aquecido pode passar a operar com dois combustveis, reduzindo o leo Diesel e completando a necessidade de energia com gs.

c) No ensaio foi necessrio aumentar o avano da ignio para cerca de 30.

d) Houve uma reduo de potncia da ordem de 19% para a mxima relao de gs/Diesel, j que o biogs tem um poder calorfico inferior ao gs natural.

e) Cerca de 70% do leo Diesel foi substitudo por gs.

f) O consumo especfico do Diesel ao freio cai significativamente a altas cargas.

Testando um motor Diesel mono cilndrico trabalhando em regime bi-combustvel (Diesel e gs natural), em condies variadas de carga e rotao, Camargo (2003) concluiu que houve um acrscimo de 14% na potncia mdia e no torque mdio. As melhores relaes entre leo Diesel e gs natural para este motor situaram-se entre 22% a 30% de leo Diesel, em relao ao dbito mximo da bomba injetora, e 9 a 13 litros por minuto de gs natural. De Zanche (1989) testou um trator em regime bi-combustvel usando biogs como combustvel principal e obteve cerca de 50% de economia no consumo de leo Diesel, apesar do baixo poder calorfico do biogs obtido. Deve-se considerar que, neste experimento, foi necessrio purificar o gs, obtido por biodigesto, j que o mesmo apresentava alto teor de impurezas, inclusive gases sulfurosos, que causaram corroso, principalmente nas peas fabricadas em ligas de cobre.

Silva (1999) testou um motor bi-combustvel trabalhando com metano e leo Diesel trabalhando em diversas operaes normais de um trator, obtendo de 70% a 80% de reduo do consumo de leo Diesel na mdia das diversas operaes executadas, sendo que para operaes que exigiram maior torque do motor a economia de leo Diesel foi maior. Entretanto Silva (1999), diz que poderia ser utilizado apenas 5% de Diesel sem prejudicar o funcionamento do motor. Porm, para evitar o sobreaquecimento dos bicos injetores recomendado utilizar cerca de 20% de leo Diesel.

De acordo com Lastres (2003 apud Pereira, 2006) dois motores idnticos foram submetidos a testes de vida, em idnticas condies de carga plena e mesma rotao, sendo um alimentado somente com leo Diesel e o outro trabalhando em regime bi-combustvel. O ensaio previa 1000 horas de funcionamento. O motor que trabalhava somente com leo Diesel apresentou falhas aps 193 horas contnuas de trabalho, enquanto o motor bi-combustvel completou o teste das 1000 horas sem apresentar problemas, e aps foram desmontados e avaliados. O motor bi-combustvel apresentava menos desgaste e menos incrustaes de carvo, mesmo com um tempo de trabalho muito superior ao motor Diesel convencional. Os trabalhos analisados demonstram as vantagens e os requisitos necessrios para o uso do gs natural em motores Diesel. Porm, ainda procura-se aprimorar os mtodos de controle para a injeo do gs natural. Normalmente, a mistura de ar e gs na admisso feita por dispositivos mecnicos, imprecisos, limitando o aproveitamento do gs injetado.

Challen (1999) define o sistema de gerenciamento como um dispositivo mecnico ou eletromecnico para controle automtico da velocidade pela regulao da entrada de combustvel. O controlador deve manter a performance do motor Diesel dentro dos limites (de velocidade) especificados, para garantir o funcionamento adequado do motor. Segundo Guzella (1989 apud, Ramos 2006), o objetivo de um controle eletrnico prover o torque requerido do motor com o mnimo consumo de combustvel. Deve-se tambm respeitar a legislao relativa aos nveis de emisses e rudos produzidos.

Para motores de grupos Diesel-gerador, a regulao de velocidade representa um aspecto crtico. A freqncia da tenso gerada deve ser mantida constante. Para isso o motor deve operar com rotao constante, independente das variaes de carga. Isso implica na correo da quantidade de combustvel injetada, realizada pelo regulador, feita de tal forma que no permita variaes da rotao. Isso exige um tempo de resposta muito rpido por parte do controlador, difcil de ser obtido de um sistema mecnico.2.6 Formao da mistura ar e combustvel em motores de ciclo Otto

De acordo com Giacosa (1986), para um motor funcionar deve haver a combusto de um combustvel com o ar atmosfrico. Para facilitar esta combusto o combustvel deve ser finamente pulverizado e misturado com ar em uma proporo correta, antes de entrar no motor.

Nos motores de ciclo Otto, o combustvel empregado em geral uma mistura de hidrocarbonetos, chamada gasolina. Na gasolina tambm existem outros compostos qumicos que reagem entre si e com os componentes do ar, durante a combusto, formando uma srie de poluentes.

