usar em caso de falar da combustao.pdf

1

ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE DE SO PAULO

HUMBERTO YUKI HIGA

ESTUDO E PROPOSIO PARA REDUO DE CONSUMO DO

MOTOR FLEX-FUEL

SO PAULO

2011

2

HUMBERTO YUKI HIGA 4942328

ESTUDO E PROPOSIO PARA REDUO DE CONSUMO DO

MOTOR FLEX-FUEL

Trabalho de Formatura PME2600 Projeto Integrado III.

rea de Concentrao:

Engenharia Mecnica.

Orientador:

Prof. Dr. Marcos de Mattos Pimenta

SO PAULO

2011

4

Resumo

Inicialmente, o presente trabalho fez uma recordao histrica que culminou

na criao dos motores Flex-Fuel. Tambm uma reviso bibliogrfica foi

necessrio para o melhor entendimento da problemtica do motor Flex-

Fuel, ou seja, entender melhor o porqu esse tipo de motor consumir mais

do que seus equivalentes movidos a um combustvel s. Tambm foram

abordadas algumas questes tecnolgicas como a da Sonda Lambda e

alguns conceitos tericos tambm foram discutidos. Foi proposto um

modelo matemtico de uma combusto no motor e foi realizada uma

simulao com o programa SCILAB. Feito isso, uma simulao foi realizada

com a proposta de usar a tecnologia Downsizing. Por fim, foi feita a anlise

dos resultados e feita a concluso.

Palavras-chave: Motor de Combusto Interna (MCI), Flex-Fuel, Rendimento,

Consumo, Etanol, Downsizing.

5

Abstract

Initially, this work made a historical that culminated in the creation of Flex-

Fuel engine. Also a literature review was needed to better understand the

problem of flex-fuel engines, or better understand why this type of engine to

consume more. Also discussed were some technological issues such as the

Lambda Sensor and some theoretical concepts were also discussed. We

proposed a mathematical model of a combustion engine and the simulation

was carried out with the program SCILAB. This simulation was performed

with the proposal to use technology Downsizing. Finally, the analysis was

made, and the results and the conclusion were obtained.

Keywords: Internal Combustion Engine (ICE), Flex-Fuel, Consumption,

Ethanol, Downsizing.

6

Sumrio Pg.

1.Introduo....................................................................................................11

2.Breve histria...............................................................................................11

2.1.Pr-lcool....................................................................................................11

2.2. O motor Flexvel.........................................................................................14

2.3 Perspectivas ambientais e comerciais.........................................................16

2.4. Curiosidades...............................................................................................17

2.4.1. Ford-T.....................................................................................................17

2.4.2. Buick Regal Turbo Flex 2011..................................................................18

3. Reviso terica sobre motores a combusto interna..............................19

3.1. Ciclo mecnico...........................................................................................23

3.2. Ciclo termodinmico...................................................................................25

4. Motor Flex-Fuel...........................................................................................28

4.1. Equacionamento bsico e pr-anlise do consumo do motor Flex............28

4.1.1. Octanagem do combustvel.....................................................................31

4.2. Pr-anlise de dados reais.........................................................................33

4.2.1.Funcionamento bsico do motor Flex......................................................35

4.3. Caractersticas dos combustveis...............................................................36

4.3.1. Gasolina...................................................................................................36

4.3.2. Etanol...................................................................................................... 37

4.4. Relao ar/combustvel da mistura e a sonda Lambda..............................38

4.5.Modelagem termodinmica..........................................................................42

4.5.1.Modelo zero-dimensional.........................................................................43

4.6. Modelo proposto de um MCI em uma anlise termodinmica....................44

4.6.1.Diferena entre o Ciclo Otto e o motor real..............................................44

4.6.2. Perda de calor por conveco.................................................................48

4.6.3.Clculo do coeficiente de transferncia de calor......................................49

4.6.4. Clculo do calor especfico.....................................................................49

4.6.5. Equacionamento do motor......................................................................55

4.6.6. Clculo da variao da temperatura na cmara de combusto..............57

4.6.7. Clculo da presso da cmara de combusto.........................................57

4.7. Simulao e resultados do programa.........................................................58

7

4.8. Anlise, simulao e resultados da soluo proposta: Downsizing............62

5- Concluso....................................................................................................70

7. Sugestes para trabalho futuro.................................................................70

8. Referncias bibliogrficas..........................................................................71

8

Lista de figuras.

Figura 1: Fiat 147 1978 a lcool.

Figura 2: Dodge 1800 1975 a lcool.

Figura 3: Produo de acar versus lcool perodo 1975-2000

Figura 4: Vendas de carro a lcool e gasolina.

Figura 5: Volkswagen Total Flex 1.6 2003

Figura 6: Sistema de Injeo eletrnica Flex-Fuel.

Figura 7: Ford T 1910

Figura 8: Buick Regal Flex-Fuel


Figura 10: Aero-Willys 1959

Figura 11: Rural Willys 1960

Figura 12: Willys CJ 1961

Figura 13: Vista em corte do motor Willys-Overland do Brasil



Figura 16:Ciclo do Motor a Combusto Interna.

Figura 17: Diagrama p-v para Ciclo Otto

Figura 18: Diagrama T-s para Ciclo Otto

Figura 19: Diagrama p-v para Ciclo real

Figura 20: Diagrama rendimento e taxa de compresso.

Figura 21: Pisto com furo devido a detonao.

Figura 22: Vela danificada devido a detonao.

Figura 23: Esquema do funcionamento do motor Flex

Figura 24: Curva da reao da Sonda Lambda.

Figura 25: Detalhe internos e de instalo da Sonda Lambda.

Figura 26: Detalhe externo da Sonda Lambda

Figura 27: Diferena de queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)

Figura 28: Queima do ciclo Otto com Wiebe (Heywood, 1988, DE MELO, 2007)

Figura 29: Queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)

Figura 30: Queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)

Figura 31: Rendimento da combusto.

9

Figura 32: Variao do calor especfico da gasolina

Figura 33: Variao do calor especfico do etanol

Figura 34: Variao do calor especfico do gs carbono.

Figura 35: Variao do calor especfico do oxignio.

Figura 36: Variao do calor especfico do nitrognio.

Figura 37: Variao do calor especfico da gasolina e etanol.

Figura 38: Variao do calor especfico do ar e dos produtos da combusto do

etanol.

Figura 39: Variao do calor especfico do ar e dos produtos da combusto da

gasolina.

Figura 40: Desenho de um MCI (DE MELLO.2007)

Figura 41: Presso versus ngulo do girabrequim para motor 1.8.

Figura 42: Presso versus volume da cmara de combusto para motor 1.8.

Figura 43: Presso versus ngulo do girabrequim para motor 1.8 (etanol rico).

Figura 44: Presso versus volume da cmara de combusto para motor

1.8(etanol rico).

Figura 45: Consumo por combusto

Figura 47: Motor 1.0 Ford Ecoobost.

Figura 48: VW Gol 1.0 16V Turbo.

Figura 49: Motor VW AT 1.0 16V Turbo

Figura 50: Ford Fiesta Supercharger

Figura 51: Motor Ford Zetec 1.0 Supercharged, com destaque no compressor.

Figura 52: Mapa do consumo especfico

Figura 53: Fora sobre o pisto versus ngulo do girabrequim.

Figura 54: Presso versus ngulo do girabrequim.

Figura 55: Presso versus volume da cmara de combusto.


10

Lista de tabelas.

Tabela 01: Vendas de veculos de acordo com o tipo de combustvel.

