Proceedings of the 1st Iberic Conference on Theoretical and Experimental Mechanics and Materials /

11th National Congress on Experimental Mechanics. Porto/Portugal 4-7 November 2018.

Ed. J.F. Silva Gomes. INEGI/FEUP (2018); ISBN: 978-989-20-8771-9; pp. 33-44.

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PAPER REF: 7333

ANÁLISE DA COMBUSTÃO EM UM MOTOR SI COM UM SISTEMA DE IGNIÇÃO COM PRÉ-CÂMARAS DE MISTURA HOMOGÊNEA

Vinícius Rückert Roso, Carlos Edurado Castilla Alvarez(*), Jose Guilerme Coelho Baeta, Ramon Molina Valle

Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil (*)

Email: ing.carlos.ufps@gmail.com

RESUMO

Políticas ambientais e o custo do combustível tem direcionado o desenvolvimento de novas

tecnologias de motores de combustão interna. Pesquisas afirmam que os sistemas de ignição

com pré-câmara apresentam uma alternativa efetiva para garantir a queima de misturas ar-

combustível e dessa forma, obter redução do consumo especifico de combustível e controle de

emissões. Por este motivo, o objetivo deste trabalho é comparar a combustão de um motor SI

com sistema convencional de ignição e o mesmo motor utilizando um sistema de ignição com

pré-câmaras de mistura homogênea. Os ensaios experimentais foram realizados um motor de

combustão interna multi-cilindros de ignição por centelha Ford Sigma 1.6 L, instalado e

instrumentado em uma sala dinamométrica. Os testes realizados consistiram em impor uma

rotação e um fator lambda constante para diferentes valores de IMEP, utilizando o etanol

como combustível. Com isto foi possível identificar que o uso do sistema de ignição com pré-

câmara resulta em uma maior energia disponível para iniciar a combustão da mistura, além de

reduzir a duração da combustão. Estes fatores podem ser atribuídos ao incremento da

turbulência na câmara de combustão principal, gerada pelos jatos de gases com alta energia

química e cinética que são expelidos da pré-câmara.

Palavras-chave: Ignição com pré-câmara, motor de combustão interna, combustão, etanol.

INTRODUÇÃO

A frota nacional de veículos terrestres atualmente é superior a oitenta milhões de veículos,

tendo crescido nos últimos dez anos mais do que o dobro da média de crescimento mundial

[1]. Embora a utilização dos MCI (motores de combustão interna) seja primordial para o

desenvolvimento socioeconômico de um país, o crescimento da frota de veículos traz como

consequências o agravamento das mudanças climáticas, os efeitos adversos à saúde humana e

o aumento da preocupação com a segurança energética dos países.

Os principais componentes tóxicos presentes nos gases de exaustão são o monóxido de

carbono (CO), os hidrocarbonetos (HC) e os óxidos de nitrogênio (NOx). Nos países

ocidentais, os veículos automotivos contribuem com aproximadamente 69% das emissões de

CO, 47% das emissões de HC e 63% das emissões de NOx para a poluição atmosférica total

[2]. Estes componentes, quando em grande quantidade, ocasionam problemas à saúde

humana, desde irritações oculares e do sistema respiratório, até problemas mais graves como

o desenvolvimento de câncer, além de influenciarem no clima [3]. O clima é também

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fortemente influenciado pela emissão de CO2, produto da combustão completa de hidrocarbonetos presentes nos combustíveis fósseis. Fica claro que a única forma de reduzir este gás é a redução da quantidade de combustível queimado, o que implica necessariamente em um aumento da eficiência de combustão e da eficiência térmica do motor.

Considerando a escassez futura da oferta de combustíveis fósseis e o alto índice de componentes tóxicos provenientes da combustão desses combustíveis em motores, a utilização de biocombustíveis, tais como etanol, e a queima de misturas pobres surgem como estratégias promissoras, aliando uma menor quantidade de combustível e a redução nas emissões de poluentes. Contudo, a baixa estabilidade de combustão em motores que utilizam essa estratégia é uma preocupação recorrente, e o empobrecimento da mistura é limitado pela capacidade de ignição do sistema utilizado em realizar a queima de maneira controlada [4].

Para superar essa limitação, estratégias alternativas de ignição como a ignição por jato de plasma[5, 6], a assistida por micro-ondas [6-8], a induzida por laser [9] e sistemas de ignição com pré-câmara de combustão [4, 10-13], têm sido propostas e avaliadas por diversos pesquisadores.

