Desempenho de um motor ciclo Otto

~~ /-:~ Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC -1997 V

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~ DESEMPENHO DE UM MOTOR CICLO OTTO~ ,

. ~, COM INJEAO DIRETA DE GAS NATURAL- . '\.

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:""-.0 Tese apresentada Escola de Engenharia de So:;;...,-

~~;:'( Carlos, da Universidade de So Paulo, como parte dos~~~~ requisitos para obteno do Ttulo de Doutor em

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~~ Engenharia Mecnica.~,,: .

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~~ ORIENTADOR: Prof Dr. Samuel Washington Celere." "

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So Carlos-SP1997

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Paulo Martins/V

Paulo Martins

Paulo Martins

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Paulo Martins".

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Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC - 1997

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A Deus

.

,

. A minha esposa,- Len;se Pa;va e ao meu filho Cleiton Jn;or.

Paulo Martins.

Paulo Martins,


'""',

".

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Samuel Washington relere pela amizade e excelente orientaofornecida durante a elaborao deste trabalho;

Aos professores. Dr. Antnio Moreira dos Santos e Dr. Fernando Milliole,do SEM da EESC-USP, pelas sugestes e apoio fornecidos durante a realizao destetrabalho;

Aos amigos professores Francisco de Assis Oliveira Fontes e Joo TelsforoNbrega de Medeiros da UFRN, pelo incentivo e/ou sugestes ao presente trabalho;

" Ao amigos Mrio Roberto da Silva (colega de ps graduao) e Jos RobertoBogni (Tcnico do Laboratrio de Termodinmica da EESC-USP) pela brilhantecoIlcribuio ao desenvolvimento experimental deste trabalho;

Ao Eng. Francisco Torres e Tcnicos do Laboratrio de Termodinmica daEESC-USP: Roberto Prata, Roberto Lournco, Rubens, Srgio (in memria), peloapoio tcnico dispensado durante a fase experimental do trabalho;

Aos irmos Cid Robson e Carlos Alberto e ao amigo Jos Alfredo pela ajudacomputacional;

As bibliotecrias da EESC-USP: Neuza relere, Terezinha Coletta, HelenaFeres e Elena Luza, pela ajuda no levantamento e normatizao das refernciasbibliogrficas;

Aos Secretrios do SEM-EESC: Ana Paula, Cristina, Elizabeth, Margareth eMaranho" pela presteza no atendimento;

~

Enfim, a todos aqueles que, de alguma forma, contriburam para o xito dopresente trabalho.

Paulo Martins'""',

Paulo Martins"."~

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado. USP . EESC . 1997.

... suMRIO

LISTA DE FIGURAS i

LISTA DE TABELAS V

LISTA DE SMBOLOS, ABREVIATURAS E SIGLAS vi

RESUMO X

ABSTRACT xi"-

CAPTULO 01 - INTRODUO 11.1 - OBJETIVOS D.A~ !>ESQTJISA 4

CAPTULO 02 - REVISO BffiLIOGRFICA 52.1 - BREVE mSTRICO DOS MOTORES A GS 52.2 - PRODUO E RESERVAS DE GS NATURAL 62.3 - CARACTERSTICAS DO GS NATURAL 92.4 - ARMAZENAMENTO E ABASTECIMENTO 192.5 - SISTEMAS DE FORMAO DE MISTURA 222.6 - MOTORES DE CARGA ESTRATIFICADA 242.7 - CONVERSO DE MOTORES PARA GS NATURAL 32

CAPTULO 03 - SISTEMAS DE INJEO ELETRNICA DECOMBUSTVEL PARA MOTORES DE IGNIO 40

.. POR CENTELHA, 3.1- SISTEMAS DE CONTROLE INTEGRADOS 40

3.2 - INJEO ELETRNICA DE COMBUSTVEL 423.3 - SISTEMA DE INJEO MULTI-POINT (MPI) 50

3.3.1 - Estratgias de Injeo Multi-Point (MPI) 553.4 - SISTEMA DE INJEO SINGLE-POINT (SPI) 57

Paulo Martins..."-..,


3.5 - INJETORELETRNICO DE COMBUSTVEL 60'~ 61

CAPTULO 04 - ANLISE TERMODINMICA DO MOTOR4.1-CICLOPADRODEAROTTO 614.2 - MXIMO TRABALHO DE UM MOTOR DE COMBUSTO 64

INTERNA4.3 - BALANO TRMICO DE UM MOTOR DE COMBUSTO 66

CAPTULO 05 - O RENDIMENTO VOLUMTRICO 695.1 - CONSIDERAES PRELIMINARES 695.2 - DEFINIES E CONDIES DE REFERNCIA 705.3 - O PROCESSO DE ADMISSO IDEAL 735.4 - OS PROCESSOS DE ADMISSO E EXAUSTO EM 74

MOTORES DE QUATRO TEMPOS'"' ,

"04, 5.5 - VARIAVEIS QUE INFLUENCIAM O RENDIMENTO 78,

VOLUMETRICO,J 5.6 - EFEITOS QUASI-ESTTlt:OS 79~

5.6.1 - Eficincia Volumtrica d) Ciclo Padro Ar- 79Combustvel

5.6.2 - Efeitos da Razo Ar-Combustvel, Fase e Composio 81do Combustvel

5.6.3 - Efeitos da Frao do Combustvel Vaporizado, do 83Calor de Vaporizao e da Transferncia de Calor

5.6.4 - Efeitos da Razo de Compresso e Razo da Presso 84de Admisso e Exausto

5.7 - EFEITOS DINMICOS E QUASI-ESTTICOS 85COMBINADOS

5.7.1-PerdasporFrico 865.7.2-EfeitoRAM 905.7.3 - Fluxo Reverso na Admisso 91

"" 5.7.4 - Tuning 91

5.7.5 - Efeitos da Velocidade, rea da Vlvula e do Tempo 935.8 - EFICINCIA VOLUMTRICA REDUZIDA AS

CONDIES PADRo 965.9 - RELAO ENTRE O RENDIMENTO VOLUMTRICO E

OUTROS PA RMETROS DE DESEMPENHO DO MOTOR 98

Paulo Martins'~'"'"04,,J~""

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - T~ de Doutorado - USP - EESC - 1997

CAPTULO 06 - MATERIAIS E :MTODOS 100~'" 6.1 - PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 1 00

6.2 - DESCRIO DOS EQUIPAMENTOS E INSTALAES 1106.2.1 - Sistema de Injeo Direta de Gs Natural 1116.2.2 - Mdulo Eletrnico de Controle da Injeo 1166.2.3 - Sistema de Ignio Transistorizada 1186.2.4 - Sistema Gravimtrico de Medio do Consumo de

