3. Equacionamento do desempenho e modelo da queima Diesel / gás

Transcrição

1 3. Equacionaento do desepenho e odelo da queia iesel / gás O presente capítulo inicia-se co o equacionaento básico do desepenho de otores. A inluência de alguns parâetros, caso dos geoétricos, e parte responsáveis pelas distintas características de torque e potência de dierentes otores, torna-se logo clara. Já outros, caso, por exeplo, do atrito interno, rendiento térico e eiciência voluétrica, requere inoração epírica para sua deterinação. Tais parâetros experientais, obtidos dos ensaios realizados, são apresentados no capítulo 6. Tabé az parte do presente capítulo, ua odelage siples do processo de cobustão e otores iesel / gás. esta, assi coo no caso do equacionaento do desepenho de otores, tabé surge ator que necessita ser correlacionado epiricaente. Tal parâetro te relação co o processo de cobustão e será abordado no ite 3.2. No capítulo seis se analisa tal ator, a aneira coo varia de otor para otor e e dierentes rotações ou cargas. Procurara-se correlacionar tais parâetros epíricos de ora a reproduzir não apenas os resultados obtidos dos otores ensaiados, seja operando no odo original iesel, seja no bicobusível. Acredita-se que as correlações propostas peritirão, na alta de dados prévios, estiar o desepenho de dierentes otores, seja operando no odo iesel, seja no iesel / gás natural Equacionaento do desepenho de otores A potência indicada, P, desenvolvida por u otor iesel é dada por: = & PCI (1) P ηt, O onde & é a vazão de iesel queiada, PCI o poder caloríico inerior do, O derivado e η T o rendiento térico da áquina otriz. Optou-se por associar η T (razão entre a potência e calor liberado na queia), à potência indicada. Coo será visto ais adiante, convencionou-se usar o consuo especíico, e lugar do rendiento térico, sepre que or conveniente tratar das vazões de cobustíveis (iesel e gás) ornecidas aos otores e potência de eixo.

2 50 A vazão de ar seco e otores quatro tepos, & ar, é expressa por: η ωρar & = (2) 4π ar onde η é o rendiento voluétrico do ecaniso, a cilindrada do otor, ω sua rotação e ρ ar a densidade deterinada à pressão parcial do ar seco na istura de gases presente no coletor de adissão. Co esta deinição, η traz consigo inoração relativa apenas à acilidade co que os gases lue para e dos cilindros. O eeito da turbo-alientação, arreeciento do ar de cobustão ou a presença de vapor d água são considerados ao se deterinar ρ ar. A razão de equivalência iesel,, razão entre a vazão de ar que seria necessária à queia estequioétrica do cobustível e o ar eetivaente consuido pelo otor é dada por: AE = (3) A onde A E é a razão ar / iesel estequioétrica e A a razão entre as vazões de ar seco e cobustível co que o otor eetivaente opera. Obté-se, substituindo 2 e 3 e 1: P ωρ PCI ar = ηtη (4) 4π AE Sendo o rendiento térico u parâetro associado ao ciclo do otor, e não às suas características de atrito interno, desebra-se o torque indicado e duas parcelas. U é inerente a atritos internos, T A, e o outro relativo ao torque útil disponível no eixo, T E. T E = ηtη ρar 4π PCI A E T A (5) Nota-se que, de ora a estiar o torque de u dado otor, que é necessário conhecer, alé da geoetria do otor ( ) e propriedades do cobustível, tabé η T, η e T A. Pode-se recorrer a dados experientais de

3 51 odo a estiar seus valores. A pressão e a teperatura no coletor de adissão, atores co inluência sobre ρ ar, são estabelecidas por eleentos coo, por exeplo, o conjunto turbo-copressor. O equacionaento acia é relativo, a princípio, apenas ao uncionaento original iesel. A operação bicobustível necessita ser tratada de ora distinta. É interessante avançar u pouco ais antes de se considerar o eeito da presença do gás natural junto ao ar de cobustão Modelo da cobustão iesel / gás a observação epírica do consuo de cobustíveis (óleo iesel e gás natural), nos diversos otores ensaiados ao longo do presente trabalho, resultou a ipressão, descrita no capítulo 2, de que parte do gás siplesente não queia. Tal situação parece ser ais severa durante o uncionaento a baixa carga onde, pela ausência de controle do consuo de ar e otores iesel, se constata operação co isturas extreaente pobres de gás natural. Se, durante a operação bicobustível, a istura ar / gás não or rica o suiciente para a anutenção de rentes de chaa, iagina-se que o gás queiará apenas nas vizinhanças das gotas de iesel. Ao redor da névoa de óleo se estabelece ua região rica o suiciente para o desenvolviento da cobustão. O gás queiado seria então undaentalente aquele associado ao ar deandado pela cobustão do iesel. A Figura 3 pretende representar a cobustão bicobustível, assi coo iaginada. Aditindo que o cilindro do lado esquerdo da igura represente a cobustão iesel, se vê gotas de cobustível cercadas, cada ua, por sua vizinhança de ar. O ar que eetivaente participa da cobustão, ua ração de toda a carga do cilindro, seria o disponível ao redor das gotas de cobustível. Pode-se pensar no cilindro do centro da igura coo representando o uncionaento bicobustível co ua baixa razão de substituição iesel / gás. Nesta situação existiria ua istura extreaente pobre de ar e gás disponível no interior do cilindro. O iesel, ao deandar ar para sua queia, acaba tabé envolvendo algu gás na cobustão. Tal gás, queiado por estar nas vizinhanças das gotas de iesel, requer e copete pelo oxigênio ali disponível. Será apresentado, no capítulo 6, que as células de cobustão representadas ocorre, uito provavelente, por ua vizinhança que engloba isturas de ar e cobustível (iesel e gás natural) co razão de equivalência édia, Q, razoavelente be deinida.

