8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA

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1 8º CONGRESSO IEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, a de Outubro de 7 DESENOLIMENTO DO CONCEITO DE MOTOR SORE-EXPANDIDO análise teórica, numérica e exerimental Martins, J J.G *, Ribeiro, S *, * Deartamento de Engenharia Mecânica Universidade do Minho, Guimarães, Portugal * jmartins@dem.uminho.t RESUMO Os motores de combustão interna de ciclo Diesel têm, convencionalmente, maior rendimento que os motores de ignição comandada. Porém, é ossível, com recurso a técnicas de variação de abertura de válvulas e de variação de taxa de comressão, aumentar o rendimento de motores de ignição comandada ara valores sueriores aos dos motores Diesel. Este trabalho relata o otencial de alteração do vulgar ciclo Otto ara outros ciclos de ignição comandada com elevado rendimento, mesmo suerior ao do ciclo Diesel. Esta demonstração é feita de modos: elo recurso à termodinâmica base; usando modelação de funcionamento de motores; e or testes laboratoriais, usando um motor Diesel que é convertido em ciclo Otto, ao qual se varia a duração de abertura da válvula de admissão e o valor da taxa de comressão. Prova-se, em todos os modos (teórico, numérico e exerimental), que o motor de ignição comandada de ciclo sobre-exandido com variação da taxa de comressão é o que roorciona maior rendimento. PALARAS CHAE motores de combustão interna, ciclo sobre-exandido, rendimento, ciclo Miller

2 INTRODUÇÃO Os motores de combustão interna são, ainda, o rincial meio de fornecimento de otência a veículos, funcionando como motores de ignição comandada (vulgo a gasolina ) ou de ignição or comressão (vulgo Diesel ). Tradicionalmente os motores a gasolina roduzem maior otência e são suaves enquanto que os motores Diesel aresentam menores consumos mas são de funcionamento duro e fumam elo escae. Actualmente os motores Diesel estão num nível de desenvolvimento notável, conseguindo ser suaves, limos enquanto mantêm os baixos consumos, o que levou a subirem extraordinariamente as vendas, elo menos na Euroa. Na sua alicação viária, os motores de veículos são usados redominantemente em carga arcial. Enquanto que os motores a gasolina baixam muito o seu rendimento quando em carga arcial, os motores Diesel têm o otencial de serem mais eficientes nessas condições. Assim, rincialmente em carga arcial, os motores Diesel são muito mais eficientes que os a gasolina. Porém, é ossível contrariar a tendência que os motores a gasolina têm de aumentar o consumo com o abaixamento da carga. Um dos rinciais roblemas deste tio de motores reside na necessidade de uso de misturas estequiométricas de modo a ter uma combustão estável e ara que o catalisador tenha uma elevadíssima taxa de eliminação de oluentes. Esta necessidade de mistura estequiométrica obriga a que a carga seja controlada ela diminuição da ressão de admissão, aumentando as erdas or bombagem e reduzindo a ressão de início de combustão, ambos os efeitos levando a uma redução drástica no seu rendimento de funcionamento. Ciclo de Miller O ciclo de Miller é baseado no ciclo de Otto, mas a exansão é mais longa que a comressão, ermitindo uma sobreexansão dos gases queimados que, de outro modo, seriam erdidos elo escae. Tal ode ser conseguido or vários métodos: - uso de um sistema biela-manivela esecial que ermite que os temos de admissão/comressão sejam menores que os de exansão/escae; - reduzindo a admissão/comressão fechando a válvula de admissão muito antes do PMI, mantendo a extensão da exansão (EIC early intake valve closure); - reduzindo a admissão/comressão fechando a válvula de admissão muito deois do PMI (arte dos gases admitidos saem novamente do cilindro, LIC late intake valve closure), mantendo a extensão da exansão; Porém, esta não é a única alteração necessária à criação de um motor a gasolina com elevado rendimento: a taxa de comressão deverá também ser controlável. Assim, torna-se necessário que um motor tenha sistemas de alteração de abertura de válvulas e da taxa de comressão. Estes sistemas estão actualmente em desenvolvimento. ários construtores usam ariação de Abertura de álvulas (A), entre os quais realça o sistema alvetronic da MW [] (ig.). Os sistemas de variação de taxa de comressão ainda não atingiram o mercado, mas o sistema da SAA [] (ig.) arece ser o mais erto da rodução. igura MW alvetronic [] igura SAA SC []

