análise das variações em ciclos operacionais em um motor otto em

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ

ANÁLISE DAS VARIAÇÕES EM CICLOS OPERACIONAIS EM UM MOTOR OTTO EM

HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION (HCCI)

Marta Mariana de Oliveira Negry

PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL

DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A

OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________

Prof. Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto

________________________________________________

Prof. Antonio MacDowell de Figueiredo

________________________________________________

Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

AGOSTO DE 2015

II

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Preenchido o último requisito para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico

MARTA MARIANA DE OLIVEIRA NEGRY

(DRE: 109047416)

defenderá seu projeto final, com o título

" ANÁLISE DAS VARIAÇÕES EM CICLOS OPERACIONAIS EM UM MOTOR OTTO

EM HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION (HCCI)"

perante Banca, assim constituída:

Prof. Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto

Prof. Antonio MacDowell de Figueiredo

Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida

Dia: __/08/2015

Hora: 10:00 h

Local: LEPAC Bloco I sala 228 Centro de Tecnologia – Cid. Universitária

Aprovado para defesa em __/08/2015

________________________________

Comissão de Projeto Final

III

Resumo

O presente trabalho foi realizado durante intercâmbio por convênio entre as

universidades UFRJ (Universidade Federal do Rio de Janeiro) e KIT (Karlsruhe Institut

für Technologie) e desenvolvido no IFKM (Institut für Kolbenmaschine), sob supervisão do

Dipl.- Ing Marius Neurohr e Prof. Dr. sc. techn. Thomas Koch.

Primeiramente, este trabalho apresenta uma explanação sobre a concepção e

funcionamento do motor de operação Homogeneous Charge Compression Ignition em

motores de combustão interna. São discutidos alguns aspectos teóricos, assim como

algumas estratégias de implementação de HCCI em motores a gasolina e a diesel.

Este trabalho analisa alguns parâmetros de combustão em um motor Otto em modo de

operação Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI). Dados obtidos

previamente numa bancada de testes foram organizados e trabalhados.Tais dados são

referentes a informações sobre dois conjuntos de 300 ciclos de trabalho de um motor de

um cilindro. Ajustes foram efetuados utilizando-se os programas computacionais Matlab e

Bremo. Parâmetros de combustão como recirculação de gases de exaustão, perdas de

calor, ponto de 50% de queima de combustível e ponto de 50% de calor liberado foram

analisados. A proposta foi encontrar correlações entre tais parâmetros.

IV

Agradecimentos

Primeiramente, registro minha gratidão e admiração por minha mãe, Rosa Clara Lopes

Freire. Ao longo de todo o curso seu apoio foi da maior importância. Sempre a me apoiar

nas horas de cansaço e de desafios, sempre a me dar palavras de incentivo. A minha

mãe, todo o meu amor e respeito.

Meu agradecimento também ao professor Fernando Castro Pinto, um grande profissional

e benevolente ser humano. Ele que tanto me auxiliou a realizar esse intercâmbio na

Alemanha, o qual resultou no presente trabalho. Apoio não somente acadêmico, mas

também com sábios conselhos sobre o modo de vida e comportamento na Alemanha.

Agradeço também ao meu orientador no KIT, Marius Neurohr, por todo o suporte.

Também minha gratitude aos amigos George Rosnele, Marcia Vagos e Raquel Pinheiro

Araujo, pela ajuda e por fazerem muito mais especial e agradável meu período na

Alemanha.

Especial agradecimento vai à minha amiga Adriana Paes Leme, por suas sugestões e

apoio.

V

Conteúdo

1. Introdução ...................................................................................................... 1

2. Motores de Combustão Interna .................................................................... 4

2.1 Definições .......................................................................................................... 4

2.2 Motor de combustão interna de ignição por centelha (ICE) ................................. 6

2.3 Motor de combustão interna de ignição por compressão (ICO) ........................... 9

2.4 Eficiência térmica de um motor a combustão interna ....................................... 10

2.5 Formas de medição .......................................................................................... 14

3. HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) ............................... 16

3.1. Introdução ....................................................................................................... 16

3.2. Controle de ignição .......................................................................................... 18

3.3. HCCI em motores a gasolina ............................................................................. 19

3.3.1. Tempo de injeção ...................................................................................................................... 19

3.3.2. Variações da Razão de Compressão .......................................................................................... 19

3.3.3. Aplicabilidade industrial ............................................................................................................ 20

3.3.4. Modificação de combustível ...................................................................................................... 20

3.4. HCCI em motores a diesel ................................................................................. 21

3.4.1. Tempo de injeção ...................................................................................................................... 22

3.4.2. Características de injeção .......................................................................................................... 23

3.4.3. Pressão de injeção ..................................................................................................................... 23

3.4.4. Geometria da "cabeça" do pistão .............................................................................................. 23

3.4.5. Temperatura da carga de admissão .......................................................................................... 24

3.4.6. Supercharging /Turbocharging .................................................................................................. 24

3.5. Recirculação de Gases de Exaustão (RGE) ......................................................... 25

3.5.1. Formação dos Óxidos Nitrogenados .......................................................................................... 25

3.5.2. Formação e efeitos de óxidos nitrogenados e Matéria Particulada .......................................... 26

VI

3.5.3. Atuação da Recirculação de Gases de Exaustão ........................................................................ 27

4. Bancada experimental ................................................................................. 29

4.1 Introdução ............................................................................................................ 29

4.2 Ajustes no primeiro pacote .................................................................................. 32

4.3 Ajustes no segundo pacote ................................................................................... 33

4.4 Análise dos parâmetros do primeiro conjunto de dados ........................................ 34

4.5. Análise dos parâmetros do segundo conjunto ...................................................... 37

5. Regressão Linear ......................................................................................... 40

5.1 Conceitos .............................................................................................................. 40

5.2 Gráficos de Regressão Linear para o primeiro conjunto ......................................... 43

5.3 Gráfico de Regressão Linear para o segundo conjunto ........................................... 47

5.4 Resultados e Comentários .................................................................................... 50

6. Conclusão .................................................................................................... 53

7. Referências Bibliográficas .......................................................................... 55

8. Anexos .......................................................................................................... 60

VII

Lista de Figuras

Figura 1 - A evolução das restrições das normas europeias para emissões [23] .............. 2

Figura 2 - Tipos de ignição num motor de combustão interna [21] .................................... 4

Figura 3 - Fases de um motor Otto a 4 tempos [23] ......................................................... 6

Figura 4 - Ciclo de 4 tempos (Ciclo Otto) [24] ................................................................... 7

Figura 5 - Interior de um cilindro [25] ................................................................................ 8

Figura 6 - Interior de um cilindro [26] ................................................................................ 8

Figura 7 - Fases de um motor diesel a 4 tempos [27] ......................................................10

Figura 8 - Eficiência térmica para ciclo Otto [28] ..............................................................12

Figura 9 - Eficiência térmica para ciclo Diesel [29] ...........................................................13

Figura 10 - A junção de vantagens de motor ICE e ICO no modo de operação HCCI ......17

Figura 11 – Esquema de um motor Diesel [30] ................................................................21

Figura 12 – Geometria da Cabeça do Pistão [29] ............................................................24

Figura 13 – Efeito estufa ..................................................................................................27

Figura 14 – Esquematização da bancada de teste ..........................................................29

Figura 15 - Exemplo de um motor de único cilindro [30] .................................................30

Figura 16 – O programa Bremo utilizado para ajustar curvas de calor liberado (Qb) .......31

Figura 17 – O script do Matlab .........................................................................................31

Figura 18 –Parâmetros operacionais no script do Matlab ................................................31

Figura 19 - Variações da taxa de massa de ar para o primeiro ajuste ..............................32

Figura 20 –- A nova configuração de parâmetros do sistema para o segundo ajuste ......33

Figura 21 - Distribuição da taxa de massa de ar para o segundo pacote .........................33

Figura 22 - Recirculação de Gases de Exaustão para o primeiro conjunto ......................34

Figura 23 - Perdas de calor para o primeiro conjunto .......................................................34

Figura 24 - Ponto de 50% de queima de combustível para o primeiro conjunto ...............35

Figura 25 - Ponto de 50% de liberação de calor para o primeiro conjunto .......................35

Figura 26 - Recirculação de gases de exaustão para o segundo conjunto .......................37

Figura 27 - Perdas de calor para o segundo conjunto ......................................................37

Figura 28 - Ponto de 50% de queima para o segundo conjunto .......................................38

Figura 29 - Ponto de 50% de queima para o segundo conjunto .......................................38

Figura 30 - Exemplo de Regressão Linear [31] ................................................................40

Figura 31 – Perfeitas proporcionalidades direta e indireta ...............................................41

Figura 32 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão (RGE) e ponto de 50% de queima de combustível (X_50) para o primeiro conjunto de dados .....................43

Figura 33 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão e ponto de 50% de queima de combustível para o primeiro conjunto de dados ......................................43

Figura 34 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão (RGE) e Perdas de Calor (Qw) para o primeiro conjunto de dados .........................................................44

Figura 35 - Correlação entre Ponto de 50% de queima de combustível e Ponto de 50% de calor queimado para o primeiro conjunto de dados ..................................................44

Figura 36 - Correlação entre Ponto de 50% de queima de combustível e Perdas de Calor (Qw) para o primeiro conjunto de dados ..................................................................45

VIII

Figura 37 - Correlação entre Ponto de 50% de calor queimado e Perdas de Calor (Qw) para o primeiro conjunto de dados ...........................................................................45

Figura 38 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão (RGE) e ponto de 50% de queima de combustível (X_50) para o segundo conjunto de dados ....................47

Figura 39 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão e ponto de 50% de queima de combustível para o segundo conjunto de dados .....................................47

Figura 40 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão (RGE) e Perdas de Calor (Qw) para o segundo conjunto de dados ........................................................48

Figura 41 - Correlação entre Ponto de 50% de queima de combustível e Ponto de 50% de calor queimado para o segundo conjunto de dados .................................................48

Figura 42 - Correlação entre Ponto de 50% de queima de combustível e Perdas de Calor (Qw) para o segundo conjunto de dados ..................................................................49

Figura 43 - Correlação entre o Ponto de 50% de queima de combustível e Perdas de Calor (Qw) para o segundo conjunto de dados ........................................................49

Figura 44 - Exemplo esquemático de Recirculação de Gases de Exaustão [32] .............51

Figura 45 - Exemplos de sistemas de Recirculação de Gases de Exaustão[33] ..............52

IX

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Normas da União Europeia para emissão de poluentes para veículos de passeio (em g/km)..................................................................................................... 2

Tabela 2 - Taxa de massa de ar para o primeiro pacote ..................................................60

Tabela 3 - Parâmetros do primeiro pacote ......................................................................61

Tabela 4 - Taxa de massa de ar para o segundo pacote .................................................68

Tabela 5 - Parâmetros do segundo pacote ......................................................................72

X

Nomeclatura

Abreviações Abreviação Significado

HCCI Homogeneous Compression Charge Ignition

NOx Oxidos nitrogenados

VOCS volatile organic compounds

PM matéria particulada

RC razão de compressão

HC hidrocarbonetos

CO2 dióxido de carbono

CO monóxido de carbono

RGE Recirculação de Gases de Exaustão

4VVS four variable actuating system

OKP Optimized Kinetic Process

GLP Gas Liquefeito de Petroleo

PCI Premixed Compretion Ignited

UNIBUS Uniform Bulky Combustion System

MK Modulated Kinetics

ATDC After Top Dead Center

PME Pressão Média Efetiva

CFR Cooperative Fuels Research

1

1. Introdução

A indústria de veículos é de vital importância na vida contemporânea. Grande parte da

locomoção de pessoas e cargas é dada pelo transporte terrestre. Automóveis, caminhões,

ônibus e tratores são itens primordiais na logística e na economia da atualidade. E o

funcionamento dos veículos está baseado na utilização de motores de combustão interna.

