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MODELAGEM TERMODINÂMICA DE UM MOTOR DO CICLO OTTO TIPO
FLEX-FUEL, FUNCIONANDO COM GASOLINA, ÁLCOOL E GÁS NATURAL
Tadeu Cavalcante Cordeiro de Melo
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA.
Aprovada por:
Prof. Carlos Rodrigues Pereira Belchior, D.Sc.
Prof. Albino José Kalab Leiroz, Ph.D.
Prof. Ramón Molina Valle, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
FEVEREIRO DE 2007
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MELO, TADEU CAVALCANTE CORDEIRO
DE
Modelagem Termodinâmica de um motor do ciclo Otto tipo Flex-Fuel funcionando com Gasolina, Álcool e Gás Natural [Rio de Janeiro] 2007 XV, 154 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Mecânica, 2007) Dissertação - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE
- Motores de Ignição por Centelha
- Modelagem
- Combustíveis Alternativos
- Motores Multicombustíveis I. COPPE/UFRJ II. Título ( série )
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AGRADECIMENTOS
Ao engenheiro Guilherme Bastos Machado pela ajuda durante todo o curso de mestrado, pelas palavras de incentivo, pelo grande conhecimento em motores nas trocas de idéias e pela grande amizade demonstrada durante todo esse período. Sem a sua ajuda chegar até onde eu cheguei seria bem mais difícil.
Ao gerente de Desempenho de Produtos em Motores (DPM) do CENPES, Décio Magioli Maia, que foi o grande incentivador para que eu realizasse e concluísse esse curso de mestrado. Foi fundamental a sua compreensão nos momentos de dificuldades de se conciliar a agenda acadêmica com os compromissos da empresa.
Aos gerentes gerais de Abastecimento do CENPES, Pietro Carlos Mônaco (2004-2005) e Alípio Ferreira Pinto Júnior (2005-2007) pelo incentivo e oportunidade proporcionada para realização de um curso de mestrado em tempo parcial.
Ao Engenheiro Renato Tristão Machado Júnior pelo grande conhecimento do programa MATHEMATICA, que foi fundamental para a implementação do código computacional, pelas trocas de idéias e pela amizade demonstrada.
Ao meu orientador Carlos Rodrigues Pereira Belchior pela escolha de tema moderno e importante para a dissertação, pela sua ajuda na infra-estrutura experimental do trabalho, pelas trocas de idéias na orientação e pela confiança depositada em mim.
Ao engenheiro Sérgio Jorge Furley dos Santos Junior, pelas informações e explicações sobre modelagem, ajuda na bibliografia e na escolha do programa MATHEMATICA.
Aos amigos da gerência de combustíveis do CENPES, Edmilson Jesus e Jorge Alchorne pela condução das análises químicas dos combustíveis e pelas trocas de idéias sobre calor específico a pressão constante da gasolina e do álcool.
Ao engenheiro José Guilherme Baêta da FIAT pelas informações sobre procedimentos experimentais em bancos de prova e sobre medição de pressão no cilindro do motor.
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Aos amigos da VW, José Antônio Chicone e Ademar Rudge pelas informações técnicas do motor usado e pelas trocas de informações durante a etapa experimental do trabalho.
Aos amigos do CENPES/PDAB/DPM, Carlos Vinicius Massa, Daniel Fonseca, Leonardo Carvalho, Noel Pereira, Vinicius Guarabyra, André Dantas, José Roberto Rocha, Antônio Soares, Renato Leite, Eudes Bezerra, Kleber Robaina, Sidicley Barbosa, Jorge Inácio, Renato Ferreira, Daniel Libório, Rogério Carvalho, Mauricio Correia, Carlos Albuquerque, Ronaldo de Aguiar e Romeu Carvalho, e aos estagiários Thiago Maia, Fernanda de Queiroz e Rodrigo Ribeiro pelas trocas de idéias e ajuda nos preparativos de infra-estrutura dos ensaios experimentais.
Aos amigos do LMT (Laboratório de Máquinas Térmicas da COPPE/UFRJ), Pedro Paulo Pereira, Renan Lucena e Luís Mário Brasil pela ajuda na montagem e preparo do motor, infra-estrutura e operação dos ensaios. E aos engenheiros Nauberto Rodrigues e Wilson Vila Maior pela ajuda na logística dos preparativos dos experimentos.
Aos alunos de doutorado e mestrado do LMT, Monique Soriano, Pedro Pacheco e Paulo Maurício pela colaboração nas disciplinas cursadas e durante a dissertação.
