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Marcos Antônio Fernandes Rodrigues
PROJETO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE IGNIÇÃO
POR CENTELHA E INJEÇÃO DIRETA OPERANDO COM ETANOL
Centro Universitário Toledo
Araçatuba
2015
Marcos Antônio Fernandes Rodrigues
PROJETO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE IGNIÇÃO
POR CENTELHA E INJEÇÃO DIRETA OPERANDO COM ETANOL
Centro Universitário Toledo
Araçatuba
2015
Trabalho de conclusão de curso, com
objetivo de aprovação no curso de
Engenharia Mecânica no Centro
Universitário Toledo com orientação
do Prof. Me. Lucas Mendes Scarpin.
Se não puder voar, corra, se não puder correr, ande, se não puder andar, rasteje, mas
continue em frente de qualquer jeito.
Martin Luther King
Dedico este trabalho em especial ao meu pai Antônio Rodrigues Nogueira, aos meus
avôs Alfredo e Altino, ambos “in memorian”, também a minha mãe Marinalva Fernandes
Rodrigues, minha irmã Josiane Fernandes Rodrigues, minhas avós Alexandrina e Laurita, e
todos que acreditaram no meu potencial.
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente, a Deus por ter me dado as forças e sabedoria necessária, por
fazer morada em minha vida.
Á minha família, a meu pai, Antônio “in memoriam”, minha mãe, Marinalva, minha
irmã, Josiane, pelo apoio e por tudo que fizeram em minha vida.
Ao meu orientador, Prof. Lucas Mendes Scarpin, pela ajuda e auxilio nas dúvidas para
o desenvolvimento deste trabalho.
Aos meus colegas do curso de graduação pelo apoio dado no decorrer do curso e
companheirismo por parte de todos.
Aos meus amigos que não mediram esforços, quando solicitei ajuda, presente nos
momentos de alegria e tristeza da minha vida, em especial, Flávia Alves, Paloma Leite,
Franciély Costa, Geovane Leite, Renan D’Angelo, Rafael D’Angelo, Alex Junior, Tatiane
Oliveira, Tayná Oliveira, Alessandra Ferreira, Rafaela Trevisan, Bruna Martins, Tatiane
Martins.
Aos meus colegas de trabalho da Joatt Auto Mecânica, presentesnos 5 anos da minha
graduação.
A todos que confiaram no meu potencial.
RESUMO
Para a construção de um motor de combustão interna é preciso desenvolver uma
avaliação dos parâmetros geométricos e dinâmicos, no intuito de se obter os melhores
resultados esperados para o projeto em questão. Este trabalho consiste na simulação numérica
de um motor similar aos utilizados na temporada 2015 da Fórmula-1. Diante disso, se busca
apresentar uma máxima potência, aliada a um consumo específico mínimo, que pode se obter
através da otimização das diversas variáveis envolvidas, como tempos das válvulas de
admissão e exaustão, avanços de injeção e ignição, relação de equivalência ar-combustível e
taxa de compressão. Além disso, vale ressaltar que o combustível empregado nas análises é o
etanol hidratado, reduzindo grande parte das emissões. Demostrando assim, após sua
otimização, valores dos parâmetros de funcionamento e o resultado final do rendimento e
desempenho do motor.
Palavras-chave: Motor de combustão interna, Diesel-RK, Fórmula-1, otimização, emissões.
ABSTRACT
For the construction of an internal combustion engine it is necessary to develop pan
assessment of the geometric and dynamic parameters, in order to obtain the best results for the
project in question. This work consists of the numerical simulation of an engine similar the
season 2015 formula 1. That said, if you're looking to present a full power, combined
with a minimum specific fuel consumption, which can achie veth rough optimization
of several variables involved such as time on the intake and exhaust, advances of injection
and ignition, fuel-air equivalence ratio and compression ratio. In addition, it is worth
mentioning that the fuel employed in analyses is the hydrated ethanol, reducing much of
the emissions. Showing how, after its optimization, function parameter values and the
result of the efficiency and engine performance.
Keyword: internal combustion engine, Diesel-RK, formula-1, optimization, emissions.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
3D – três dimensões
AEAC – Álcool etílico anidro combustível
AEHC – Álcool etílico hidratado combustível
bmep – brake mean effective pressure (pressão média efetiva de eixo)
bsfc – brake specific fuel consumption (consumo especifico de combustível de eixo)
C – Comum
CI – compression ignition (ignição por compressão)
CO2–dióxido de carbono
cm³ -centímetro cúbico
cte – constante
DOHC – dupla árvore de comando sobre o cabeçote
EGR – exhaust gas recirculation (recirculação dos gases de escape)
EVC – exhaust valve closing (fechamento válvula de escape)
EVO – exhaust valve opening (abertura válvula de escape)
g/km – grama por quilometro
g/kWh – grama por quilo watt hora
GNV – gás natural veicular
GPL – gás liquefeito de Petróleo
H – entalpia
hp – houser power (cavalo vapor)
imep – indicated mean effective pressure (pressão média efetiva indicada)
IVC – intake valve closing (fechamento válvula de admissão)
IVO – intake valve opening (abertura válvula de admissão)
k – razão entre os calores específicos cp e cv do fluido ativo (1,35)
kg/kWh – quilograma por quilowatt hora
km – quilômetro
km/h – quilômetro por hora
kW – quilowatt
l – litros
m – massa
MGU-H – motor generator unit-heat (unidade geradora de potência-calor)
MGU-K – motor generator unit-kinetic (unidade geradora de potência-cinética)
N.m – Newton metro
NOx – óxidos de nitrogênio
OHC – árvore de comando única sobre o cabeçote
p – pressão
PMI – ponto morto inferior
PMS – ponto morto superior
q – calor especifico
rpm – rotação por minuto
S – entropia
SI – spark ignition (ignição por centelha)
T – temperatura
U – energia interna
V – volume
V10 – 10 cilindros dispostos em V
Virabrequim – girabrequim, cambota ou árvore de manivelas
λ – fator lambda
θi – tempo de ignição
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Nikolaus Otto. .......................................................................................................... 14
Figura 2. Esquema turbocompressor. ...................................................................................... 15
Figura 3..Relação potência x ano ............................................................................................ 16
Figura 4. Relação rotação x ano. ............................................................................................. 16
Figura 5. Motor v12 acoplado a uma transmissão e 2 motores elétricos ................................ 17
Figura 6. Motor Energy F1 descodificado ............................................................................... 18
Figura 7. Gráfico p-V e T-S .................................................................................................... 19
Figura 8. Ciclo Diesel. ............................................................................................................. 20
Figura 9. Esquema de uma injeção direta ................................................................................ 22
Figura 10. Interface do software. ............................................................................................. 27
Figura 11. Gráfico gerado pelo software após scanning ......................................................... 28
Figura 12. Curva de potência em função da rotação do motor ................................................ 35
Figura 13. Curva de torque em função da rotação do motor ................................................... 35
Figura 14. Curva do bmep em função da rotação do motor .................................................... 36
Figura 15. Curva do imep em função da rotação do motor ..................................................... 37
Figura 16. Curva do requisito de octanagem em função da rotação do motor ........................ 37
Figura 17. Curva do consumo específico em função da rotação do motor. ............................ 38
Figura 18. Curva da eficiência mecânica em função da rotação do motor.............................. 38
Figura 19. Curva da eficiência do motor em função da rotação do motor. ............................. 39