Os hidrocarbonetos so substncias qumicas compostas de carbono e hidrognio. A combusto uma reao qumica entre o oxignio do ar com o carbono e o hidrognio do combustvel, resultando gua (H2O) e gs carbnico (CO2). A proporo ideal entre estes reagentes definida como relao estequiomtrica. Relao estequiomtrica a relao entre a quantidade de ar admitido e a quantidade de combustvel necessrio para haver uma combusto completa sem sobrar oxignio livre e nem carbono sem reagir.

Quando existe excesso de combustvel em relao quantidade de ar admitido, diz-se que a mistura est rica e sobra combustvel sem queimar, que sai semi-queimado pelo cano de descarga, causando poluio.

Quando h falta de combustvel em relao quantidade de ar admitido, se diz que a mistura pobre. Neste caso no aproveitada toda a potncia que o motor pode gerar.

Em regime normal de funcionamento a mistura deve ser mais prxima possvel da mistura estequiomtrica, porque esta apresenta o melhor equilbrio entre potncia, consumo e emisso de poluentes. Entretanto, em algumas faixas de rotao e carga, a mistura deve ser enriquecida e em outras empobrecida. Para facilitar a partida do motor ela deve ser temporariamente enriquecida, tambm enriquecida quando se necessita de um brusco acrscimo de potncia, por exemplo, durante a acelerao em uma ultrapassagem. Quando o motor pouco solicitado a mistura pode ser empobrecida para reduzir o consumo. Em geral se obtm maiores potncias com a mistura levemente rica, por outro lado se obtm um menor consumo com uma mistura levemente pobre.

Pode-se entender ento que a relao real de ar e combustvel difere da relao ideal (estequiomtrica). Para determinar a intensidade desta diferena estabeleceu-se a relao lambda (). Lambda indica quanto ar a mistura real tem a mais do que teria se fosse usada a relao estequiomtrica. Quando a relao lambda for igual relao estequiomtrica se diz que lambda igual a 1. Portanto, uma mistura pobre tem lambda maior que 1 e uma mistura rica tem lambda menor que 1 (Figura 3).

Figura 3 Relao Lambda. (Bosch, 2002).Disto se pode concluir que para cada situao de funcionamento instantneo do motor, em funo da carga aplicada, da rotao e at mesmo da temperatura, o valor de lambda deve variar para se obter a melhor condio de funcionamento. 2.7 Formao da mistura ar e combustvel em motores bi-combustvel

Nos motores bi-combustvel a formao da mistura se assemelha a dos motores de ciclo Otto, entretanto como o motor no tem uma vlvula para limitar a entrada de ar (borboleta do acelerador) a acelerao do motor deve ser feita pela dosagem do gs natural injetado no coletor de admisso. Isto faz com que o motor trabalhe com excesso de ar, ou seja, com mistura pobre, isto : lambda maior que 1. Segundo Pereira (2006), para facilitar a queima a mistura deveria ser rica e no pobre. Em misturas muito pobres devido dificuldade de ocorrer a reao de combusto parte do gs no queima saindo sob forma de hidrocarbonetos no queimados, pelo escapamento. Isto ocorre com pequenas cargas. J no caso de alta carga quase a totalidade da mistura passa pelo processo de combusto e, assim, a parcela de gs que passa pelo motor sem participar da combusto mnima. Para o motor trabalhar em ciclo Diesel a situao diferente. Segundo Ramos (2006) para a combusto completa do combustvel, necessrio formar uma mistura adequada deste combustvel com o oxignio. A proporo de ar nesta mistura depende da composio do combustvel. Esta quantidade de ar chamada de ar terico (ou ideal) necessrio (). A falta de ar (mistura rica) produz, em geral, um consumo alto de combustvel e a formao de CO (monxido de carbono) ou fuligem. A relao entre a quantidade de ar () e a terica () resulta relao lambda .

(4)

O fator usado para caracterizar os diferentes tipos de misturas. Assim:

- : indica mistura estequiomtrica (ideal)

- : indica misturas pobres (excesso de ar)

- : indica misturas ricas (excesso de combustvel)

Motores Diesel operam melhor com (misturas pobres). Contudo, o tempo para formao da mistura menor, pois, para garantir a combusto completa, deve existir excesso de ar. Caso no haja este excesso, ocorrer emisso de fuligem (CO e HC) por combusto incompleta. No motor Diesel a plena carga, normalmente no inferior a 1,3 e com o aumento da carga pode subir muito. Depende da qualidade da mistura, do combustvel, da forma da cmara de combusto, do estado trmico e de outras circunstncias. O volume de ar terico pode ser calculado pela composio qumica do combustvel. Filtros de ar, tubulaes, passagens e turbo compressor so dimensionados em funo do volume de ar necessrio combusto e devem estar desobstrudos, para no comprometer o funcionamento do motor.