Aos professores do programa de engenharia mecânica da COPPE/URJ, Albino Leiroz, Hélcio Rangel, Manuel Ernani e Renato Cotta que contribuíram para a minha formação.
Ao grupo de informação técnica do CENPES, Sônia Tavares, Eneida Magalhães, Vandenir Marcelino e Maria Madalena, pela obtenção de diversos artigos, muitos dos quais raros, que enriqueceram as referências bibliográficas dessa dissertação.
Ao engenheiro Antoine Albrecht do Instituto Francês do Petróleo (IFP) e ao professor Toshio Shudo da Unversidade de Hokkaido, Saporo, Japão pelas informações sobre modelagem termodinâmica e esclarecimentos sobre o uso de constantes de ajuste para a equação de Woschni.
À engenheira Michele Messina da universidade de Catania, Itália e ao engenheiro Carlos Moura da engenharia básica do CENPES, pela ajuda na obtenção de dados para a elaboração da equação de calor específico à pressão constante para os combustíveis.
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Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
THERMODYNAMIC MODELING OF AN OTTO CYCLE FLEXIBLE FUEL TYPE
ENGINE, WORKING WITH GASOLINE, ETHANOL AND NATURAL GAS
Tadeu Cavalcante Cordeiro de Melo
February/
Advisor: Carlos Rodrigues Pereira Belchior
Department: Mechanical Engineering
This work describes the development of a computational thermodynamic model for the compression, combustion and expansion processes of gasoline, ethanol and natural gas (NG) for performance prediction of a Flexible Fuel type engine (gasoline and ethanol) working with a NG kit installed. The combustion process is modeled using a Wiebe function, which establishes the fuel mass fraction burned. Convective heat transfer to cylinder walls is estimated with different empirical correlations for heat transfer coefficient determination. Equations for the specific heat at constant pressure, as function of temperature were developed for each fuel. The model output generates the in-cylinder gas pressure and temperature profiles as functions of crank angle, allowing engine performance parameters evaluation for different working conditions. For model validation, the theoretical results were compared with engine bench experimental data of a Flexible fuel engine, 1.8 liter with NG kit, operating with gasoline blended with 22% of anhydrous ethanol, hydrated ethanol and natural gas on different conditions of speed and load.
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4.4 – RAZÃO DE CALORES ESPECÍFICOS DOS REAGENTES E PRODUTOS..
4.5 - DADOS DE ENTRADA.......................................................................................
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- INTRODUÇÃO....................................................................................................... ÍNDICE
- 1.1 - OBJETIVO DO TRABALHO..............................................................................
- 1.2 - DESENVOLVIMENTO DA DISSERTAÇÃO....................................................
- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E ESTADO DA ARTE.......................................
- 2.1 - ASPECTOS GERAIS...........................................................................................
- 2.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS MODELOS DE COMBUSTÃO EM MOTORES......
- 2.3 - MODELOS TERMODINÂMICOS......................................................................
- 2.3.1 - MODELOS TERMODINÂMICOS ZERODIMENSIONAIS.................
- 2.3.2 - MODELOS TERMODINÂMICOS QUASI-DIMENSIONAIS..............
- 2.4 - MODELOS MULTIDIMENSIONAIS.................................................................
- 2.5 – MODELAGEM DE MOTORES A GNV............................................................
- 2.5.1 - ASPECTOS GERAIS...............................................................................
- 2.5.2 - TRABALHOS DE MODELAGEM E EXPERIMENTAIS.....................
- 2.6 – MODELAGEM DE MOTORES FLEX E MULTICOMBUSTÍVEIS................
- 2.6.1 - ASPECTOS GERAIS...............................................................................
- 2.6.2 - MODELAGEM.........................................................................................
- 2.6.3 - TRABALHOS EXPERIMENTAIS..........................................................
- FUNDAMENTOS TEÓRICOS..............................................................................
- 3.1 - PROCESSO DE COMBUSTÃO...........................................................................
- 3.2 - FORMULAÇÃO TERMODINÂMICA................................................................
- 3.3 - EQUACIONAMENTO DA GEOMETRIA DO SISTEMA..................................
- 3.4 - COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR.........................................
- 3.5 - RAZÕES DE CALORES ESPECÍFICOS.............................................................
- MODELAGEM........................................................................................................
- 4.1 - ASPECTOS GERAIS............................................................................................
- 4.2 - COMBUSTIVEIS..................................................................................................
- 4.2.1 - ASPECTOS GERAIS...............................................................................
- 4.2.2 - GASOLINA..............................................................................................
- 4.2.3 - ÁLCOOL..................................................................................................