Entretanto, há um grande problema a ser enfrentado: a emissão de poluentes advinda do

funcionamento dos motores de combustão interna. Tais poluentes são extremamente

nocivos à saúde humana, em particular ao nosso sistema respiratório. Notória é a questão

de incidência de doenças respiratórias nos grandes centros urbanos. Essas substâncias

tóxicas também afetam as condições climáticas do planeta. Temos como grande exemplo o

problema dos buracos da camada de ozônio, deixando-nos expostos a radiações solares

nocivas.

Até cerca de duas décadas atrás, o foco da produção industrial de motores atinha-se

basicamente apenas às melhorias no quesito potência e funcionamento do motor, sem

grandes preocupações com as emissões de poluentes. Atualmente existe uma

conscientização mundial da relevância do controle e minimização de emissões de

substâncias tóxicas, tão danosas à saúde humana e às condições climáticas do planeta.

Podemos constatar tal mudança de mentalidade através de indicadores numéricos [1]: nos

Estados Unidos, em 1984, o limite de emissão de NOx para caminhões era de 10,7 g/bHP-h

e em 2004 diminuiu para 2,0 g/bHP-h. A unidade g/bHP-h refere-se a relação entre a massa

de poluente (em gramas), gerada em 1 h de teste, e a potência média do motor em cavalos-

vapor (bHPh). Enfim, notamos quantitativamente a evolução da mentalidade industrial

quanto ao quesito emissões de poluentes em duas décadas.

Outro grande indicador da necessidade de controle de poluentes são as normas

estabelecidas pela União Europeia, que estabelecem limites de emissões de diferentes

substâncias. Tais padrões de limites de emissão são denominados Euro. O Euro 1 foi

estabelecido em 1992. Na atualidade está em vigor o Euro 6. A seguir na tabela 1,

observamos o desenvolvimento de tais limites. Na figura 1, vemos de forma global e

quantitativa a evolução de tais normas.

2

Tabela 1 – Normas da União Europeia para emissão de poluentes para veículos de passeio (em

g/km) [44]

Figura 1 - A evolução das restrições das normas europeias para emissões [29]

Neste contexto, um grande desafio da indústria automobilística é evoluir no sentido de

otimizar a eficiência do motor simultaneamente com a minimização da emissão de

poluentes.

O grande enfoque do Euro 6 são as emissões de óxidos nitrogenados, os NOx. A formação

de NOx é diretamente proporcional às temperaturas alcançadas dentro da câmara de

3

combustão de um motor. Novas tecnologias estão sendo desenvolvidas no sentido de

minimizar tais temperaturas: são as denominadas LTC (Low Temperature Combustion),

sigla em inglês para Combustão a Baixas Temperaturas. Incluídas nas LTC estão o

Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) e o Homogeneous Charge Compression

Ignition (HCCI). Esta última tecnologia será o tema do presente trabalho.

4

2. Motores de Combustão Interna

2.1 Definições

Motor é um dispositivo que realiza a conversão de certas formas de energia (química, por

exemplo) em energia mecânica, visando a realização de trabalho.

Os motores de combustão são divididos em motores de combustão externa e os de

combustão interna.

Nos motores de combustão externa, o trabalho é produzido a partir do calor recebido por

um fluido de trabalho. Os produtos da combustão da mistura ar-combustível transmitem

calor a esse fluido de trabalho. Portanto, num motor de combustão externa o fluido de

trabalho está separado dos produtos da combustão.

Nos motores de combustão interna, os próprios produtos da combustão produzem

trabalho. Ou seja, o fluido de trabalho são os próprios produtos da combustão da mistura ar-

combustível. Um motor de combustão interna obtém energia mecânica (em forma de gases

em expansão) a partir da energia química contida num combustível (por exemplo, gasolina e

diesel) através de um processo de oxidação (combustão). A queima do combustível ocorre

dentro da câmara de combustão. O seu funcionamento é baseado no movimento de um

êmbolo alternativo conectado a uma biela dentro de um cilindro, produzindo trabalho através

da biela e de um eixo de manivelas. Dentro dos motores de combustão interna há dois tipos

principais: o motor de ignição por centelha (ICE) e o motor de ignição por compressão (ICO).

Figura 2 - Tipos de ignição num motor de combustão interna [30]

5

Um conceito importante nos motores de ignição interna é a razão ar-combustível. A razão

ar-combustível é definida como a razão entre a massa de ar e a massa de combustível

contido na mistura. A razão estequiométrica é aquela para a qual ocorre uma combustão

completa, ou seja, os produtos de combustão são apenas CO2, H20 e N2.

Citando exemplos numéricos de razão estequiométrica ar-combustível, avaliamos a

combustão completa da gasolina:

massa de ar (O2 + N2) : 12,5x32 + 12,5 x 3,76x2x14 = 1716

massa de combustível (C8H18) : 8x12 + 18 = 114

Portanto para que ocorra a combustão completa de 1 kg de gasolina são necessários 15,05

kg de ar atmosférico.

Neste ponto, vale salientar que temos dois tipos de mistura: a rica e a pobre. Para

definirmos estes tipos de mistura, definimos primeiramente o lâmbida ( λ ):

Assim sendo, quando λ assumir valores menores que 1, temos a chamada mistura rica, ou

seja, a razão ar-combustível real é menor que a estequiométrica.

Quando λ assumir valores maiores que 1, temos a mistura pobre, ou seja, a razão ar-

combustível real é maior que a estequiométrica. Temos aqui um excesso de ar atmosférico.

6

2.2 Motor de combustão interna de ignição por centelha (ICE)

Em 1862, foi desenvolvido por Beau de Rochas uma sequência operacional de 4 tempos

para um motor de combustão interna de ignição por centelha. Em 1876, o engenheiro

Nikolaus August Otto construiu um motor e colocou em prática a sequência idealizada por

Beau de Rochas. Desde então, este sequência constituída de 4 tempos, é conhecida como

ciclo Otto. Tais são as 4 sequências:

Admissão: estando a válvula de aspiração aberta, a mistura de ar-combustível é

aspirada para o interior do cilindro do motor;

Compressão: com ambas as válvulas fechadas (de admissão e de descarga), a

pressão e a temperatura da mistura são aumentadas através da subida do êmbolo;

Explosão: ainda com ambas as válvulas fechadas, ocorre a ignição da mistura de

combustível através de uma centelha emitida pela vela de ignição, os gases ao

expandirem-se, empurram o êmbolo para baixo

Descarga: com a válvula de descarga aberta, os gases resultantes da combustão

são expulsos do cilindro.

Figura 3 - Fases de um motor Otto a 4 tempos [31]

7

Figura 4 - Ciclo de 4 tempos (Ciclo Otto) [24]

Na figura 4, estão apresentados os ciclos teórico e real de um motor Otto. Vale observar as

diferenças entre ambos. No ciclo real, a admissão da mistura ar-combustível se dá a uma

pressão ligeiramente inferior à pressão atmosférica e o tempo de exaustão dos gases

resultantes da combustão ocorre a uma pressão um pouco acima da pressão atmosférica.

Os tempos de admissão e exaustão são equivalentes e estão mostrados no gráfico através

da linha 0-1 e 1-0. No processo 1-2 ocorre a compressão da mistura ar-combustível. Tanto

o processo de combustão (2-3) como o de exaustão (4-1) podem ser aproximados a um

processo de volume constante. Essa aproximação será fundamental para o

desenvolvimento matemático da equação de rendimento térmico do motor Otto.

Vale aqui introduzir certas denominações intrínsecas ao processo que ocorre dentro do

cilindro, inclusive o relevante conceito de razão de compressão, que será citado inúmeras

vezes ao longo do trabalho.

Ponto Morto Superior (PMS) e Ponto Morto Inferior (PMI): Pontos de posição máxima

(PMS) e mínima (PMI) do êmbolo durante seu percurso. Nestes pontos é que o

êmbolo muda o sentido de seu movimento.

8

Figura 5 - Interior de um cilindro [34]

Cilindrada ou volume de deslocamento do motor (v): volume total do cilindro.

Equivale ao valor numérico do curso do êmbolo multiplicado pelo valor numérico da

sessão transversal do cilindro.

Espaço morto (c): volume da câmara de combustão. Volume livre acima do pistão

quando este se encontra no PMS. É o volume ocupado pelos gases comprimidos ao

final da fase de compressão.

Razão de compressão (rc): é definida pela razão entre a soma do volume da câmara

de combustão com a cilindrada e o volume da câmara de combustão. Ela significa

por quantas vezes a mistura ar-combustível tem seu volume reduzido até que a

centelha seja acionada e tenha início a combustão da mistura.

Figura 6 - Interior de um cilindro [34]

9

Valores típicos de razão de compressão para motores Otto a gasolina são de cerca de 10;

para motores a diesel é de cerca de 20 ou mais.

Por exemplo, um motor a gasolina com razão de compressão de valor 8 significa que a

mistura ar-combustível foi comprimida oito vezes antes que a centelha da vela de ignição

desse início à combustão.

Como será demonstrado a seguir, na seção 2.2, a razão de compressão é diretamente

ligada ao rendimento térmico de um motor. Maiores taxas de compressão indicam que o

motor está fazendo melhor uso do combustível consumido. Motores diesel, por exemplo,

alcançam maiores razões de compressão. Para um motor Otto a gasolina o valor típico de

razão de compressão é 10 enquanto para um motor Diesel é de 20. Obviamente, há

limitações físicas e técnicas para se atingir maiores taxas de compressão. Primeiramente, a

dificuldade de construção de câmaras de combustão cada vez menores. E a limitação

técnica de quanto um combustível tolera de compressão sem atingir uma indevida

autoignição.

2.3 Motor de combustão interna de ignição por compressão (ICO)

Em 1892, Rudolph Diesel idealizou um novo tipo de motor, que seria capaz de queimar

carvão pulverizado. Tal motor apresenta um ciclo de operação muito semelhante ao ciclo

Otto, porém com duas grandes diferenças: na fase de aspiração, seria aspirado ar puro ao

invés de uma mistura ar-combustível e maiores razões de compressão seriam alcançadas.

Após uma intensa e rápida compressão do ar aspirado, a temperatura estaria de tal modo

elevada que a injeção de combustível ocasionaria uma imediata autoignição.

Rudolph Diesel publicou em fevereiro de 1892 em Berlim tal ideia num fascículo intitulado

"Teoria e Construção de um Motor Térmico Racional.". Em Ausburg, na Alemanha, teve

início a construção de tal motor. Em 1897, um motor monocilíndrico, diâmetro de 250 mm,

curso de 400 mm e consumo de 247g de combustível por cavalo e por hora desenvolve 20

HP a 172 rpm, apresentando um rendimento térmico de 26,2% em contrapartida aos 20% de

um motor a gasolina. As razões de compressão alcançadas em um motor diesel também

são mais elevadas: cerca de 20, em contrapartida a cerca de 10 do motor a gasolina.

Como visualizada na figura 7, os 4 tempos de um motor a diesel estão descritos a seguir:

10

Admissão: estando a válvula de admissão aberta, ar é admitido na câmara de

combustão;

Compressão: estando as válvulas de admissão e exaustão fechadas, o ar é

comprimido. Apenas um pouco antes do ponto morto superior, é injetado

combustível;

Explosão: devidos à alta temperatura decorrente da alta razão de compressão

alcançada dentro da câmara de combustão, ocorre a autoignição da mistura ar-

combustível;

Exaustão: a válvula de exaustão é aberta e são liberados os gases resultantes da

combustão.

Figura 7 - Fases de um motor diesel a 4 tempos [36]

2.4 Eficiência térmica de um motor a combustão interna

Um motor a combustão interna é uma máquina térmica, uma vez que realiza a conversão de

energia térmica em trabalho. O funcionamento de um motor não é um ciclo fechado, ou seja,

é um sistema com entrada e saída de massa. No entanto, para fins de modelagem

matemática será considerado como fechado, baseado no fato de o volume da câmara de

combustão ser constante e considerando-se que a mesma massa em kg de ar-combustível

que é admitida dentro do cilindro é a massa em kg que sai através dos gases de exaustão.