Tabela 02: Chevrolet Monza 1989

Tabela 03: Chevrolet Vectra 2010

Tabela 04: Ford Focus 1.6 Flex

Tabela 05: Ford Focus 2.0 Gasolina

Tabela 06: Toyota Corolla 1.6 gasolina

Tabela 07: Toyota Corolla 1.8 Flex

Tabela 08: Caractersticas da gasolina.

Tabela 09: Caractersticas do etanol.

Tabela 10: Razo Ar/Combustvel e resposta do sensor.

Tabela 11: Constantes dos reagentes e produtos da combusto.

Tabela 12: Dados do motor 1.8

Tabela 13: Dados do motor 1.0 Downsizing

11

1- Introduo.

Usualmente, os fabricantes de automveis brasileiros, privilegiam uma taxa

de compresso para um tipo de combustvel, ou ento usam uma taxa de

compresso intermediria nos motores de combusto interna do tipo Flex-

Fuel. Ambos os casos, de uma forma ou outra, o motor no funciona de

forma eficiente, j que a taxa de compresso sempre mantida constante

tanto para a gasolina, quanto para o etanol. Dessa forma, o motor

consumir mais combustvel e emitir poluentes em maior quantidade

comparando com um automvel monocombustvel. Intuito do presente

trabalho estudar o funcionamento dos motores Flex-Fuel e propor uma

soluo no que diz respeito no menor consumo.

2. Breve histria.

2.1- Pr-lcool.

Com a crise do petrleo instalada na dcada de 70 (1973), promovida pelos

pases membros da OPEP, instigou naes dependentes do leo mineral a

buscar alternativas energticas que pudessem substituir o petrleo de

maneira mais adequada possvel. No caso do Brasil, atravs do decreto n

76.593 de 1975, cria-se o Pr-lcool. O programa visava substituir a escassa

gasolina pelo lcool etlico carburante. A poca da crise do petrleo, cerca

de 80% do lcool era importado. Logo aps, primeira experincias com este

tipo de combustvel estavam sendo realizadas pelo Centro Tcnico

Aeroespacial (CTA) em So Jos dos Campos em conjunto com a Chrysler-

Dodge oferecendo um modelo denominado de Dodge 1800. pelo Com a ps

implantao do programa, em 1976, o Brasil j produziria cerca de 600

milhes de litros. Em 1980, 3,4 bilhes e em 1987, 12,3 bilhes de litros de

lcool etanol. O primeiro carro lanado comercialmente no Brasil movido a

esse tipo de combustvel, foi o Fiat 147 em 1978. Popularmente, era

conhecido como Cachacinha.

12

Figura 1: Fiat 147 1978 a lcool.

Fonte: g1.globo.com

Figura 2: Dodge 1800 1975 a lcool.

Fonte: http://www.iae.cta.br/?action=motor

A partir da, automveis com esse tipo de combustvel tiveram uma

participao cada vez maior. A propaganda era muito forte e o mote era

Carro a lcool: voc ainda ter um. J em 1986, praticamente 90% dos

carros de passeio vendidos no Brasil era movida a esse tipo de combustvel.

Porm, o Pr-lcool comeo a ruir quando o preo internacional do petrleo

comeou a baixar muito ao mesmo tempo em que o preo do acar

13

comeou a subir. Pela Lei da demanda e oferta, os usineiros preferiram

produzir mais acar do que o lcool.

Figura 3: Produo de acar versus lcool perodo 1975-2000

Fonte: UNICA

Logo, o combustvel comeou a deixar de ser oferecido regularmente para

o mercado e o aumento de preo foi considervel. Com crises sucessivos

de abastecimento aliadas ao maior consumo do lcool pelos automveis a

esse tipo de combustvel, levaram descrena do consumidor na

motorizao lcool. J em 1989, automveis a gasolina superaram em

vendas comparando a aquelas movidas a etanol. De 1990 at o ano 2000,

carros lcool se tornou irrelevante. O Pro-lcool estava beira da

fracasso.

0

10

20

30

40

50

60

70

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100

1975 1980 1985 1990 1995 2000

Per

cen

tual

em

mas

sa p

rod

uzi

do

Ano

lcool etanol produzido.

Acar produzido

14

Figura 4: Vendas de carro a lcool e gasolina. Fonte: UNICA

2.2- O motor flexvel.

O lcool combustvel s se tornou interessante para o consumidor em uso

automotivo com a tecnologia flexvel. A novidade possibilitava ao motorista,

abastecer o tanque de acordo com o preo do lcool/gasolina. O primeiro

carro a ser lanado com essa tecnologia foi o Volkswagen Gol Total Flex,

lanado em abril de 2003.

Figura 5: Volkswagen Total Flex 1.6 2003

Fonte: www2.uol.com.br

0

10

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40

50

60

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80

90

100

1979 1984 1989 1994 1999

Car

ros

pro

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zid

os

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erm

os

per

cen

tuai

s

Ano

Carro produzidos lcool

Carros produzidos gasolina

15

O sistema de injeo de combustvel fora desenvolvida pela Magnetti-

Marelli. A Bosch tambm vinha desenvolvendo esse sistema e em junho

daquele mesmo ano, juntamente com a Ford, lana o Fiesta Flex-Fuel. A

GM lana no mesmo ms, o Corsa Flexpower juntamente com a tecnologia

da Delphi.

Atualmente (2010), carros com esse tipo de motorizao representa quase

que 80% da produo brasileira de automveis de passeio.

Tabela 1: Vendas de veculos de acordo com o tipo de combustvel. Fonte: Anfavea.

Essa tecnologia que conhecemos hoje, no exclusividade brasileira. Ela

provem de experincias realizadas nos Estados Unidos. Ressentidos pela

crise de petrleo, o governo federal dos EUA aprovaram em 1988, a lei Ato

dos Combustveis Alternativos. Essa lei estimulava o desenvolvimento de

veculos Flex e limitava a mistura de lcool/gasolina em 85%. Atualmente,

esse tipo de combustvel denominado nos EUA como E-85. A tecnologia

Flex s foi possvel ser implantada devido ao uso da injeo eletrnica, j

disponvel em grande escala no mercado norte-americano. Isso possibilitou

implementar algoritmos que modificavam a resposta da injeo do

combustvel de acordo com o combustvel misturado, utilizando sensores e

software disponveis no sistema.

16

Figura 6: Sistema de Injeo eletrnica Flex-Fuel.

Fonte: www.redetec.org.br

O primeiro fabricante de sistemistas a pesquisar essa tecnologia foi a filial

da Bosch nos Estados Unidos. J em 1992, a General Motors lana o

primeiro carro Flex. Estima-se que cerca de 2,5 milhes de unidades, foram

vendidas entre os anos de 1992 a 2005.

No Brasil, esta tecnologia foi desenvolvida a partir de 1994 pela Bosch.

Paralelamente, a Magneti-Marelli tambm comeou a desenvolver o

sistema em 1999 e ela foi a pioneira a lanar no mercado, essa tecnologia

em 2003 com o Volkswagen Gol 1.6 TotalFlex.

2.3. Perspectivas ambientais e comerciais.

Em termos ambientais, na perspectiva brasileira e no mundial, o Flex

imbatvel na questo de emisses do gs carbono. Basicamente, o gs

carbono que liberado durante a combusto do etanol, reabsorvido a

partir do plantio da cana de acar, ou seja, o ciclo do gs carbono se

fecha. Um outro dado importante, uma mistura simples de apenas 25% na

17

gasolina(o que de fato realizado no Brasil) to eficaz na reduo de gs

carbono quanto um carro hbrido movida por gasolina pura. Ou seja, uma

soluo muito mais simples e barata que os caros hbridos se

considerarmos uma perspectiva de curto e mdio prazo. A diferena de

preo de um modelo convencional a gasolina com um modelo Flex, no

mais que 150 dlares enquanto que se compararmos com um modelo

hbrido com um modelo convencional, o preo supera os 30% do valor total

do carro e esse preo com incentivos governamentais.