Como pode ser visto o motor para trabalhar corretamente em ciclo Diesel deve ter excesso de ar (mistura pobre) enquanto para trabalhar em regime bi-combustvel o ideal seria uma mistura rica. Entretanto como o motor original Diesel no tem obstruo de ar no coletor de admisso a acelerao dever ser feita sempre pelo controle da quantidade de combustvel gasoso injetada e isto leva a misturas pobres, com exceo nas situaes de alta carga, onde necessrio injetar o mximo de gs at atingir a relao lambda prxima de 1, aproveitando assim todo o ar admitido no cilindro. 2.8 Gerenciamento eletrnico de motores

Segundo Camargo (2004), os motores modernos so eletronicamente gerenciados atravs da tecnologia de microprocessadores, assim se obtm um perfeito controle da combusto e otimizao do rendimento, com injeo de combustvel e/ou ignio eletrnica.

Estes motores dispem de um microprocessador de alta velocidade, capaz de repetir operaes matemticas complexas, como integraes e derivadas, analisar os resultados e tomar decises de correo para cada ciclo de combusto, individualmente para cada um dos cilindros. Em altas rotaes chegam a serem efetuados milhares de ciclos de clculos e correes por segundo.

Nos motores de ciclo Otto, assim como nos motores de ciclo Diesel, o sistema de alimentao de combustvel pressurizado. Nos motores de ciclo Otto o combustvel submetido a uma presso da ordem de 0,3 MPa (3 bar), podendo variar para mais ou para menos dependendo do fabricante. Nos motores de ciclo Diesel a presso superior a 20 MPa (200 bar). Nos motores de ciclo Otto existem bicos comandados pela central eletrnica que injetam combustvel no coletor de admisso, prximo vlvula do cilindro correspondente. Nos motores de ciclo Diesel os bicos injetores so eletronicamente comandados e injetam combustvel dentro da cmara de combusto. A quantidade de combustvel injetado depende do tempo de abertura do bico injetor.

Nos motores de ciclo Otto existe um sensor de ar que mede a massa de ar que est entrando no cilindro e a central eletrnica calcula o tempo de abertura do bico para que a quantidade de combustvel injetada complete com o ar uma mistura estequiomtrica. O instante exato de abertura do bico correspondente determinado tambm pela central eletrnica.Existe um sensor de posio e de rotao do motor, chamado de roda fnica, que indica para a central o momento preciso de cada ao.

Nos motores de ciclo Otto a ignio tambm gerenciada pela central eletrnica que determina o momento exato da fasca de cada vela, fazendo, eletronicamente, todas as compensaes e avanos necessrios.

Existe um sensor que analisa os gases da combusto, chamado sonda lambda.

Existem outros sensores de temperatura da gua, do leo, do bloco do motor e do ar ambiente, sensores de presso, alm de um sensor de detonao, que detecta a batida provocada por pr-ignio ou detonao.

Para cada ciclo de combusto, em cada cilindro, a central eletrnica coleta todas as informaes dos sensores, calcula a quantidade real de ar que est sendo admitida, determina a quantidade correta de gasolina e dispara o sistema de ignio no momento exato.Durante a combusto a central eletrnica detecta eventual detonao e faz as correes necessrias para o prximo ciclo.

Nos motores de ciclo Otto, imediatamente aps a combusto, os gases residuais so coletados e analisados pela sonda lambda, quanto ao teor de oxignio, determinando assim se a mistura de ar e combustvel estava correta. Em funo desta anlise tambm so feitas correes necessrias para o prximo ciclo.

Todos estes clculos e correes so feitos para se obter o melhor rendimento do motor para o combustvel para o qual ele foi projetado.

Entre as diversas funes que a central eletrnica executa existe uma muito importante: o ajuste automtico do ngulo de avano da ignio. E este ngulo limitado atravs do sensor de detonao que ao perceber o incio da detonao indica central eletrnica que o ngulo de avano deve ser reduzido um pouco para cessar a detonao.