11

Assim sendo, utilizaremos a simplificação de um ciclo operacional de motor como um ciclo

fechado.

Aplicaremos a definição de eficiência térmica, que é a razão entre o trabalho total obtido e o

trabalho (ou calor) investido:

Onde:

Sendo:

= calor cedido da fonte quente, sendo o calor fornecido pela combustão da mistura ar-

combustível;

= calor recebido pela fonte fria, em outros termos, calor perdido para as paredes do

cilindro e calor perdido através dos gases de exaustão.

E considerando

onde

k = coeficiente isentrópico;

= calor específico a pressão constante;

é calor específico a volume constante.

Observaremos a seguir a eficiência térmica tanto para o ciclo Otto quanto para o ciclo

Diesel.

12

Figura 8 - Eficiência térmica para ciclo Otto [38]

Observando o diagrama T-S, temos:

A equação acima mostra que a eficiência térmica de um ciclo Otto depende tanto da razão

de compressão como pela propriedade do fluido expressa por k (coeficiente isentrópico).

A conclusão mais relevante dessa demonstração é que a eficiência térmica de um motor

Otto é diretamente proporcional à razão de compressão. Em outras palavras, quanto maior a

razão de compressão, maior a eficiência térmica.

13

Analisemos agora a eficiência térmica para o ciclo Diesel.

Figura 9 - Eficiência térmica para ciclo Diesel [39]

Notemos a diferença que enquanto no ciclo Otto, ambas as etapas de combustão e

descarga ocorrem a volume constante; no ciclo a Diesel, apenas a descarga ocorre a

volume constante e a combustão se dá à pressão constante. Tal diferença refletir-se-á nos

itens e da equação de eficiência térmica.

Para o ciclo a Diesel:

Uma vez que , temos que:

e sendo ,

14

Logo,

Denominaremos

Assim sendo:

Inferimos aqui que, para uma mesma razão de compressão, o ciclo Diesel apresenta menor

eficiência térmica que o ciclo Otto. Entretanto, fato é que motores Diesel alcançam maiores

razões de compressão. Assim sendo, na prática, os motores Diesel apresentam maior

eficiência térmica.

2.5 Formas de medição

Medição de pressão é uma das principais e mais usadas técnicas para se obter uma

grande quantidade de informação sobre processos internos num motor. Um registro do seu

uso é datado de 1876 e realizado por August Nikolas. Tal registro consiste em um perfil de

pressão de um cilindro gravado com um indicador mecânico. Atualmente, métodos analíticos

de otimização de combustão podem alcançar conclusões baseados, por exemplo, em:

Indicações de alta pressão (medida de pressão do cilindro);

Indicações de baixa pressão (medidas de entrada e saída).

Ambos indicadores são obtidos através de sensores piezoelétricos.

Os dados coletados por medição de pressão são geralmente denominados "combustion

diagnostic metrics" e são classificados em duas grandes categorias:

Indicadores diretos de valores característicos: obtidos diretamente a partir do perfil

de pressões do cilindro durante um ciclo de trabalho. Aqui estão incluídos a pressão

15

média efetiva (PME), máximo crescimento de pressão e taxa de crescimento de

pressão.

Indicadores indiretos de valores característicos: obtidos através de análises

termodinâmicas, inclui atraso de ignição, início de combustão, fração de massa dos

pontos de queima ((10%, 50% e 90%), taxa de liberação de calor e perdas de calor.

A pressão do cilindro é obtida através de transdutores de pressão. Esses transdutores são

conectados à câmara de combustão através de uma membrana, que recebe num piezo

elemento a força advinda da pressão na câmara de combustão. O transdutor cria uma carga

que é transformada numa voltagem elétrica. Dessa forma, a pressão no cilindro pode ser

calculada.

16

3. HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition)

3.1. Introdução

A ideia do HCCI é a obtenção de um motor de combustão interna que reúna as vantagens

de ignição a centelha e ignição por compressão, o que promove a significativa redução de

emissões de óxidos nitrogenados (NOx).

O HCCI é caracterizado pela autoignição de uma mistura homogênea pobre de ar-

combustível comprimida em alta razão de compressão. Uma mistura pobre é aquela em que

há muita quantidade de ar em relação à quantidade de combustível. E a razão de

compressão refere-se a quanto à mistura ar-combustível é comprimida.

O HCCI estabelece uma mistura homogênea de ar e combustível. Essa homogeneidade

leva a tal crescimento de temperatura e pressão durante a compressão que uma ignição

simultânea ocorre a uma só vez em todo o interior da câmara de combustão. As

temperaturas locais são mantidas a baixos níveis, acarretando a diminuição das emissões

de NOx.

Vale citar que anterior ao desenvolvimento do HCCI, ainda na década de 20, já existia a

ideia de conciliar motor de ignição por centelha e por compressão. Trata-se do motor de

carga estratificada. A diferença operacional é que neste caso, a injeção de combustível se

dá diretamente na câmara de combustão durante a etapa de compressão, sendo utilizada

uma centelha para dar início à combustão. Esta utilização de uma vela de ignição é o que

diferencia o motor de carga estratificada do motor Diesel. Alguns motores de carga

estratificada foram desenvolvidos e testados, entretanto não houve intensa aplicabilidade

industrial. O motor de carga estratificada não opera com misturas homogêneas de ar-

combustível, enquanto que a utilização de mistura homogênea é uma das bases do

funcionamento do HCCI. O HCCI apareceu com mais força, pois veio ao encontro da

necessidade da diminuição de emissão de poluentes, devido ao fato de a combustão ocorrer

a menores temperaturas. A produção de NOx é diretamente proporcional ás temperaturas

alcançadas dentro da câmara de combustão.

As vantagens combinadas no motor HCCI vem dos seguintes pontos:

17

Como num motor de ignição por centelha, combustível e ar são misturados

previamente numa mistura homogênea - o que leva a vantagem de baixas emissões

de poluentes;

Como num motor de ignição por compressão, a autoignição ocorre devido à alta

razão de compressão, com a vantagem de alta eficiência.

Portanto, o HCCI agrega a alta eficiência de um motor de ignição por compressão (motor a

diesel) e as baixas emissões de um motor de ignição por centelha (motor a gasolina).

Figura 10 - A junção de vantagens de motor ICE e ICO no modo de operação HCCI

A baixa emissão de óxidos nitrogenados (NOx) é consequente das baixas temperaturas no

interior da câmara de combustão. A homogeneidade da mistura ar-combustível faz com que

a ignição ocorra em pontos simultâneos na câmara de combustão, verificando-se a ausência

de frente de chama.

Entretanto, o HCCI apresenta também desafios na sua implementação. Tais desafios são a

ausência de um controle direto do tempo de combustão (não há vela de ignição como num

motor a gasolina, por exemplo) e as grandes oscilações nos parâmetros de combustão

avaliados nos itens 4.4 e 4.5. Durante a operação em modo HCCI a partir dos dados

coletados verificamos grandes oscilações nas perdas de calor , no ponto de 50% de queima

de combustível e no ponto de 50% de liberação de calor. O intuito deste trabalho será

analisar quantitativamente tais parâmetros, e as possíveis correlações entre eles a fim de se

detectar uma estratégia eficaz de melhoria da operação HCCI.

18

3.2. Controle de ignição

O HCCI tem um grande desafio: a ausência de um equipamento que controle diretamente o

tempo de ignição (tal como uma vela de ignição). A autoignição de uma mistura homogênea

comprimida numa alta taxa de compressão desencadeia a uma rápida queima que ocorre de

uma vez em toda a câmara de combustão. Não há propagação de frente de chama. A

combustão está basicamente sob controle da cinética química do processo de combustão. O

tempo de combustão é influenciado pela razão ar-combustível, temperaturas de admissão,

razão de compressão (RC) e gases residuais. Os dois principais métodos de controle de

tempo de combustão são a variação da razão de compressão e o uso de misturas de

combustíveis e aditivos.

Segundo Haraldsson [2], um exemplo de valor de razão de compressão foi usado num

protótipo de 5 cilindros. Para esse motor, a conclusão foi que uma razão de compressão de

até 17:1 aumentou a eficiência térmica e diminuiu emissões de NOx.

Os combustíveis que melhor trabalham com altas razões de compressão e misturas pobres

são aqueles com alta octanagem. Portanto, gás natural e gasolina são combustíveis

adequados para um motor HCCI.

19

3.3. HCCI em motores a gasolina

A implementação do modo HCCI para produção industrial ainda requer alguns ajustes. A

seguir falaremos sobre tais ajustes. Estratégias de implementação do HCCI no mercado são

de difícil acesso, pois as empresas retém suas informações.

As abordagens de controle de combustão num motor a gasolina operando no modo HCCI

são relacionadas a dois grandes desafios:

- controle de autoignição;

- controle de liberação de calor

A seguir abordaremos métodos práticos de aplicação do modo de operação HCCI em

motores a gasolina.

3.3.1. Tempo de injeção

O modo de operação HCCI requer uma mistura homogênea. Assim sendo, é importante a

duração do tempo de mistura entre ar e combustível.

Uma ótima fase de combustão é obtida através da alteração de injeção adiantada na

admissão para uma injeção retardada para um controle extra de fase de combustão.

Variações na homogeneidade da mistura têm efeitos nas emissões de poluentes. Injeção

precoce gera misturas com alto nível de homogeneidade levando a baixos níveis de

emissões de NOx e matéria particulada porém altos níveis de hidrocarbonetos. Através de

injeção tardia durante a compressão, baixos níveis de hidrocarbonetos são emitidos.

Tempo de injeção é uma das principais estratégias para controle de combustão de HCCI

com gasolina.

3.3.2. Variações da Razão de Compressão

Um estudo conduzido por Hyvonen [4], utilizou uma extensão de variadas razões de

compressão entre 9:1 a 21:1. Os resultados mostraram que, para que haja um aumento na

eficiência da combustão, menores razões de compressão são usados em cargas

intermediarias e maiores razões de compressão são aplicadas em ambas baixas e altas

cargas.

20

3.3.3. Aplicabilidade industrial

Para uma futura comercialização do HCCI deve-se considerar um modo de operação que

combine HCCI a baixas e médias cargas e ignição por centelha a altas cargas e altas

velocidades. Tal modo de operação é denominado Multi Mode.

A alternância entre ambos modos de operação (HCCI e ignição por centelha) ocorre através

de controle de tempo de válvula. O sistema "4-variable actuating system (4VVS)" é capaz de

controle independente de abertura e tempo de válvulas de admissão e exaustão. A

aplicabilidade do 4VVS foi verificado por ambos programa de simulação de motor [5] e

testes experimentais [6]. Yang [7] propôs um motor dual HCCI-Ignição por Centelha e o

denominou de Optimized Kinetic Process (OKP). Para alcançar o nível de calor e razão de

compressão necessários para a autoignição de HCCI, o OKP captura energia térmica dos

gases de exaustão e residuais.

Com o intuito de reduzir os resíduos e a razão de compressão efetiva, é utilizado um

equipamento com dois estágios de controle de válvula. No modo HCCI, o eixo de comando

de admissão foi deslocado para um pequeno levantamento de válvula para fechamento

precoce da admissão e a quantidade de ar foi ajustado utilizando-se um dispositivo e

através da colocação de um regulador de pressão eletrônico.

3.3.4. Modificação de combustível

Um dos principais pontos a ser considerado na manipulação de combustível para HCCI é o

fenômeno de autoignição. O modo de operação HCCI é adequado para baixas temperaturas

de autoignição.

Uma prática comum nas aplicações em motores a gasolina é misturar combustíveis de alto

cetanagem (diesel, n-heptano e dimetil eter) com combustíveis de alta octanagem (gasolina,

iso-octano, metanol). A autoignição pode ser considerada como um processo de liberação

de calor, o qual pode ser estimulado ou inibido por alguns componentes químicos. Em um

estudo de Aceves [8], houve uma avaliação da capacidade de aditivos de avançar a ignição

em modo HCCI. Um avanço de quase 11 graus de manivela foi verificado para uma

determinada mistura de admissão. Esse avanço é equivalente a um acréscimo de mais de

30K na temperatura de admissão. Outro exemplo de modificação de combustível pode ser

verificado por Shudo [9]: foi mostrado que tempo de ignição e taxa de combustão podem ser

controlados ajustando-se proporções relativas de éter dimetil e metanol.