Comparada às demais alternativas, o sistema de ignição com pré-câmara oferece uma solução mais simples, uma vez que requer mínimas modificações no motor e menos complexidade de funcionamento. Além disso, ao contrário das demais alternativas citadas, sua aplicação propicia temperaturas de combustão mais baixas, possibilitando a redução das emissões de NOx a níveis próximos de zero [14].

O princípio de funcionamento dos sistemas de ignição com pré-câmara consiste de uma câmara de combustão auxiliar de pequeno volume com a vela de ignição, que é conectada à câmara de combustão principal por meio de orifícios de interconexão, podendo trabalhar com mistura estratificada ou homogênea. [16]. Quando trabalhando com estratificação da mistura, uma pequena quantidade de combustível é injetado na pré-câmara para formar uma mistura levemente rica utilizando um sistema auxiliar de alimentação de combustível. Quando trabalhando com mistura homogênea, parte da mistura que alimenta a câmara de combustão principal é empurrada para dentro da pré-câmara durante o curso de compressão, operando com a mesma razão de equivalência de ar-combustível, tanto na pré-câmara quanto na câmara de combustão principal. A pequena quantidade de mistura ar-combustível contida na pré-câmara é ignitada e, devido ao aumento de pressão proveniente da combustão ocorrida na pré-câmara, os produtos da combustão escoam pelo orifício de interconexão na forma de jatos de chama ou gases com alta energia, promovendo a ignição da mistura contida na câmara principal [15].

Trabalhos de pesquisa já realizados mostram que os ganhos em emissões de poluentes, a redução do consumo especifico de combustível e o aumento do limite de empobrecimento da mistura são superiores com a utilização do sistema de pré-câmara estratificado. Isto fez com que as características do sistema estratificado tenham sido pesquisadas com maior intensidade pela comunidade cientifica [6, 13, 16-18]. Entretanto, a necessidade de um sistema adicional de injeção de combustível para a estratificação da mistura, geralmente de alta pressão, aumenta os custos de produção e o número de modificações necessárias para o funcionamento do sistema. A partir disso, este trabalho pretende explorar as características de um sistema de ignição com pré-câmara de mistura homogênea (IPCH) mais simples, com menores custos de produção e operação, em um motor de combustão interna utilizando misturas estequiométricas ar-etanol em diferentes condições de pressão média efetiva indicada (IMEP).

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METODOLOGIA

Os testes experimentais realizados neste trabalho foram realizados em um motor de combustão interna comercial flex Ford Sigma de quatro cilindros, com 1.6 L de deslocamento volumétrico e injeção de combustível no pórtico de admissão (PFI). O combustível utilizado nos testes foi o etanol hidratado comercial vendido no Brasil, composto de 95% de etanol anidro e 5% de água.

O motor de combustão interna foi instrumentado e instalado em uma bancada dinamométrica com os sensores e sistemas mostrados na Figura 1.

Fig. 1 - Diagrama esquemático da estrutura utilizada nos testes.

Os testes do motor foram realizados em dinamômetro de bancada da marca Horiba, modelo TITAN S 470, classificado como um dinamômetro tipo passivo, elétrico por corrente parasita (Foucault). O dinamômetro é controlado através da plataforma Stars, da Horiba, que também registra os dados de vazão mássica de ar e de combustível que entram no motor. O sistema de ignição e injeção do combustível são controlados através de uma central eletrônica aberta MoTeC M800.

As medições dos parâmetros de combustão foram realizadas através da aquisição da curva de pressão no cilindro, utilizando um sensor piezoeléctrico modelo GH14P da AVL, alocado em uma das câmaras de combustão do motor. Por ser um transdutor que mede variações de pressão, instalaram-se sensor de pressão absoluta nos coletores de admissão e exaustão, modelos LP11DA e LP21DA, respectivamente. O sinal elétrico proveniente do transdutor de pressão do cilindro passa por um amplificador para condicionamento e amplificação do sinal, antes do processamento e da digitalização em um conversor analógico-digital. O amplificador utilizado é da marca AVL, modelo Micro IFEM.