2.4- Curiosidades.

2.4.1. Ford T.

O primeiro carro Flex vendido no mundo foi o Ford T. A venda no foi em

larga escala, apenas para clientes especficos. Este Ford, possua um

carburador com injeo ajustvel, bem como a sua ignio. Henry Ford

defendeu o uso do lcool, nem com a Lei Seca o desestimulou. Apesar

disso, o uso da gasolina que prevaleceu devido a baixo custo da poca.

Figura 7: Ford T 1910

Fonte: www.webmotors.com.br

18

2.4.2. Buick Regal Turbo Flex 2011.

Recentemente, a Buick, diviso pertencente General Motors, anunciou

que lanar nos meados de 2011 um modelo Flex, com Turbo e Injeo

Direta de combustvel. O automvel em questo, utilizar uma mistura de

combustvel at numa graduao de 85% em volume de etanol. Esse tipo

de combustvel denomina-se de E-85. Existe a perspectiva que com o uso

do Turbo e da Injeo Direta, a flexibilidade do modelo seja melhor

aproveitada do que feito atualmente. O projeto proveniente da Europa

da Opel, diviso europia da GM.


Fonte: http://green.autoblog.com/2010/05/03/all-2011-buick-regals-to-be-flex-fuel-capable-from-

this-fall/


Fonte: http://green.autoblog.com/2010/05/03/all-2011-buick-regals-to-be-flex-fuel-capable-from-

this-fall/

19

3. Reviso terica sobre motores a combusto interna(MCI) .

Basicamente, o motor de combusto interna uma mquina trmica que

envolve a combusto do seu fluido de trabalho, interna ao seu bloco do

motor. Pode ser classificado de acordo com a sua configurao de

funcionamento, tais como ser de 2 ou 4 tempos, por ignio de centelha ou

por combusto espontnea, por injeo direta ou indireta entre outras.

Porm, neste presente trabalho, abordaremos aspectos de um motor a

combusto interna de 4 tempos por ignio de centelha com pisto

alternativo e injeo indireta. A seguir, est uma figura esquemtica de um

motor 6 cilindros que equipou a linha Willys-Overland do Brasil(Aero Willys,

Jeep e Rural Willys) nos anos de 1958 a 1962.O motor era denominado de

BF-161.

Figura 10: Aero-Willys 1959

Fonte:

http://www.carroantigo.com/portugues/conteudo/curio_nacionais_willys.htm

20

Figura 11: Rural Willys 1960

Fonte: http://www.carroantigo.com/portugues/conteudo/curio_nacionais_willys.htm

Figura 12: Willys CJ 1961

Fonte: http://www.carroantigo.com/portugues/conteudo/curio_nacionais_willys.htm

21


Fonte: Manual Willys-Overland do Brasil.

22



23



3.1. Ciclo mecnico.

Resumidamente, o ciclo mecnico restringe ao tempo de aberturas das

vlvulas, da ignio e do movimento alternativo do pisto. Pode-se dividir o

ciclo em 4 tempos. So elas.

Admisso: O pisto desloca-se no sentido descendente no intuito de

aspirar a mistura combustvel/ar que se encontra no

coletor/cabeote. Essa admisso possvel devido a abertura da

vlvula de admisso. No ponto mais baixo do deslocamento do

pisto, denomina-se de PMI (Ponto Morto Inferior).

Compresso: No PMI, o volume ocupado o mximo. Sendo

assim, a vlvula de admisso fecha-se e inicia o deslocamento do

pisto de forma ascendente at atingir o ponto mais alto.

Denominamos este ponto de PMS (Ponto Morto Superior). Nesta

condio, a compresso mxima.

Combusto/Expanso: A combusto inicia-se praticamente no PMS,

na verdade ocorre um pouco antes. O incio do processo da queima

do combustvel, se d atravs de uma vela de ignio que fornece

24

energia para a reao em cadeia. A combusto ocorre praticamente

a volume constante. Com esse fenmeno, ocorre um aumento da

temperatura considervel e com a coexistncia de um pico de

presso. Conseqentemente, o fludo fornece trabalho no

movimento descendente do pisto, expandindo o volume ocupado.

Escape: Com a descida do pisto, um pouco antes do PMI, abre-se

a vlvula de escape. Os gases queimados ou no, so expulsos por

conta prpria devido a presso residual da combusto. Para que a

expulso se d uma maneira mais completa, o pisto move em

direo ascendente na direo do PMS com a vlvula de escape

aberta, sendo assim, praticamente todo gs residual expulso.

Com esses 4 tempos, o ciclo se encerra. Sendo assim, com o

movimento alternativo do pisto, converte-se a fora e a energia gerada

pelo ciclo de potncia da combusto em movimento rotativo atravs da

biela e girabrequim. A figura a seguir ilustra bem o ciclo.

Figura 16: Ciclo do Motor a Combusto Interna.

Fonte:

http://4.bp.blogspot.com/_TmCihpsmK8Q/TKCPHEBeoSI/AAAAAAAAAFw/k9FIGjgfj3

Q/s1600/av2-alcool_html_m63dcf6bd.jpg

25

3.2. Ciclo termodinmico.

Apesar na termodinmica definir Ciclo em processos fechados, contnuos

e com recirculao, para fins de anlise, possvel uma comparao com

processos abertos que o caso de um motor a combusto interna para o

Ciclo Otto. Para isso, desde j so aplicadas algumas hipteses

simplificadoras, tais como:

O processo de combusto substitudo pelas trocas de calor com o

meio.

O fludo de trabalho se comporta como um gs perfeito.

A combusto no interfere no calor especfico e se mantm

constante durante o processo.

As transformaes so internamente reversveis.

Com essas hipteses, definimos como motor de Ciclo Otto. No caso real, o

Ciclo Otto no se aplica, devido s irreversibilidades do sistema e das

constantes variarem durante o ciclo, entre outros. No rigor cientfico,

erroneamente, muitos profissionais do setor automotivo, afirmam que um

tipo de motor real o prprio motor de Ciclo Otto. Esse tipo de ciclo

pressupe que tais hipteses simplificadoras sejam seguidas no mundo

real, o que no verdade. Porm, o Ciclo Otto a maneira mais prxima de

avaliarmos um motor real. adequado para uma anlise qualitativa.

Pode-se representar o ciclo atravs de diagramas p-v(Presso-Volume

especfico) e T-s(Temperatura-Entropia):

26

Figura 17: Diagrama p-v para Ciclo Otto

Figura 18: Diagrama T-s para Ciclo Otto

27

Temos pela figura, o ciclo termodinmico:

De 1 para 2: Ocorre a compresso e conseqente aumento de

temperatura e presso. um fenmeno isoentrpico devido as

hipteses simplificadores citadas. O fluido recebe trabalho da inrcia

do motor atravs proveniente do volante do motor.

De 2 para 3: Ocorre o processo de combusto e o aumento da

temperatura significativa, bem como surge o pico de presso

simultaneamente. O sistema ganha calor devido a combusto.

De 3 para 4: O processo de expanso verificado e pelas hipteses,

isoentrpico. Nesse momento, o fluido fornece trabalho ao sistema.

De 4 para 1: Ocorre o descarte do calor.

Para um motor real, desconsiderando todas hipteses

simplicadoras, teremos.

Figura 19: Diagrama p-v para Ciclo real

28

Como se observa, para o motor real o que est representado pelo trao

vermelho, e acrescentando:

De 0 para 1: Ocorre a admisso da mistura ar/combustvel.