Figura 20. Curva da emissão de NOx em função da rotação do motor. .................................. 39
Figura 21. Curva da massa de combustível em função da rotação do motor. ......................... 40
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Dados de entrada do motor ...................................................................................... 26
Tabela 2. Primeira simulação .................................................................................................. 30
Tabela 3. Definição da razão de compressão........................................................................... 31
Tabela 4. Valores do fator lambda para cada rotação .............................................................. 32
Tabela 5. Tempo de ignição para cada rotação........................................................................ 32
Tabela 6. Tempo de injeção para cada rotação ........................................................................ 33
Tabela 7. Valores dos tempos de válvulas ............................................................................... 33
Tabela 8. Valores da simulação final ....................................................................................... 34
Tabela 9. Dados finais obtidos pela otimização ...................................................................... 41
SUMÁRIO
1. Introdução ........................................................................................................................... 14
1.1. Breve histórico .............................................................................................................. 14
1.2. Ciclos de funcionamento .............................................................................................. 19
1.2.1. Ciclo de ignição por centelha ............................................................................... 19
1.2.2. Ciclo de ignição por compressão .......................................................................... 20
1.3. Injeção direta ................................................................................................................ 21
2. Objetivo ...............................................................................................................................23
3. Revisão Bibliografica .........................................................................................................24
4. Materiais e metódos ............................................................................................................ 26
4.1. Dados iniciais ............................................................................................................... 26
4.2. DIESEL-RK ................................................................................................................. 26
4.3.Metodologia ................................................................................................................... 28
5. RESULTADOS ................................................................................................................... 30
5.1. Otimização dos parâmetros .......................................................................................... 30
5.1.1. Razão de compressão ........................................................................................... 31
5.1.2. Lambda (λ) ........................................................................................................... 31
5.1.3. Tempo de ignição (θi) ........................................................................................... 32
5.1.4. Tempo de injeção.................................................................................................. 32
5.1.5. Tempos de válvulas .............................................................................................. 33
5.2. Resultados obtidos através da otimização dos parâmetros ........................................... 33
6. Conclusão. ........................................................................................................................... 42
7. Bibliografia .......................................................................................................................... 43
14
1. INTRODUÇÃO
1.1. Breve histórico
Os motores de combustão interna, são máquinas térmicas e fazem a transformação de
energia térmica em mecânica. Sem muitos registros da época, a quem dizem que por volta de
1650 haviam experimentos de motores de combustão utilizando a pólvora como combustível.
Robert Street criou uma máquina de pistão trabalhando com mistura de aguarrás e ar e
o patenteou em 1794, seguido alguns anos em 1805 foi produzido um motor a gás de carvão
por Isaac de Rivaz, estes motores são conhecidos como motores de combustão interna
atmosférico. Em 1861 Jean Lenoir, utilizou dos mesmos princípios de Street e Rivaz e
produziu e comercializou os primeiros motores de combustão interna. O motor de Lenoir
produzia cerca de 1 kW de potência, sendo ele de dupla ação contendo 2 câmaras de
combustão.
Em 1876 Nikolaus Otto desenvolveu um motor de 4 tempos, tornando assim o
pioneiro desta técnica. Este motor utilizava um carburador de pavio para realizar a mistura
ar/combustível. Diante disso, a Figura 1 ilustra o motor descrito. O alemão Rudolf Diesel,
através de diversos experimentos e estudos, criou o chamado hoje como motor diesel. Tem
princípios de funcionamento similar ao de Otto, com algumas diferenças, como a mistura do
ar com o combustível, e a forma de ignição. O ciclo criado por Diesel, a combustão era gerada
pela compressão, já de Otto fazia o uso de uma faísca elétrica (VARELLA, 2015).
Figura 1. Nikolaus Otto.
Fonte: BRUNETTI (2012).
15
Ao longo dos anos houve a evolução dos motores de combustão interna, tanto na
potência quanto no consumo. Na mistura do combustível saímos dos motores carburados para
os de injeção em 1951 trazendo um aumento de 14% na potência dos motores, o tipo de
injeção era mecânico e direto (para dentro da câmara de combustão), a partir desta evoluiu a
injeção indireta mecânica. O K-Jetronic era um sistema de injeção mecânico e foi introduzido
pela Bosch até 1973.
Em 1957 surgiu a injeção eletrônica analógica e a partir dos anos 80 criou-se a injeção
eletrônica digital, com intuito de se promover a diminuição da emissão de gases poluentes.
Outra evolução foi com relação aos motores multiválvulas, pois com um número maior de
válvulas por cilindro (exemplo de 3, 4 ou 5 ao invés de 2), foi possível melhorar o rendimento
dos motores, gerando aumento de potência e, consequentemente, redução no consumo de
combustível.
No mercado atual dos motores está sendo adotado as multiválvulas, tanto nos motores
flex (gasolina e/ou etanol) quanto nos Diesel. Têm-se uma tendência de que, ao passar dos
anos, grande parte dos motores automotivos comecem a ser produzidos com multiválvulas no
cabeçote. O turbocompressor, conforme a Figura 2, é outro sistema que faz parte da evolução
automotiva, proporcionando uma potência maior aos motores e, portanto, melhorando seus
rendimentos.
Figura 2. Esquema de um turbocompressor.
Fonte: SUPERSTREE (2015).
16
Na Fórmula 1, onde pode-se observar motores com elevada potência e tecnologia
embarcada, até 1965 os motores possuíam uma cilindrada de 1,5l, tendo assim uma potência
abaixo de 200 hp. Ao passar dos anos, chegou a 400 hp com 3,0 l de cilindrada, em 1966. Nos
anos 70 e 80 implantaram os motores turbo carregados, reduzindo a cilindrada para 1,5 l,
novamente, proporcionando um aumento da potência, chegando a 950 hp em 1988.
Porém os motores turbos carregados apresentavam um consumo maior, onde
começaram a surgir certas restrições quanto a esse fator e, consequentemente, esses passaram
a não ser mais utilizados. Em 1995 era novamente de 3,0 l, porém sua potência era de 700 hp,
e continuou aumentando ao longo dos anos, chegando a quase 1.000 hp de potência em 2005,
como ilustrado na da Figura 3. O aliado deste aumento de potência foi a rotação alcançada,
que chegou a ultrapassar os 21.000 rpm, como pode ser visto na Figura 4.
Figura 3. Relação da potência em função do ano de aplicação.