Gs Natural 120

CAPTULO 07 - RESULTADOS E ANLISE 1387.1 - SISTEMA DE INJEO DIRETA DE GS NATURAL 1387.2 - DESEMPENHO DO MOTOR 140

v CAPTULO 08 - CONCLUSES E SUGESTES 158'-..,J"

8.1 - CONCLUSES 1588.2 - SUGESTES 160

REFERNCIAS BffiLIOGRFICAS 151

LITERATURA CONSULTADA 170

ANEXO A - FRMULAS UTILIZADAS PARA DETERMINAO DOSPAR METROS DE DESEMPENHO DO MOTOR DE 181TESTES APRESENTADAS NAS PLANlLHAS 7.1 A 7.8

ANEXO B - EQUAES GERAIS APLICADAS EM SISTEMASTERMODINMlCOS ABERTOS 187

ANEXO C - ANLISE DAS INCERTEZAS 193

Paulo Martins~'"v'-..,J"

CleitOIl Rubem Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC -1997 i

\'-' LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1 - Distribuio das Reservas de Gs Natural Comprovadas noMundo 7

FIGURA 2.3 - Distribuio Geogrfica das Jazidas de Gs Natural e Rede deGasodutos no Brasil 8

FIGURA 2.4 - Curvas de Temperatura adiabtica de Chama para a Gasolina eo Metano em funo da Razo Equivalente 15

FIGURA 2.5 - Diagrama Esquemtico de um Posto de Abastecimento deVeiculos com GNC 22

FIGURA 2.6 - Sistema de Combusto Hesselman 27

FIGURA 2.7 - Motores de Carga Estratificada de Produo Comercial: OSistema de Combusto Controlada TCCS da TEXACO e o~i.':!~~?- P~.1 d.i MAN 29

FIGURA 2.8 - Esquema de um Motor Ciclo Otto de Carga Estratificada eIgnio por Tocha 30

FIGURA 2.9 - Diagrama Tpico de um Sistema de Converso Mecnico Bi-combustvel para uso do GNC ou GLP 34

FIGURA 2.10 - Diagrama Tpico de um Sistema de Converso Eletrnico Bi-combustvel para uso do GNC ou GLP 35

FIGURA 2.11 - Curvas de Desempenho de motor operando com Gasolina eGNC em regime de Plena Carga ' 39

FIGURA 3.1 - Sistema de Controle Integrado Tpico de um Motor 41

FIGURA 3.2 - Configurao de uma ECU 41..

'c FIGURA 3.3 - Curva Tpica de Corte de Combustvel em Altas Rotaes doMotor : 43

FIGURA 3.4 - Taxa de Purificao dos Gases de Exausto Tpica de umCatalisador de 3- Vias. 44

FIGURA 3.5 - Sistema de Retroalimentao com Sensor Lambda 45

Paulo Martins\'-'..'c

Cleiton Rubem Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC - 1997 ii

\ FIGURA 3.6 - Controle Tpico de um Sistema de Recirculao de Gases de~.. Exausto 47

FIGURA 3.7 - Projeo de Utilizao dos Sistemas de Formao de Misturaem Carros de Passeio na Europa 49

FIGURA 3.8 - Tempos de Resposta Tpicos dos Sistemas de InjeoEletrnica de Combustvel e Carburador Versus o Tempode Resposta Requerido para Boa Dirigibilidade e EmissesAceitveis 50

FIGURA 3.9 - Diagrama Esquemtico de um Sistema de Injeo Multi-Point 51

FIGURA 3.10 - Sistema Tpico de Gerenciamento Eletrnico de InjeoMulti-point (MPI) 52

FIGURA 3.11 - Circuito de Combustvel de um Sistema de Injeo Multi-Point-. (MPI) 53

FIGURA 3.12 - Montagem Tpica de uma VlVllla Injetora de um SistemaMulti-point (MPI). com r~d!c~?:~ t;i~ Gradiente de PressoEntre d. LilUli. ut; CUillUU~L v~i e o Coletor deAdmisso 54

FIGURA 3.13 - Estratgias de Injeo Simultnea, em Grupo e Seqencialpara Sistemas de Injeo Multi-point (MPI) 57

FIGURA 3.14 - Diagrama Esquemtico de um Sistema de Injeo SinglePoint 59

FIGURA 4.1 - Diagramas de Presso versus Volume (P x V) e Temperaturaversus Entropia (T x S) para o Ciclo Padro de ArOtto ; 61

FIGURA 4.2 - Curvas de Rendimento Trmico versus Razo de Compresso...64FIGURA 4.3 - Volume de Controle para um Motor de Combusto Interna,

com Indicao dos Fluxos de Energia e Massa Atravs das.. Fronteiras 67

FIGURA 5.1 - Condies de Referncia para Determinao do RendimentoVolumtr:ico ... 72

FIGURA 5.2 - Processos de Admisso e Exausto de um Motor de Ignio porCentelha de 4 tempos. (a) Presses Mdias na Admisso; (b)Diagramas de Vlvulas e Presso versus Volume; (c) Sistemade Exausto; (d) Presses Indicadas (p) e Levantamento deVlvulas em Funo do ngulo n rvore de Manivelas(8). A

Paulo Martins\~..-...

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC - 1997 iii

". Linha cheia a Plena Carga e a Pontilhada em Regime Cargas\

"-, Parciais 75

FIGURA 5.3 - Efeito do Vapor do Combustvel na Presso Parcial do Ar.Razo da Presso de Admisso do Ar (P a.U para Presso deAdmisso da Mistura (Pu Versus Razo Equivalente (cI paraVapor de Iso-octano, propano, metano, vapor de metanol ehidrognio... """"""" """"""""""""" 82

FIGURA 5.4 - Efeito da Razo de Presses de Admisso e Escape naEficincia Volumtrica do Ciclo Ideal 85

FIGURA 5.5 - Perdas de presso no sistema de admisso de um motor deignio por centelha em regime permanente, curso = 89 mme dimetro = 84 mm 88

FIGURA 5.6 - Presso no coletor de exausto em funo da carga e velocidadede um motor de igni~o por centelha de 4 cilindros 89

-.

FIGURA 5.7 - Presso instantnea no coletor de admisso e exausto de ummotor de ignio por centelha de 4 tempos. P 1 = coletor ded . - .p - I d - C'"a mIssao, 2-CO etor e exaustao .. '. ./..