- 4.2.4 - GÁS NATURAL VEICULAR.................................................................
- 4.3 - COMBUSTÃO......................................................................................................
- 4.6 - PROCEDIMENTO DE CÁLCULO.....................................................................
- ESTRUTURA DO PROGRAMA DE SIMULAÇÃO..........................................
- 5.1 - DESCRIÇÃO GERAL DO PROGRAMA...........................................................
- 5.2 - DADOS DE ENTRADA.......................................................................................
- 5.3 - ESTRATÉGIAS PARA SIMULAÇÃO MULTI-COMBUSTÍVEL....................
- 5.4 - FLUXOGRAMA DO PROGRAMA....................................................................
- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL................................................................
- 6.1 - COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS........................................................................
- 9.3.2 - TRABALHO REALIZADO....................................................................
- 9.3.3 - CALOR PERDIDO PELA PAREDE.......................................................
- 9.3.4 - CALOR APARENTE...............................................................................
- 9.3.5 - CONSUMO ESPECÍFICO.......................................................................
- CONSIDERAÇÕES FINAIS................................................................................
- 10.2 - CONCLUSÕES...................................................................................................
- 10.3 - TRABALHOS FUTUROS..................................................................................
- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................
- APÊNDICE I - RESUMO DAS PROPRIEDADES DOS COMBUSTIVEIS........
- APÊNDICE II - PRINCIPAIS VARIÁVEIS MEDIDAS NO TRABALHO.........
- APÊNDICE III - RESULTADOS EXPERIMENTAIS...........................................
- APÊNDICE IV - TABELAS DE VALORES DE cp
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LISTA DE SÍMBOLOS
a coeficiente da equação de Wiebe (adimensional) a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , a 4 e a 5
constantes de ajuste da equação logarítmica de cp (adimensional)
A área da câmara de combustão em contato com o gás (m^2 ) AC relação ar-combustível (adimensional) ACe relação ar-combustível estequiométrica (adimensional) APMS antes do ponto morto superior (graus) CoV coeficiente de variação (razão do desvio padrão pela média)
(adimensional)
c (^) p , c v calores específicos a pressão e volume constantes^ (J/(mol.K)) D diâmetro interno do cilindro (m) DPMS depois do ponto morto superior (graus) fcor fator de correção para determinação do coeficiente de troca de calor
(adimensional)
fw fator de correção para determinação do coeficiente de troca de calor por Woschni
(adimensional)
h coeficiente de transferência de calor (W/(m^2 .K)) hent entalpia (J/mol) IMEP pressão média efetiva indicada (kPa ou MPa) IA incerteza tipo A IB incerteza tipo B IC incerteza combinada IE incerteza expandida k razão de calores específicos ou fator de abragência (adimensional) K condutividade térmica (W/m.K)
ki razão de calores específicos de cada monocomponente do combustível, dos reagentes ou dos produtos
(adimensional)
L comprimento da biela (m) m coeficiente da equação de Wiebe ou massa de gás (adimensional)
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P atm pressão atmosférica^ (kPa) PCI poder calorífico inferior (J/kg) Pf pressão no fim da combustão (90% MFB ) (MPa) Pign pressão no instante da ignição (kPa) Pi pressão no início da combustão (1% MFB ) (MPa) P (^) i potência indicada^ (kW) P 0 pressão^ no^ interior^ da^ câmara^ na^ compressão^ sem combustão
(MPa)
P 1 (^) , V 1 , T 1 pressão, volume e temperatura no fechamento da admissão^ (kPa, m^3 , K)
PMáxS pressão máxima no cilindro simulada (MPa) PMáx pressão máxima no cilindro medida experimentalmente (MPa) PMS ponto morto superior (graus) PMI ponto morto inferior^ (graus) Q a quantidade de energia aparente^ (J) Q c quantidade de energia equivalente à massa de combustível^ (J) Q (^) p quantidade de energia transferida pela parede do cilindro^ (J) Q tot quantidade de energia total liberada no sistema^ (J) r razão de compressão do motor^ (adimensional) R raio do virabrequim ou constante dos gases^ (m) ou (J/(mol.K)) R constante universal dos gases (J/(mol.K)) s (^) distância entre o pistão e o centro do eixo de manivelas (m) S curso do pistão ou desvio padrão (m) T amb temperatura ambiente^ (K) Tadm temperatura de admissão (K) Tf temperatura no fim da combustão (90% MFB ) (K) Tign temperatura no instante da ignição (K) Ti temperatura no início da combustão (1% MFB ) (K) T (^) p temperatura da parede^ (K) U energia interna do sistema (J) Var vazão de ar do motor (kg/h)
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V (^) d volume deslocado^ (m^3 )