Fonte: Martins (2013).
Figura 4. Relação da rotação em função do ano de aplicação.
Fonte: Martins (2013).
17
Na construção de um motor de combustão interna, um grande desafio é aliar a
potência ao menor consumo possível, além da redução nas emissões de gases poluentes. Com
tanta tecnologia, os sistemas de injeção são capazes de regular um motor, superando estes
desafios. Atualmente, a principal evolução foi o desenvolvimento da injeção direta em
motores de ignição por centelha, a qual proporciona uma menor produção de poluentes e do
consumo de combustível, pois este sistema permite um melhor controle da combustão,
podendo ser empregado em veículos de uso no dia-a-dia quanto em motores de competição.
Os veículos híbridos, como demostrado na Figura 5, se faz uso de duas fontes
energéticas, usualmente um motor elétrico em conjunto com um motor de combustão interna.
A história dos veículos elétricos (híbridos) começou a ser contada por volta de 1.880, quando
o inglês David Salomons lançou os primeiros modelos. Na época, esses modelos de veículos
elétricos geravam um bom desempenho, poucos ruídos, porém, sua autonomia era baixa
(²BRUNETTI, 2012).
Os veículos híbridos ganharam ainda mais importância nos anos 70, 80 e 90, onde
surgiram várias argumentações sobre o uso do petróleo nos motores, influenciando o
desenvolvimento dos motores elétricos. Existiam diversos argumentos naquela época, sendo
que um deles afirmava que se o petróleo fosse queimado nas usinas termoelétricas seria mais
eficiente que ao invés de ser empregado nos motores de combustão interna.
Figura 5. Motor V12 acoplado a uma transmissão e 2 motores elétricos.
Fonte: RODRIGUEZ (2012).
18
Nos dias atuais, em vários países do mundo é possível existir várias maneiras, por
parte do governo, incentivando a produção e uso dos veículos híbridos, como uma forma de
aumentar o número de veículos nas ruas, obtendo menores emissões e maior economia de
combustível.
Em 2014, no mundo tecnológico e potente da Fórmula 1, começou a surgir veículos
híbridos, conforme mostra a Figura 6. Neste ano, os propulsores híbridos dessa categoria
apresentam cilindrada de 1,6 l, turbocompressor, injeção direta, alcançando 850 hp de
potência e rotação máxima de 15.000 rpm, utilizando a gasolina como combustível de
trabalho e faz-se o uso de duas unidades geradoras de potência.
A MGU-K (unidade geradora de potência-cinética) está acoplada ao eixo do
virabrequim do motor, a qual recupera a energia cinética dissipada pelos freios nos momentos
de freada e transforma em eletricidade, a carga é limitada pelo regulamento e pode-se gerar no
máximo 120 kW ou 160 hp.
Além disso, a MGU-K é acionada pela a MGU-H, nos momentos de aceleração do
veículo. Neste caso, a MGU-H (unidade geradora de potência-calor) é conectada ao eixo do
turbocompressor, absorvendo o torque gerado pelo eixo da turbina e, com isso, convertendo a
energia térmica em elétrica. Por fim, essa potência elétrica pode ser direcionada a MGU-K ou
às baterias.
Figura 6. Motor Energy-F1 descodificado.
Fonte: RENAULT (2015).
19
Vale ressaltar que a MGU-H também é usada para controlar a rotação da turbina e
equalizar a demanda de ar para o interior do motor, podendo atuar como uma válvula de
escape, diminuindo essa velocidade ou aumentando os giros para eliminar o atraso da resposta
da turbina, ou seja, o intervalo caracterizado entre a ordem de aumentar a pressão e a resposta
da turbina (RENAULT, 2015).
1.2. Ciclos de funcionamento
Nesta seção serão apresentados os ciclos de quatro cursos de ignição por centelha e o
ciclo de ignição por compressão. Diante disso, serão apresentados os diagramas de pressão em
função do volume geométrico no interior da câmara de combustão, além da descrição de todos
os eventos envolvidos.
1.2.1. Ciclo de ignição por centelha - Otto
O ciclo de ignição por centelha teórica é caracterizado por quatro processos
termodinâmicos, conforme apresentado na Figura 7. Adicionalmente, serão descritos cada um
dos processos envolvidos.
Figura 7. Ciclo de ignição por centelha teórico – Otto.
Fonte: ¹BRUNETTI (2012).
20
Processo 1-2: compressão adiabática e reversível e, consequentemente,
isoentrópica, da mistura ar-combustível que foi admitida para o interior do cilindro.
Neste processo, o trabalho realizado é negativo e todas as válvulas do motor se
encontram fechadas;
Processo 2-3: combustão instantânea, ou seja, ocorre sem a variação do volume
geométrico do motor, promovida por uma centelha no interior da câmara de
combustão. Vale destacar que, ao final desse evento, tem-se o maior nível de
pressão e temperatura do ciclo;
Processo 3-4: expansão motora adiabática e reversível e, consequentemente,
isoentrópica. Neste processo se avalia o trabalho gerado pelo ciclo, pois ocorre
geração de potência;
Processo 4-1: exaustão dos produtos de combustão, que ocorre por meio da abertura
da válvula de exaustão, aliado ao movimento do pistão.
1.2.2. Ciclo de ignição por compressão - Diesel
Assim como o anterior, o ciclo de ignição por compressão teórico pode ser
caracterizado por seis processos termodinâmicos, conforme apresentado na Figura 8. A
seguir, serão descritos cada um dos processos envolvidos.
Figura 8. Ciclo Diesel
Fonte: Adaptado de UFRGS.
21
Processo 6-1: admissão de ar na câmara de combustão, a pressão constante, onde as
válvulas de admissão permanecem abertas, enquanto que as de exaustão estão
fechadas;
Processo 1-2: compressão adiabática e reversível e, consequentemente,
isoentrópica, do ar atmosférico que foi admitido para o interior do cilindro. Neste
processo, o trabalho realizado é negativo e todas as válvulas do motor se encontram
fechadas;
Processo 2-3: nesta etapa se inicia a injeção de combustível que, em contato com o
ar comprimido, o qual apresenta elevados níveis de pressão e temperatura, se inicia
a combustão da mistura ar-combustível. Ainda neste processo, todas as válvulas
permanecem fechadas;
Processo 3-4: expansão motora adiabática e reversível e, consequentemente,
isoentrópica. Neste processo se avalia o trabalho gerado pelo ciclo, pois ocorre
geração de potência de eixo;
Processo 4-5: blowdown ou descompressão rápida do cilindro, onde se inicia a
abertura da válvula de escape e, com isso, a expulsão parcial dos produtos de
combustão, em função do gradiente de pressão;
Processo 5-6: exaustão dos produtos de combustão, a qual ocorre a uma pressão
constante. Neste evento, as válvulas de escape permanecem abertas liberando os
gases da queima para o escapamento do veículo. Após o fim deste processo inicia-
se um novo ciclo.