" FIGURA 5.8 - Eficincia Volumtrica Versus Velocidade Mdia do Pis:o de

um Motor de 04 Cilindros com Injeo Indireta de Diesel e umMotor de 06 Cilindros de Ignio por Centelha 93

FIGURA 5.9 - Efeitos de diferentes fenmenos de escoamento do ar naeficincia Volumtrica do motor em funo da velocidade. Alinha slida a curva final de llv versus a rotao 95

FIGURA 6.1 - Diagrama Esquemtico de Montagem dos Equipamentos deControle do Motor de Testes no Dinammetro 101

FIGURA 6.2- Diagrama esquemtico do sistema de controle e monitoramentoda injeo direta de gs natural, do monitoramento da ignio epresso indicada do motor de testes. 112

FIGURA 6.3 - Diagrama Esquemtico do Conjunto de Injeo Direta de Gs-. Natural a Baixas Presses 114

FIGURA 6.4 - Diagrama de Corpo Livre da Vlvula de Reteno do Conjuntode Injeo Direta de Gs Natural 115

FIGURA 6.5 - Diagrama Eltrico da Unidade de Gerenciamento Eletrnico daInjeo de Gs natural 117

Paulo Martins". \"-,-."-.

Cleiton Rubem Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC - 1997 iv

...

"", FIGURA 6.6 - Diagrama Esquemtico do Sistema de Ignio transistorizadacom Mecanismo de Controle do Avano da Centelha 119

1 FIGURA 6.7- Sistema de Medio do Consumo GN 121?~~f:,~~ FIGURA 6.8 - Vista Geral do Motor no Dinammetro 123"

.'" FIGURA 6.9 - Bancada de Controle e Monitoramento 124

~ FIGURA 6.10- Conjunto de Injeo direta de Gs natural 125FIGURA 6.11 - Vista Lateral dos Componentes do Conjunto de Injeo Direta

de GN 126

FIGURA 6.12 - Vista de Topo dos Componentes do Conjunto de InjeoDireta de GN 127

I FIGURA 6.13 - Vista Superior da Unidade de Gerenciamento Eletrnico daInjeo de GN com Sinais de Monitoramento da Injeo eIgnio Transistorizada do Motor de Testes 128

rIG~~ C. I"; - "Vr;~La inferior do Sistema de Controle da Injeo de Gs- natural e Monitoramento da Injeo e Ignio 129- FIGURA 6.15 - Sistema de Aquisio de Dados 130

FIGURA 6.16 - Vista Superior do Motor de Testes 131

FIGURA 6.17 - Sistema de Ignio .Transistorizada 132

; FIGURA 6.18 - Vista Posterior do Motor 133,

,

~J ~~ FIGURA 6.19 - Sistema de Medio do Consumo de Gs natural ~ 134- ~;

,li FIGURA 6.20 - Vista do Dinammetro Corrente deFoucaut 135FIGURA 6.21 - Sistema de Aquecimento de Gs Natural para o Motor 136

.". FIGURA 6.22 -Sistema de Medio do Consumo de Gasolina 137

Paulo Martins..."",1?~~f: ,~~".'"~I--;,,~J ~~- ~; ,li.".

Cleiton Rubem Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC - 1997 V

---

LISTA DE TABELAS

. .

..

I

TABELA 2.1 - Reservas de Gs Natural e Petrleo 6

j TABELA 2.2 - Caracteristicas Fsico-Qumicas do GN em Vrias Regies do~i Brasil 9,I

TABELA 2.3 - Propriedades do Gs Metano e da Gasolina 13

. TABELA 6.1 - Especificaes do Motor 105

-- TABELA 6.2 - Testes de Avaliao dos Componentes 106

TABELA 6.3 - Especificaes do GNC 108;"'~"i

;: .J-, PLANILHA 7.1 - Ensaio nU 01 de Plena Carga com Carburao de Gasolina 152~{;:~ PLANILHA 7.2 - Ensaio n 02 de Plena Carga com Carburao de Gasolina 153

,c;.,jPLANILHA 7.3 - Ensaio n 03 de Plena Carga com Injeo Indireta de GN 154PLANILHA 7.4 - Ensaio n 04 de Plena Carga com Injeo Indireta de GN 155PLANILHA 7.5 - Ensaio n 05 de Plena Carga com Injeo Direta de GN 156

PLANILHA 7.6 - Ensaio n 06 de Plena Carga com Injeo Direta de GN 157TABELA C-I - Faixa de Incerteza para as Variveis Independentes do Motor.. 193

TABELA C-2 - Faixa de Incerteza para as Variveis Dependentes do Motor 194

~

.,1.

Paulo Martins---. ...j~i,I.--;"'~"i;: .J-,~{ ;:~,c;.,j~.,1

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC - 1997 vi

- SMBOLOS

A rea, [L 11Ach rea da cabea do cilindro, [L 1AE rea da janela de exausto, [L 2]Ai rea dajanela de admisso, [L 2]B disponibilidade em escoamento permanente, [F.L] ou [E]c calor especifico, [F .LIMT] ou [EIMT]cp calor especifico a volume constante, [F .LIMT] ou [EIMT]CV calor especifico a volume constante, [F.LIM] ou [EIMT]CD coeficiente de descarga, [adro]d dimetro, [L]D dimetro, [L]e energia especifica, [F .LIM] ou [EIM]F fora, [F]g energia especifica livre de gibbs, [F.LIM] ou [EIM]G energia livre de gibbs, [F.L] ou [E]h entalpia especifica, [F.J ,1M] ou [EIM]

-.

hf.LV entalpia especifica de vaporizao, [F .LIM] ou [EIM]H entalpia, [F.L] ou [E]K constante, [adro]L curso do pisto, [L]Lv levantamento da vlVlda, [L]m massa, [M]in vazo mssica, [M/T]mr massa de gs residual, [M]M peso molecular, [M]n nmero de moles, [adro]nr nmero de revolues da rvore de manivelas por ciclo, [adro]N velocidade angular do motor, [t-l]p presso, [F/L 2]P peso, [F] ou [M.L/t2]

potncia, [F.L.t] ou [E/t]q taxa de transferncia de calor por unidade de massa, [F .L/t.M] ou [E/t.M]

taxa de transferncia de calor por unidade de rea, [F .L/L 2] ou [E/L 2]Q calor transferido, [F.L] ou [E]Q taxa de calor transferido, [E/t]Qch energia qumica do combustvel ou calor bruto fornecido, [E]

'"' QHV poder calorifico do combustvel, [EIM]", r raio, [L]

r c razo de compresso, [adro]R constante do gs, [E/T]s entropia especifica, [EIM]Sp velocidade do pisto, [L/t]t tempo, [t]T temperatura, [T]1 Dimenses Fundamentais: Fora [F]; Massa [M]; Comprimento [L]; Tempo [t]; Temperatura [T];[E] energia; ngulo trigonomtrico (e);Admensional [adro]