De 1 para 0: Ocorre a expulso dos gases.

4. Motor Flex-Fuel.

4.1. Equacionamento bsico e pr-anlise do consumo do motor Flex.

Um dos parmetros para avaliarmos as caractersticas do motor o

rendimento trmico. A frmula dada a seguir:

e

s

TrmicoQ

Q1 (1)

Sendo que:

)( 14 TTcmQ ve (2)

)( 23 TTcmQ vs

(3)

especficoCalorc

misturadamassadeFluxom

saiqueCalorQ

entraqueCalorQ

v

s

e

Como possui processos isoentrpicos, podemos afirmar:

4

3

1

2

T

T

T

T (4)

Substituindo (4), (2) e (3) em (1), obtemos:

1

21T

TTrmico (5)

Porm, tambm temos:

29

3

4

2

1

V

V

V

V (6)

Assim como:

1

3

4

1

2

1

kk

V

V

V

V=

4

3

1

2

T

T

T

T (7)

E definindo a taxa de compresso como a relao de volumes:

3

4

2

1

V

V

V

Vr (8)

E substituindo (8) em (7) e o resultado substituindo em (5), finalmente

obtemos:

k

Trmico r11 (9)

Nota-se que quanto maior a taxa de compresso, maior ser o seu

rendimento trmico. Isso observado pelo grfico a seguir.

Figura 20: Diagrama rendimento e taxa de compresso.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 5 10 15 20

Ren

dim

ento

tr

mic

o (

%)

Taxa de compresso

30

A importncia do rendimento trmico est relacionado ao desempenho do

motor e a sua economia. A potncia efetiva do motor pode ser calculada

como:

MecnicoTrmicoce PCImN (10)

Mecnicoenton

trm icoenton

eriorcalorferoPoderPCI

lcom bustvedoVazom

efetivaPotnciaN

Mecnico

Trmico

c

e

dimRe

dimRe

inf

Como se observa, a potncia do motor diretamente proporcional ao

rendimento trmico

A economia, ou seja, o consumo especfico (kg/cv h), est relacionado pela

frmula:

MecnicoTrmico

ePCI

C632

(11)

Normalmente, o PCI do lcool menor que a da gasolina, o que contribui

com a menor potncia efetiva. Porm, para compensar este efeito, o

rendimento trmico do motor exclusivamente a lcool maior, pois trabalha

com taxa de compresso maior. Sendo assim, a potncia especfica

equivalente ou maior que o motor exclusivamente a gasolina. Considerando

o motor Flex, observa-se que o rendimento trmico se mantm constante, j

que a taxa de compresso no varia com os dois combustveis. Como o

rendimento trmico o mesmo e o PCI do lcool menor e para que no

haja modificaes em sua potncia efetiva, pela frmula (10), uma das

nicas formas aumentando a vazo do combustvel, ou seja, aumenta-se

31

o consumo de combustvel. Tambm aumenta o consumo especfico. por

isso que o carro Flex possui um consumo maior que um motor

exclusivamente a lcool. Ento porque no dimensionar um motor que

privilegie o lcool aumentando a taxa de compresso, j que a gasolina

tambm ser beneficiada com esse aumento? Existe um parmetro fsico

que impede isso. Denomina-se de Octanagem do combustvel.

4.1.1. Octanagem do combustvel.

Octanagem a resistncia do combustvel compresso sem que ela

inicie uma auto-ignio denominado de detonao. A detonao ultra-

prejudicial ao motor, j que apresenta picos altssimos de presso,

temperatura e de vibrao, podendo at furar o pisto e outros

componentes mecnicos. Esse fenmeno conhecido pelos mecnicos

como Batida de Pino e percebido como um som metlico durante o

funcionamento do motor. O nome Octanagem, provm da substncia iso-

octanos. Das diversas substncias que existem na gasolina, o iso-octano

o que mais resiste compresso. Quanto maior a quantidade de iso-octano,

maior ser a resistncia, logo, maior ser a octanagem. O lcool etanol no

possui iso-octanos, sendo assim, foi criado um ndice anti-detonante para

poder comparar vrios tipos de combustveis inclundo aqueles que no

possuem o iso-octano, dada pela frmula (MAURO, CONTANI, 2004)[11]:

2

MONRONIA (12)

Sendo que o RON(Research Octane Number) e o MON(Motor Octane

Number) so parmetros definidos por padres da ASTM(American Society

for Testing and Materials).

O ndice de octanas para a gasolina comum fica ao redor de 85 e o lcool,

passa facilmente de 100. Devido a essa caracterstica, a taxa de

compresso para o motor a gasolina fica limitado, sendo assim, fabricantes

32

preferem dimensionar o motor para a gasolina usando a taxa de

compresso deste combustvel, e compensar durante o funcionamento com

o lcool, com o consumo. Outros dimensionam o motor com uma taxa de

compresso intermediria, porm, como foi visto, existe um risco grande

detonao.

Figura 21: Pisto com furo devido a detonao.

Fonte: http://4.bp.blogspot.com/_TlTPdhX-

Bfk/SvgyL152rLI/AAAAAAAAFu0/bECNJBGqFnM/s400/Fig5_32.jpg

Figura 22: Vela danificada devido a detonao.

Fonte : http://www.envenenado.com.br/manutencao/velas/vela_07.jpg

33

4.2. Pr-anlise de dados reais.

Como foi citado anteriormente, motores Flex tendem a consumir mais e

algumas emisses tendem a ser maiores se comparados a modelos

monocombustveis.

Temos pela tabela:

Tabela 2: Chevrolet Monza 1989

(fonte: revista Mecnica Maro/89)

Chevrolet Monza 1.8 1989

km/h lcool gasolina

60 11,9 17,4

80 10,6 16

100 9,5 14,1

120 8,5 11,8

Tabela 3: Chevrolet Vectra 2010

(fonte: Best Cars)

Chevrolet Vectra 2.0 Flex 2010

km/h lcool gasolina

60 8,8 12,4

80 8,1 11,3

100 7,4 10,2

120 9,1 6,6

Observa-se que um Chevrolet Monza SL/E de 1989 monocombustvel, com

toda limitao tecnolgica da poca com o uso do carburador, consegue

ser mais econmico que um Vectra atual com motorizao Flex. Ambos os

motores so equivalentes, pertencem Famlia II da linha GM, porm com

uma cilindrada levemente superior no Vectra, porm , isso no justifica um

aumento de consumo em demasia. No Monza a lcool, em mdia,

consegue ser 21% mais econmico que um Vectra Flex utilizando lcool.

No Monza a gasolina, a economia chega a 46% frente ao Vectra Flex

utilizando gasolina velocidade constante.

34

Quanto ao nveis de emisses, tm-se:

Tabela 4: Ford Focus 1.6 Flex

(fonte:CONAMA 2010)

Ford Focus 1.6 (Flex)

NMHC (g/km) 0,032

CO(g/km) 0,347

Tabela 5: Ford Focus 2.0 Gasolina

(fonte:CONAMA 2010)

Ford Focus 2.0 Gasolina

NMHC (g/km) 0,015

CO(g/km) 0,086

Tabela 6: Toyota Corolla 1.6 gasolina

(fonte:CONAMA 2010)

Toyota Corolla 1.6(gasolina)

NMHC (g/km) 0,032

CO(g/km) 0,162

Tabela 7: Toyota Corolla 1.8 Flex

(fonte:CONAMA 2010)

Toyota Corolla 1.8 Flex

NMHC (g/km) 0,039

CO(g/km) 0,552

Nota-se que em motores Flex, as emisses de monxido de carbono so

maiores que seus equivalentes monocombustvel. No Ford Focus, os nveis

de emisses desse gs, chegam a ser 188,37% maiores que o modelo

equivalente. Mesmo o modelo monocombustvel tendo uma cilindrada

maior, que em tese, deveria poluir mais que o motor 1.6. Quanto ao Toyota

Corolla, a diferena chega 340% maior. Emisses de monxido de carbono

tambm um indicativo que o combustvel subaproveitado.