4 52 Figura 3: Representações da cobustão iesel / gás (se rentes de chaa). Operação a 0, 50 e 67% de razão de substituição (da esquerda para direita). No lado direito da igura acia se esboça, inalente, o esquea de coo se iagina a cobustão e ua condição de elevada razão de substituição. Aqui a istura ar / gás natural, ebora ainda pobre e distante da estequioétrica, é ais rica que a no cilindro representado no centro da igura. Ainda assi não é rica o suiciente para peritir a propagação de rentes de chaa na istura ar / gás. Todo o processo de cobustão do gás peraneceria, então, ainda atrelado à queia do iesel. Fazendo-se a hipótese de que o calor liberado nas três situações seja o eso tê-se, aditindo preservação do rendiento térico (razão entre potência indicada e calor liberado na queia), a condição necessária à anutenção do torque do otor. A progressiva enor quantidade de iesel (da esquerda para a direita) envolvida na cobustão deve ser copensada pela queia de ua crescente assa de gás natural. Conore docuentado na literatura e, tabé veriicado ao longo do presente trabalho, otores operando a carga elevada, no odo bicobustivel iesel / gás, apresenta consuo especíico de cobustível siilar ao veriicado no uncionaento original iesel. Na operação a alta carga envolve-se na queia quase que a totalidade da carga dos cilindros e, portanto, a parcela do gás que passa pela áquina se participar da cobustão é ínia. urante a operação a baixas cargas, quando o consuo especíico iesel / gás é extreaente elevado, não existe evidências de dierença signiicativa entre o calor rejeitado no odo iesel e o bicobustível. Estas constatações sugere

5 53 que o rendiento térico indicado do uncionaento bicobustível deve ser siilar ao da operação original iesel. O rendiento térico resulta da taxa de liberação de calor ao longo do processo de cobustão. Este calor, e últia análise, é o responsável pela história de pressão indicada no cilindro e associados torque e potência. A parte da carga do cilindro não diretaente relacionada co o processo de cobustão pode, talvez, ser pensada apenas coo luido de trabalho, contendo gases inertes (nitrogênio) ou eso cobustível não reagido. Concorda-se co o ato de que a siples passage de parte do gás cobustível pelos cilindros, se queiar, possa ser entendida coo razão de perda de desepenho e onte de eissões de poluentes. Agrupar e u único parâetro (rendiento térico) dois enôenos distintos parece não ser de todo conveniente. U dos enôenos diz respeito à ração do gás natural que, e não participando das reações quíicas, siplesente passa para o coletor de escape. Já o segundo seria relacionado ao ipacto da presença do gás natural sobre a quantidade e taxa de liberação de calor durante a cobustão iesel / gás. Este segundo ator, por ser diretaente relacionado à historia de pressão e, portanto, geração de trabalho, acredita-se que deva ser o associado ao rendiento térico. A equação 6, abaixo, ornece expressão para a razão de equivalência édia nas regiões vizinhas às gotas de iesel, Q, onde ocorre a queia bicobustível: Q & AE + & gás, q AGE = (6) & AG gás, q onde o tero & é a vazão ássica de gás natural que, por estar nas gás, q vizinhanças das gotas de iesel, é queiado. Os teros AG E e AG se reere, respectivaente, às razões ar / gás estequioétrica e a eetivaente aditida nos cilindros. O nuerador indica, portanto, a quantidade de ar exigida para a queia estequioétrica de abos os cobustíveis. Já o denoinador associa o ar envolvido na cobustão apenas àquele associado ao gás queiado. Nota-se que a vazão de gás queiada é igual a ou enor que a vazão de gás ornecida a u dado otor ( & & gás, q gás ). Manipulando (6) te-se:

6 54 & = A & E gás, q (6b) Q AG AGE Conore arguentado acia pensa-se no rendiento térico coo razoavelente indierente à razão de substituição. Co esta hipótese te-se que, para a anutenção do torque de u otor onde varia-se os consuos de iesel e gás natural, o calor liberado na cobustão deve ser antido constante: & OPCI &, PCI + & gás, q = PCI (7) gás Substituindo 6b e 7 e, após poucas anipulações, chega-se a: Q 1 R PCI gás G 1 = AE + AGE R (8) G PCI AG onde, R G 1 & & = (9), O ou seja, a equação 9 ornece expressão para a razão de substituição iesel / gás, unção do consuo original de iesel, energético ( & &, O, e do consuo deste eso ), após a introdução do gás natural e u dado otor. Já a expressão 8 perite estiar Q, co base nas edidas de consuo de cobustíveis, ar e propriedades do iesel e gás natural (antido o par torque e rotação constante, onde se veriica u único valor de & )., O Nos ensaios de otores a cargas elevadas é possível a operação co isturas ar / gás natural ricas o suiciente para peritir a oração e propagação de rentes de chaa. É de se esperar que, nestas condições, Q se aproxie de G, razão de equivalência baseada nos consuos globais de ar, iesel e gás: & A + & AG E gás E G = (10) & ar

7 55 No capítulo 6 se quantiica e copara o coportaento de Q e G, veriicado experientalente, nos ensaios dos dierentes otores. O ipacto de, AG e deais parâetros que possivelente poderia ter inluência sobre Q tabé são explorados. Sendo Q orte unção apenas de, coo eetivaente oi constatado e será apresentado, pode-se, sabendo (ou estiando) co que u otor iesel que nunca oi testado opera, prever o desepenho que teria na operação bicobustível iesel / gás natural.