Paulo Martins--.'"'",

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC - 1997 vi

- SMBOLOS

A rea, [L 11Ach rea da cabea do cilindro, [L 1AE rea da janela de exausto, [L 2]Ai rea dajanela de admisso, [L 2]B disponibilidade em escoamento permanente, [F.L] ou [E]c calor especifico, [F .LIMT] ou [EIMT]cp calor especifico a volume constante, [F .LIMT] ou [EIMT]Cy calor especifico a volume constante, [F .LIM] ou [EIMT]CD coeficiente de descarga, [adm]d dimetro, [L]D dimetro, [L]e energia especifica, [F .LIM] ou [EIM]F fora, [F]g energia especifica livre de gibbs, [F .LIM] ou [EIM]G energia livre de gibbs, [F.L] ou [E]h entalpia especifica, [F.J ,1M] ou [EIM]

-hf.LV entalpia especifica de vaporizao, [F .LIM] ou [EIM]H entalpia, [F.L] ou [E]K constante, [adm]L curso do pisto, [L]Lv levantamento da \Jlvula, [L]m massa, [M]m vazo mssica, [M/T]mr massa de gs residual, [M]M peso molecular, [M]n nmero de moles, [adm]nr nmero de revolues da rvore de manivelas por ciclo, [adm]N velocidade angular do motor, [t-1]p presso, [F/L 1P peso, [F] ou [M.L/f]

potncia, [F.L.t] ou [E/t]q taxa de transferncia de calor por unidade de massa, [F .L/t.M] ou [E/t.M]

taxa de transferncia de calor por unidade de rea, [F.L/L 2].OU [E/L 2]Q calor transferido, [F .L] ou [E]Q taxa de calor transferido, [E/t]Qch energia qumica do combustvel ou calor bruto fornecido, [E]

"' QHV poder calorifico do combustvel, [EIM].'- r raio, [L]

r c razo de compresso, [adm]R constante do gs, [E/T]s entro pia especifica, [EIM]Sp velocidade do pisto, [L/t]t tempo, [t]T temperatura, [T]I Dimenses Fundamentais: Fora [F); Massa [M]; Comprimento [L]; Tempo [t]; Temperatura [T];[E] energia: ngulo trigonomtrico (e);Admensional [adm]

Paulo Martins--"'.'-

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC -1997 vii

-. torque, [F.L]u energia interna especijica, [E/M]U velocidade do fludo, [L/t]

energia interna, [E]v volume especijico, [L 3]

velocidade, [L/t]V volume do cilindro, [L 3]

volume, [L 3]Vc volume da cmara de combusto (volume morto), [L 3]V d volume deslocado pelo cilindro, [L 3]W trabalho transferido, [E]

nmero de Wobbe, [E/L 3]Wc trabalho por ciclo, [E]W p trabalho de bombeamento, [E]x, y, z coordenadas espaciais, (L]x frao em massa, [adm]x frao molar, [adro]Xb frao de massa queimada, [adm]

---. Xr frao de gases residuais, [adro]

y frao de volume, [adro]a ngulo trigonomtrico, [8]:';v -'J.I"f:::.:':;",;a volumtrica ou rendimento volumtrico, [adro]17(" ejlclencia de combusto, [adm]17m rendimento mecnico, [adm]17t rendimento trmico, [adm]171 eficincia de converso do combustvel, [adro]() ngulo trigonomtrico na rvore de manivelas, [8] razo ar/combustvel equivalente, [adro]; coeficiente de frico ao escoamento, [adm]p densidade, [M/L 3]Pa,o densidade do ar nas condies atmosfricas, [MIL 3]pa.i densidade do ar no coletor de admisso, [MIL 3]tjJ razo combustvel/ar equivalente, [adro] .w frequncia, [t-l] .

incerteza, [adro]

"-'

~

Paulo Martins-.---."-'

Paulo Martins. .~

Cleiton Rubem Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC - 1997 viii

"

SUBSCRITO

a arA depois da evaporaob gs queimadoB ante.5 da evaporaoc cilindroC curso de compressoe equilbrio

exaustoE curso de expanso.1 chama

fricocombustvel

g gsi indicado

"'" admissoespcie i

ig indicada brutain indicada lquidaI, L lquidom molap pisto

janela (porta)P pr-cmarar, (I, z componentess isentrpico

estequiomtricoT bocal ou orifcio de passagem

turbulentou no queimadov vlvulaV vapor .-w paredex,y,z componentes espaciaiso valor de referncia

-,

Paulo Martins""'"-,

Paulo Martins.-

Paulo Martins

Cleiton Rubens formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC -1997 ix

-.

NOTACO

L1 diferena- diferena ou valor mdio- valor aproximado. taxa de variao no tempo

ABREVIAESAIF razo ar-combustvelBC, ABC, BBC ponto motor inferior, depois do BC, antes do BCCFI injeo central de combustvelCID conjunto de injeo direta de gs naturalECU unidade de controle eletrnico

-. EGR rt:circulao dos gases de exaustoEPC fechamento da janela de exaustoEPO abertura da janela de exaustoEVC fechamento da vlvula de exaustoEVO abertura da vlvula li:! C;:.7..7s:uFIA razo combustvel/arGN gs naturalGNC gs natural comprimidoIPC fechamento da janela de admissoIPO abertura da janela de admissoIVC fechamento da vlvula de admissoIVO abertura da vlvula de admissoMEC mdulo eletrnico de controlemep presso mdia efetivaMPI, MFPI multi-point fuel injection (injeo mltipla de combustvel)sfc consumo especifico de combustvelSPI single-point injection (injeo central de combustvel)TBI throttle body injection (injeo de combustvel no corpo da

vlvula) .TC, A TC, BTC ponto morto superior, depois do TC, antes do TCVC volume de controleVEIC vlvula eltrica injetora de combustvel

"""~

Paulo Martins-.-."""~

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - T~ de Doutorado - USP - EESC - 1997 X

~. RESUMO~

BARBOSA, C.R.F. Desempenho de um motor ciclo Otto com injeo direta de gsNatural. So Carlos, 1997, 197p. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de SoCarlos - Universidade de So Paulo.