1.3. Injeção direta
O sistema de injeção direta nos motores de combustão interna corresponde a uma
tecnologia que busca a redução do consumo de combustível e, por consequência, elevação na
eficiência do motor. Os motores que utilizam injeção direta, durante o evento de admissão
ocorre a indução de apenas ar atmosférico, ao contrário dos motores com injeção na porta, que
admitem uma mistura ar-combustível homogênea.
Antes do início do evento de combustão os motores com injeção direta promovem a
pulverização do combustível atomizado sobre a cabeça do pistão, como visto na Figura 9, a
uma pressão em torno de 200,0 bar, de acordo com o veículo e/ou sistema. Diante disso, o
22
combustível se associa ao ar no interior do cilindro e, em seguida, ocorre a combustão e a
expansão motora.
Figura 9. Esquema de uma injeção direta.
Fonte: Oficina Brasil (2011).
Para que se possa atingir alta pressão no sistema de injeção direta, faz-se o uso de uma
bomba de alta pressão, a qual é acionada pelos componentes móveis do motor, através da
correia ou corrente de distribuição, ou até mesmo pelo comando de válvulas, estando assim
sincronizado ao funcionamento do motor, determinando a pressão de trabalho em cada
instante.
A injeção direta de combustível proporciona grandes vantagens em comparação a
injeção indireta (injeção na porta), tais como, desenvolvimento de motores com maior taxa de
compressão, gerando melhor resposta nas acelerações, elevada eficiência volumétrica, baixo
índice de emissões, menor consumo de combustível e maiores potência.
23
2. OBJETIVO
O presente trabalho tem como objetivo otimizar o desempenho de um motor de
combustão interna, cujos parâmetros geométricos e de funcionamento são próximos aos de
um motor empregado na Fórmula 1 atual, operando com etanol hidratado. Para isso, será
empregado o software DIESEL-RK, com o intuito de se alcançar os melhores níveis de torque
e, consequentemente, potência, respeitando sempre os patamares de emissão de poluentes e
requisito de octanagem.
24
4. REVISÃO BIBLIOGRAFICA
É possível encontrar diversos trabalho em relação a simulação e dimensionamento de
motores de combustão interna, visando, na maioria das vezes, a redução dos níveis de
emissões de poluentes e o baixo consumo de combustível. Diante disso, será apresentado uma
breve revisão bibliográfica a respeito do assunto.
Gonçalves (2008) dimensionou um motor similar aos utilizados na Shell Eco –
Marathon, cuja ideia proposta era minimizar o consumo de combustível. Verificou e analisou
resultados experimentalmente, através da variação de parâmetros de entrada, propriedades de
combustão de combustível, tempos de injeção e abertura de válvulas por meio de um motor de
31,65 cm³ (ME165). Utilizou um programa para simulação e otimização dos parâmetros,
sendo utilizado o “4SSI”. Apresentou através de um software a projeção de um êmbolo e o
melhor material para sua fabricação, concluindo que seja a liga de alumínio A390 – TS. Na
sua conclusão os objetivos foram atingidos, tendo uma melhoria no consumo de 30%. A
melhoria de consumo se deve as alterações arquitetônicas do motor e as melhorias
termodinâmicas, utilizando o ciclo de Atkison. Foi citado a redução de atrito das partes
móveis através da forma de lubrificação trazendo assim ganhos na diminuição do consumo de
combustível.
Carvalho (2011) analisou o funcionamento de um motor de combustão interna 1.4 l
utilizando diferentes tipos de combustível. A análise foi realizada através de ensaios
experimentais por meio de um dinamômetro de bancada, comparando o desempenho de
torque e potência. Os combustíveis utilizados nestes ensaios foram, o gás natural veicular
(GNV), gasolina comum brasileira (Tipo C), álcool etílico anidro combustível (AEAC),
álcool etílico hidratado combustível (AEHC), uma mistura E50 contendo 50% de gasolina
pura e 50% de álcool anidro (AEAC) e a mistura E75 com 75% de álcool anidro (AEAC) e
25% de gasolina pura. Abordou-se características importantes dos combustíveis utilizado no
motor, as emissões de gases, fatores de projetos, conceitos termodinâmicos como a entropia,
irreversibilidade, exergia e a aplicação da 1ª e 2ª lei da termodinâmica para motor de
combustão interna. Os seus resultados mostram a eficiência de cada combustível, e os que
obtiveram melhores resultados foram os álcool anidro e hidratado (AEAC e AEHC), o GNV
por sua vez apresentou o pior desempenho, ambas em relação a potência e torque do motor, a
uma determinada faixa de rotação. Outra relação importante foi as emissões de CO2,
25
observando que o GNV foi o combustível que menos emitiu o CO2 ao meio ambiente, ao
contrário da gasolina que teve um percentual maior de emissões.
Ribeiro (2013), apresentou um modelamento computacional de um motor de
combustão interna Diesel, utilizando da modelagem termodinâmica 0-D. Foram utilizados os
softwares Soliworks, Ansyse e Matilab, desenvolveu um modelamento prevendo o
funcionamento correto de um motor combinando da transferência de calor, vazamento e
injeção, estudo de escoamento nos quatros tempos de funcionamento. Determinou a
temperatura e pressão para cada ângulo de manivela, com o modelo 3D apresentou o ciclo
completo do escoamento do ar no motor.
Millem (2015), utilizou do software Diesel – RK na simulação de um motor marítimo,
sua principal ideia era comparar os resultados obtidos através do software com os obtidos de
uma bancada de teste a fim de testa a confiabilidade do software. Relata em seu trabalho uma
das questões mais discutidas hoje, a emissão de poluentes, analisando o desenvolvimento de
projetos dos motores de combustão interna, como sendo essencial reduzir as emissões dos
gases poluentes. Os dados inseridos no software Diesel – RK, foram coletados dos fabricantes
do motor e principalmente de manuais disponíveis. Realizou simulações computacionais e
comparado com os experimentais, utilizando de diferentes cargas nominais, afim que os
resultados fossem semelhantes, com o propósito de que o software venha a ser eficaz no seu
uso. Para a realização deste trabalho utilizou-se um motor MAN Innovator 4C, em seus
resultados apresentou gráficos e tabelas com dados experimentais e computacionais para
diferentes porcentagem de carga deste motor. Com 100% da carga, em relação a potência por
exemplo, experimentalmente apresentou 500 kW, e através do software 451,45 kW uma
diferença de 9,71%. Realizou-se um total de 114 simulações, chegando a conclusão com os
dados obtidos de que o software possui precisão satisfatória, podendo assim ser utilizado para
teste em laboratórios.
26
4. MATERIAIS E METÓDOS
4.1. Dados iniciais
Os parâmetros iniciais de entrada foram obtidos através de algumas informações dos
motores de Fórmula-1, mais precisamente do motor Energy F1 da Renault, utilizado nas
equipes Red Bull Racing e Scuderia Toro Rosso.