21

3.4. HCCI em motores a diesel

A maior eficiência de potência dos motores Diesel (cerca de 40% em contrapartida aos

cerca de 30% dos motores a gasolina) tem contribuído para o aumento da participação no

mercado dos motores Diesel.

A alta eficiência de potência é relacionada com as altas razões de compressão aceitas pelos

motores a diesel (cerca de 20:1) comparada as de motores a gasolina (cerca de 10:1). Essa

baixa razão de compressão dos motores a gasolina é devida a necessidade de evitar o

fenômeno de "batida de pino".

Outra vantagem dos motores a diesel é a baixa emissão de monóxido de carbono (CO) e de

hidrocarbonetos não-queimados (HC). Porém as emissões de NOx (óxidos nitrogenados),

matéria particulada (MP) e fuligem ainda tem de ser trabalhadas.

Figura 11 – Esquema de um motor Diesel [30]

Referente à combustão em HCCI, as primeiras pesquisas envolveram motores a gasolina.

A aplicação do HCCI em motores a diesel não parecia muito atrativa. Algumas

características do diesel não eram muito compatíveis com HCCI: baixa volatilidade e alta

viscosidade. A alta volatilidade e viscosidade prejudicam o preparo de uma mistura

homogênea, sendo esta homogeneidade requisito fundamental para a operação HCCI.

Todavia, no sentido de possibilitar a formação de uma mistura homogênea, a Recirculação

de Gases de Exaustão é uma solução pois altera a formação química da mistura ar-

22

combustível a ser admitida no motor, possibilitando que esta alcance os níveis desejados de

homogeneidade.

De qualquer forma, de acordo com Suyian Gan [10] a combustão HCCI é um dos mais

importantes avanços para a redução de emissões de NOx e fuligem mantendo-se o

adequado consumo de combustível e performance dos motores a diesel. Como mencionado

antes, o HCCI combina as melhores características da eficiência de potência do diesel e as

baixas emissões de fuligem da gasolina.

Nesse contexto, são bastante relevantes as pesquisas sobre melhoramentos da

implementação de HCCI em motores a diesel.

Alguns fatores para uma operação HCCI estável em veículos a diesel são descritos nos

próximos itens.

3.4.1. Tempo de injeção

A homogeneidade da carga é proporcional à duração do tempo de mistura do ar com o

combustível; tempo este que é dependente de quando o o combustível é injetado na câmara

de combustão. Em relação a isso, o modo de operação HCCI em motores a diesel pode ser

classificado em: injeção precoce, injeção múltipla e injeção tardia. A seguir alguns exemplos

de cada uma:

Injeção adiantada

Um exemplo comercial de HCCI com injeção precoce foi desenvolvido por Mitsubishi

Motors Corporation - foi denominado Premixed Compression Ignited (PCI), e consistia,

basicamente de uma injeção precoce permitindo tempo suficiente para a mistura de ar e

combustível, levando a uma mistura homogênea. O resultado foi um decréscimo de 1/10 das

concentrações mínimas de NOx emitidas por uma operação padrão diesel. De qualquer

forma houve um aumento de emissões de HC e CO devido a mistura ar-combustível ser

excessivamente pobre.

23

Injeções múltiplas

A Toyota Motor Corporation desenvolveu o chamado Uniform Bulky Combustion System

(UNIBUS) aplicando uma técnica de dupla injeção: uma injeção precoce é aplicada para a

formação de uma mistura homogênea e um a injeção tardia é usada para dar o gatilho para

a combustão de todo o combustível. O UNIBUS é restrito para baixas cargas e velocidades.

Injeção retardada

O The Modulated Kinetics (MK) foi desenvolvido pela Nissan Motor Corporation e tinha 3

principais características operacionais: uma grande quantidade de recirculação de gases de

exaustão, tempo de injeção retardado e alta razão de turbilhonamento.

Neste caso, a principal estratégia para reduzir emissões de NOx é o grande uso de

recirculação de gases de exaustão, que reduz a concentração de oxigênio e leva a uma

baixa temperatura de combustão.

3.4.2. Características de injeção

A formação de uma mistura homogênea requer do sistema de injeção a formação de sprays

com baixa penetração, uniformidade, larga dispersão e uma larga taxa de injeção. A fim de

obter tais características, injetores com bocais de spray são utilizados. O ângulo de impacto

também deve ser considerado: largos ângulos levam a baixa penetração resultando numa

concentração de combustível mais uniforme. Bocais com ângulo de spray estreito em

formato de cone promovem uma mistura de ar e combustível com alta taxa de injeção. Outra

estratégia para obter uma mistura apropriada de ar e combustível é reduzir o diâmetro do

orifício do bocal.

3.4.3. Pressão de injeção

Uma alta pressão de injeção mostrou ser uma vantagem em operações HCCI. O aumento.

O aumento na pressão de injeção significa um aumento na velocidade de injeção,

fornecendo um aumento na taxa de entrada de ar e mistura, o qual resulta numa estrutura

de spray favorável, levando a uma melhor combustão.

3.4.4. Geometria da "cabeça" do pistão

Uma "cabeça" de pistão com "prato" raso pode reduzir a formação de um filme de

combustível na parede da superfície do cilindro - diminuindo fuligem e emissões de HC e

CO comparado a um "prato" padrão. Essa geometria também melhora a pressão média

efetiva e a estabilidade da combustão.

24

Figura 12 – Geometria da Cabeça do Pistão [37]

Razão de Compressão

Um método de alcançar a completa injeção antes da ignição é prolongar o atraso de ignição

- e isso pode ser feito diminuindo-se a razão de compressão. Reduzir a razão de

compressão de 18:1 para 16:1 foi parte da estratégia usada na segunda geração dos

motores a diesel MK (Modulated Kinetics). Outras vantagens de se reduzir a razão de

compressão são: prevenção do fenômeno de "batida de pino" e a prevenção de uma

explosiva autoignição (através da redução do aumento de temperatura e dos gases finais).

3.4.5. Temperatura da carga de admissão

Uma diminuição na temperatura da carga de admissão tem a consequência de aumentar a

massa de carga no interior do cilindro. Consequentemente, a pressão média efetiva (PME)

teve um aumento.

Alguns trabalhos experimentais mostraram que quando a temperatura de admissão foi

diminuída de 105°C para 30°C, houve um aumento de 2,7 bar para 3,7 bar na pressão

média efetiva.

3.4.6. Supercharging /Turbocharging

Turbocharging é particularmente importante como um complemento à recirculação de gases

de exaustão. A diluição causada por Recirculação de Gases de Exaustão (RGE) limita a

quantidade de combustível que pode ser usado para uma massa fixa de carga. Esse efeito

leva a uma perda na potência do motor. Portanto, mais massa tem de ser forçada para

dentro do motor através de supercharging ou turbocharging. Aumentos significativos na

25

pressão de admissão tem um impacto direto na pressão média efetiva. Testes com n-

heptano num motor da Cooperative Fuels Research (CFR) mostrou que um aumento na

temperatura teve um impacto direto na pressão média efetiva.

3.5. Recirculação de Gases de Exaustão (RGE)

A utilização da Recirculação de Gases de Exaustão é uma das principais estratégias na

diminuição das emissões de óxidos nitrogenados e da Matéria Particulada. Abordaremos a

seguir as circunstâncias em que se dá a formação dos NOX, sua toxicidade e como atua a

RGE no sentido de diminuir as emissões de NOx.

3.5.1. Formação dos Óxidos Nitrogenados

Conforme já citado anteriormente, o grande enfoque deste trabalho é a utilização do modo

de operação HCCI devido ao grande apelo da diminuição das emissões de NOx.

Primeiramente, o grande fator responsável pela formação de NOx são as elevadas

temperaturas alcançadas dentro da câmara de combustão. Na presença de altas

temperaturas ocorre a oxidação do nitrogênio resultando na formação dos óxidos

nitrogenados, segundo as reações a seguir:

Uma vez readmitidos na câmara de combustão, os gases de exaustão passam a ocupar o

espaço anteriormente ocupado por somente a mistura de ar-combustível. Ou seja, com a

admissão dos gases de exaustão, temos uma menor quantidade de mistura ar-combustível

dentro da câmara de combustão em comparação a uma admissão única da combinação ar-

combustível. Portanto, com essa diminuição das taxas de concentração da mistura ar-

combustível, haverá uma menor taxa de ocorrência de combustão. Diminuindo assim a

temperatura alcançada dentro da câmara de combustão. E a diminuição de temperatura

dentro da câmara de combustão significa menor formação de NOx.

26

3.5.2. Formação e efeitos de óxidos nitrogenados e Matéria Particulada

Será abordado agora o caráter nocivo dos óxidos nitrogenados, bem como da Matéria

Particulada.

Essa substância é nociva à saúde humana, principalmente aos tecidos pulmonares,

causando doenças respiratórias como enfisema pulmonar, bronquites, traqueítes e, em

casos mais graves é um agente cancerígeno. Com respeito à vegetação, os óxidos

nitrogenados acarretam redução da permeabilidade das membranas celulares das folhas,

diminuindo as trocas gasosas e reduzindo a taxa de realização de fotossíntese.

Outro elemento a ter suas emissões restringidas é a Matéria Particulada (MP). A matéria

particulada (MP) causa problemas respiratórios e cardiovasculares. Além disso, há

evidências que matéria particulada seja um potencial agente cancerígeno. De acordo com a

EPA (“Environmental Protection Agency”, EUA), matéria particulada é definida como

qualquer massa que é coletada em um filtro de exaustão de veículo ou máquina específica,

após um determinado ciclo de operação, sob uma temperatura de exaustão mantida

constante a 52 °C.

Os impactos ambientais de NOx e de matéria particulada incluem chuva ácida, mudanças

climáticas, deterioração da qualidade da água e do solo e efeitos de visibilidade.

Particularmente o NO2 exerce um grande efeito na estratosfera, contribuindo para o efeito

estufa. O dióxido nitroso absorve da radiação infravermelha refletida pela superfície

terrestre, bloqueia sua dispersão para camadas superiores da estratosfera e emite tal

radiação de volta para a superfície da Terra, conforme ilustrado na figura 13.

27

Figura 13 – Efeito estufa [48]

3.5.3. Atuação da Recirculação de Gases de Exaustão

Conforme mencionado anteriormente, a grande condição para formação de óxidos

nitrogenados são as altas temperaturas alcançadas na câmara de combustão de um motor.

Assim sendo, diminuir as emissões de NOx implica diminuir as temperaturas dentro da

câmara de combustão.

Os efeitos da RGE que levam à redução da temperatura de combustão podem ser divididos

em:

Efeito de diluição:

Parte do oxigênio no ar fresco de admissão é substituída por gases inertes. O aumento em

proporção de molécula não-oxigenadas tem um efeito de absorção de calor. Também há um

decréscimo de disponibilidade de oxigênio para algumas reações químicas (tais como as

responsável pela formação de NOx);

Efeito de adição de massa:

A adição de um diluente a carga de admissão aumenta a taxa de fluxo de massa resultando

num aumento de absorção de calor;

28

Efeito térmico:

A recirculação de gases de exaustão tem uma significativa quantidade de água e CO2 , com

alta capacidade calorífica comparada ao ar.

Efeito químico:

Alguns dos gases diluentes podem sofrer dissociação ou outras reações químicas. Por

exemplo, a dissociação do CO2 é uma reação endotérmica, o que significa que há absorção

de calor.