Um motor ciclo Otto funcionando com injeo direta de gs natural, durante o

curso de admisso, foi submetido a ensaios de plena carga em um dinammetro

\ corrente de Foucaut. Os resultados obtidos revelam um aumento de eficinciavruumtrica do motor com injeo direta de GNC em relao injeo indireta de

!, UN~ realizada no coletor de admisso, a montante da borboleta do acelerador. Nai

adaptao para operao com injeo direta de gs natural, as caractersticas tcnicas

do motor no foram alteradas. Um conjunto de injeo direta de gs natural, com

gerenciamento eletrnico, foi inserido no cabeote do motor de testes. Mantendo-se a

presso da linha de alimentao de gs natural constante, atravs de uma vlvula

redutora, a quantidade de combustvel injetada no cilindro foi ajustada variando-se o

tempo de abertura da vlvula eltrica injetora de combustvel. Dados de desempenho

do motor so comparados, destacando-se os fatores que contribuem para este

'"'" aumento relativo de eficincia volumtrica. Discute-se ainda, modificaes a serem

implementadas no motor visando maximizar sua potncia com injeo direta de gs

natural.

PALA VRAS CHAVE: Motor Ciclo Otto, Injeo Direta, Gs Natural

Paulo Martins~. ~\!,i'"'"

" -.,; " Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC - 1997 XI

\ABSTRACT

BARBOSA, C.R.F. Desempenho de um motor ciclo Otto com injeo direta degs natural. So Carlos, 1997, 197p. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de

So Carlos, Universidade de So Paulo.

Otto cycle engine direct injection natural gas, during the inlet stroke,

,~ submitted to runs with full power in a Foucaut dynamometer. The results obtained

show a increase in the volumetric efficiency of the engine with natural gas direct

!!'.j~:ti~:'. ..':!-.:=-. ~Jmpared which natural gas injection apllied in the inlet marutold,

upstJeam ofthe throttle butterfly. ln the conversion to natural gas direct injection, the

technical characteristics ofthe were not changed. A kit for natural gas direct injection,

with eletronic managment, was located on the cylinder head of the test engine.

Maintaining the pressure constant in the natural gas fuelline, using a reduction valve.

The mass of fuel injected into the cylinder was regulated, varying the opening time of

the solenoid valve fuel injector. Engine performance data is compared, emphasizing

the factors that contribute to this increase in relative volumetric efficiency.

-, Modifications to be made to maximize the power of the engine with natural gas direct

injection.,

KEY WORKS: Otto Cycle Engine, Direct Injection, Natural Gas

Paulo Martins\,~-,,

Cleiton Rllbens Formiga Barbo.ya - Tese de Doutorado - USP - EESC -1997. 1

""'"~

CAPTULO 01 - INTRODUO

Nos ltimos anos, as possibilidades cada vez mais evidentes de escassez e

tlutuaes de preos dos combustveis derivados do petrleo aliadas as preocupaes

de preservao ambiental contriburam decisivamente para o aumento da utilizao de

combustveis alternativos, menos poluentes, em motores veiculares.

Neste contexto, o gs natl1r~1 pr~dominantemente metano, desponta como

uma das alternativas mais pro, n~soras e atrativas em virtude da sua disponibilidade,

custo e excelentes propriedades termodinmicas. Alm disso, o programa de gs

natural veicular vem crescendo ano aps ano no cenrio mundial. Esta caracterstica,

o distingue dos lcoois etanol e metanol que ficaram restritos respectivamente ao

Brasil e Amrica de Norte. MAXWELL (1995)

Os primeiros motores movidos a gs que se tem notcia, surgiu praticamente

com o advento do motor de ignio por centelha e utilizavam o carburador para

realizar a formao da mistura ar-gs no duto de admisso. Hoje, a grande utilizao""\.

,

e produo em escala industrial de veculos a gs natural j uma realidade no Brasile no mundo. Recentemente, o governo brasileiro apostando no programa do gs

natural automotivo, atravs de decreto presidencial em janeiro de 1996, liberou o usodo GNC para quaisquer fins veiculares. VOLKSW AGEN (1996)

Paulo Martins""'" ~""\.,

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorndo - USP - EESC -1997. 2

~ Embora rotulados como motores de alto desempenho e ecolgicos, os

moderno&Jnotores do ciclo Otto, com injeo eletrnica de gs e aspirao natural,-

ainda apresentam uma baixa eficincia volumtrica com queda de at 15% em relao

a alimentao com gasolina, que limita sua potncia, e emitem uma carga significativa

de xidos de nitrognio (NOx). MAXWELL (1995)

Nos motores de ignio por centelha em que a relao custo-beneficio

favorvel, tecnologias de supercarregamento, de distribuio multivlvulas (16vlvulas), de sistemas com tempo de acionamento de vlvulas varivel (VVT) e deinjeo direta de combustvel, vem sendo utilizadas em escala de produo para

~- otimizar a eficincia volumtrica e o desempenho dos motores. HATANO et aI--o-

.. (1994), LENZ (1992) e HEYWOOD (1988)

O desenvolvimento e aplicao de sistemas de injeo indireta com

gerenciamento eletrnico em motores veiculares obteve notveis avanos. Sua ampla

utilizao deve-se basicamente ao barateamento dos componentes eletrnicos e

melhor gerenciamento da mistura ar-combustvel, o qual proporciona ao motor um

melhor desempenho e reduo dos ndices de emisses quando comparado com os

tradicionais carburadores. PASSARINI (1993)

Atualmente no Brasil, com exceo de alguns modelos populares, os veculos

so produzidos com injeo eletrnica.,oC

..- Processos de recirculao dos gases queimados (EGR), queima de mistura

pobre "lean burning", ou ainda injeo de vapor de gua no coletor de admisso, comou sem o uso de catalisadores, so exemplos de algumas tecnologias j disponveis eque eventualmente podem ser adotadas com o propsito de reduzir as temperaturas

Paulo Martins~-~---o -..,oC.. -

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. T":;j:,;",~~i~~'L9#1;~-";:c.' CLeiton Rubem Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC -1997. 3,"~~~

i mximas do ciclo e por conseguinte a carga de NOx. Porm, tais processos quandoempregados isoladamente, atuam no sentido de reduzir as potncias mximas do

~

motor. PAUL (1995), BOSCH (1994) e LENZ (1992)

Neste trabalho feito um estudo experimental sobre injeo direta de gsnatural a baixas presses, como fonna de melhorar o carregamento de ar do cilindro e

conseqentemente aumento da potncia do motor. Na injeo direta a baixaspresses, a prpria presso de annazenamento do gs utilizada para realizar a

injeo do combustvel gasoso no cilindro do motor, com maior utilizao da cargatl de gs dsponvel nos cilindros de annazenament(\.

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Paulo Martins.