35

4.2.1. Funcionamento bsico do motor Flex.

O esquema bsico a seguir demonstra como funciona o motor Flex.

Figura 23: Esquema do funcionamento do motor Flex

Pedal do acelerador: Sensor que capta o comando do motorista em

termos de torque e potncia.

Ignio (Vela e Bobina): Ambas so controladas pela unidade de

controle (Mdulo da Injeo Eletrnica).

Sensor de oxignio: Tambm conhecido como Sonda Lambda,

determina o nvel de oxignio residual da combusto. O sinal

enviado a unidade de controle em forma de ddp. Com essas

informaes, o Mdulo define a quantidade exata de combustvel a

ser injetada, bem como percebe se est queimando lcool ou

gasolina.

36

Bomba de combustvel: A bomba est submersa no tanque em

lcool, gasolina, ou a mistura de ambos. controlado pelo Mdulo.

Unidade de Controle: Tambm conhecido como Mdulo da Injeo

Eletrnica, recebe todas as informaes de todos os sensores e

decide como o motor deva funcionar otimizando o desempenho ,

consumo e as emisses atmosfricas.

Corpo de borboleta: Est ligado diretamente ao acelerador. A

borboleta controla a solicitao de potncia, torque e de rotao do

motor. Atualmente, a ligao borboleta/acelerador no mais direta.

O acionamento da borboleta controlado pelo Mdulo em modelos

mais atuais com equipamento do tipo Drive-By-Wire.

Vlvula Injetora: Tambm conhecido como bico injetor, a pea

responsvel na injeo do combustvel no coletor de admisso.

Possui funo equivalente do Gicl do carburador. Tambm

controlado pelo mdulo eletrnico.

4.3. Caractersticas dos combustveis.

4.3.1. Gasolina

Atualmente no Brasil, a gasolina vendida nos postos de combustvel

no totalmente derivado do petrleo. O combustvel nacional

oferecida com uma mistura de lcool anidro de cerca de 25% em

volume, podendo variar de acordo com a legislao vigente. Tambm

conhecido como Gasool. O intuito de retardar o fenmeno da

detonao nos motores MCI. Atua como um aditivo gasolina em

substituio chumbo-tetraetila no aumento da octanagem, muito

comum em gasolinas da dcada de 70. Tambm era popularmente

conhecido como gasolina azul, devido colorao azulada do

combustvel. Este composto derivado de chumbo muito poluente e

extremamente nocivo sade humana. Concentraes elevadas desse

37

agente txico pode levar ao ser humano problemas neurolgicos

induzindo patologias como o Saturnismo.

A octanagem est ligada diretamente sua composio qumica.

Quanto maior a quantidade de hidrocarbonetos de cadeia ramificada e

de pequeno peso, considerando que a gasolina uma mistura de vrios

hidrocarbonetos, maior ser a sua resistncia detonao. O iso-octano

o que possui essas caractersticas e est em maior quantidade na

gasolina.

A equao que representa a combusto do iso-octano est seguir:

22222188 4798)76,3(5,12 NOHCONOHC

A seguir, algumas caractersticas da gasolina:

Tabela 8: Caractersticas da gasolina.

Gasolina

Calor especfico (kJ/kg) 43500

RON 91

MON 80

Razo estequiomtrica Ar/Comb. 14,5

Calor latente de vaporizao(kJ/kg) 376 a 502

Temperatura de ignio(C) 220

4.3.2. Etanol

Atualmente, o etanol vendido nos postos de gasolina brasileiro o

lcool hidratado. O lcool anidro, exclusivamente destinado mistura

com a gasolina enquanto que o lcool hidratado, vendido como um

produto nico. O lcool hidratado possui este nome pois da mesma

forma que a gasolina brasileira no pura, o etanol brasileiro tambm

no . Cerca de 95,2 % em volume do combustvel o etanol de fato. O

restante, basicamente gua.

A reao de combusto do etanol est a seguir:

38

2222252 28,1132)76,3(3 NOHCONOOHHC

A seguir, algumas caractersticas do etanol:

Tabela 9: Caractersticas do etanol.

Etanol

Calor especfico (kJ/kg) 28225 RON 109 MON 98

Razo estequiomtrica Ar/Comb. 9

Calor latente de vaporizao(kJ/kg) 903 Temperatura de ignio(C) 420

4.4. Relao ar/combustvel da mistura e a sonda Lambda.

Como se se pode observar, para cada tipo de combustvel, existe uma

necessidade ideal da quantidade de ar. No entanto, nem sempre a oferta

de ar igual demanda pelo combustvel. Ora pode estar em

quantidades estequiomtricas, reduzidas ou at em excesso. Quando o

ar est em excesso, diz-se que o motor est com uma mistura pobre e

enquanto que o ar est em falta, diz-se que o motor est com uma

mistura rica. Essa relao de mistura Combustvel/Ar pode ser

representada a seguir:

ArlCombustve mmAC // (13)

ou

ArlCombustve nnAC // (14)

Porm, essa relao usualmente representada por uma relao

adimensional, como se segue:

tricaEstequiomAC

AC

/

/ (15)

39

Sendo que:

1: Mistura rica.

=1: Mistura estequiomtrica.

Segundo HEYWOOD, a potncia mxima no regime WOT (Wide Open

Throttle, ou seja, borboleta totalmente aberta), se obtm em misturas

ricas com:

1,1

Esta relao, uma informao que o motor necessita e obtida

atravs de um sensor que est instalado no coletor de escapamento.

Este sensor denomina-se Sonda Lambda. Basicamente, esta pea

detecta a quantidade de oxignio dos produtos da combusto, definindo

assim, se a mistura est rica ou pobre. O sensor uma clula com um

eletrlito slido e quando passa corrrente, os eltrons so levadas pelo

ons dos oxignios. A equao da reao est a seguir:

2

2 24 OMeO

A resposta do Sonda Lambda, uma voltagem. Atravs da equao de

Nernst, e considerando as presses parciais da atmosfera e do

escapamento, temos:

oEscapamentO

atmO

spostaP

P

F

TRV

2

2ln4

Re (16)

Sendo que R a constante universal dos gases perfeitos, T a

temperatura da sada dos gases e F a constante de Faraday.

O nome Lambda, provem da unidade bsica do sensor.

Temos:

40

1/ = (17)

Figura 24: Curva da reao da Sonda Lambda.

Fonte: http://www.multifiat.com.br/biblioteca/Tempra/Sequenc/1056bs5_2.html

>1: Mistura pobre.

41

Tabela 10: Razo Ar/Combustvel e resposta do sensor.

AFR

Lambda Gasolina Etanol

0,7 10,3 6,3

0,75 11 6,8

0,8 11,8 7,2

0,85 12,5 7,7

0,9 13,2 8,1

0,95 14 8,8

1 14,7 9

1,05 15,4 9,5

1,1 16,2 9,9

1,15 16,9 10,4

1,2 17,6 10,8

1,25 18,4 11,3

1,3 19,1 11,7

Figura 25: Detalhe internos e de instalo da Sonda Lambda.

Fonte: http://www.fazerfacil.com.br/carros/injecao_4.htm

42

Figura 26: Detalhe externo da Sonda Lambda

Fonte:http://www.quantums.info/injection.htm

4.5.Modelagem termodinmica.