29

4. Bancada experimental

4.1 Introdução

O presente trabalho tem o propósito de investigar as variações nos parâmetros de

combustão nos ciclos de trabalho no modo de operação HCCI. A análise efetuada teve

como ponto de partida dados previamente obtidos. Para tal, medições foram previamente

realizadas num motor de ignição a centelha de um cilindro, com as seguintes

especificações.. Porém, não estão disponíveis maiores descrições sobre mecanismos de

funcionamento da bancada experimental.

Especificações do motor Parâmetros Operacionais

Motor: um cilindro Revoluções por minuto [rpm] = 1997

Diâmetro [m] = 0.10 Temperatura dos gases de exaustão [K] = 583

Raio da manivela [m] = 0.0415 Pressão dos gases de exaustão [KPa] = 100,14

Compressão [-] = 10.45

Biela [m] = 0.1440

Area do pistão [m²] = 0.0079

Altura do topo [m] = 0.0050

Figura 14 – Esquematização da bancada de teste

30

Da bancada de teste, foram obtidas informações sobre os parâmetros de combustão

(pressão e vazão de ar admitido, ponto de 50% de queima de combustível, ponto de 50% de

calor liberado, perdas de calor) organizadas em dois conjuntos (primeiro e segundo). Foram

realizadas duas medições a fim de se observar eventuais erros decorrentes do processo

experimental. A ideia era observar se o comportamento dos parâmetros analisados seguia

um padrão nas duas medições. E conforme verificado posteriormente nos itens 4.4 e 4.5,

houve um comportamento de oscilação desses parâmetros que se manteve nas duas

medições.

Figura 15 - Exemplo de um motor de único cilindro [35]

Para a primeira etapa deste trabalho, os programas computacionais Matlab e Bremo foram

utilizados. Era necessário corrigir pequenos desvios dos dados, desvios estes inerentes ao

processo de coleta de dados experimentais. A tarefa era ajustar a curvas de liberação de

calor (Qb [J]) num gráfico com o eixo x indicando o ângulo de manivela. A curva do calor

liberado devia ser tangente ao eixo x até o ponto de zero graus de manivela - que é o

momento em que a liberação de calor começa a ocorrer. Para o primeiro e segundo pacote

de dados, o ajuste das curvas foi feito variando-se os valores de taxa de massa de ar

(m_Luft [kg/h]).

31

Figura 16 – O programa Bremo utilizado para ajustar curvas de calor liberado (Qb)

Figura 17 – O script do Matlab

Figura 18 –Parâmetros operacionais no script do Matlab

32

4.2 Ajustes no primeiro pacote

Como citado anteriormente, foi utilizado o programa Bremo para o ajuste de parâmetros de

combustão devido a erros inerentes à coleta experimental. A partir do ajuste da curva de

calor liberado, foi obtido o seguinte diagrama para valores de taxa de massa de ar (kg/h)

Figura 19 - Variações da taxa de massa de ar para o primeiro ajuste

Observando o gráfico acima, foi notada uma grande oscilação de valores de massa de ar. O

mínimo valor de taxa de massa de ar na admissão observado foi de 9,99 kg/h e o máximo

valor foi de 14,99 kg/h. De qualquer forma, tal variação (de 9,99 kg/h para 14,99 kg/h) não é

realista. Essa conclusão é baseada considerando-se que o volume de um cilindro é

constante. Para um volume constante de cilindro não é aceitável uma variação de taxa de

massa de 33,35%.

Uma nova configuração no Bremo teve de ser feita, mantendo a observação da necessidade

de uma razoável variação da taxa de massa de ar (em torno de 10%). Após algumas

tentativas, o novo conjunto de parâmetros no arquivo de entrada foi:

Razão de compressão = 10.5

Método de ajuste da pressão = curva de curso de combustão

Começo da queda de pressão = - 130

Final da queda de pressão = - 40

Com a nova configuração, uma distribuição realista de valores foi obtida: a taxa de massa

de ar teve valores de 12,9 kg/h ou 12,4 kg/h, com uma satisfatória variação de 3,87%.

33

Figura 20 –- A nova configuração de parâmetros do sistema para o segundo ajuste

4.3 Ajustes no segundo pacote

Para o segundo pacote de dados, o mesmo procedimento de ajuste de curvas de liberação

de calor variando-se a taxa de massa de ar foi realizado.

O mínimo valor de taxa de massa de ar foi de 9,25 kg/h e o máximo foi de 9,95 kg/h, com

uma satisfatória variação de 7,03%.

Figura 21 - Distribuição da taxa de massa de ar para o segundo pacote

34

4.4 Análise dos parâmetros do primeiro conjunto de dados

Outros parâmetros de combustão foram plotados e analisados.

Figura 22 - Recirculação de Gases de Exaustão para o primeiro conjunto

- Valor máximo de kg

- Valor mínimo de kg

Figura 23 - Perdas de calor para o primeiro conjunto

- Valor máximo de 109,03 J

- Vamor mínimo de 48,08 J

35

Figura 24 - Ponto de 50% de queima de combustível para o primeiro conjunto

- Valor máximo de of 9,1 KW

- Valor mínimo de 2,6 KW

Figura 25 - Ponto de 50% de liberação de calor para o primeiro conjunto

- Valor máximo de 5,1 KW

- Valor mínimo de 1,1 KW

36

Na figura 22, vemos o comportamento do valor da massa de gases de recirculação interna

ao longo dos ciclos. Apresenta um valor máximo de kg e mínimo de

kg, numa variação de 49,13%.

Na figura 23, observamos os valores das perdas de calor ao longo dos ciclos. Tais valores

vão de um máximo de 109,03 J até um mínimo de 48,08 J, mostrando uma variação de

55,90%.

Na figura 24, o ponto de 50% de queima de combustível oscila entre um máximo de 9,1 KW

e 2,6 KW, uma variação angular de 6,5 KW.

Na figura 25, o ponto de 50% de liberação de calor oscila entre 5,1 KW e 1,1 KW, numa

variação angular de 4 KW.

Em todos os gráficos analisados verificamos um comportamento oscilatório de picos e

quedas de valores dos parâmetros. Os mesmos parâmetros serão analisados para o

segundo conjunto de dados a fim de verificar se há uma repetição desse comportamento

oscilatório. Esse comportamento irregular é indesejável e compromete a aplicabilidade

industrial do HCCI. O intuito do trabalho é analisar tais parâmetros a fim de detectar um

possível elemento chave que possa influenciar e melhorar o comportamento da operação

HCCI.

37

4.5. Análise dos parâmetros do segundo conjunto

Para o segundo pacote de dados, os arquivos fornecidos continham dados apenas para os

primeiros 100 ciclos.

Figura 26 - Recirculação de gases de exaustão para o segundo conjunto

- Valor máximo de kg

- Valor mínimo de kg

Figura 27 - Perdas de calor para o segundo conjunto

- Valor máximo de 102,39 J

- Valor mínimo de 79,55 J

38

Figura 28 - Ponto de 50% de queima para o segundo conjunto


- Valor mínimo de -2 KW

Figura 29 - Ponto de 50% de queima para o segundo conjunto


- Valor mínimo de -5,5 KW

Na figura 26, o valor da massa de gases de recirculação interna varia entre um máximo

de kg e um mínimo de kg, numa variação percentual de 23,62%.

Na figura 27, havia uma falha no arquivo de dados obtidos experimentalmente, com uma

grande ausência de dados entre os ciclos 20 e 70. Considerando isso, os valores de

perda de calor vão de um máximo de 102,39 J a um mínimo de 79,55 J, numa variação

percentual de 22,31%.

Na figura 28, o ponto de 50% de queima de combustível varia entre 10,05 KW e -2 KW,

numa variação angular de 12,05 KW.

Na figura 29, o ponto de 50% de calor liberado varia entre 2,5 KW e -5,5 KW, numa

variação angular de 8 KW.

.

Nos gráficos dos itens acima (4.4 e 4.5) verificamos um problema do modo de operação

HCCI: a significativa oscilação dos valores dos parâmetros de combustão. Tal questão

deve ser trabalhada para que seja possível a implementação em escala industrial de tal

modo de operação. Neste ponto, entra a contribuição do presente trabalho: analisar qual

ou quais parâmetros de combustão podem ser manipulados a fim de melhorar a

linearidade de operação do HCCI. Para tal análise foi aplicado o método de Regressão

Linear.

40

5. Regressão Linear

5.1 Conceitos

Uma vez que todos os dados estavam organizados, a proposta era verificar se havia uma

correlação entre parâmetros. Para uma variação no parâmetro A, o parâmetro B variava

proporcionalmente? Direta ou indiretamente proporcionalmente? Depois de estabelecida

uma suposta tendência de comportamento, o segundo passo seria determinar quão forte

essa tendência seria. Para todas essas análises, o método matemático de Regressão

Linear foi utilizado.

Regressão Linear é um método de encontrar uma relação entre a variável dependente Y,

uma vez dada a variável explanatória X. Esse método consiste em estabelecer uma linha

reta entre pontos dados. Normalmente, essa linha é calculada considerando Y´ como

uma função afim de X ( ).

Uma vez que essa linha é obtida, o valor dado de Y pode ser comparado com o valor

estimado Y´. O jeito usual de fazer essa comparação é a predição do quadrado dos erros

.

A mais adequada linha é aquela com a menor distância vertical entre a linha e os pontos.

Em outras palavras, a linha que minimiza a soma do quadrado dos erros.

Figura 30 - Exemplo de Regressão Linear [41]

A regressão linear começa com o diagrama de dispersão. A observação visual de como

os pontos estão distribuídos nos fornece uma primeira ideia de uma eventual tendência

de comportamento. Uma análise mais precisa será dado com o cálculo do coeficiente

linear de Pearson (r). Esse coeficiente é um valor numérico que medir a intensidade de

associação entre duas variáveis, dada uma série de observações.

41

O cálculo de r é mostrado a seguir:

– Coeficiente de regressão linear

– Covariância entre x and y

– Desvio padrão de x

– Desvio padrão de y

O coeficiente r assume valores entre -1 e +1. O valor -1 indica uma perfeita indireta

proporcionalidade, ou seja, se o valor de x apresenta um aumento de Δ, o valor de y

apresentará um decréscimo de Δ. O valor +1 para r significa uma perfeita direta

proporcionalidade, isto é, se x aumenta de Δ, y também apresentará um aumento de Δ. O

coeficiente r com módulo 1 significa que todos os pontos estão sobre a curva.

Figura 31 – Perfeitas proporcionalidades direta e indireta

Uma vez que r seja calculado, uma visão crítica desse valor deve ser feita. Para tal, o

coeficiente de determinação (R²) será observado.

Esse valor indica o quanto da associação entre as variáveis pode ser explicada pela

Regressão Linear. O coeficiente de determinação é facilmente obtido através da

aplicação do quadrado do coeficiente de regressão linear.

– Coeficiente de determinação

– Coeficiente de regressão linear

42

Seguem agora os diagramas mostrando a aplicação da Regressão Linear entre

parâmetros como recirculação de gases de exaustão, ponto de 50% de queima, ponto de

50% de calor liberado e perda de calor.

43

5.2 Gráficos de Regressão Linear para o primeiro conjunto

Figura 32 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão (RGE) e ponto de 50% de

queima de combustível (X_50) para o primeiro conjunto de dados

Figura 33 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão e ponto de 50% de queima

de combustível para o primeiro conjunto de dados

44

Figura 34 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão (RGE) e Perdas de Calor

(Qw) para o primeiro conjunto de dados

Figura 35 - Correlação entre Ponto de 50% de queima de combustível e Ponto de 50% de

calor queimado para o primeiro conjunto de dados

45

Figura 36 - Correlação entre Ponto de 50% de queima de combustível e Perdas de Calor

(Qw) para o primeiro conjunto de dados

Figura 37 - Correlação entre Ponto de 50% de calor queimado e Perdas de Calor (Qw) para o

primeiro conjunto de dados

46

Dos gráficos acima faremos algumas observações.