Um encoder óptico fornece sinal digital na forma de pulso para a indicação do ângulo do eixo de manivelas. Os dados de combustão foram obtidos por um sistema da AVL, modelo IndiModul XTension, que possibilita o tratamento e a gravação dos dados de pressão em intervalos de 0,1° de ângulo do virabrequim. Assim, os valores utilizados nos resultados foram processados da média de 200 ciclos obtidos para cada condição de testes com estes sensores.

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A medição da concentração dos gases de exaustão foi feita antes do catalizador, analisando os níveis brutos emitidos pelo motor. Na análise de emissões utilizou-se o PC Multigás, da NAPRO, que realiza medição de CO, HC, NOx, CO2, O2 e lambda.

Os ensaios para comparar e analisar a combustão do sistema original e do sistema IPCH, foram realizados mantendo a rotação constante em 2250 rpm e para a razão ar-combustível estequiométrica. Nesta condição foram testados os pontos de 4, 5 e 7 bar de pressão média efetiva indicada (IMEP). Para cada IMEP testada, os parâmetros de ignição e momento de injeção foram otimizados, visando obter a condição de máximo torque (MBT) e a menor variação cíclica da combustão, respetivamente.

A pré-câmara utilizada nos testes do sistema IPCH possui um volume interno de 0,88 cm3, o

que representa 2,2% do volume da câmara de combustão principal. Outra característica importante é que a pré-câmara possui, na sua extremidade inferior, cinco orifícios de interconexão do volume da câmara de combustão da pré-câmara com o da principal, sendo quatro no perímetro da extremidade da pré-câmara com diâmetro de 1 mm, inclinados em 45°, e um no centro da extremidade da pré-câmara com diâmetro de 2 mm.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os ensaios experimentais do motor com e sem o sistema IPCH identificaram importantes efeitos do sistema sobre a combustão e as emissões do motor. As informações apresentadas nos tópicos a seguir referem-se à pontos discretos para características de combustão e de emissões, observados nas condições de ensaio estabelecidas, unidos por linhas de tendência que auxiliam na representação dos fenômenos.

Análise da combustão

A Figura 2 apresenta a variação cíclica da pressão média efetiva (IMEP) em função das cargas testadas para os dois sistemas. Na Figura 2 é identificado que para baixas cargas o sistema de ignição com pré-câmaras apresenta uma pequena melhoria na estabilidade da combustão com relação ao sistema original. Conforme a pressão média efetiva aumenta, o CoV da IMEP é reduzido para os dois sistemas, apresentando uma melhoria menos expressiva para o sistema original. Este comportamento é devido ao aumento da turbulência na câmara de combustão, produto da maior quantidade de massa admitida.

Fig. 2 - Coeficiente de variação cíclica do IMEP em função do IMEP para os dois sistemas testados.

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Este fenômeno pode ser explicado pela limitação do sistema IPCH em realizar a lavagem da pré-câmara. Assim, na medida em que uma maior quantidade de massa de mistura entra na câmara de combustão principal, uma maior quantidade de gases queimados fica no volume da pré-câmara. É importante ressaltar que, ainda com este fenômeno ocorrendo, a variação cíclica da combustão não superou 2%, estando abaixo da margem de 3 a 5% recomendada na literatura [4, 19].

A Figura 3 apresenta o consumo específico de combustível para os dois sistemas em função do IMEP. Os resultados refletem diretamente o aumento do CoV do IMEP discutido nos parágrafos anteriores. Mudar a escala em X

Fig. 3 - Consumo especifico de combustível em função do IMEP para os dois sistemas.

Como observado na Figura 3, o aumento do CoV da IMEP implica em um aumento do consumo específico de combustível, o que salienta a importância da combustão apresentar baixos valores de CoV da IMEP. Este aumento do consumo especifico de combustível também está associado ao aumento do volume da câmara de combustão do motor, ocorrido em função da instalação da pré-câmara. Nos testes realizados, esta variação de volume não foi compensada e faz com que os resultados para o sistema com pré-câmara estejam inerentemente em desvantagem aos obtidos para o sistema original. Ainda assim, a maior diferença entre o consumo específico de combustível dos sistemas foi inferior à 4%, o que significa que o sistema com pré-câmaras apresenta potencial para igualar ou reduzir o consumo específico de combustível do motor original caso seja compensado o volume da pré-câmara.