De acordo com Conrad (1997), motores Diesel so inerentemente no-lineares, variando suas caractersticas com a temperatura ambiente, velocidade de operao e potncia de sada. Estes sistemas so discretos, variveis com o tempo, onde o incio da injeo de combustvel e a definio do tempo de injeo dependem da velocidade do motor que, por sua vez, depende da quantidade de combustvel injetada durante a largura de pulso de tempo, iniciada aps o comeo do processo de injeo.

muito difcil a obteno de um modelo matemtico preciso para sistemas reais com elevado grau de complexidade como um motor de combusto interna, mesmo usando-se equacionamento sofisticado aliado matemtica avanada. Para facilitar o gerenciamento eletrnico feito o mapeamento das funes a serem controladas em funo da carga e da rotao e o mapa tridimensional assim obtido armazenado em uma memria tipo eprom. Durante o funcionamento, a cada instante o processador busca no mapa os valores adequados para cada funo a ser controlada. O principal componente do gerenciamento eletrnico de um motor sem dvida a central eletrnica. A central eletrnica consiste de um poderoso micro processador capaz de receber todas as informaes emitidas pelos muitos sensores instalados no motor, tomar as decises, baseado em um mapeamento do funcionamento correto e acionar atuadores, que corrigem ou executam uma tarefa especfica para manter o motor funcionando na condio ideal a cada instante. A central eletrnica gerencia o motor como se cada cilindro fosse um motor independente e sem influncia sobre os outros, e todos os clculos, aes e correes so repetidos a cada ciclo de funcionamento do motor (Figura 4).

Figura 4 Central de gerenciamento eletrnico micro-processado (Camargo, 2004). Entre as funes bsicas a serem controladas pela central eletrnica, duas so muito importantes: a dosagem de combustvel e instante do inicio da ignio.

Para que a central eletrnica possa executar as funes de comandar a dosagem de combustvel e a ignio, so necessrias muitas informaes fornecidas por diversos sensores que podem ser organizadas por grupos de funes afins.

O primeiro gera duas informaes necessrias: a posio angular do motor em relao aos 720 de um ciclo completo e ao mesmo tempo o regime de rotao do motor a cada instante (rpm instantnea). Estas duas informaes so obtidas a partir de um disco dentado que gira solidrio com o eixo de comando de vlvulas (Figura 5).

Figura 5 Sensor de posio angular e rotao. (Camargo, 2004)

Neste disco h falta de dois dentes que determinam o ngulo zero para o primeiro cilindro. Um sensor de proximidade fixo na carcaa do motor, percebe quando um dente do disco passa pelo mesmo e emite um pulso eltrico para a central eletrnica. A central detecta a rotao medindo a freqncia dos pulsos e detecta o ngulo zero pela falta de dois pulsos. O ngulo instantneo definido pela contagem dos pulsos a partir do ngulo zero. A roda dentada (roda fnica) tem 58 dentes e duas falhas, ou seja, 60 divises. Isto significa que cada pulso corresponde a 1/60 de uma rotao, ou seja, 360/60 = 6. Ento cada pulso corresponde a 6 graus de giro da roda fnica.

Outro grupo de sensores define as condies do ar admitido. Consistem de um sensor de quantidade de ar admitido a cada instante e de sensores de temperatura e presso atmosfrica deste ar, alm de um sensor de posio da borboleta do acelerador no caso de motores de ciclo Otto. Existem diversos tipos de sensores de quantidade de ar admitida pelo motor. Os mais comuns so: os medidores de fluxo de ar, que medem o volume de ar aspirado pela deflexo de uma vlvula borboleta que reage contra a presso de uma mola; e o medidor de massa de ar a fio quente. Neste, o fluxo de ar passa atravs de uma tubulao onde existe um fio eletricamente aquecido, o qual esfriado pelo fluxo de ar que est passando. Medindo-se a temperatura e a corrente eltrica necessria para manter o fio aquecido, pode-se determinar a massa de ar que est passando pela tubulao por unidade de tempo. Em ambos os casos so necessrias muitas correes em funo da temperatura do ar que est sendo admitido e sua presso atmosfrica.

Outro grupo de sensores, formados pela sonda lambda e pelo sensor de detonao, serve para corrigir as aes comandadas pela central eletrnica para o prximo ciclo do cilindro correspondente.

Para determinar a carga qual o motor est submetido, a central eletrnica considera a relao entre a posio da borboleta do acelerador, a massa de ar admitida e a rotao instantnea do motor.

Aps efetuar os clculos, pr-definidos no programa do micro processador, com base nas informaes recebidas dos sensores, fica determinada: a rotao instantnea do motor, a massa de ar admitida e conseqentemente a carga qual o motor est submetido. Resta central eletrnica definir a massa de gasolina a ser pulverizada no ar que est sendo admitido para formar a mistura e determinar o instante exato que deve ser formada a centelha eltrica que ir dar incio combusto. No caso de motores Diesel, a central eletrnica ir determinar o momento de incio da injeo de combustvel e a durao desta injeo.