Nas figuras 32, 33, 35, 36 e 37 não são verificadas correlações entre os pares de

parâmetros analisados. Observamos para os gráficos acima citados que os pontos estão

muito dispersos em relação à reta traçada pelo método de Regressão Linear; a qual

apresenta, assim valores baixos de R2 (respectivamente 0,0003; 0,071; 0,5991; 0,0032;

0,0713). Assim sendo, não os consideraremos como possíveis pontos para a

implementação de melhorias no funcionamento do modo HCCI.

Na figura 34, entre os parâmetros Recirculação de Gases de Exaustão e Perdas de Calor

é que verificamos uma forte correlação (R² = 0,96) Esse é o mais significativo resultado

de nosso trabalho: quanto maior a recirculação de gases de exaustão, menores as

perdas de calor. Então, encontramos o parâmetro que deve ser enfocado para melhores

resultados da operação HCCI.

47

5.3 Gráfico de Regressão Linear para o segundo conjunto

Figura 38 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão (RGE) e ponto de 50% de

queima de combustível (X_50) para o segundo conjunto de dados

Figura 39 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão e ponto de 50% de queima

de combustível para o segundo conjunto de dados

48

Figura 40 - Correlação entre Recirculação de Gases de Exaustão (RGE) e Perdas de Calor

(Qw) para o segundo conjunto de dados

Figura 41 - Correlação entre Ponto de 50% de queima de combustível e Ponto de 50% de

calor queimado para o segundo conjunto de dados

49

Figura 42 - Correlação entre Ponto de 50% de queima de combustível e Perdas de Calor


Figura 43 - Correlação entre o Ponto de 50% de queima de combustível e Perdas de Calor


50

Para os gráficos do segundo conjunto de dados, temos as mesmas conclusões

constatadas no primeiro conjunto, descritas a seguir.

Das figuras 38, 39, 41, 42 e 43 não observamos nenhuma correlação significativa. Os

pontos apresentam-se dispersos e distantes da linha traçada pelo método de Regressão

Linear. Assim sendo, não consideraremos tais pares de parâmetros como relevantes para

implementação de melhorias no modo de operação HCCI.

Assim como na análise do primeiro pacote de dados, uma forte correlação é verificada na

figura 40, entre a Recirculação de Gases de Exaustão (RGE) e Perdas de Calor (Qw).

Daqui por diante neste trabalho serão detalhados as implicações de tal correlação para a

implementação de melhorias no modo HCCI.

5.4 Resultados e Comentários

Da observação dos gráficos de Regressão Linear (seções 5.2 e 5.3), podemos perceber

uma correlação entre a recirculação de gases de exaustão (RGE) e perdas de calor (Qw).

Entre tais parâmetros, há um forte Coeficiente de Determinação (R² = 0,9664 para os

ciclos do primeiro conjunto de dados R² = 0,9334 para os do segundo conjunto).

Observamos o comportamento de que para mais recirculação de gases de exaustão,

menos perdas de calor.

O mais marcante resultado da nossa análise de dados foi essa correlação entre

recirculação de gases de exaustão e perdas de calor. Tal resultado é bem razoável ao

considerarmos a principal consequência da RGE, que é a redução da temperatura de

combustão, com a consequente diminuição das emissões de NOx.

A recirculação de gases de exaustão atua introduzindo na câmara de combustão gases

que já foram queimados, muitos deles são inertes, ou seja, não atuarão mais no processo

de combustão. Assim sendo, dentro da câmara de combustão, ao serem admitidos tais

gases, há uma diminuição de oxigênio. Sendo o oxigênio proporcional à intensidade da

combustão, teremos uma combustão alcançando menores temperaturas.. A combustão

ocorre simultaneamente em diversos pontos da câmara, sem a formação de um frente de

chama. Essa redução de temperatura implica menor formação de NOx. Os efeitos da

Recirculação de Gases de Exaustão também estão bem descritos no item 3.5.3

51

Figura 44 - Exemplo esquemático de Recirculação de Gases de Exaustão [33]

A RGE é efetuada através de uma ligação entre o escapamento da câmara de

combustão e a admissão da mesma, utilizando nessa ligação uma válvula. Há dois tipos

de válvulas: as de controle pneumático e as de controle eletrônico. As válvulas de

controle pneumático são colocadas de tal forma que, uma vez aberta, parte dos gases de

exaustão fluem para a admissão. As válvulas abrem pela ação do vácuo do coletor de

admissão, por um lado, e pela ação da pressão dos gases de escape, pelo outro,

permitindo que os gases de escapamento fluam para o interior do coletor de admissão.

Nas válvulas de controle eletrônico, as funções desta válvula são controladas pelo

Módulo de Controle Eletrônico , que se utiliza de atuadores para determinar o momento e

o tempo em que ela deve operar, sendo sua real atuação monitorada por um

potenciômetro presente na própria válvula.

Os gases de exaustão são formados por uma mistura já queimada, não são mais

combustíveis; são compostos em grande parte de gases inertes.Eles terão o papel de

ocupar espaço anteriormente destinado à mistura ar-combustível. Uma vez admitidos

gases de exaustão e considerando-se que a câmara de combustão apresenta volume

constante, menos mistura ar-combustível será admitida dentro da câmara de combustão.

Proporcionalmente, haverá menos oxigênio disponível para efetuar a combustão da

mistura ar-combustível. Em outras palavras, haverá menos ar para queimar o

combustível. A combustão ocorrerá em vários pontos da câmara de combustão

simultaneamente, sem a formação de uma frente de chama. Menores temperaturas serão

atingidas e mais brando será o pico de pressão alcançado dentro do cilindro.

52

Figura 45 - Exemplos de sistemas de Recirculação de Gases de Exaustão[43]

53

6. Conclusão

Este trabalho abordou o tema geral motores a combustão interna. Primeiramente houve

uma explanação sobre os dois tipos de motores a combustão interna: o de ignição por

centelha e o de ignição por compressão. Em seguida foram realizadas análises

equacionais do rendimento de ambos os motores.

Próximo passo foi a abordagem de um grave problema inerente aos motores de

combustão interna: as emissões de poluentes. Neste ponto, o trabalho apresenta uma

das tecnologias para solucionar tal problema: o Homogeneous Charge Compression

Ignition (HCCI). Foram abordadas as peculiaridades da aplicação do modo de operação

HCCI tanto em motores a gasolina como em motores a diesel.

Porém o modo de operação HCCI apresenta ainda necessidades de ajustes a fim de ser

implementada industrialmente. Para se estabelecer uma diretriz de como se implementar

melhorias no funcionamento do HCCI, uma grande quantidade de dados experimentais

foi manipulada e analisada. A ideia era avaliar a correlação entre parâmetros de

combustão.

Em tal análise de parâmetros de combustão foi constatada a correlação entre o uso de

Recirculação de Gases de Exaustão e Perdas de Calor.

Tais parâmetros são inversamente proporcionais. Quanto mais aplicada a recirculação de

gases de exaustão, menores as perdas de calor.

A importância de, ao se implementar a recirculação de gases de exaustão e a

consequente diminuição das perdas de calor é verificada no aumento do rendimento

térmico do motor.

A entrada dos gases de exaustão no cilindro promove um aquecimento da mistura ar-

combustível a ser admitida no cilindro, aumentando pois a parte do calor cedido pela

fonte quente advindo dos gases de admissão. Porém, com a redução de oxigênio

disponível para a combustão, é diminuído o calor advindo da queima da mistura ar-

combustível. Vale aqui a sugestão para posteriores análises mais precisas para verificar

se o calor cedido pela fonte quente acarretará um aumento no rendimento térmico do

motor.

54

Concomitantemente, a redução das perdas de calor reduz o calor recebido pela fonte

fria, o que é um impacto positivo no rendimento térmico do motor.

Portanto, o atual trabalho confirmou e explicou a importância da recirculação de gases de

exaustão no modo de operação Homogeneous Charge Compression Ignition.

Salientamos a importância de mais estudos sobre o HCCI a fim de verificar qualitativa e

quantitativamente os pontos ótimos de utilização de Recirculação de Gases de Exaustão.

55

7. Referências Bibliográficas

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[29] http://pt.slideshare.net/RenaultTrucks/renault-trucks-presentation-2014-32589772

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[30] http://rfml.kaust.edu.sa/Pages/Research-2.aspx

[31] http://www.taringa.net/posts/autos-motos/12836109/Motor-dos-tiempos-info.html

[32] http://www.learneasy.info/MDME/MEMmods/MEM23006A/thermo/heat_engines

[33] http://www.howstuffworks.com/

[34] http://blogdecarrosemotos.com.br/wp-content/uploads/2013/10/05.jpg

[35] http://www.mundomotor.net/motor%20gasolina.html

[36] http://mecanicomaniacos.blogspot.com.br/p/mecanica-basica.html

[37] http://speedtalk.com/forum/viewtopic.php?f=1&t=36031&start=60

[38] http://www.alguimaraes.com.br/ciclo-diesel-e-otto.html#.VRIYoPnF9cM

[39] http://www.alguimaraes.com.br/ciclo-diesel-e-otto.html#.VRIYoPnF9cM

[40] http://en.wikipedia.org/wiki/Flathead_engine

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[42] https://www.dieselnet.com/tech/engine_egr.php

[43] http://www.ni.com/white-paper/13516/en/

[44] https://en.wikipedia.org/wiki/European_emission_standard

[45] http://pt.scribd.com/doc/13183026/Estequiometria-Preparacao-Da-Mistura-Ar-

Combustivel#scribd

[46] http://www.oficinabrasil.com.br/escapamento/205-recirculacao-de-gases-de-

escapamento-parte-1

[47] http://www.hmautotron.eng.br/artigos/EGR-Valvulas-pro.pdf

59

[48] http://site.noticiaproibida.org/o-efeito-estufa.html

8. Anexos

Tabela 2 - Taxa de massa de ar para o primeiro pacote

CYCLES m_luft (kg/h)

26 12,9

27 12,4

28 12,4

29 12,4

30 12,9

31 12,4

32

33

34 12,4

35

36 12,9

37

38 12,4

39 12,4

40 12,4

41 12,4

42 12,4

43 12,4

44 12,4

45 12,4

46 12,9

47 12,9

48 12,9

49 12,9

50 12,9

CYCLES m_luft (kg/h)

1 12,9

2 12,9

3

4 12,4

5 12,9

6 12,4

7 12,4

8

9 12,4

10 12,4

11

12 12,4

13 12,4

14 12,4

15 12,4

16

17 12,4

18 12,4

19 12,4

20 12,4

21 12,9

22 12,4

23 12,4

24 12,9

25 12,4

Tabela 3 - Parâmetros do primeiro pacote

cycles RGE (kg) X_50 (KW) Q_50 (KW) Qw (J)

1 4,86E-04 4,6 4,1 53,67902507

2 4,69E-04 2,6 2,1 58,30002771

3 4,14E-04 3,1 2,6 69,038057

4 4,12E-04 4,1 3,1 69,51402829

5 4,17E-04 3,6 3,1 68,36931937

6 4,30E-04 4,1 3,1 66,20865227

7 4,01E-04 4,1 3,1 71,68733024

8 4,35E-04 4,6 4,1 62,99140624

9 4,78E-04 4,6 4,1 57,09314324

10 3,99E-04 3,1 2,6 71,69438163

11 4,37E-04 4,1 3,6 63,4306307

12 4,38E-04 4,6 4,1 63,72227748

13 3,73E-04 3,6 3,1 77,59114925

14 4,30E-04 4,6 4,1 66,22397465

15 4,13E-04 4,1 3,6 69,51248617

16 3,69E-04 4,1 3,1 78,13303103

17 4,21E-04 5,6 4,6 67,5447449

18 4,31E-04 4,6 4,1 65,8162297

19 3,98E-04 4,1 3,6 71,43231911

20 4,20E-04 5,1 4,6 67,67910978

21 3,70E-04 4,6 4,1 79,26389456

22 4,01E-04 3,6 3,1 71,95042097

23 3,51E-04 3,6 2,6 83,72013553

24 3,18E-04 3,6 3,1 93,99743918

25 2,72E-04 4,6 3,6 109,0343148

26 3,05E-04 3,6 2,6 98,79554631

27 3,29E-04 3,6 2,6 91,0472933

28 3,48E-04 3,1 2,1 84,83154305

29 3,80E-04 4,6 3,6 75,81231452

30 4,04E-04 4,6 4,1 70,74227845

31 3,98E-04 4,1 3,1 72,15855673

32 3,93E-04 4,1 3,1 73,21296513

33 3,77E-04 3,6 2,6 77,16167191

34 4,03E-04 4,6 3,6 71,31652358

35 3,91E-04 2,6 2,1 74,92755399

36 4,14E-04 4,1 3,6 69,28883755

37 4,00E-04 3,6 2,6 71,45522883

38 4,11E-04 4,1 3,6 69,77402473

39 4,18E-04 3,6 3,1 68,53229809

40 4,07E-04 3,6 2,6 70,80714665

62

cycles mAGR_inter (kg) X_50 (KW) Q_50 (KW) Qw (J)