O estudo detalhado sobre a combustão dentro da câmara principal pode ser desenvolvido através da análise da fração mássica queimada de combustível (MBF, do inglês Mass

Fraction Burned) para diferentes ângulos de virabrequim [14, 20]. Assim, o valor em ângulo do momento da centelha até quando a MBF atinge 10% pode ser considerado com o atraso da combustão [21, 22]. A diferença, em ângulo do virabrequim, da MBF 10% até a MBF 50% permite identificar o equilíbrio da combustão, enquanto a diferença em ângulo da MBF 10% até a MBF 90% representa a duração da combustão e, consequentemente, a velocidade do

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processo de combustão [21, 23]. Na Figura 4 são apresentados os valores em ângulo destas porcentagens e o avanço de ignição (AI) em função da IMEP para ambos os sistemas, A letra “O” indica a variável para o sistema original e “H” para o sistema IPCH, tendo como referência o ponto morto superior de compressão com valor de ângulo igual a zero.

Fig. 4 - Parametrização da combustão em função do IMEP para os dois sistemas.

A Figura 4 apresenta uma redução no avanço de ignição para o sistema IPCH em relação ao original, necessária para que a condição de máximo torque seja atingida. A redução do AI foi superior à 5 graus do ângulo do virabrequim para as três condições ensaiadas. Isto pode ser explicado pela aceleração da combustão, produto das diferentes regiões de ignição da mistura criadas pelos múltiplos jatos provenientes da pré-câmara. Esta redução do avanço de ignição traz como consequências uma redução na energia necessária para comprimir a mistura e uma redução na temperatura da combustão [24].

Em função da alta disponibilidade de energia para inicia a combustão da mistura contida na câmara principal, o atraso da combustão foi reduzido em 12,5%, 22,1% e 27,2% para as IMEP 4, 5 e 7, respectivamente. Sendo que a mistura foi mantida estequiométrica (Lambda=1), esta redução do atraso da ignição pode ser atribuída exclusivamente ao sistema de ignição com pré-câmara.

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Com a diferença em ângulo da MBF 10% e a MBF 90%, se observa que o sistema IPCH não só acelera o processo de ignição da mistura, mas também aumenta a velocidade de queima de toda a mistura contida na câmara de combustão principal. Estas reduções são de 14,6%, 9,4% e 17,5% para as cargas de 4, 5 e 7 bar, respectivamente. Isto significa que o sistema IPCH proporciona uma maior velocidade de queima da mistura na câmara de combustão principal, que contribui diretamente para a redução das perdas por transferência de calor com o sistema de arrefecimento.

Os gráficos da Figura 5 apresentam as curvas da razão de liberação de energia dentro da câmara de combustão em função do ângulo de virabrequim, também identificando o aumento da velocidade de combustão.

Fig. 5 -liberação de energia em função do ângulo do virabrequim para as diferentes condições de IMEP testadas. Nestas curvas é possível observar que a liberação de energia começa antes e termina depois no motor original, se comparado com o motor com o sistema IPCH, para todas as IMEP testadas. Isto é resultado, conforme já discutido, do menor tempo disponível para que os gases em expansão, produtos da combustão do combustível, percam calor com as paredes do cilindro. Além disso, quando a combustão se inicia no motor com sistema IPCH, o pistão está mais próximo do ponto morto superior (ângulo zero do virabrequim), com uma área de transferência de calor na câmara de combustão inferior.

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Análise das emissões

A apresentação e análise dos resultados obtidos para emissão de gases será realizada através dos gráficos da Figura 6.

Fig. 6 - Comparação das emissões de gases dos sistemas em função da IMEP.

Na Figura 6 se observam as emissões de NOx conforme esperado, ao aumentar o IMEP a tendência é de que aumentem as emissões de NOx para os dois sistemas. Este comportamento pode ser explicado pela elevação da temperatura na câmara de combustão, em função da maior quantidade de mistura ar-combustível queimada para que se produza um aumento na IMEP. Com o aumento da temperatura, é aumentada a quantidade de N2 dissociado e convertido em NOx. Entretanto, para as IMEPs de 4 e 5 bar, as emissões de NOx foram menores para o sistema IPCH em 1% e 5%, respetivamente, apresentando um aumento de 13% com o sistema IPCH para o ponto de 7 bar. Este comportamento pode ser atribuído ao aumento da razão de liberação de energia, identificada na Figura 5 para esta mesma condição. O incremento na razão de libração de calor causaria um aumento da temperatura dentro do cilindro, aumentando com isto as emissões de NOx.