Cleiton Rllbens Formiga Barbosa - Tese de Doutor"ddo - USP - EESC - 1997. 4

~ 1.1 - OBJEllVOS DA PESQUISA

.

a) Desenvolver um sistema de injeo direta com gerenciamento eletrnico,capaz de injetar gs natural a baixas presses diretamente na cmara de combusto deum motor ciclo Otto;

b) Avaliar o desempenho de um motor ciclo Otto funcionando com o sistemade injeo proposto;

c) Comparar o desempenho do motor de testes operando com injeo direta'"

~,

~ em relao injeo indireta de gs natural no coletor de admisso e com carburao, . " Iconven~[OliJ t'; lLlSO ma.

. -

.

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Paulo Martins~.'"~,~,

Paulo Martins.

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutor-ddo - USP - EESC -1997. 5

~

~

. CAPTULO 02 - REVISO BmLIOGRFICA

2.1 - BREVE HISTRICO DOS MOTORES A GS

A utilizao de combustveis gasosos em motores de combusto interna uma

prtica bastante antiga. Em 1801, na Frana, foi requerida uma patente para utilzao~

'- de uma mistura de gases equivalentes ao gasognio em motores. Motores

~. estacionrios funcionavam com gs de esgoto na nni~ p "~ I"3laterra no incio do

sculo XIX. Na dcada de 20, o gs natural extenS1V:linente utilizado em motores no

norte da Itlia. Em 1935, na Alemanha, surgiu o primeiro veculo alimentado com

combustvel gasoso. BET (1991). Em 1991, a frota mundial de veculos GNC era

cerca de 700 mil, sendo aproximadamente 300.000 na Itlia, 150.000 na Nova

Zelndia, 100.000 no Canad e 85.000 veculos na Argentina. Nesta poca, o Brasil

tinha apenas 360 veculos a GNC. FONTES JR. (1994) e WANG ~t aI (1993) . Em

1995, a frota mundial de veculos a GNC era cerca de 800.000 veculo.s. MAXWELL

(1995). Em 1996, a frota brasileira de veculos movidos a GNC era de 11.000

undades, e as expectativas que at o ano 2000, este nmero salte para 100 milL~

.- undades. Em janeiro de 1996, o Presidente Fernando Heniique assinou decreto-.

liberando o uso do GNC em qualquer veculo. PINCIGHER (1996) e

VOLKSW AGEN (1996)

Paulo Martins~~.~'-~.L~.--.

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC - 1997. 6

. 2.2 - PRODUO E RESERVAS DE GS NATURAL

A Tabela 2.1 compara as reservas de gs natural (GN) e petrleo e tambm asperspectivas de escassez destas reservas. As reservas comprovadas de GN at janeirode 1995 totalizavam cerca de 141 tri1hes de normal metros cbicos. As projees

indicam que as reservas de GN devem durar muito mais que as reservas de petrleo.

TOKIO GS (1996), ARPEU (1995) e TOKIO GS, (1995).

,

TABELA 2.1 - Reservas de Gs Natural e Petrleo.t !

I GS NATURAL YEl-kLEU

RESERVAS 141 Tri1hes de N.m3 1 Tri1ho de BarrisCOMPROVADAS (equiv. a 150 N.m3 de GN)

DURAO DASRESERVAS 65 Anos 45 Anos

COMPROVADAS

RESERVAS MXIMAS 398 Trilhes de N.m3 2 Trilh5es de BarrisESTIMADAS (equiv. a 300N.m3de GN)

DURAO MXIMADAS RESERVAS 183 Anos 90 Anos

ESTIMADAS

FONTE: Catlogo da TOKYO GS (1996)

Paulo Martins.,t

Cleiton RubensF~~iga Barbosa - Tes~de~outorado - USP - EESC -l997:..."~_T ""._" ""_"_l

t As reservas comprovadas de gs natural, ao contrrio do petrleo, encontram-~

.-;;.se mais uniformemente distribudas no mundo" A Figura 2.1, reproduzida do

,

Catlogo da TOKYO GS (1996), ilustra em termos percentuais e em valores

absolutos a distribuio destas reservas no mundo.

,...,. '- ~ uro a Ocidental Europa Oriental~. .,..,..- ~

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~~Ci;i I ~'..I.iI' ~ 7~"'~'"'C ";~"" " ,.

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Total das Reservas:141 Trilhes N.m3

Fonte: Jornal Gs e leo Jan/1995.

FIGURA 2.1 - Distribuio das Reservas de Gs Natural Comprovadas no Mundo.

O Brasil produz atualmente cerca de 25 milhes de normal metros cbicos de

gs natural por dia. O mercado de GN no pas ser ampliado com a entrada em

operao do gasoduto Brasil-Bolvia. PROSPECTO DA PETROBRS-BR (1996)

Paulo Martinst~.-;;.,~C...f ;;~~j'~~" ~;,;f~,~"""t~~Ci;i"'~'"'C;~"" "

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Douto do - USP - EESC -1997. 8

~ A Figura 2.2, publicada por FRYSZMAN (1992) mostra as reservascomprovadas de gs natural existentes no Brasil, a distribuio geogrfica das

.

principais jazidas e sua a infra-estrutura de abastecimento (gasodutos).

()~m ().rJO~RECIFeCEl6

.~

.. ~'li' ~da de gs naturrJ (). . ~TRiA ~ .. CapItaIs abas!ecidas pa' . o DE JNtEJRO

Gs Ia! - o~PAI'n A . natu ,v ( . ~.' ) ~NWtri;.: L' . Ao! (;' -

- Gasodu1os V Total das reservas de...,. Possibilidade para Muros gs natural:

125 Bl1hoos rrrgasodutos ProdVlWo diria atua!:FONTE: PETROBR.J.s 17 MJlhOOs m'

FIGURA 2.2 - Distribuio Geogrfica das Jazidas de Gs Natural e Rede deGasodutos no Brasil.

No Brasil, existem mais de 50 postos de abastecimento de veculos a GNC,

espalhados pelas principais capitais do pas. Estes postos esto localizados em So

Paulo (SP), Rio de Janeiro (RJ), Fortaleza (CE) Salvador (BA), Recife (PE), Natal- (RN) Aracaju (SE) e Vitria (ES). O Maior posto de abastecimento de GNC para usot.j;:

veicular na Amrica Latina est Localizado na cidade de Natal-RN, com capacidade

para abastecer simultaneamente 24 veculos. PROSPECTO da PETROBRS-BR(1996) e BARBOSA (1990)

Paulo Martins~....-t.j;:


,. 2.3 - CARACTERSTICAS DO GS NATURAL

.