Os dados obtidos para inicialização da otimização seguem descritos na Tabela 1, os
quais foram inseridos no software Diesel-RK e, por consequência, foi possível iniciar as
análises de desempenho, visando uma correlação entre redução nos níveis de emissão e
elevação do rendimento térmico, por meio do aumento do torque e potência, associados à
redução do consumo de combustível.
Tabela 1. Dados de entrada do motor.
Cilindrada 1,6 l
Rotação máxima 15.000 rpm
Rotação nominal ¹ 10.000 rpm
Número de cilindros 6
Número de válvulas por cilindro 4
Arquitetura do motor V a 90°
Diâmetro do cilindro (b) 80 mm
Curso do pistão (S) 50 mm
Taxa de compressão ¹ 15:1
Sistema de injeção de combustível Direta
Combustível utilizado ¹ Etanol
Turbocompressor Sim
¹ - definido pelo autor
Fonte: RENAULT (2015).
4.2. DIESEL-RK
O DIESEL-RK foi o software utilizado na otimização dos parâmetros deste motor. O
desenvolvimento do software DIESEL-RK, visto na Figura 10, se iniciou em 1981, na
Universidade Técnica Estatal Bauman de Moscou. O software é utilizado na otimização de
combustão diesel, análise de motor de combustão interna e otimização. Trata de um software
russo, o download é livre e não necessita de licença para utilização. A utilização deste
software é por meio de uma ligação com seu serviço, é necessário ter rede de internet para sua
27
utilização. Quanto o tempo de processamento é variável, cerca de 3 segundos ou até mesmo 2
minutos, sem ter tempo fixo (DIESEL-RK, 2015).
Figura 10. Interface do software.
Fonte: DIESEL-RK (2015).
As principais aplicações do Diesel-RK têm relação com:
Curva de torque e outras performances dos motores;
Previsão de consumo de combustível e de otimização;
Análise e otimização das emissões;
Análise e otimização do sistema EGR;
Otimização do(s) comando(s) de válvulas;
Pesquisa e otimização da injeção de combustível, incluindo injeção na porta e
injeção direta.
O programa pode ser utilizado no modelamento de motores de ignição por compressão
(CI), motores de ignição por centelha (SI), tanto de dois como de quatro cursos. Possibilita a
simulação e modelamento de motores com diversas formas geométricas e números de pistões,
como exemplo quatro cilindros em linha, V6, V8, radial, cilindros opostos, dentre outros.
Contudo, o programa Diesel-RK possibilita simular o trabalho de qualquer tipo de motor de
combustão interna, obtendo alta precisão nos resultados.
O modo ICE é uma maneira fácil e rápida para se calcular os valores de todos
parâmetros de funcionamento de um motor. Uma vez inserido os dados de entradas ou após
otimização desses dados, é necessário avaliar o desempenho do motor através da execução do
modo ICE e, com isso, é possível obter os valores de tais parâmetros.
28
Para poder buscar o melhor rendimento de um motor otimizado, é preciso calcular
diversos parâmetros e suas variáveis, apresentando extensos cálculos. No modo scanning do
software, é possível selecionar uma variável a ser avaliada, dentro de um determinado
intervalo e, em seguida, promover um escaneamento. Com isso, é possível traçar gráficos,
onde se têm os valores da variável analisada na abcissa e, consequentemente, outro parâmetro
escolhido pelo projetista na ordenada. Esse modo favorece a observação do comportamento
da variável, possibilitando a otimização da mesma (DIESEL-RK, 2015)
4.3.Metodologia
Neste tópico será descrita uma metodologia de como foram desenvolvidos os passos
para se alcançar os resultados. No primeiro passo, foi realizado um ICE com os dados iniciais
e, por isso, é possível observar os resultados para essa configuração inicial. O passo seguinte é
um escaneamento de determinada variável a ser otimizada e, consequentemente, foi possível
plotar os gráficos, como mostrados na Figura 11.
Para se alcançar os melhores valores dessa variável, através do escaneamento, eram
comparados os gráficos de “torque x parâmetro a ser otimizado”, com o gráfico “octanagem x
parâmetro a ser otimizado”, buscando sempre o máximo torque possível, sem ultrapassar o
valor máximo de requisito de octanagem do combustível.
Figura 11. Gráfico gerado pelo software após scanning.
Fonte: DIESEL-RK (2015).
29
Após o escaneamento, realiza-se na maioria dos casos uma alteração do valor da
variável, a fim de se enxergar uma melhora no desempenho do motor. Com isso, se altera o
valor do parâmetro e, em seguida, executa o projeto em modo ICE, obtendo a melhor em
função das alterações. Os passos citados anteriormente foram seguidos para todas variáveis a
serem ajustadas nesta otimização.
De maneira simplificada o passo a passo da otimização será descrito abaixo.
1º passo: ICE dos dados iniciais.
2º passo: Scanning de uma variável.
3º passo: Alteração do valor da variável.
4º passo: ICE e verificação da melhora.
5º passo: Scanning 2.
30
5. RESULTADOS
Após a realização do passo-a-passo utilizado para otimização deste motor, é possível
observar os resultados obtidos. Neste capítulo esta introduzido os valores obtidos para cada
variável otimizada. Inserindo também os valores adquiridos sem otimização correspondente
ao ICE 0, e os valores otimizados por duas vezes inseridos no ICE 1 e no ICE 2.
5.1. Otimização dos parâmetros
A partir da inserção dos dados de entrada no software Diesel-RK e, em seguida,
aplicando a primeira simulação, os primeiros valores de todos os parâmetros de
funcionamento foram alcançados, os quais seguem listados na Tabela 2, em função da faixa
de rotação analisada.
Tabela 2. Primeira simulação.
Rotação [rpm] 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 15.000
Potência [kW] 53,428 119,58 185,82 207,88 215,74 187,98 120,77
Torque [N.m] 255,12 285,51 295,76 248,15 206,03 149,60 76,891
bmep [ba]) 21,258 23,791 24,645 20,678 17,168 12,466 6,4071
imep [bar] 22,776 25,879 27,545 24,200 21,296 17,179 11,383
Octanagem [octanas] 152,29 131,09 120,53 103,41 89,953 76,858 59,077
bsfc [kg/kWh] 0,43189 0,39112 0,38663 0,39743 0,41556 0,46010 0,59369
Eficiência mecânica 0,93338 0,91931 0,89473 0,85447 0,80615 0,72567 0,56285
Eficiência do motor 0,33342 0,36817 0,37245 0,36232 0,34652 0,31298 0,24255
Emissão de NOx [g/kWh] 9,6939 9,6594 9,2989 8,7661 7,6077 7,2168 6,7570
Massa de combustível 0,06410 0,06496 0,06652 0,05737 0,04981 0,04004 0,02656
Fonte: Próprio autor.