De acordo com (HEYWOOD,1988)[13], existem trs tipos de modelos

que simulam a combusto de um MCI. So elas:

Zero-dimensionais

Quasi-dimensionais

Multidimensionais

O zero dimensionais um modelo baseado considerando o tempo como

a nica varivel independente e se baseia na primeira lei da

termodinmica. A taxa da queima do combustvel obtida empiricamente.

O modelo quasi-dimensional, baseado na turbulncia que o fluido em

turbulncia pode ter. Subdivide-se em duas zonas, a dos gases

queimados e a dos gases no queimados. Por simplificao, para este

modelo, a frente de chama um modelo esfrico que se expande a certa

velocidade. O quasi-dimensional bastante adequado em prever

emisses de poluentes tais como o NOx, hidrocarbonetos no queimados

e at particulados. O modelo multidimensional um dos mais completos,

pois alia tanto a proposio do zero-dimensional, tanto quanto o quasi-

dimensional. Tambm acrescenta reaes qumicas, camada limite entre

outros. Possui equaes diferenciais ordinrias de conservao de

energia e resolvida numricamente nas variveis de tempo e espao.

43

Deve ser fornecida ao modelo a geometria da frente de chama e a sua

geometria da propagao. Este ltimo modelo, um modelo complexo e

requer um computador de alto desempenho para simular numericamente.

Para este trabalho, o modelo adotado ser inspirado no zero-dimensional,

j que possui formulaes matemticas mais simples, portanto, apto a

qualquer computador pessoal a calcular.

4.5.1.Modelo zero-dimensional.

Por este modelo, aplica-se em quatro situaes diferentes, apenas

considerando a variao ou no do calor especfico (k) ou considerar ou

no a transferncia de calor pela parede do cilindro. So elas:

Pela primeira lei da termodinmica, k constante e a transferncia

de calor pela parede do cilndro no considerado.

Pela primeira lei da termodinmica, k varivel e a transferncia

de calor pela parede do cilndro no considerado.

Pela primeira lei da termodinmica, k varivel e a transferncia

de calor pela parede do cilndro considerado.

Pela primeira lei da termodinmica, k constante e a transferncia

de calor pela parede do cilindro considerado.

O modelo em que o k varivel e considerado a troca de calor pela

parede do cilindro, o mais prximo da realidade.

O modelo de Wiebe(HEYWOOD,1988)[13], descreve a evoluo da

combusto(taxa da queima do combustvel) e Woschni (DE MELO,

2007)[12] props como o coeficiente de transferncia de calor variava

durante a combusto. Para a validao da proposta de Woschni, foram

consideradas algumas hipteses simplificadoras, tais como:

A mistura ar-combustvel homognea

Gs ideal, e a queima do combustvel era todo vaporizada e

queimada.

44

4.6. Modelo proposto de um MCI em uma anlise termodinmica.

4.6.1.Diferena entre o Ciclo Otto e o motor real.

No ciclo Otto, considera-se a queima do combustvel a volume constante,

porm, no motor real, a combusto no da mesma maneira, j que o

combustvel possui um certo atraso de queima com relao a posio do

pisto do motor. A cmara se expande ao mesmo tempo que o combustvel

queimado. Essa variao de volume no desprezvel como poderia

supor o ciclo Otto. Pela figura 25, SANTOS JNIOR(2004) (DE MELO

2007)[12] demonstrou as diferenas entre essas duas situaes. Sendo x()

a frao de massa de combustvel queimada e o ngulo da manivela do

eixo do motor(girabrequim) sendo que o ponto zero o PMS(Ponto Morto

Superior).

Figura 27: Diferena de queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)

45

Wiebe props uma equao que representava a taxa da queima do

combustvel. Temos a seguir:

(18)

Sendo que representa a quantidade ou posio da vela da ignio e

, representa o comportamento da frente de chama do combustvel. Tambm

conhecido como fator de forma da cmara de combusto.

O ngulo do instante de ignio , o incio da queima do combustvel (o

combustvel possui um atraso com relao ao instante da ignio) e a

durao da queima do combustvel, est representada a seguir

(HEYWOOD, 1988; DE MELO, 2007)[13][12]:

Figura 28: Queima do ciclo Otto com Wiebe (Heywood, 1988, DE MELO, 2007)[12]

Considerando e varivel, tem-se a seguir:

46

Figura 29: Queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)[12]

Considerando e cosntante, temos:

Figura 30: Queima do ciclo Otto com Wiebe (DE MELO, 2007)[12]

Segundo HEYWOOD (DE MELO, 2007)[12], o uso de valores de e

se mostraram bastante adequados.

Estabelecidos os parmetros, define-se a quantidade total de energia

fornecida ao sistema, segundo HEYWOOD(DE MELO, 2007)[12]. Sendo

assim, tem-se:

47

(19)

Sendo que a eficincia da combusto, a massa do

combustvel e PCI o poder calorfero inferior do combustvel.

Essa mesma frmula pode ser substituda por:

(20)

(21)

Sendo que a massa do ar admitido.

Segundo ALLA (DE MELO, 2007)[12], a eficincia da combusto

pode ser determinada por:

(22)

E segundo HEYWOOD (DE MELO, 2007)[12], a eficincia mxima de

combusto para um motor a ignio por centelha de cerca de

90%.

Figura 31: Rendimento da combusto.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

Efic

in

cia

da

com

bu

sto

Lambda ()

48

Pelo grfico, nota-se que a eficincia da combusto mxima atingido com

um lambda de cerca de 15% maior, ou seja, uma mistura levemente pobre.

Combinando as equaes de Wiebe com a da quantidade total de energia

fornecida, tem-se uma formulao do fornecimento da energia em funo

da posio do girabrequim. Tem-se:

(23)

Porm, deve se considerar a perda de calor pelas paredes do cilindro por

conveco, dessa forma, obtm-se a energia til:

(24)

4.6.2. Perda de calor por conveco.

Pelo princpio da transmisso de calor (KREITH, 1958)[14], a perda de calor

por comveco se d atravs da seguinte expresso:

(25)

Sendo que:

A rea instantnea obtido pela frmula (30) e o h pela frmula (27) que

esto apresentadas nos captulos subseqentes.

49

4.6.3.Clculo do coeficiente de transferncia de calor

Temos uma equao proposta por Woschni (DE MELO, 2007)[12]:

(26)

Sendo que:

(27)

(28)

Sendo que :

4.6.4. Clculo do calor especfico.

Segundo HEYWOOD (DE MELO, 2007)[12], a variao do calor

especfico funo da temperatura e obedece a seguinte expresso:

(29)

Para o interesse do presente trabalho, as constantes esto

apresentadas na seguinte tabela (DE MELO, 2007)[12]:

50

Tabela 11: Constantes dos reagentes e produtos da combusto.

Sendo que Gasol, a gasolina brasileira vendida com adio de 25% de

volume de etanol.

A seguir, os grficos dos calores especficos em funo da temperatura.

Os grficos foram obtidos atravs de uma programao no ambiente do

software livre SCILAB.

Figura 32: Variao do calor especfico da gasolina

51

Figura 33: Variao do calor especfico do etanol

Figura 34: Variao do calor especfico do gs carbono.

52

Figura 35: Variao do calor especfico do oxignio.

Figura 36: Variao do calor especfico do nitrognio.

53

Figura 37: Variao do calor especfico da gasolina e etanol.

Ainda, tm-se (DE MELO, 2007, HEYWOOD, 1988)[12][13]:

(61)

Para uma mistura de gases, pode-se fazer uma mdia ponderada para a

mistura (DE MELO, 2007)[12], ou seja, um calor especfico equivalente:

(61)

Sendo que:

Dessa forma, para a combusto do etanol, seguindo a reao qumica:

2222252 28,1132)76,3(3 NOHCONOOHHC

54

Obtm-se a variao do coeficientes do calor especfico do ar e dos

produtos da combusto.