O gs natural uma mistura de muitos gases, o principal componente o gs

metano que apresenta concentraes tpicas de 89% a 99% em volume. Outros

hidrocarbonetos em grau decrescente de concentrao so etano, propano, butano.

Ainda pequenos traos de gases inertes como hidrognio, nitrognio e di xido de

carbono podem ser encontrados. MAXWELL (1995) e UNICH et al (1993)

O gs metano, principal constituinte do gs natural, apresenta uma estrutura,. molecular muito simples e estvel em comparao com a gasolina e o leo diesel. A

estabilidade estrutural significa maior dificuldade de oxidao, baixa rE':atividade~ .

fotoqumica e alto ndice de octanas, requerendo portanto altas energi~ l~e gnio

para combusto. A baixa reatividade foqumica, por sua vez, expressa a dificuldade de

degradao das molculas de metano, pela ao da luz solar. JOSSON (1992)

O gs natural pode ser encontrado na natureza de forma associada ou no ao

petrleo. No Brasil, as maiores reservas de GN so do tipo associado ao petrleo. As

caractersticas do gs natural para fins industriais variam consideravelmente de regio

para regio, sendo funo da fonte de produo Gazida), das caractersticas daunidade de processamento do gs natural e das necessidades de consumo. KOSER

~ (1988) e PETROBRS (1988)

,. A Tabela 2.2, publicada pela PETROBRS-BR (1989-a) e PETROBRS

(1989-b), mostra a composio tpica do gs natural de vrias regies do Brasil.

Paulo Martins,..,.~ .~,.

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC -1997. 10

..

TABELA 2.2 - Caractersticas Fsico-Qumicas do GN em Vrias Regies do Brasil-.

PROPRIEDADES NATAL R. DE JANEIRO ARACAm SALVADOR

C~ 84,30 86,73 89,30 87,29

C2~ 10,76 9,66 7,26 9,87

C3Hs 0,25 1,76 0,38 0,44

iC~lo --- 0,30 0,02 ---

nC~lo --- 0,60 0,02 ---

. CO2 3,12 0,56 1,32 0,70

" N2+O: I 1,57 1,29 1,74 1,70.,

PCS (Kc~m3) 9.185 9.569 9.514 9.354

Densidade Relativa 0,645 0,629 0,613 0,620

Obs.: a 200 C e 1,033 Kgf/cm2, composio vol. (%).

Segundo WEA VER (1989), grandes quantidades de propano e butano e dehidrocarbonetos mais pesados no gs natural, aumentam a tendncia detonao,

enquanto que a presena de maiores quantidades de gases inertes, como o dixido de.F carbono (CO2) e o nitrognio (N2), agem no sentido contrrio, ao mesmo tempo em

que diminuem o contedo energtico do gs natural.

WEA VER (1989) descreve que, para contabilizar os efeitos da variao decomposio do gs natural sobre a energia liberada, a indstria do gs estabeleceu um


~ ndice denominado nmero de Wobbe. O nmero de Wobbe definido como a razo

entre o poder calorifico superior (PCS) do gs, em base volumtrica, e a raiz.

quadrada de sua gravidade especfica (densidade) em relao ao ar. LISS &THRASHER (1991), LASTRES (1987) e KLIMSTRA (1986)

W = PCS (2.1)( )1/2PGN

onde:

W = ndice de Wobbe a OC, [MJ/m3]

.

PCS = poder calorifico superior a OC, [MJ/m3],.

PGN = densidade rela'riva o gs, L am.1

O nmero de Wobbe um ndice indicativo da capacidade do fluxo de energia

de um gs escoando em um orificio ou vlvula, mediante um diferencial de presso.

Tal ndice muito til quando se pretende avaliar equipamentos industriais e motores

alimentados com gs natural. LISS & THRASHER (1991) e WEA VER (1989)

KING (1992) e LISS & THRASHER (1991) destacam importncia dacomposio do gs sobre o nmero de Wobbe e a razo ar-combustvel. Segundo

eles, uma pequena variao da razo ar-combustvel em motores operando com

combusto misturas pobres, implica em grandes variaes nas emisses de xidos de

nitrognio (NOx). Outro aspecto ressaltado pelo mesmo autor, que a composio degs afeta substancialmente o limite inferior de inflamabilidade, importante nos motores

de mistura pobre.

Paulo Martins~..,.

CLeiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutor"do - USP - EESC - 1997. 12

~ LISS & THRASHER (1991) e WEA VER (1989) destacam que, se o gs,:,

natural com diferentes nmeros de Wobbe usado em veculos operando com~

sistemas de controle do motor em circuito aberto "open-Ioop", a razo equivalente ar-

combustvel p) deve ser afetada, com prejuzos para o desempenho do motor e

emisso de poluentes.

Porm, para operao com sistemas de controle do motor em circuito fechado

"close-loop", as variaes no nmero de W obbe pouco afetam as condies de

operao do motor, uma vez que o mdulo de controle eletrnico reage ao sinal do

sensor de oxignio lmbda () r.a exausto e corrige instantaneamente as variaes da.

razo equivalente.

~

Segundo UNICH et aI (1993), devido alta relao de hld lJgeruo/ carbono(H/C) do gs natural (GNC), sua combusto produz cerca de 25% menos Dixido decarbono (COz) do que a gasolina e o diesel, considerando-se o mesma eficincia domotor.

De acordo com WEAVER (1989) e LASTRES (1987), o gs natural umexcelente combustvel para motores de ignio por centelha, poderydo tambm ser

utilizado em motores do ciclo Diesel.

A Tabela 2.3, publicada por Sn...VA (1993), apresenta algumas propriedades. da gasolina e do gs metano, principal constituinte do gs natural.

Comparando-se as propriedades dos combustveis apresentados nesta tabela,

nota-se que apesar do metano possuir um poder calorifico inferior (PC I) 12% maiorque o da gasolina, o contedo energtico por unidade de volume da mistura

Paulo Martins~,:,~.~.

Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC -1997. )3

. estequiomtrica de metano e ar 10% menor em relao ao da mistura de gasolina-ar.

Portanto, para o mesmo motor, o uso do metano provoca uma queda de potncia da.

ordem de 10% em relao a alimentao com gasolina, em virtude do menor

contedo energtico por unidade de volume da mistura estequiomtrica.

TABELA 2.3 - Propriedades do Gs Metano e da Gasolina.