A partir desta primeira simulação, o passo seguinte foi desenvolvido com o objetivo de
se analisar e otimizar os diferentes parâmetros de funcionamento do motor. Sendo esses
parâmetros de otimização referentes aos tempos de abertura e fechamento das válvulas de
admissão e escape (EVO, EVC, IVO, IVC), o lambda (λ), a razão de compressão, o tempo de
ignição e o tempo de injeção para cada faixa de rotação, respeitando sempre o limite de 110
octanas referente ao etanol hidratado.
31
5.1.1. Razão de compressão
A primeira simulação realizada foi em relação a razão de compressão. O valor inicial
da razão de compressão utilizado foi referente a 15. Com a otimização realizada a partir do
software, é possível verificar um melhor desempenho tanto no torque quanto na potência
deste motor considerando a diminuição do consumo especifico, com uma razão de
compressão igual a 18, visto na faixa de 10.000 rpm, conforme valores descritos na Tabela 3.
Vale ressaltar que alguns valores obtidos podem ser alterados, levando em consideração
sempre um melhor desempenho, aliado às emissões e ao consumo específico.
Tabela 3. Definição da razão de compressão.
Razão de compressão 15 18
Potência [kW] 215,74 219,16
Torque [N.m] 206,03 209,30
bmep [bar] 17,168 17,441
imep [bar] 21,296 21,663
Requisito de octanagem [octanas] 89,953 95,894
Consumo específico [kg/kWh] 0,41556 0,40571
Eficiência mecânica 0,80615 0,80507
Eficiência do motor 0,34652 0,35493
Emissão de NOx [g/kWh] 7,6077 8,0510
Massa de combustível 0,04981 0,04940
Fonte: Próprio autor.
5.1.2.Lambda (λ)
Os motores de Fórmula-1tratam-se de modelos dinâmicos, com parâmetros variáveis
para qualquer faixa de rotação. O fator lambda (λ) é definido como a relação ar/combustível
real, pela ideal. A razão real corresponde à admitida para o interior do cilindro e a ideal é
denominada proporção estequiométrica. A utilização do fator lambda caracteriza os tipos de
misturas, para diferentes tipos de combustível.
Quando o valor de λ for igual a 1, se refere a uma mistura estequiométrica. Por outro
lado, quando esse valor for menor que a unidade (λ<1) tem-se uma mistura rica, ou seja, com
um excedente de combustível, se comparado ao necessário para uma queima estequiométrica.
Por fim, quando se tem um valor maior que a unidade (λ>1), consiste em uma mistura pobre,
ou seja, um teor menor de combustível, se comparado à proporção estequiométrica.
32
A seguir, a Tabela 4 apresenta os valore de λ otimizados para a operação do motor, ao
longo de toda a faixa de rotação. Os valores descritos na iteração ICE 0 são referentes aos da
simulação inicial do trabalho. Os valores da iteração ICE 1representama primeira otimização
realizada neste motor, para cada faixa de rotação. Já os valores do ICE 2 correspondem a uma
melhoria realizada, com uma nova iteração, otimizando cada parâmetro.
Tabela 4. Valores do fator lambda para cada rotação.
Rotação [rpm] 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 15.000
Fator
Lambda
(λ)
ICE 0 1 1 1 1 1 1 1
ICE 1 0,9 0,6 0,6 0,7 0,7 0,7 0,7
ICE 2 - 0,7 0,7 - - 0,7 -
Fonte: Próprio autor.
5.1.3. Tempo de ignição (θi)
O tempo de ignição é referente ao instante em que ocorre a centelha, para que a
mistura ar-combustível entre em combustão, gerando potência neste motor. A Tabela 5,
demostra os valores de cada tempo de ignição, para cada faixa de rotação. Lembrando-se de
que o ICE 0 é referente à iteração inicial e o ICE 2 referente à otimização, onde se alcançaram
os melhores resultados. É possível observar que quanto maior a faixa de rotação, maior é o
valor obtido do tempo de ignição.
Tabela 5. Tempo de ignição para cada rotação.
Rotação [rpm] 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 15.000
Tempo de
ignição (θi)
ICE 0 25 25 25 25 25 25 25
ICE 1 5 10 15 15 23 23 26
ICE 2 - 7 12 15 20 25 -
Fonte: Próprio autor.
5.1.4. Tempo de injeção
Outro parâmetro otimizado foi o tempo de injeção, por se tratar de um sistema de
injeção direta é necessário saber o momento certo para pulverização do combustível na
câmara de combustão. Na Tabela 6 é definido o tempo de injeção otimizado para cada faixa
de rotação sendo o ICE 2 os melhores resultados obtidos.
33
Tabela 6. Tempo de injeção para cada rotação.
Rotação [rpm] 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 15.000
Tempo
de
injeção
ICE 0 60 60 60 60 60 60 60
ICE 1 40 80 80 120 90 100 100
ICE 2 - 68 70 90 - 95 120
Fonte: Próprio autor.
5.1.5. Tempos de válvulas
Neste passo foi definido o ângulo da árvore de manivelas para a abertura e o
fechamento de cada válvula, conforme descrito na Tabela 7, sendo que:
EVO representa a abertura das válvulas de escape;
EVC representa o fechamento da válvula de escape;
IVO define a abertura das válvulas de admissão;
IVC define o momento que se fecha as válvulas de admissão.
Tabela 7. Valores dos tempos de válvulas.
Rotação [rpm]
2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 15.000
EVO
[° antes do PMS]
ICE 0 60 60 60 60 60 60 60
ICE 1 100 70 70 95 95 104 128
ICE 2 90 72 83 83 94 - -
EVC
[° depois do PMI]
ICE 0 26 26 26 26 26 26 26
ICE 1 85 63 63 78 78 76 65
ICE 2 - 95 79 79 84 - -
IVO
[° antes do PMS]
ICE 0 26 26 26 26 26 26 26
ICE 1 20 25 30 65 65 43 72,5
ICE 2 17 44 72 72 58 - -
IVC
[° depois do PMI]
ICE 0 33 33 33 33 33 33 33
ICE 1 20 20,5 20,5 40 40 67 82
ICE 2 - 32 65 55 66 - -
Fonte: Próprio autor.
5.2. Resultados obtidos através da otimização dos parâmetros
Após a otimização dos parâmetros definidos neste trabalho, foi realizado várias
iterações para cada faixa de rotação. Por meio do ICE 0, são dados definido da primeira
simulação, sem as devidas otimizações. No ICE 1, foram inseridos os dados obtidos pela
primeira iteração, para o tempo de ignição, tempo de injeção, fator lambda, abertura e
fechamento das válvulas na iteração ICE 1, mostrado nas Tabelas anteriores. Através do ICE
34
2 se pode enxergar um refinamento dos dados, em função de uma dada melhoria para este
motor. A Tabela 8 demonstra os resultados obtidos para cada faixa de rotação analisada.
Tabela 8. Valores simulação final.