O uso do etanol confirma que a utilização deste biocombustível favorece a redução das emissões de hidrocarbonetos em ambos os sistemas. As emissões de HC com a utilização de etanol como combustível pode ser atribuída a vaporização e queima do óleo lubrificante na câmara de combustão e também a existência de impurezas do ar atmosférico.

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As emissões de CO2 apresentam valores maiores para o sistema IPCH do que para o motor original, sendo estes incrementos iguais a 2,7% para a IMEP de 4 bar, 5% para IMEP de 5 bar e 3,8% para a IMEP de 7 bar. Este aumento nas emissões de CO2 eram previstos, sendo atribuídos ao aumento do volume na câmara de combustão do motor com o sistema IPCH. Este aumento nas emissões de CO2 também já estava sendo anunciado pelo aumento do consumo específico de combustível, mostrado na Figura 2. Cabe ressaltar que este aumento para todos os pontos testados não superou 5% para ambos os sistemas.

Como evidenciado na Figura 6, as emissões de CO para ambos os dispositivos de ignição apresentaram pequenas variações, sendo explicado em função das emissões de CO estarem relacionadas essencialmente pela razão de equivalência ar-combustível. Para misturas pobres a formação de CO é baixa enquanto que ao se enriquecer a mistura, os níveis de CO aumentam. Isto ocorre devido à indisponibilidade de O2 para reagir e formar CO2 [25]. Como a mistura manteve-se constante para todos os testes, era esperado que este poluente permanecesse constante.

CONCLUSÕES

As conclusões deste trabalho referem-se à análise dos resultados de combustão e emissões do motor como o sistema de ignição original comparado com um protótipo de sistema de ignição com pré-câmara de mistura homogênea (IPCH), para diferentes condições de IMEP no motor.

O sistema de ignição com pré-câmaras IPCH se mostrou eficiente para queimar com estabilidade a mistura ar-combustível na câmara de combustão principal, apresentando variações cíclicas da IMEP inferiores a 2% para todas as condições testadas.

A duração da combustão, considerada pelo intervalo entre 10% e 90% da fração de massa queimada, foi menor para o motor com pré-câmara para todos os pontos testados. Acredita-se que este aumento da velocidade de queima da mistura seja produto da alta energia cinética e química disponível para ignição da mistura.

Com referência ao consumo específico de combustível, o sistema IPCH apresentou aumento inferior a 4% se comparado ao sistema original. Este aumento poderia ser explicado pelo aumento do volume da câmara principal, ocorrido em função da instalação da pré-câmara. Espera-se que com a compensação do volume da pré-câmara o sistema apresente benefícios no consumo específico de combustível.

A análise de combustão realizada neste trabalho demonstrou que a instalação do sistema IPCH acelerou o processo de combustão da câmara principal, sendo explicada pelo aumento da energia disponível para a ignição da mistura e pelas diferentes regiões de ignição criadas pelos orifícios de interconexão da pré-câmara com a câmara principal.

A análise das emissões realizada neste trabalho demonstrou que as emissões não apresentam variações significativas com a implementação do sistema IPCH, existindo a possibilidade de redução nas emissões com a compensação do volume da pré-câmara. Este estudo também confirmou que a utilização de biocombustíveis como o etanol contribui na diminuição dos níveis de gases como o HC, que apresentaram valores quase desprezíveis se comparado com os esperados na combustão de combustíveis fósseis.

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O protótipo testado demostrou ser robusto e confiável na ignição de misturas estequiométricas. Entretanto, seu verdadeiro potencial poderá ser percebido ao queimar misturas pobres (lambda>1,1), onde a alta energia de ignição possibilitaria a ignição de menores frações de combustível, não possível através de sistemas tradicionais.

Para a realização de estudos posteriores com o protótipo IPCH, objetiva-se compensar o volume adicionado pelas pré-câmaras, isto com a finalidade de manter a razão volumétrica de compressão constante no motor. Inclusive com a aceleração da combustão produzida pelo sistema IPCH, poderiam ser utilizadas razões volumétricas de compressão maiores, o que permitiria extrapolar os benefícios do sistema IPCH discutidos neste trabalho.

AGRADECIMENTOS

Os autores deste trabalho agradecem ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFMG, ao Centro de Tecnologia da Mobilidade (CTM) da UFMG, à CAPES, à FAPEMIG.

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