41 4,07E-04 3,1 2,1 70,38008976

42 4,12E-04 5,1 4,6 69,71219385

43 3,90E-04 5,6 5,1 73,43174163

44 4,03E-04 4,6 4,1 70,51460915

45 4,04E-04 4,1 3,1 70,7516297

46 4,09E-04 4,1 3,1 70,54052541

47 3,69E-04 4,1 3,6 80,98460013

48 3,68E-04 3,6 2,6 79,68786519

49 3,87E-04 3,6 2,6 74,7951611

50 4,02E-04 5,1 4,1 70,26682836

51

52

53

54

55

56

57

58 2,91E-04 5,1 3,6 98,49861517

59 2,74E-04 4,6 2,6 104,503646

60 3,37E-04 3,6 2,6 87,16410858

61 3,38E-04 4,1 2,6 80,28014184

62 3,24E-04 5,6 3,6 87,39037795

63 3,11E-04 5,6 4,1 90,31388277

64 3,08E-04 3,6 2,1 93,28792733

65 3,04E-04 3,6 2,1 92,12350692

66 3,16E-04 4,1 2,6 90,44538393

67 3,76E-04 5,1 3,6 73,56176063

68 3,95E-04 4,1 3,1 70,76344818

69 3,95E-04 4,1 2,6 69,87194644

70 3,08E-04 4,6 3,1 92,6438882

71 3,39E-04 4,1 2,1 81,5562799

72 3,55E-04 6,6 5,1 79,58095593

73 3,44E-04 4,1 2,1 81,72144189

74 3,51E-04 5,1 3,6 79,24737906

75 3,57E-04 4,1 3,1 78,63517581

76 3,14E-04 4,1 2,1 90,83319285

77 3,54E-04 4,6 3,1 79,22244761

78 3,45E-04 4,1 2,6 81,7037542

79 3,46E-04 4,1 2,1 80,92155463

80 3,62E-04 4,6 2,6 78,60819114

81 3,50E-04 3,1 1,6 80,4613718

82 3,18E-04 5,1 3,6 89,15908497

83 3,11E-04 4,6 2,6 91,01554313

84 2,94E-04 4,6 3,1 98,84562544

63


85 3,44E-04 5,1 3,6 83,35863011

86 3,46E-04 4,6 2,6 82,21619695

87 3,56E-04 4,6 3,1 80,27446935

88 3,57E-04 4,1 2,6 80,62492078

89 3,14E-04 5,1 3,6 93,65771299

90 2,96E-04 3,6 2,1 97,80153067

91 2,83E-04 5,6 3,6 100,9174706

92 2,92E-04 4,1 1,6 99,6096632

93 3,27E-04 5,1 3,1 89,48455322

94 3,22E-04 4,6 2,1 88,5896207

95 3,44E-04 6,1 4,6 84,87527665

96 3,38E-04 5,1 2,6 84,478346

97 3,49E-04 5,1 3,6 83,05318034

98 3,43E-04 4,6 2,6 81,80660575

99 4,03E-04 4,6 3,1 67,52316137

100 3,00E-04 3,6 1,6 95,29203469

101 3,16E-04 4,6 3,1 90,10372648

102 3,09E-04 4,6 2,6 91,69732397

103

104 3,12E-04 4,1 2,6 90,93123665

105 3,03E-04 4,6 3,1 93,01681602

106 3,09E-04 4,1 2,6 92,14793498

107 3,04E-04 3,6 2,1 93,3629085

108 3,44E-04 5,1 3,6 81,23145506

109 3,48E-04 4,6 3,1 81,32692045

110 3,44E-04 4,1 2,6 81,56882046

111 3,54E-04 3,6 2,6 79,9281217

112

113 3,55E-04 5,6 4,1 79,0119153

114 3,49E-04 4,6 2,6 79,1582535

115 3,68E-04 5,6 4,1 76,21092173

116 3,52E-04 4,6 3,1 79,88629284

117 3,51E-04 4,1 2,6 80,18328232

118 3,54E-04 5,1 4,1 79,93607056

119 3,04E-04 3,6 2,6 92,6219347

120 3,54E-04 5,6 4,1 77,86442623

121 3,63E-04 5,6 4,1 76,68506799

122 3,59E-04 4,6 3,1 78,88784098

123 3,51E-04 3,1 2,1 79,88170799

124 3,58E-04 5,1 3,1 78,13899472

125 3,64E-04 4,6 3,1 76,39114799

126 3,69E-04 5,1 3,1 76,33623007

127 3,60E-04 4,6 2,6 77,37304761

128 3,28E-04 5,1 2,6 86,44393889

64


129 3,26E-04 5,1 2,6 85,98186957

130 3,81E-04 5,6 3,6 73,77261003

131 3,68E-04 4,1 2,6 76,86748807

132 3,67E-04 4,6 3,1 76,82137711

133 3,15E-04 3,6 2,1 90,03069564

134 3,19E-04 5,1 3,6 89,66733558

135 3,07E-04 5,1 3,1 92,60748676

136 3,11E-04 4,1 2,6 90,95260947

137 3,12E-04 4,6 3,1 90,21059817

138 3,14E-04 4,6 2,6 90,32420505

139 3,56E-04 4,6 3,6 78,39913665

140 3,18E-04 4,1 2,6 89,65341131

141 3,08E-04 4,6 3,1 90,99276265

142 3,57E-04 5,1 3,6 78,38324606

143 3,54E-04 5,1 3,6 79,21998538

144 3,54E-04 3,1 1,6 79,53429508

145 3,58E-04 6,1 4,6 77,36243485

146 3,54E-04 4,1 2,6 79,32849349

147 3,15E-04 5,1 3,1 90,20346202

148 3,07E-04 3,6 2,1 92,15664802

149 3,12E-04 3,1 1,6 90,60908581

150 3,17E-04 5,6 4,1 88,74361448

151 3,59E-04 4,1 2,6 78,58729919

152 3,55E-04 4,1 3,1 78,80338639

153 3,58E-04 4,1 2,6 78,0455216

154 3,22E-04 5,1 3,6 87,33722275

155

156 3,71E-04 5,1 3,1 76,52740304

157 3,61E-04 3,6 2,1 77,6636296

158 3,28E-04 5,6 3,6 87,25015843

159 3,12E-04 4,6 3,1 90,62103317

160 3,56E-04 5,1 3,6 79,01009689

161 2,65E-04 4,1 2,6 100,7690099

162 3,10E-04 5,1 3,6 90,85533729

163 3,49E-04 5,1 3,6 79,14461361

164 3,67E-04 5,1 3,6 76,92014553

165 3,10E-04 9,1 4,1 84,96380649

166 2,82E-04 4,6 3,1 99,39446599

167 3,73E-04 5,1 3,6 75,12132259

168 3,60E-04 5,6 2,6 78,35407141

169 3,56E-04 5,6 4,6 77,86179721

170 3,61E-04 3,6 2,1 77,81604138

171 3,55E-04 4,1 3,1 78,82269189

172 3,61E-04 5,1 3,6 78,08629373

65


173 3,58E-04 4,6 2,1 78,58699422

174 3,54E-04 4,1 3,1 78,90077207

175 3,58E-04 4,6 3,1 78,09098768

176 3,57E-04 4,1 2,1 78,77436526

177 3,65E-04 5,6 3,6 77,64345478

178 3,51E-04 4,1 1,6 80,90884374

179 3,57E-04 4,6 2,6 78,82278466

180 3,53E-04 4,1 3,1 79,48352285

181 3,59E-04 3,6 2,1 78,9022287

182 4,06E-04 4,1 2,6 67,38992964

183 3,65E-04 6,1 4,1 75,71518518

184 3,69E-04 4,6 3,1 76,07518153

185 3,68E-04 4,1 2,1 76,3696479

186 3,72E-04 4,6 3,1 75,00502141

187

188 3,69E-04 4,6 3,1 76,49130894

189 3,61E-04 4,6 3,1 77,97471067

190 3,55E-04 4,1 2,6 79,03375116

191 3,60E-04 4,6 3,1 77,33340349

192 3,61E-04 4,6 2,6 77,03458339

193 3,65E-04 6,6 4,6 75,77615649

194 3,63E-04 5,1 3,1 76,8646678

195 3,69E-04 3,6 2,1 75,65862471

196 3,72E-04 3,6 2,1 75,01928587

197 3,75E-04 6,1 4,6 74,41646047

198 3,64E-04 4,1 2,1 77,25255638

199 5,19E-04 4,6 3,1 48,2103682

200 5,11E-04 4,6 3,6 48,50562452

201 5,21E-04 5,1 4,1 47,35779148

202 5,21E-04 4,6 3,6 47,61015308

203 5,20E-04 4,1 2,6 48,63504668

204 5,03E-04 3,6 2,6 50,32623834

205 5,15E-04 5,6 4,1 48,07647502

206 5,15E-04 5,6 4,6 48,4035921

207 5,12E-04 4,1 2,6 49,11032544

208 4,69E-04 4,6 3,6 56,70974837

209 4,56E-04 6,1 4,6 58,17795695

210 4,56E-04 6,1 4,6 58,17795695

211 4,52E-04 4,1 3,1 59,45820434

212 4,03E-04 4,1 2,6 69,76762776

213 4,57E-04 4,1 2,6 58,87957521

214 4,62E-04 4,6 3,1 58,09323534

215 4,56E-04 4,1 3,1 59,04271074

216 4,56E-04 5,1 2,6 58,40981263

66


217 4,10E-04 5,1 3,1 68,06607716

218 4,01E-04 4,1 2,6 70,18044

219 4,00E-04 3,6 2,1 69,64439829

220 4,10E-04 4,6 3,6 67,47329822

221 4,65E-04 6,1 4,1 55,56491298

222 4,26E-04 5,6 4,1 65,81048635

223 4,55E-04 3,6 2,1 59,97203682

224 4,42E-04 4,6 3,1 60,95359743

225 4,00E-04 4,6 3,1 70,52214253

226 3,95E-04 4,6 3,1 72,07468271

227 3,82E-04 4,1 2,6 74,30991475

228 3,00E-04 3,6 2,1 96,82190741

229 3,38E-04 3,6 2,1 84,25190192

230 3,95E-04 5,1 3,6 71,0023781

231 3,97E-04 5,1 4,1 70,16571604

232 3,57E-04 4,1 2,1 80,0478382

233 3,55E-04 3,6 2,1 80,745209

234 4,04E-04 3,6 2,6 69,30992327

235 4,08E-04 4,6 3,6 68,41743877

236 4,05E-04 5,1 3,6 68,57082351

237

238 4,05E-04 4,1 3,1 67,30232528

239 4,04E-04 4,6 2,6 69,99890919

240 4,03E-04 3,6 2,6 68,2851641

241 4,09E-04 4,1 2,1 67,66691916

242 4,09E-04 4,1 2,6 67,63809636

243 4,03E-04 5,1 2,6 68,20008

244 4,06E-04 4,1 2,6 68,31827102

245 3,95E-04 4,1 2,6 69,93438724

246 4,01E-04 4,6 3,1 68,52449823

247 3,99E-04 5,6 4,6 68,55615201

248 3,93E-04 4,1 2,6 70,18648532

249 3,96E-04 4,1 3,1 68,67149808

250 4,14E-04 4,6 3,1 65,86889429

251 4,07E-04 4,6 3,6 67,85089956

252 3,45E-04 4,1 3,1 81,73999119

253 3,91E-04 4,6 3,6 70,13891199

254 3,96E-04 4,1 3,1 69,25230013

255

256 4,05E-04 6,1 4,6 67,90512679