Como o motor, na realidade, no trabalha com a mistura estequiomtrica e sim com um valor da relao lambda diferente de 1 e varivel a cada instante, dependendo do regime de rotao, da carga qual o motor est submetido, da temperatura do motor, e at da presso atmosfrica, torna-se difcil calcular a cada instante a massa de combustvel a ser injetado.

Para facilitar feito um mapeamento do motor onde fica determinada, em funo da rotao e da carga, qual a relao lambda adequada. Este mapeamento feito experimentalmente e fica armazenado na memria da central eletrnica. So tantos os fatores que influem na determinao da relao lambda que o mapa tridimensional obtido tem a forma de uma cadeia de montanhas (Figura 6). V-se que s possvel obter este mapeamento por mtodo experimental.

Figura 6 Mapeamento da relao lambda. (Bosch, 2002)De acordo com Guzella (1998 apud, Ramos 2006) a tcnica de mapeamento dos sinais de entrada e sada tradicionalmente usada para fazer o controle da injeo em motores de combusto interna. O mapeamento consiste no seguinte:

O motor previamente ensaiado, e levantam-se tabelas e curvas para registrar os pontos timos de funcionamento, para cada condio de entrada;

Estes dados so armazenados, na forma de mapas, na memria de uma CPU que faz o processamento matemtico requerido para gerenciar eletronicamente o motor. Assim, diz-se que o motor foi mapeado;

Com o motor em funcionamento, os sinais provenientes dos sensores conectados ao motor so processados e cruzados com os mapas de memria. Os dados de entrada e sada so processados e comparados, atravs de interpolaes matemticas, com os valores previamente levantados e armazenados na memria da CPU.Os valores de sada destes mapas so determinantes para as aes de controle a serem tomadas pelos atuadores existentes no motor.

O uso (somente) do mapeamento limita as condies de operao do motor s situaes previstas nos ensaios. A adaptabilidade restringida e pode haver perda da capacidade de antever situaes adversas, como o desgaste gradual dos diversos componentes do motor. Mas esta tcnica realizada pelos principais fabricantes de centrais de injeo eletrnica, tais como Bosch, Magneti-Marelli e Motec.

Assim resta central eletrnica, tendo j calculado a massa de ar, a carga qual o motor est submetido e a rotao instantnea, encontrar no mapa da memria qual o valor adequado de lambda e ento determinar a massa de combustvel.

O bico injetor de combustvel fica situado no coletor de admisso bastante prxima da vlvula de admisso. Este bico injetor (que no deve ser confundido com bico injetor de motor Diesel) tem uma vazo determinada por unidade de tempo que permanece aberta. Ento, basta controlar o tempo de abertura para se ter o controle sobre quantidade de combustvel injetado. Portanto, a central eletrnica apenas controla o tempo de injeo.

Da mesma forma tambm difcil determinar com exatido o momento em que se deve dar a ignio, devido aos inmeros fatores que afetam o ponto de ignio.

Entende-se que a mistura ar e combustvel dentro da cmara de combusto no sofre uma queima instantnea. Isto seria uma detonao prejudicial ao motor. A queima progressiva, apesar de muito rpida e leva um tempo para se propagar por toda a mistura. Ento necessrio que a combusto inicie um pouco antes do pisto chegar ao ponto morto superior, ou seja, a ignio ocorre com um determinado ngulo de antecipao. Este ngulo chamado de ngulo de avano da ignio. O ngulo de avano definido de tal forma que o aumento da presso dos gases, resultante da combusto, ocorra logo aps o ponto morto superior, quando o pisto j iniciou o ciclo de descida, convertendo esta presso em torque no virabrequim. Se o motor estiver funcionando em rotao elevada natural que este ngulo seja aumentado para que o ponto de mxima presso se d sempre logo aps a ultrapassagem do ponto morto superior. Portanto, o ngulo de avano da ignio deve ser varivel com a rotao.

Em um motor antigo de ciclo Otto, sem gerenciamento eletrnico esta variao do ngulo de avano, em funo da rotao, era feito por um sistema mecnico constitudo de contrapesos centrfugos. Era chamado de avano centrfugo da ignio. Nos motores Diesel com bomba injetora convencional, o avano do ponto de injeo tambm feito por contrapesos que geram uma fora centrfuga. Por outro lado, para aumentar o torque do motor em baixas rotaes sob carga tambm deve ser aumentado o ngulo de avano da ignio. Nos motores Otto, antigos sem gerenciamento eletrnico este aumento do ngulo de avano em funo da carga era feito por um sistema pneumtico onde o vcuo formado em um determinado ponto do venturi do carburador acionava um diafragma, que por sua vez produzia a antecipao do ponto de ignio. Era o chamado avano a vcuo. Como se pode ver o sistema antigo alm de ter uma grande complexidade mecnica no oferecia preciso.