Vc vazão de combustível do motor (kg/h) W trabalho realizado pelo pistão (J) x fração de massa de combustível queimada (adimensional)
1. INTRODUÇÃO
Os motores a combustão interna continuarão sendo nos próximos anos a principal forma de propulsão dos veículos, justificando as intensas atividades de pesquisa e desenvolvimento que estão sendo feitas, a nível mundial, no sentido de atender aos desafios de redução das emissões de poluentes e de adequação ao uso de combustíveis alternativos. A partir da década de 2000, houve um aumento de forma mais significativa das pesquisas para redução do consumo de combustível dos veículos, o que pode minimizar as emissões de dióxido de carbono e sua contribuição para o aumento do efeito estufa. Nesse cenário se torna importante e fundamental um melhor entendimento dos fenômenos da combustão dos motores e a conseqüente modelagem dos mesmos. Apesar dos estudos relacionados aos processos de combustão de motores terem início no final do século XIX, ainda hoje, eles são considerados de alta complexidade, devido à coexistência de diversos fenômenos físicos. Esses estudos envolvem a cinética de muitas reações químicas de diferentes compostos orgânicos, escoamentos reativos, multifásicos e turbulentos, características de propagação e da velocidade de chama, processos de transferência de calor, características de combustível e de construção da câmara de combustão, entre outros. Para contribuir nesses estudos, existe a necessidade de desenvolvimento contínuo de modelos e de equações que permitam a implementação de novos programas computacionais de simulação, principalmente nos assuntos relacionados a novas tecnologias de motores e também em modelos que abordem a variação da composição de combustível e sua influência no desempenho e nas emissões dos motores, incluindo o uso de combustíveis alternativos, que no processo de combustão podem apresentar características peculiares. Os modelos computacionais podem auxiliar no trabalho de otimização e de desenvolvimento de novos motores e de novos combustíveis, porque permitem uma redução do tempo e dos recursos investidos em ensaios experimentais, se tornando cada vez mais, uma importante ferramenta de trabalho para empresas, universidades e institutos de pesquisa em todo o mundo. O Brasil, país líder de tecnologia mundial no uso de energia renovável em veículos, lançou em 2003, a tecnologia FLEX para os veículos do ciclo Otto (BUCCI et al. , 2003, MARSON et al. , 2003), permitindo que os mesmos possam operar tanto com
gasolina E22 (gasolina com álcool anidro adicionado em 20 a 25%), quanto com álcool hidratado, em qualquer percentual de mistura desses combustíveis. Essa tecnologia teve grande penetração no mercado representando em 2006 aproximadamente 75% de vendas de novos veículos no país. Com relação ao desempenho desses veículos, muitas pesquisas estão sendo feitas no país no sentido de se conseguir melhores resultados de desempenho e de consumo (AMORIM et al. , 2005a, AMORIM et al. , 2005c, VICENTINI et al. , 2005, BAÊTA, 2006). A partir da década de 2000, o Brasil presenciou um aumento considerável dos veículos no país que utilizam gás natural veicular (GNV), colocando o país, em 2006, com mais de um milhão e duzentos mil veículos, como a segunda maior frota a GNV do mundo atrás apenas da Argentina (MELO et al. , 2006b). Nesse período, praticamente todas as aplicações de GNV eram através da utilização de kits de conversão para adaptação dos veículos ao uso do Gás Natural. Apenas no final de 2002, foi publicada a Resolução CONAMA nº 291 exigindo que os fabricantes de kits realizassem ensaios de emissões nos modelos de kits comercializados. Os valores de emissões de CO e NOx deveriam ser menores do que os obtidos com o veículo original de forma a que o fabricante de kit obtivesse um certificado ambiental do uso do Gás Natural (CAGN) (MELO et al. , 2005, MELO et al. , 2006b). Cabe ser ressaltado que as aplicações de GNV no país são, em sua maioria, para veículos leves, com algumas iniciativas sendo feitas no sentido de ampliar a participação do uso em veículos pesados, porém ainda sem penetração no mercado (MACHADO et al. , 2005). Uma outra tendência que se observa no mercado nacional é a de desenvolvimento de veículos multicombustíveis (gasolina, álcool e GNV) e estudos tem sido feitos ao longo dos últimos anos para desenvolvimento dessa tecnologia, (AMORIM et al. , 2005a, AMORIM et al. , 2005b, AMORIM et al. , 2005c, BAÊTA, 2006). Em agosto de 2006, foi iniciada a comercialização do primeiro modelo Multicombustível do país produzido por montadora, veículo Siena Tetra-Fuel da FIAT. Esses fatores motivaram o desenvolvimento de um projeto de pesquisa da REDE GÁS e ENERGIA da PETROBRAS, a ser realizado pelo CTGÁS (Centro de Tecnologias do Gás), em conjunto com a COPPE/UFRJ, para estudo de diferentes tecnologias de kits de conversão e comparações de desempenho e de emissões entre gasolina, álcool e GNV em dois veículos do tipo FLEX convertidos para GNV.