Figura 38: Variao do calor especfico do ar e dos produtos da combusto do etanol.

Dessa forma, para a combusto da gasolina, seguindo a reao

qumica:

22222188 4798)76,3(5,12 NOHCONOHC

Obtm-se a variao do coeficientes do calor especfico do ar e dos

produtos da combusto.

Figura 39: Variao do calor especfico do ar e dos produtos da combusto da gasolina.

55

4.6.5. Equacionamento do motor.

Pela figura, tm-se uma representao fsica simplificada do motor.

Figura 40: Desenho de um MCI (DE MELLO.2007)[12]

Sendo que o dimetro do pisto, o comprimento da biela do motor,

o raio da circunferncia em que o girabrequim descreve, o ngulo

da manivela do eixo do motor(Girabrequim).

Entre o cabeote do motor e o PMS(Ponto Morto Superior), existe um

volume denominado de regio de volume morto.

A rea da regio onde ocorre a combusto (cabeote, topo do pisto e as

paredes do cilindro), importante principalmente nas questes referentes

as trocas de calor e de distribuio de presses. Sendo assim, tm-se:

Considerando que o topo do pisto e o topo do cabeote sejam iguais,

temos assim, a rea total:

56

(62)

A rea lateral da parede do cilindro que se forma ao longo da trajetria do

curso do pisto, segue:

(63)

Sendo que a distncia entre o pino do pisto e o centro do

girabrequim. Temos ento:

(64)

Porm, deve se considerar tambm a regio da rea morta. Tem-se dessa

forma:

(65)

Sendo que 2.R o curso do pisto e a relao de compresso como foi

vista inicialmente na seco do equacionamento bsico.

Assim sendo, a rea superficial total dada pela soma de todas as reas

consideradas, atravs da seguinte frmula:

(66)

Obtendo finalmente:

(67)

Para o volume deslocado devido ao curso do pisto, tm-se:

(68)

Para o volume total, tm-se:

(69)

57

4.6.6. Clculo da variao da temperatura na cmara de combusto.

Para o clculo da temperatura durante a compresso do gs, utiliza-se a

seguinde formulao politrpica:

(71)

Por simplificao, considera-se k=1,4 apenas durante a compresso.

Para o clculo da variao da temperatura, durante a queima do

combustvel e a expanso do gs na cmara de combusto, tm-se:

(70)

Porm, para o trabalho presente, tm-se:

(71)

A massa de ar e a massa de combustvel, consumido durante o

processo, enquanto que a massa de resduo produzido durante

combusto. As constantes de calor especfico tambm varia ao longo da

reao e est em funo da temperatura como foi mostrado

anteriormente.

4.6.7. Clculo da presso da cmara de combusto.

Para o clculo da presso, durante a compresso do gs, da queima do

combustvel, da expanso da cmara de combusto do motor e por

hiptese, desconsiderando o fator de correo, tm-se a seguinte

formulao:

58

(72)

Porm, para o presente trabalho, tm-se:

(73)

A massa de ar e a massa de combustvel, consumido durante o

processo, enquanto que a massa de resduo produzido. As constantes

de calor especfico tambm varia ao longo da reao e est em funo

da temperatura como foi mostrado anteriormente. O volume tambm

varia de acordo com a equao (69). A temperatura varia de acordo com

a equao (71).

4.7. Simulao e resultados do programa.

A partir dos equacionamentos obtidos, a simulao e programao

(Anexo) foram efetuadas no ambiente do SCILAB.

O motor simulado, possui caractersticas adotadas na seguinte tabela.

Tabela 12: Dados do motor 1.8

Dimetro do cilindro (D) 81,01 mm

Curso do pisto (s) 86,04 mm

Comprimento da biela (L) 144,0 mm

Taxa de compresso 11

Cilindrada Total 1,781 L

Supondo ainmda, por hiptese, que o motor esteja em na condio de

WOT e est a 5500 rpm, a mistura admitida estequiomtrica e o ar

aspirado, se encontra a cerca de 300 K de temperatura.

Simulando o programa, obtemos inicialmente, um grfico da presso em

funo do ngulo do girabrequim para uma combusto, do motor sendo

movido etanol e gasolina.

59

Figura 41: Presso versus ngulo do girabrequim para motor 1.8.

A seguir, o grfico da presso em funo do volume instantneo total.

60

Figura 42: Presso versus volume da cmara de combusto para motor 1.8.

Nota-se que existem diferenas de desempenho com relao aos dois

combustveis, principalmente no grfico presso versus volume

instantneo , j que a rea interior desse grfico, representa o trabalho

total. Isso j era esperado, pois o PCI do etanol menor que a da

gasolina. Sendo assim, para obter o mesmo desempenho de potncia e

torque para qualquer combustvel usado, o etanol, por possuir menor

PCI, deve ser injetado em maior quantidade. Como no existe a

possibilidade de injetar mais ar/combustvel, pois a cmara s consegue

sugar uma quantidade limitada pela geometria fixa do motor, opta-se em

injetar mais o combustvel utilizado(etanol), ou seja, opta-se por uma

mistura rica.

Sendo assim, observou se que para o etanol obter o mesmo

desempenho da gasolina, deve ser injetado mais 10% de massa

comparado se o etanol funcionasse de forma estequiomtrica. Sendo

assim, obteve-se os seguintes resultados com a nova mistura rica.

Figura 43: Presso versus ngulo do girabrequim para motor 1.8 (etanol rico).

61

Figura 44: Presso versus volume da cmara de combusto para motor 1.8(etanol rico).

Pode se agora, observar que o desempenho do lcool, se aproxima da

gasolina. Porm, uma mistura mais rica do que desejado, no o

ideal, pois isso influi diretamente no consumo do combustvel e na

poluio, j que misturas ricas tendem a formar hidrocarbonetos no

queimados ou subaproveitados. Alm disso, como foi demosntrado

anteriormente, misturas ricas tendem a ter uma eficincia de combusto

menor, logo, o motor aproveitar menos o combustvel utilizado.

A seguir, tm-se um grfico do consumo dos combustveis de um ciclo

de potncia como foi representada a seguir.

62


Sendo assim, observa-se que existe um consumo a mais de etanol, de

cerca de 3 mg por combusto, ou seja, cerca de 10% a mais de

consumo. Isso significa que se por exemplo, o motor estivesse em mdia

a 3600 rpm, sendo usado uma hora, cosiderando que a densidade do

etanol de 746 g/L, deseperdiam-se cerca de :

Logo, ser de cerca de 0,43 litros de etanol desperdiada em uma hora.

4.8. Anlise, simulao e resultados da soluo proposta: Downsizing.

Atualmente, o termo Downsizing est em voga. Isso representa no

mundo automotivo, um motor com capacidade cbica menor, porm com

desempenho potncia e torque semelhantes a um motor de capacidade

cbica maior. Isso possvel sobrealimentando o motor menor com um

compressor(Blower) ou um turbo-compressor.

Um exemplo real a nova famlia de motores Ecoobost da Ford. Um

motor 1.0 dessa famlia, com sobrealimentao obtida por um

turbocompressor, consegue extrair cerca de 120 cv e 17 kgfm de torque,

ou seja, um motor 1.0 consegue render quase que a potncia de um

motor 1.8 tradicional.

63

Figura 47: Motor 1.0 Ford Ecoobost.