Em um motor com gerenciamento eletrnico feito um mapeamento tridimensional, por mtodos experimentais, determinando-se com preciso o ngulo de avano de ignio ou de injeo (no caso de motores Diesel) correto em funo da rotao e da carga qual o motor esta submetido a cada instante. Este mapeamento, assim como o mapeamento da relao lambda, apresenta o aspecto de uma cadeia de montanhas, tal a sua complexidade (Figura 7). Este mapeamento tambm fica armazenado na memria do micro processador, como no caso da relao lambda. Ento basta terem sido determinados a rotao do motor e a carga aplicada para a central eletrnica encontrar o momento exato da ignio. Estes clculos so repetidos para cada cilindro e para cada ciclo de funcionamento de cada cilindro.

Figura 7 Mapeamento do ngulo de avano da ignio. (Bosch, 2002)Entretanto, apesar de todos os clculos feitos, tanto o ngulo de avano da ignio como a quantidade de combustvel injetada, podem ainda no estar totalmente corretas. Se por exemplo a cmara de combusto estiver muito aquecida, a combusto facilitada e pode haver pr-ignio, que leva a detonao. A detonao a queima instantnea de toda ou parte da mistura de ar e combustvel, causando uma espcie de exploso dentro do motor. Este fato causa acrscimos excessivos de presso que podem danificar o motor, provocando um desgaste prematuro e at a ruptura de componentes internos como bielas, virabrequim e pistes, portanto deve ser evitado. A detonao produz um rudo caracterstico, com se fosse uma batida seca. O sensor de detonao detecta este rudo e informa a central eletrnica atravs de um pulso eltrico. A central eletrnica ao receber esta informao, reduz o ngulo de avano da ignio j para o prximo ciclo deste cilindro. Esta reduo do ngulo de avano da ignio dificulta a ocorrncia de detonao, pois atrasa um pouco o ponto de ignio.

A sonda lambda um sensor que determina a quantidade de oxignio livre nos gases de escapamento, e conseqentemente a relao lambda. Imediatamente aps a combusto, a sonda lambda analisa os gases expelidos e informa atravs de um sinal eltrico qual o teor de oxignio livre. Com esta informao a central eletrnica revisa o clculo feito para determinar a massa de combustvel em funo do valor lambda mapeado e corrige j para o prximo ciclo do cilindro respectivo.

Os modernos veculos eletronicamente gerenciados agregam muitas outras funes, entre elas pode-se incluir o gerenciamento do sistema de frenagem ABS, o sistema de gerenciamento de trao, abertura e fechamento de vidros e portas, o sistema de segurana contra furtos, o sistema de piloto automtico (controle automtico da acelerao), o sistema de gerenciamento da estabilidade espacial do veculo (empregado no Mercedes Classe A), o sistema de navegao por GPS, e outras tantas funes que dia a dia esto sendo implementadas.

Nos motores de ignio por compresso (Diesel) o sistema de gerenciamento eletrnico segue as mesmas regras do gerenciamento de motores Otto, porm mais simples, com menos funes. H no mercado os chamados motores Diesel eletrnico. Estes no so motores de injeo eletrnica. So motores que utilizam uma bomba injetora e bicos injetores mecnicos gerenciados eletronicamente, atravs de reguladores eletrnicos digitais.

Os motores Diesel com injeo eletrnica de combustveis possuem uma bomba de alimentao que mantm pressurizada um tubo principal chamado de common rail, do qual partem tubulaes que levam o combustvel para um bico injetor que injeta combustvel diretamente dentro da cmara de combusto. Este bico tem funo simultnea de bomba (eleva a presso at a necessria para promover a pulverizao do combustvel) e bico pulverizador. Este bico acionado por uma bobina eltrica e muitas vezes auxiliado por ar comprimido ou leo sob presso.