validação do modelo computacional desenvolvido. O levantamento experimental da curva de pressão do motor relacionado ao ângulo do eixo de manivela, foi feito através de uso de sensor de pressão piezoelétrico e de equipamento de aquisição de dados específicos para essa função. Devido às particularidades dos combustíveis usados no Brasil, será enfatizada a utilização de propriedades físico-químicas dos combustíveis mais próximas da realidade, incluindo o uso de resultados laboratoriais para a análise de especificação química de todos os combustíveis utilizados. Isso permite uma melhor precisão no cálculo de parâmetros tais como relação ar-combustível, poder calorífico inferior, combustível equivalente, calor específico a pressão constante, entre outros. Será investigada a influência da temperatura no calor específico a pressão constante com a elaboração de equações específicas para os combustíveis estudados e que não estão disponíveis na literatura.
1.2 – DESENVOLVIMENTO DA DISSERTAÇÃO
O Capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica e o estado da arte na área de modelagem de motores. É feita uma explicação sobre o funcionamento dos modelos termodinâmicos zerodimensionais, quasi-dimensionais e multidimensionais, incluindo alguns programas convencionais disponíveis nessa área. Também é mostrada uma abordagem sobre modelagem de motores do tipo FLEX e motores a GNV. O Capítulo 3 apresenta uma análise teórica da modelagem do processo de combustão e da formulação termodinâmica. São discutidos em detalhes os desafios para obtenção de equações que correlacionem o calor específico dos combustíveis como função da temperatura, com validade para elevadas temperaturas. São apresentadas diferentes equações para estimativa do coeficiente de transferência de calor pela parede do cilindro, incluindo Eichelberg, Brilling, Nusselt, Van Tyen e Woschni. No Capítulo 4 são abordados aspectos da modelagem dos combustíveis e são descritas as simplificações adotadas e o procedimento de cálculo do modelo. Também são listados os dados de entrada necessários para a simulação. No Capítulo 5 é feita uma descrição geral do programa de simulação. Um fluxograma do programa é mostrado de forma a facilitar o entendimento de seu
funcionamento. É feita uma breve explicação sobre a entrada de dados do programa, bem como as estratégias adotadas para permitir em uma mesma simulação a comparação de combustíveis diferentes. No Capítulo 6 são descritas todas as etapas do procedimento experimental realizado no banco de provas da UFRJ, em um motor FLEX da VW com kit de GNV. São apresentadas as análises dos combustíveis (gasolina comum, álcool e GNV), e também o motor e o tipo de kit de conversão para GNV utilizado no trabalho. São relacionadas todas as variáveis medidas com seus respectivos modelos de instrumentos, sendo também feita uma breve descrição do funcionamento do equipamento de medição de pressão no cilindro do motor. No Capítulo 7 são apresentados os resultados dos ensaios em banco de provas com o motor FLEX para os três combustíveis (álcool, gasolina e GNV). Comentários são feitos sobre os resultados dos ensaios incluindo dados de pressão máxima, pressão média efetiva indicada, dados de entrada obtidos no banco de provas e também um estudo da variabilidade dos ciclos. No Capítulo 8 são mostrados os métodos adotados para ajuste e validação do programa de simulação a partir dos resultados experimentais, bem como a comparação dos resultados simulados para diferentes combustíveis e para diferentes condições de operação. Também são mostrados os resultados da simulação usando o processo politrópico entre o fechamento da válvula de admissão e o início da combustão, proposto por SANTOS JUNIOR (2004) e o modelo geral proposto nessa dissertação. No capítulo 9 são feitas comparações entre os resultados obtidos com os três combustíveis, também são apresentados outros resultados das simulações, tais como curvas de temperatura, trabalho, calor aparente e calor perdido pela parede. No Capítulo 10 são feitas as considerações finais e as conclusões do trabalho. Também são feitas recomendações para trabalhos futuros, não só relacionados à modelagem como também em relação ao método experimental.