PROPRIEDADE C~ GASOLINA

Densidade (Kg/N.m"') 0,718 5,093I Poder calorfico inferior (Kcal/Kg) -11900 -10600

Razo ar-combustvel estequiomtrica (massa) 17,2 14,9~ t R.'!Z.1c ?r-~~c::bustvel estequiomtrica (volumtrica) 9,55 59,0 I

-

C:>JJedo energtico da mistura (Kcal/N.mj) -810 -900Calor latente de evaporao (Kcal/Kg) 122 - 70Temperatura de auto-ignio a 1 atm (OC) -650 - 500Limite deintlamabilidade (%) 5,3 a 36 1,2 a 6Energia minima para ignio (Mj) 0,28 0,25Velocidade de chama laminar (crn/s) 33,8 -38Temperatura adiabtica de chama (OC) 2227 2270Nmero de octanas' 120 92-98

UNICH et al (1993) afirmam que o contedo energtico da mistura,

estequiomtrica ar-gs natural cerca de 10% menor quando comparada com a, gasolina. Tal desvantagem pode ser compensada pelo aumento da eficincia trmica

do motor.

, FONTE: GOTO&NARUSAWA(1996)

Paulo Martins,,


. SIL V A (1993) descreve que, no caso da gasolina, a maior parte do",- combustvel carburado entra no cilindro do motor na forma de gotculas, sendo

.

vaporizadas na cmara de combusto, aps o fechamento da vlvula de admisso.

Uma pequena parcela de vapor de gasolina entretanto, se forma ainda no coletor de

admisso, reduzindo cerca de 1,7% da aspirao de ar do motor. Portanto, a menor

eficincia volumtrica do motor a gs contribui tambm para reduo da sua potncia

O gs metano, principal constituinte do gs natural, apresenta temperatura de

auto-ignio superior a gasolina e um pouco maior que dos lcoois (etanol emetanol), e seu ndice de octanagem, maior dentre os combustveis comumente

~

usados em motores Em virtude das suas propriedades anti-detonantes, o gs natural,

~ cuja octanagem RON da ordem d~ 1 ~(), ~ode ser usado em motores de ignio porcentelha com taxas de compl~:;~o de at 15: 1, enquanto que as gasolinas usuais

(RON = 91), somente admitem taxas de compresso da ordem de 9: 1. A finalidade de

se trabalhar com taxas de compresso maiores, est associado no fato de que esta

ao aumenta o rendimento trmico do motor. MAXWELL (1995), LENZ (1992) eWEAVER (1989)

A Figura 2.3, publicada por CHAFFIN et aI (1991),' apresentam astemperaturas de chama adiabtica da gasolina e do metano para diferentes razes

equivalentes 11), na presso constante de 1 00 KPa e temperatura inicial de 298K. Esta... figura indica que os picos de presso e temperatura indicadas de um motor

. alimentado com gasolina so maiores que alimentado com metano, se a mesma taxa

de compresso usada. Em outras palavras, a combusto do metano mais "fria" do

que a combusto da gasolina nas mesmas condies.

Paulo Martins.",- .~~....


.

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Cleiton Rubens Formiga Batbosa - Tese de Doutorado - USP - EP.SC -1997. 153

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Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC -19970 155

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Cleiton Rubens l'ormiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC -1997" 156

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Cleiton Rubem Formiga Barbosa - Tese de Doutorado - USP - EESC -1997. 157

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Cleiton Rubens Formiga Barbosa - Tese de Dourorado - USP - EESC -1997. 158

CAPTULO 08 - CONCLUSES E SUGESTES

8.1 - CONCLUSES

. A partir dos fundamentos tericos apresentados e resultados experimentais

obtidos nesta pesquisa, pode-se estabelecer as seguintes concluses:,

.t) () conjunto de injeo direta (CID), desenvolvido para injetar GN a baixaspresses no cilindro do motor, funcionou satisfatoriamente, permitindo uma operao

regular (suave) do motor desde a condio de marcha lenta at o regime de plenacarga do motor.

b) A principal limitao do CID consistia na baixa vazo de gs natural, a qualera uma caracterstica da VEIC utilizada, sendo necessrio um longo perodo de

injeo para o estabelecimento do regime de plena carga do motor de testes.

c) O mdulo de gerenciamento eletrnico, desenvolvido para gerenciar ainjeo de GN, quer seja no cilindro ou no coletor de admisso do motor de testes,atendeu plenamente as expectativas de controle, uma vez que possibilitava o ajustepreciso da quantidade de GN requerido pelo motor, nos diferentes regimes de

operao.


d) Alm da limitao da vazo da VEIC, a estratificao da carga no cilindro

do motor, decorrente da geometria e da baixa turbulncia da cmara de combusto do

motor de testes, impossibilitaram que parte do perodo da injeo direta de GN fosse

realizada no curso de compresso, como era pretendido inicialmente.

e) A injeo direta de GN, realizada durante o curso de admisso, resultou

num ganho de rendimento volumtrico do motor da ordem de 3,74 % com relao

injeo de GN no coletor de admisso. Em comparao com os ensaios de gasolina

carburada, a injeo direta de GN apresenta uma queda de rendimento volumtrico da

ordem de 6,5 %.

t) Apesar do ganho de rendimento volumtrico do motor operando com

injeo direta de GN ~m !"e!a~':J ? :!'oj~~.~c d~ G~T !'ou coletor de admisso, a potncia e

o torque do motor, nas duas verse3, permaneceram praticamente os mesmos at

3500 rpm. Porm, em rotaes mais elevadas, devido ao menor tempo disponvel para

injeo no cilindro e s limitaes de vazo da VEIC utilizada, a quantidade de GN

introduzida no cilindro do motor de testes, no era o suficiente para queimar todo o

oxignio, resultando numa queda brusca de potncia e torque do motor.

Enfim, os resultados obtidos nesta pesquisa, com o motor operando com

injeo direta de GN a baixas presses, mostram que existe uma perspectiva de

aumento de potncia do motor utilizando esta tcnica de injeo.


.

~ 8.2 - SUGESTES

Para trabalhos futuros com injeo direta de GN a baixas presses,recomenda-se observar os seguintes itens:

a) Utilizar vlvulas injetoras combustvel (VEICs) que proporcionem maioresvazes de GN, reduzindo o perodo de injeo de combustvel necessrio paraestabelecer o regime de piena carga do motor ou ainda, desenvolver VEICs

.

especficas para este fim..

b) Utilizar sistemas de injeo direta de GN de baixas pr ,',sses em motorescom cmara de combusto de alta performance.

c) Avaliar e comparar as emisses, principalmente de NOx, do motorfuncionando com injeo direta de GN, proposto no presente trabalho, em relao a

injeo convencional de GN no coletor de admisso.

"

.

~~..~.!~~~.!!~~~'.':.:..~~~~.~~~.~:. .~::.~!.!7~ 161

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Desempenho de um motor ciclo Otto

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