Os sistemas eletrnicos de gerenciamento possuem uma resposta transitria rpida, bastante linear, mas so projetados pelos fabricantes para gerenciar apenas o dbito de combustvel Diesel. Estes equipamentos no so dedicados ao gerenciamento quando o motor utiliza outros combustveis ou quando este opera no regime bi-combustvel.2.9 Sistemas dedicados

Ramos (2006) desenvolveu um algoritmo baseado em lgica fuzzy para gerenciar um circuito micro processado destinado a comandar a injeo de combustvel em um motor. Este algoritmo assim como o circuito desenvolvido sobre um micro controlador tipo PIC (Periferic Interface Controler) foi utilizado para injetar gs natural em um motor Diesel bi-combustvel. Este algoritmo pode ser utilizado para comandar tambm a injeo de gasolina ou de leo Diesel em um motor convencional do tipo common rail. Entretanto, Ramos (2006) afirma que: A maior dificuldade no projeto do controlador nebuloso est no desenvolvimento do bloco de regras. Como os demais componentes do controlador (fuzzificador e defuzzificador) j possuem procedimentos matemticos prprios para o seu tratamento, a complexidade do projeto recai sobre o desenvolvimento do conjunto de regras. Portanto, a determinao do conjunto de regras do controlador depende de heurstica, conhecimentos prvios, experimentos com a planta, entrevistas com especialistas e operadores e anlises dos resultados obtidos a cada teste. A determinao de cada ao de controle depende estritamente da resposta da planta ao de controle anterior. Como o sistema possui uma dinmica lenta, a demanda computacional dos algoritmos de controle no causa atrasos que venham a comprometer a ao dos equipamentos (RAMOS, 2006, p. 75).Pode-se ver que o uso de lgica fuzzy, apesar de ser uma tecnologia avanada, ainda apresenta problemas para a sua implementao em escala maior.

Existem no mercado algumas centrais eletrnicas micro-processadas, abertas, cujo usurio com conhecimento adequado pode modificar o programa de gerenciamento, alterando diretamente o cdigo fonte ou atravs de um programa auxiliar que faz o papel de compilador. Estas centrais eletrnicas so largamente utilizadas em veculos de competio. Assim, o piloto pode programar a resposta do processador conforme seu modo de dirigir ou conforme as condies da pista. 2.10 Reviso de termodinmica - transformaes dos gases perfeitos

Antes de se estudar o ciclo de um motor necessrio entender as transformaes dos gases perfeitos.

Segundo Giacaglia (2007), as representaes das transformaes dos gases prefeitos podem ser apresentadas segundo planos diferentes, conforme as variveis estudadas. Assim, se tem o plano de Clapeyron, onde as transformaes esto relacionadas com presso e volume, gerando o diagrama PV; o plano de Clausius, onde as variveis so temperatura e entropia, gerando o diagrama TS e o plano de Mollier onde as variveis so entalpia e entropia. Pode-se ainda estabelecer outros planos de estudo como plano VT ou TP, de menor importncia para este estudo.

As principais transformaes dos gases perfeitos so:

- Isomtrica: Transformao a volume constante (Figura 8).

Nesta transformao, ao passar do estado 1 para o estado 2, a presso do gs aumenta, porm seu volume permanece constante. Com o aumento da presso h uma elevao da temperatura e consequentemente aumento da entropia. No diagrama TS, a rea em cor vermelha representa o calor Q absorvido de uma fonte externa na transformao.

Diagrama PV (Clapeyron) Diagrama TS (plano Clausius)

(a) (b)

Figura 8 - Transformaes isomtricas representadas pelos diagramas PV (a) e TS (b) (Giacaglia, 2007).Na transformao isomtrica, o volume mantido constante. No diagrama PV, o volume representado por uma linha paralela ao eixo das presses. Da equao dos gases ideais, pode-se deduzir que, entre dois pontos 1 e 2, vale a relao:

P 1/ P2 = T1 / T2. (5)Na prtica, essa transformao ocorre, por exemplo, quando aquecida ou resfriada uma massa de gs no interior de um recipiente rgido e fechado.Desde que no haja variao de volume, no pode haver trabalho externo, o que matematicamente pode ser comprovado pela relao dW = p dv. Portanto, W = 0.

- Isobrica: Transformao a presso constante (Figura 9).


(a) (b)

Figura 9 - Transformaes isobricas representadas pelos diagramas PV (a) e TS (b) (Giacaglia, 2007).Nesta transformao, ao passar do estado 1 para o estado 2, o volume do gs varia, porm sua presso permanece constante. Com a variao do volume h uma correspondente variao da temperatura e, conseqentemente, um aumento da entropia.

A rea verde do diagrama PV no plano de Claperyon representa o trabalho desenvolvido pelo gs durante a transformao.

Com a variao do volume h uma correspondente variao da temperatura e, conseqentemente, um aumento da entropia. No diagrama TS no plano de Clausius a rea de cor vermelha representa a energia Q envolvida na transformao, ou seja, a quantidade de calor absorvida de uma fonte externa durante a transformao.- Adiabtica Transformao sem troca de calor (Figura 10).