257 3,92E-04 3,1 1,1 70,79491307

258 4,01E-04 4,1 2,6 68,8811722

259 4,01E-04 5,1 3,6 68,33745115

260 4,06E-04 5,1 4,1 67,94882623

67


261 3,95E-04 4,1 3,1 70,1848829

262 3,94E-04 4,1 2,6 70,04970014

263 3,48E-04 5,1 3,6 80,28621002

264 3,47E-04 4,6 3,1 80,95913692

265 3,46E-04 4,6 3,6 81,04065516

266 3,97E-04 4,1 2,6 69,28518039

267 4,00E-04 4,6 3,1 68,83785555

268 3,97E-04 5,1 4,1 69,37446349

269 3,95E-04 5,6 4,1 69,86667682

270 3,94E-04 4,1 3,1 70,15694207

271 3,93E-04 5,6 4,1 68,55737929

272 4,04E-04 5,6 4,1 67,86215079

273 3,96E-04 4,6 3,1 70,11184909

274 3,89E-04 4,1 2,6 70,26624058

275 4,03E-04 3,6 2,1 68,12839758

276 4,03E-04 4,1 3,1 67,82995894

277 4,04E-04 4,6 3,1 68,78711305

278 3,97E-04 3,1 2,1 69,80561162

279 3,49E-04 3,1 2,1 80,87729638

280 3,51E-04 4,6 3,1 80,11598729

281 3,50E-04 4,6 3,1 80,78333627

282 3,43E-04 5,1 3,6 81,85295531

283 3,43E-04 4,1 2,6 81,61322743

284 3,47E-04 3,1 2,1 80,68184368

285 3,54E-04 3,6 2,1 80,43658433

286 3,42E-04 3,1 1,6 82,77601759

287 3,44E-04 4,1 2,6 82,0629371

288 3,40E-04 4,6 3,1 82,69497923

289 3,40E-04 3,6 2,1 83,19370265

290 3,45E-04 4,6 2,6 81,60564727

291 4,44E-04 5,1 3,1 60,74802354

292 3,39E-04 5,6 3,6 82,51227121

293 3,41E-04 3,6 2,6 83,51461623

294

295 3,47E-04 5,6 4,1 81,05995993

296 3,40E-04 4,6 3,1 82,02584041

297 3,52E-04 4,1 2,6 80,31199219

298 3,47E-04 4,1 2,1 81,24666974

299 3,51E-04 3,1 1,6 79,80382788

300 3,55E-04 4,1 2,6 78,90509442

average 3,72E-04

76,61252301

68

Tabela 4 - Taxa de massa de ar para o segundo pacote

cycles m_Luft [kg/h]

1 9,3

2 9,3

3 9,29

4 9,29

5 9,25

6 9,25

7 9,25

8 9,3

9 9,25

10 9,4

11 9,25

12 9,25

13 9,25

14 9,25

15 9,25

16 9,45

17 9,3

18 9,35

19 9,25

20 9,25

21 9,25

22 9,25

23 9,35

24 9,25

25 9,25

26 9,25

27 9,35

28 9,25

29 9,25

30 9,25

31 9,25

32 9,25

33 9,25

34 9,25

35 9,25

36 9,25

37 9,35

38 9,65

39 9,35


40 9,55

41 9,25

42 9,45

43 9,35

44 9,35

45 9,35

46 9,45

47 9,55

48 9,45

49 9,45

50 9,45

51 9,25

52 9,25

53 9,25

54 9,45

55 9,35

56 9,55

57 9,4

58 9,25

59 9,25

60 9,4

61 9,4

62 9,4

63 9,45

64 9,55

65 9,45

66 9,45

67 9,45

68 9,55

69 9,4

70 9,4

71 9,4

72 9,55

73 9,55

74 9,75

75 9,55

76 9,55

77 9,55

78 9,55

69


79 9,77

80 9,8

81 9,6

82 9,55

83 9,55

84 9,6

85 9,6

86 9,25

87 9,6

88 9,6

89 9,6

90 9,6

91 9,7

92 9,7

93 9,7

94 9,7

95 9,7

96 9,7

97 9,7

98 9,7

99 9,7

100 9,7

101 9,7

102 9,7

103 9,7

104 9,7

105 9,7

106 9,9

107 9,7

108 9,95

109 9,3

110 9,8

111 9,65

112 9,7

113 9,45

114 9,7

115 9,75

116 9,65

117

118 9,8

119 9,75

120 9,7

121 9,55

122 9,75


123 9,4

124 9,75

125 9,45

126 9,65

127 9,25

128 9,5

129 9,45

130 9,7

131 9,25

132 9,75

133 9,35

134 9,55

135 9,35

136 9,45

137 9,45

138 9,55

139 9,75

140 9,75

141 9,3

142 9,45

143 9,35

144 9,55

145 9,5

146 9,5

147 9,25

148 9,75

149 9,65

150 9,75

151 9,3

152 9,7

153 9,5

154 9,7

155 9,55

156 9,75

157 9,75

158 9,25

159 9,45

160 9,65

161 9,35

162 9,6

163 9,45

164 9,45

165 9,5

166 9,65

70


167 9,45

168 9,45

169 9,55

170 9,55

171 9,45

172 9,5

173 9,45

174 9,7

175 9,45

176 9,5

177 9,45

178 9,45

179 9,45

180 9,65

181 9,45

182 9,7

183 9,55

184 9,6

185 9,35

186 9,65

187 9,45

188 9,45

189 9,45

190 9,4

191 9,45

192 9,45

193 9,45

194 9,75

195 9,7

196 9,55

197 9,6

198 9,6

199 9,6

200 9,6

201 9,4

202 9,45

203 9,4

204 9,65

205 9,35

206 9,35

207 9,35

208 9,35

209 9,25

210 9,75


211 9,35

212 9,35

213 9,35

214 9,75

215 9,35

216 9,55

217 9,35

218 9,55

219 9,25

220 9,35

221 9,55

222 9,75

223 9,35

224 9,75

225 9,75

226 9,75

227 9,35

228 9,75

229 9,75

230 9,95

231 9,75

232 9,75

233 9,55

234 9,75

235 9,25

236 9,55

237 9,35

238 9,75

239 9,35

240 9,35

241 9,35

242 9,35

243 9,35

244 9,35

245 9,25

246 9,35

247 9,25

248 9,35

249 9,35

250 9,35

251 9,35

252 9,35

253 9,35

254 9,35

71


255 9,25

256 9,25

257 9,25

258 9,25

259 9,25

260 9,25

261 9,25

262 9,25

263 9,25

264 9,25

265 9,25

266 9,25

267 9,25

268 9,25

269 9,25

270 9,25

271 9,25

272 9,25

273 9,25

274 9,25

275 9,25

276 9,25

277 9,25


278 9,25

279 9,25

280 9,25

281 9,25

282 9,25

283 9,35

284 9,25

285 9,25

286 9,25

287 9,25

288 9,25

289 9,25

290 9,25

291 9,25

292 9,25

293 9,25

294 9,25

295 9,25

296 9,25

297 9,25

298 9,25

299 9,25

300 9,25

72

Tabela 5 - Parâmetros do segundo pacote

cycles mAGR_intern (kg) X_50 (KW) Q_50 (KW) Qw(J)

1 2,49E-04 3,5 -1,5 102,3922913

2 2,68E-04 1,5 -1 98,01166874

3 2,79E-04 4,5 -3

4 2,94E-04 3,5 1,5

5 2,64E-04 2,5 -2,5

6 2,87E-04 5,5 1,5

7 2,62E-04 5 -2

8 2,73E-04 4 0,5

9 2,65E-04 -0,5 -2,5

10 2,87E-04 5 0 90,47153661

11 2,73E-04 1,5 -1,5

12 2,77E-04 4 -1

13 2,66E-04 2 -2

14 2,80E-04 1 -1

15 2,69E-04 5,5 -2

16 2,98E-04 2 0

17 2,66E-04 4 -2 96,69524316

18 2,86E-04 1 -0,5

19 2,62E-04 4 -2

20 2,63E-04 3,5 0

21 2,52E-04 0 -3

22 2,59E-04 1 -0,5

23 2,58E-04 2,5 -3

24 2,82E-04 4,5 -0,5

25 2,70E-04 3 -0,5

26

27 2,65E-04 1,5 -1

28 2,68E-04 4 -2

29 2,66E-04 4,5 -1

30 2,83E-04 4,5 -0,5

31 2,81E-04 4 0

32 2,62E-04 2 0

33 2,57E-04 3 0,5

34 2,56E-04 0,5 -1,5

35 2,73E-04 0 -0,5

36 2,69E-04 1 -2,5

37 2,85E-04 2,5 0

38 2,81E-04 1 -2

39 2,90E-04 3 1

40 2,52E-04 1 -3,5

73


41 2,87E-04 2 -0,5

42 2,75E-04 4 -1

43 2,81E-04 3,5 1

44 2,73E-04 4,5 -1

45 2,81E-04 1 0,5

46 2,77E-04 1 -2

47 2,93E-04 3 1

48 2,74E-04 1,5 -4

49 3,02E-04 4 2,5

50 2,64E-04 -1 -4,5

51 2,99E-04 6 1

52 2,68E-04 -2 -4,5

53

54 2,75E-04 1 -3,5

55 2,94E-04 8,5 2

56 2,83E-04 0,5 -2,5

57 2,89E-04 2 -0,5

58 2,69E-04 0 -3

59 3,02E-04 1,5 0

60 2,52E-04 2,5 -2,5

61

62

63 3,08E-04 10,5 0,5

64 3,02E-04 1 -0,5

65

66 2,88E-04 3 -3

67 2,93E-04 3 -1,5

68 2,89E-04 5 -0,5

69 2,96E-04 4 -0,5

70 2,82E-04 1,5 0

71 2,73E-04 4,5 -1,5

72 2,90E-04 2 -1 90,67535862

73 2,82E-04 2,5 -2 91,21250748

74 2,82E-04 1,5 0 91,29318879

75 3,26E-04 0 -1,5 79,5515735

76 3,05E-04 7 0 86,08224938

77 2,94E-04 7 1 86,95134329

78 3,24E-04 2,5 1 79,43242421

79 3,09E-04 1,5 0 83,58339629

80 3,04E-04 1,5 -1 85,44998581

81 3,07E-04 0,5 -1,5 83,89838938

82 2,94E-04 1,5 -1,5 87,62743934

83 3,03E-04 4,5 -1 86,04542695

84 2,89E-04 1 -2 89,41030123

74


85 3,28E-04 8 0 79,2050624

86 2,96E-04 2,5 0 85,35390595

87 2,78E-04 2,5 0 93,41615261

88 3,20E-04 -0,5 -2 83,00281661

89 2,81E-04 0,5 -2 92,83084836

90 2,84E-04 0 -3 90,03942746

91 3,11E-04 0,5 -2,5 84,40856104

92 3,04E-04 4,5 -2,5 85,82249972

93 3,10E-04 -0,5 -1,5 86,17883039

94 3,07E-04 0 -3,5 83,85973265

95 3,26E-04 4,5 0 80,43518833

96 3,01E-04 1 -3,5 85,36652913

97 3,16E-04 4,5 0,5 84,37004242

98 2,82E-04 6 -5 88,39113608

99 3,23E-04 3,5 1 82,75863422

100 3,00E-04 0 -5,5 84,22545663

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análise das variações em ciclos operacionais em um motor otto em