Rotação [rpm] 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 15.000
Potência [kW]
ICE 0 53,428 119,58 185,82 207,88 215,74 187,98 120,77
ICE 1 45,179 135,41 208,61 290,90 271,79 382,44 368,29
ICE 2 48,781 146,63 231,5 315,11 366,03 384,94 374,03
Torque [N.m]
ICE 0 255,12 285,51 295,76 248,15 206,03 149,60 76,891
ICE 1 215,73 323,28 332,03 347,26 259,56 304,36 234,48
ICE 2 232,93 350,08 368,47 376,16 349,56 306,35 238,13
bmep
[bar]
ICE 0 21,258 23,791 24,645 20,678 17,168 12,466 6,4071
ICE 1 17,976 26,938 27,667 28,936 21,629 25,361 19,538
ICE 2 19,409 29,172 30,703 31,345 29,128 25,527 19,843
imep
[bar]
ICE 0 22,776 25,879 27,545 24,200 21,296 17,179 11,383
ICE 1 18,898 28,885 30,399 32,089 25,194 30,152 24,546
ICE 2 20,410 31,036 33,271 35,011 33,381 30,314 24,688
Requisito
octanagem
(octanas)
ICE 0 152,29 131,09 120,53 103,41 89,953 76,858 59,077
ICE 1 107,35 109,90 109,77 105,48 99,184 109,76 96,031
ICE 2 109,79 109,95 109,70 109,75 109,81 109,74 97,149
Consumo
específico
[kg/kWh]
ICE 0 0,4319 0,3911 0,3866 0,3974 0,4156 0,4601 0,5937
ICE 1 0,4766 0,6048 0,5793 0,4625 0,4537 0,4613 0,4944
ICE 2 0,4628 0,4845 0,4603 0,4567 0,4511 0,4582 0,4986
Eficiência
mecânica
ICE 0 0,9334 0,9193 0,8947 0,8545 0,8061 0,7257 0,5628
ICE 1 0,9512 0,9326 0,9101 0,9017 0,8585 0,8411 0,7960
ICE 2 0,9510 0,9399 0,9228 0,8953 0,8726 0,8421 0,8037
Eficiência do
motor
ICE 0 0,3334 0,3682 0,3724 0,3623 0,3465 0,3130 0,2425
ICE 1 0,3021 0,2381 0,2486 0,3114 0,3173 0,3122 0,2913
ICE 2 0,3112 0,2972 0,3128 0,3153 0,3192 0,3143 0,2888
Emissões de
NOx [g/kWh]
ICE 0 9,6939 9,6594 9,2989 8,7661 7,6077 7,2168 6,7570
ICE 1 0,0720 3.10−4 0,0009 0,0071 0,0373 0,0524 0,0439
ICE 2 0,0891 0,0005 0,0020 0,0080 0,0290 0,0522 0,0495
Massa de
combustível
[g]
ICE 0 0,0641 0,0650 0,0665 0,0574 0,0498 0,0400 0,0266
ICE 1 0,0598 0,1137 0,1119 0,0934 0,0685 0,0817 0,0674
ICE 2 0,0627 0,0986 0,0987 0,0999 0,0917 0,0816 0,0691
Fonte: Próprio autor
35
Em seguida, as Figuras de 12 a 21 apresentam o comportamento dos parâmetros
otimizados no ICE 1 e ICE 2 e com o não otimizado expresso no ICE 0, apresentados na
Tabela 8, em função da faixa de rotação.
Figura 12. Curva de potência em função da rotação do motor.
Fonte: Próprio autor.
Conforme demonstra na Figura 12, é possível analisar o aumento da potência deste
motor conforme se otimizava, levando em consideração toda faixa de rotação. Note que
conforme aumenta se a rotação tem o aumento da potência, desconsiderando a rotação de
12.000 rpm onde à uma queda de potência, levando em consideração a curva do ICE 2.
Figura 13. Curva de torque em função da rotação do motor.
Fonte: Próprio autor.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
2000 4000 6000 8000 10000 12000 15000
Po
tên
cia
[kW
]
Rotação [rpm]
ICE 0
ICE 1
ICE 2
0
50
100
150
200
250
300
350
400
2000 4000 6000 8000 10000 12000 15000
To
rqu
e [N
.m]
Rotação [rpm]
ICE 0
ICE 1
ICE 2
36
Na Figura 13 é possível verificar a comparação do torque para cada ICE. Note que no
ICE 0 o torque máximo alcançado era de aproximadamente 300 N.m a uma rotação de 6.000
rpm. Já com as devidas otimizações realizadas o torque máximo encontrado no ICE 2 é de
aproximadamente 375 N.m em uma rotação de 8.000 rpm. Tendo em vista um aumento no
torque após ser otimizado, seguindo o que foi descrito no objetivo do trabalho.
Figura 14. Curva do bmep em função da rotação do motor.
Fonte: Próprio autor.
A pressão média efetiva de eixo (bmep) expressada graficamente na Figura 14 tem se
uma curva nas três ICE similar a curva do torque. É possível verificar também um aumento
nesta pressão após a otimização das variáveis. Tendo um aumento de aproximadamente 27%
em relação a pressão máxima no ICE 0 com a pressão máxima do ICE 2.
Na Figura 15 demonstra a curva da pressão média indicada de eixo, podendo ser
comparada o aumento da ou diminuição da pressão em relação a faixa de rotação. Analisando
também o aumento desta pressão após a otimização das variáveis.
0
5
10
15
20
25
30
35
2000 4000 6000 8000 10000 12000 15000
bm
ep [
bar
]
Rotação [rpm]
ICE 0
ICE 1
ICE 2
37
Figura 15. Curva do imep em função da rotação do motor.
Fonte: Próprio autor.
Figura 16. Curva do requisito de octanagem em função da rotação do motor.
Fonte: Próprio autor.
O requisito de octanagem é uma variável, que se tinha um valor a ser respeitado
diferentemente das demais, cuja análise era feita comparando com a primeira simulação sem
devidas otimizações. É possível verificar na Figura 16, que no ICE 0 em determinadas faixas
de rotação, o valor de octanas ultrapassava o limite de 110. A partir das otimizações
realizadas levava em consideração a diminuição deste valor. Por fim como visto no ICE 2, o
motor foi otimizado respeitando o limite de octanas, tendo em vista que, em nenhuma das
faixas de rotação o requisito de octanagem é superior a 110 octanas.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
2000 4000 6000 8000 10000 12000 15000
imep
[b
ar]
Rotação [rpm]
ICE 0
ICE 1
ICE 2
0
20
40
60
80
100
120
140
160
2000 4000 6000 8000 10000 12000 15000Req
uis
ito d
e oct
anag
em [
oct
anas
]
Rotação [rpm]
ICE 0
ICE 1
ICE 2
38
Figura 17. Curva do consumo específico em função da rotação do motor.
Fonte: Próprio autor.