(a) (b)

Figura 10 - Transformaes adiabticas representadas nos diagramas PV (a) e TS (b) (Giacaglia, 2007).Nesta transformao, ao passar do estado 1 para o estado 2, o volume do gs e sua presso variam. Com a variao do volume h uma correspondente variao da temperatura. Entretanto, a entropia permanece constante, ou seja, no h troca de calor com o meio externo. No diagrama PV (plano de Claperyon), a rea em cor verde representa o trabalho realizado. No plano de Clausius pode ser visto que a entropia permanece constante.

- Isotrmica Transformao onde a temperatura se mantm constante (Figura 11).


(a) (b)

Figura 11 - Transformaes isotrmicas representadas nos diagramas PV (a) e TS (b). (Giacaglia, 2007).Nesta transformao a presso e o volume so inversamente proporcionais.

Na transformao com temperatura constante, o lado direito da equao dos gases ideais (p V = n R T) invarivel e podemos escrever p V = n R T = constante. Portanto, as curvas isotrmicas so hiprboles eqilteras. Naturalmente, o valor da constante depende da temperatura em que o processo mantido.

Entre dois pontos genricos (1 e 2) de uma curva isotrmica tem-se:p1 V1 = p2 V2 = n R T.

Como se sabe, a energia interna de um gs ideal s depende da temperatura. Se ela constante u = u2 - u1 = 0.

A rea verde do diagrama PV no plano de Claperyon representa o trabalho interno desenvolvido pelo gs durante a transformao.

- Politrpica: Transformaes onde a troca de calor proporcional temperatura, ou seja, quando a transformao se realiza a calor especfico constante. Dessa forma, a relao existente entre a presso e o volume pode ser expressa pela seguinte equao:

(6)onde:

p=presso, v= volume, n= expoente politrpico e c= valor constante.2.11 Ciclos dos motores trmicos

Segundo Giacosa (1980), o ciclo trmico de um motor de combusto interna o conjunto de transformaes de presso, volume e conseqentemente temperatura, que sofre o fluido operante durante o funcionamento do motor. Partindo de um estado inicial de presso, volume e temperatura, durante as transformaes os valores se modificam e ao final retornam ao ponto de partida formando um ciclo que se repete.

Para o funcionamento do motor indispensvel um desnvel trmico, isto , deve ser introduzido calor a uma temperatura elevada e, aps a expanso dos gases, deve ser retirado calor a uma temperatura mais baixa antes de levar os gases suas condies iniciais. 2.11.1 Ciclo de Carnot

um ciclo terico caracterizado por duas transformaes isotrmicas (compresso e expanso) e duas transformaes adiabticas (compresso e expanso) alternadamente.Na, Figura 12 est representado o diagrama que relaciona a presso e o volume para o ciclo de Carnot.

Figura 12 - Diagrama Presso x Volume para o ciclo de Carnot (Giacaglia, 2007).O grfico apresentado favorece a visualizao da alternncia existente entre as transformaes isotrmicas e adiabticas.

Primeiramente, tem-se uma expanso isotrmica (a-b), na qual h transferncia de calor para a fonte quente. No trecho (b-c), observa-se a ocorrncia de uma expanso adiabtica, ou seja, no h troca de calor, apenas reduo da temperatura. J no trecho (c-d), ocorre uma compresso isotrmica na qual a fonte fria perde calor. Finalmente, o ciclo se completa com uma compresso adiabtica, onde ocorre um aumento da temperatura desde a fonte fria at a fonte quente.Dessa maneira, o rendimento do ciclo de Carnot o rendimento mximo que uma mquina trmica pode ter, visto que, o ciclo apresenta menor perda de energia para o meio externo (fonte fria).Assim, o rendimento em porcentagem da mquina de Carnot igual a:

(7)Onde:

Tc = Temperatura da fonte fria (em graus Kelvin).Th = Temperatura da fonte quente (em graus kelvin).Um estudo similar ao realizado no grfico anterior, pode ser feito observando-se a Figura 13. Esta imagem, representa o ciclo de Carnot no plano de Clausius e tambm permite a visualizao das tranformaes de compresso e das tranformaes adiabticas. Quando se tem constantes as entropias (S1, S2) estar ocorrendo uma transformao adiabtica, e quando as temperaturas (T1 e T2) permanecerem constantes tem-se transformaes isotrmicas.

Figura 13 Ciclo de Carnot no plano de Clausius. (Giacaglia, 2007).Dessa forma, o calor absorvido pela fonte quente (isoterma T1), pode ser expresso por:

(8)

O calor transformado em trabalho est representado pela rea dentro do ciclo (rea azu

tese versão final completa.doc

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