Fonte:http://www.insidemotors.com.br

No Brasil, muitos automveis tambm tiveram este conceito. Dois

exemplos memorveis eram o Ford Fiesta/Ecosport

Supercharger(Lanado em 2003) e o Volkswagen Gol/Parati 1.0 16V

Turbo(Lanado em 2000). Ambos possuam motores 1.0, porm

sobrealimentados por um compressor, no caso do Ford, e

turbocomprimido no caso do Volkswagen. Conseguiam extrair 90 cv e

112 cv respectivamente, potncia equivalente a um motor 1.6 e 2.0

tradicionais poca.

Figura 48: VW Gol 1.0 16V Turbo.

Fonte:Quatro Rodas

64

Figura 49: Motor VW AT 1.0 16V Turbo

Fonte:Quatro Rodas

Figura 50: Ford Fiesta Supercharger.

Fonte: Quatro Rodas

Figura 51: Motor Ford Zetec 1.0 Supercharged, com destaque no compressor.

Fonte: Quatro Rodas

65

Uma das explicaes para o menor consumo do motor Downsizing, est

no fato que este tipo de tecnologia, possibilita que o motor trabalhe em

uma uma regio do mapa do consumo especfico, favorvel no baixo

consumo. Segunda a equao que representa o PME (Presso Mdia

Efetiva) sobre o pisto, mantendo constante a condio de potncia e

rotao do motor, tm-se:

Sendo que o volume deslocado em um motor pequeno menor, o PME

do motor Downsizing, maior do que o motor tradicional. E seguindo o

mapa do consumo especfico, obtm-se:

Figura 52: Mapa do consumo especfico

Fonte: Fiat Powertrain

Nota-se que o motor opera em um regime que privilegia o menor

consumo especfico pois atua na regio do mapa favorvel isso.

66

Porm, para o presente trabalho, ser investigado qual o benefcio

termodinmico do consumo do combustvel, principalmente do lcool.

Supondo que tem-se as seguintes caractersticas do novo motor, porm

sobrealimentado seguindo os conceitos do Downsizing e apenas

reduzindo o dimetro do cilindro.

Tabela 13: Dados do motor 1.0 Downsizing

Dimetro do cilindro (D) 61,01 mm

Curso do pisto (s) 86,04 mm

Comprimento da biela (L) 144,0 mm

Taxa de compresso 11

Cilindrada Total 1,006 L

Porm, para poder comparar com o motor 1.8 anterior, deseja-se que a

potncia e o torque no novo motor 1.0 seja mantido. O parmetro da

fora que a cabea do pisto recebe durante a combusto, deve ser

mantido para manter todos os dados de desempenho. Tm se:

(74)

Sendo que a a rea superior do pisto.

Sendo assim, testou-se para o novo motor, a quantidade de

sobrealimentao para que o novo motor, mantivesse tal fora.

Concluiu-se que no caso da gasolina, a sobrealimentao no novo motor

ficou perto de 76,3 %, enquanto que no caso do lcool, em torno de

85%. A vantagem da sobrealimentao, que o motor pode trabalhar de

uma forma mais prxima da estequiomtrica principalmente no etanol, e

supondo que a vazo da sobrealimentao, varivel em cada tipo de

combustvel. Isso ser benfico para o consumo do combustvel. A

seguir, o grfico da fora sobre o pisto ser demonstrado. Note que o

grfico deve ser aproximado para manter as condies de desempenho

de potncia e torque. A base de comparao o motor 1.8 tradicional

movido a gasolina. Supondo ainda, por hiptese, que o motor esteja em

67

na condio de WOT e est a 5500 rpm, a mistura admitida

estequiomtrica e o ar aspirado se encontra a cerca de 300 K de

temperatura.

Figura 53: Fora sobre o pisto versus ngulo do girabrequim.

Como se observa, seguindo de acordo com a sobrealimentao de cada

combustvel, a fora sobre o pisto se conserva

Simulando o programa novamente, obtemos um grfico da presso em

funo do ngulo do girabrequim para uma combusto, do motor sendo

movido etanol e gasolina.

68

Figura 54: Presso versus ngulo do girabrequim.

Como era de se esperar, motores sobrealimentados possuem uma

presso maior na cabea do pisto. Isso benfico para o consumo

especfico como foi demonstrado anteriormente.

A seguir, o grfico da presso em funo do volume instantneo total.

Figura 55: Presso versus volume da cmara de combusto.

69

Nota-se que o trabalho lquido, que a rea dentro da curva, se

conserva, logo mantmse constante, os requisitos de potncia e

torque.

A seguir, tm-se um grfico do consumo dos combustveis de um ciclo

de potncia como foi representada a seguir.


Como se observa, o motor 1.0 Downsizing movido etanol, cerca de

1,5 mg mais econmico por combusto, se comparado com o motor 1.8

tradicional movido etanol com uma mistura rica. Sendo assim,

economiza-se em combustvel, colocando-se as mesmas hipteses da

questo anterior, ou seja, o motor estivesse em mdia a 3600 rpm,

sendo usado uma hora, considerando que a densidade do etanol de

746 g/L, tm-se:

Economiza-se cerca de 215 ml de etanol. Sendo assim, o Downsizing

muito adequado para o aproveitamento energtico do combustvel,

principalmente do etanol.

70

5- Concluso.

A soluo da reduo de consumo em motores Flex, seria interferir de

alguma maneira na taxa de compresso de acordo com o combustvel

utilizado, porm um processo demasiadamente caro e complicado.

Como se pode observar, motores Flex tendem a consumir mais devido a

alguns fatores, tais como, para se manter a mesma condio de

potncia e torque da gasolina, como o PCI do etanol menor,

necessrio que haja uma injeo maior de etanol se comparado com o

motor exclusivamente lcool. Sendo assim, pelo estudo qualitativo

anterior, a mistura que vai na cmara de combusto rica e influi na

eficincia da queima do combustvel e tambm nas emisses

atmosfricas de monxido de carbono e de nmero de hidrocarbonetos.

Tudo isso resulta no consumo maior. O downsizing muito benfico

para motores Flex-Fuel, pois promove uma mistura mais prxima da

estequiomtrica. Alm disso, como foi demonstrado anteriormente,

motores sobrealimentados possuem uma PME maior do que seu

equivalente de mesma potncia porm de maior cilindrada. Isso influi em

um consumo especfico menor. Sem contar que, motores menores,

possuem pistes menores(mais leves), portanto, o momento de inrcia

do motor menor, resultando assim, menores esforos do gs em

mover o motor. Tudo isso, influi diretamente na reduo de consumo,

principalmente se o combustvel utilizado for o etanol.

7. Sugestes para trabalho futuro.

Para o leitor que tenha interesse neste assunto, outras tecnologias que

podem influir na reduo de consumo dos motores Flex-Fuel podem ser

estudadas. Tais como:

Motores Flex-Fuel com injeo direta.

Vlvulas com tempo de abertura controlada (VVTI)

Vlvulas com controle eletrnico de abertura (Fiat MultiAir)

71

Associao de MCI Flex com motorizao hbrida.

Motores com taxa de compresso varivel (GM-Saab).

Associao de todas essas tecnologias.

8. Referncias bibliogrficas.

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Silveira; MILANEZ, Artur Yabe; GALVO, Antonio Carlos; POPPE,

Marcelo Khaled; NOGUEIRA, Luiz Augusto Horta; SEABRA, Joaquim

Eugnio Abel; BEST, Gustavo; LEAL, Manoel Regis Lima Verde;

RODRGUEZ, Adrin; GMEZ Jos Javier; SAMANIEGO, Joseluis;

COVIELLO, Manlio; DIRVEN, Martine; SAUCEDO, Alberto; SCHUETZ,

Guilherme: Bioetanol de cana-de-acar Energia para o

desenvolvimento sustentvel.- BNDES CGEE, Rio de Janeiro 2008.

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