O consumo específico de combustível, quando analisado na Figura 17, em relação ao
ICE 0 com o ICE 2 se tem um aumento deste consumo. No entanto esse aumento pode
relevante se comparado ao ganho de potência consequentemente eficiência deste motor, tendo
em vista uma melhora no desempenho.
Figura 18. Curva da eficiência mecânica em função da rotação do motor.
Fonte: Próprio autor.
Na Figura 18 demonstra a curva da eficiência mecânica deste motor. É possível
analisar que em todas as ICE a um decaimento da eficiência, com uma correlação do aumento
da rotação. Isso se dá pelo aumento do atrito deste em altas rotação, basicamente conforme a
o aumento da rotação se aumenta o atrito mecânico das partes móveis deste, fazendo com que
se perca eficiência.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
2000 4000 6000 8000 10000 12000 15000
Co
nsu
mo
esp
ecif
íco
[kg/k
Wh
]
Rotação [rpm]
ICE 0
ICE 1
ICE 2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
2000 4000 6000 8000 10000 12000 15000
Efi
ciên
cia
mec
ânic
a
Rotação [rpm]
ICE 0
ICE 1
ICE 2
39
Figura 19. Curva da eficiência do motor em função da rotação do motor.
Fonte: Próprio autor.
A curva de eficiência do motor se expressa na Figura 19, analisando o ICE 2 essa
eficiência manteve quase constante, tendo variações mínimas. Uma análise desta variável com
o torque é possível verificar uma melhor eficiência do motor, quando se obtém os torques
mais elevados.
Figura 20. Curva das emissões de NOx em função da rotação do motor.
Fonte: Próprio autor.
Analisando a Figura 20, onde é traçado a curva das emissões, os valores expressados
incialmente sem as otimizações realizadas, varia de aproximadamente 7 a 10 g/kWh.
Reduzindo após as otimizações para valores menores que 0,1 g/kWh, conseguindo mais uma
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
2000 4000 6000 8000 10000 12000 15000
Efi
ciên
cia
do
mo
tor
Rotação [rpm]
ICE 0
ICE 1
ICE 2
0
2
4
6
8
10
12
2000 4000 6000 8000 10000 12000 15000
Em
issõ
es d
e N
Ox [
g/k
Wh]
Rotação [rpm]
ICE 0
ICE 1
ICE 2
40
vez realizar o descrito no objetivo do trabalho, alcançando a um toque máximo e reduzindo as
emissões.
Figura 21. Curva da massa de combustível em função da rotação do motor.
Fonte: Próprio autor.
A Figura 21 mostra a curva da quantidade de massa de combustível necessária em um
ciclo para cada faixa de rotação. Nota que houve um aumento desta massa consequentemente
um aumento na eficiência e desempenho deste motor, sendo assim considerável esse aumento.
Com objetivo do trabalho realizado após todas iterações obtendo os valores,
correspondendo a eficiência e desempenho deste motor. Com os dados obtidos é possível
verificar o ponto máximo e mínimo de cada parâmetro analisado na otimização.
O menor valor das emissões alcançado foi de 0,00047 g/kWh em uma rotação de
4.000 rpm, e o máximo valor das emissões foi de 0,0891 g/kWh a 2.000 rpm. Houve uma
diminuição das emissões se comparado a primeira simulação realizada sem devidas
otimizações. O valor obtido a 2.000 rpm na ICE 0 foi de 9,6939 g/kWh conseguindo assim
uma redução para a mesma faixa de rotação de 9,6048 g/kWh.
Quanto ao consumo especifico, o menor valor obtido foi de 0,45109 kg/kWh a uma
rotação de 10.000 rpm. Nas iterações anteriores, em determinada faixa de rotação, os valores
eram menores, tendo assim um aumento no consumo. Vale analisar também o requisito de
octanagem que ultrapassava o valor a ser respeitado, definido para o etanol. Com isso, este
aumento é significativo em relação à diminuição do requisito de octanagem, e de outros
parâmetros comparado, a fim de melhorar o desempenho do motor.
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
2000 4000 6000 8000 10000 12000 15000
Mas
sa d
e co
mb
utí
vel
[g]
Rotação [rpm]
ICE 0
ICE 1
ICE 2
41
Na Tabela 9, é possível verificar os valores máximos e os limites de trabalho deste
motor, para os devidos parâmetros estudados e de outros dados configurados no software, os
quais possibilitaram efetuar a otimização.
Tabela 9. Dados finais obtidos pela otimização.
Cilindrada 1.6 l 0,00016 m³
Potência máxima 384,94 kW 516,21 hp
Torque máximo 376,16 N.m 38,36 kgf.m
Rotação nominal 8.000 rpm 837,76 rad/s
Rotação máxima 15.000 rpm 1.570,8 rad/s
Razão de compressão 18 -
Eficiência da turbina 0,8 -
Eficiência do compressor 0.9 -
Geometria do motor V -
Números de cilindros 6 -
Número de válvulas por cilindro 4 -
Diâmetro do cilindro (b) 80 mm 0,08 m
Curso do pistão (S) 50 mm 0,05 m
Combustível Etanol -
Injeção Direta -
Pressão do combustível 200 bar 20.000 kPa
Fonte: Próprio autor.
Após uma análise final é possível verificar que a potência máxima alcançada,
operando com o etanol como combustível de trabalho. A potência máxima de 516,21 hp é
obtida a uma rotação de 12.000 rpm.
A rotação nominal, na qual se enxerga o torque máximo, é definida como sendo a
8.000 rpm, onde é possível verificar o torque de 376,16 N.m.
42
6. CONCLUSÃO
Analisando diferentes parâmetros e otimizando cada um, viabilizando o menor
consumo com a melhor ou máxima potência alcançada. Pode se dizer relevando os resultados
obtidos, grande melhoria neste motor de combustão interna, após otimização realizada no
software Diesel-RK. Comparando o valor final ao valor inicial deste trabalho pode se concluir
em relação a potência máxima um aumento de 78,4%. Verificando também o consumo
especifico obteve uma redução para o valor máximo de consumo inicial e pós otimização de
aproximadamente 22,5%.
Em relação a emissões obteve um valor pequeno, isso pode se interligar com o uso do
etanol, tratando de um combustível menos poluentes no mercado. Além de ganho em potência
o etanol mesmo tendo autonomia menor comparado com a gasolina, é possível reduzir
emissões com seu uso.
Sem demais parâmetros comparativos, observando somente os valores obtidos na
primeira simulação deste trabalho com a simulação final, conclui-se o prescrito no objetivo.
Concluindo o a otimização deste motor computacionalmente fazendo com que este motor de
combustão interna obtivesse melhor desempenho, tanto com aumento da potência quanto do
torque, respeitando o requisito de octanagem, não ultrapassando o valor de 110 octanas.
Verificando sempre o mínimo consumo para obtenção da máxima potência e torque para
determinada faixa de rotação.
43
7. BIBLIOGRAFIA
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