3 MODELO TEÓRICO DE CICLOS Como acima foi referido, o ciclo de Miller é semelhante ao de Otto, com uma maior exansão (ig.). A descrição do desenvolvimento das equações (ara este e ara os outros ciclos) ode ser visto em Martins [, ], sendo aqui aresentado somente as equações resultantes e os consequentes gráficos. Os modelos usados ara este cálculo resultam da alicação das leis da termodinâmica reversível (ignorando, or exemlo, a duração da combustão, transferência de calor e atrito), elo que os resultados somente oderão ser usados como comarativos entre si, e nunca como absolutos. Mais à frente será aresentado outro modelo em que estes efeitos, entre outros, serão tidos em consideração. Num motor de combustão interna com geometria fixa, a taxa de comressão (aqui denominada geométrica) é dada or (ig.) Pressão atm olume igura Diagrama - do ciclo de Miller PMI g () PMS No caso do ciclo de Miller, em que a exansão é maior que a comressão, torna-se necessário definir uma outra taxa de comressão (efectiva): adm ef () PMS Neste ciclo torna-se necessário usar uma relação entre a exansão e a comressão (relação de exansão), que é um arâmetro característico do ciclo de Miller [, ]: Das equações () e () temos: PMI σ () adm ef g σ () que mostra que σ também relaciona a taxa de comressão geométrica com a efectiva. No ciclo de Otto o valor de σ é unitário, ois a exansão é igual à comressão. Ciclo de Otto Quando os motores a gasolina oeram em carga arcial, geralmente a admissão é restringida, roduzindo-se um vácuo arcial no colector de admissão, de modo a que o motor ossa funcionar estequiometricamente e com menor caudal de gasolina. Este modo de oeração ode ser visto na ig. ara o ciclo de Otto em carga arcial. A área definida or reresenta trabalho de bombagem (negativo) enquanto que a área mostra o trabalho ositivo desenvolvido sobre o istão. Assim, odemos calcular o trabalho resente neste ciclo []: Pressão Q - 7 olume Q - igura - Diagram - do ciclo de Otto

4 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) τ W () com τ τ ; T T e o seu rendimento ( ) ( ) PC O Q A m Q W + β η () no qual β é a relação entre ressão atmosférica e ressão da admissão e T R Q A PC + é uma constante (a mistura é semre estequiométrica). O rendimento ode também ser descrito da seguinte forma: ( ) ( ) O β η (7) Como o trabalho máximo (W max ) é roduzido ara ressão atmosférica: Wmax W quando ou β, fica ( ) ( ) ( ) max β β β W W (8) Os valores ara o rendimento deste ciclo odem ser vistos nas igs. e ara um motor com. igura Rendimento térmico do ciclo de Otto, função da relação de ressão (β) Ciclo de Miller Usando o ciclo aresentado na ig., o seu rendimento ode ser exresso or []: ( ) ( ) g M G + σ σ σ η (9) no qual igura Rendimento térmico do ciclo de Otto, função da carga

5 m Q PC ( + A ) Usando a exressão (9) é ossível exressar graficamente o rendimento do ciclo de Miller função de σ ara diferentes valores de taxa de comressão geométrica, tal como é aresentado na ig.7. Este é o caso de motores com variação da abertura das válvulas de admissão, ermitindo que mais ou menos massa de ar entre no cilindro em cada ciclo, mas semre à ressão atmosférica. Porém, tal imlica que o abaixamento de carga também se dê com abaixamento da ressão máxima do ciclo, o que reduz o rendimento do motor. Tal é visível na ig.7, na qual o rendimento baixa com a diminuição da carga. A assagem das linhas contínuas ara interromidas indica que foi atingida a ressão atmosférica no final da exansão. Ciclo de Miller CR (com variação de taxa de comressão) Os motores de ignição comandada estão limitados elo aarecimento do knock, que está relacionado com a ressão máxima do ciclo. Assim, se mantivermos semre a ressão máxima do ciclo (no limite de aarecimento de knock ), teremos um motor funcionando com o máximo de rendimento. Para realizar tal motor, é necessário que ele ossua variação de abertura de válvulas (ara ermitir o ciclo de Miller) e variação da taxa de comressão. Desta forma, ara manter as condições de knock constantes com a variação de carga, basta-nos manter a taxa de comressão efectiva (σ ef ) constante. A exressão ara o rendimento deste ciclo de Miller (efectivo) é obtida ela inclusão da Eq. na Eq.9, ficando []: ( ) σ ( ) σ σ + η M ef () ef σ A reresentação gráfica ode ser vista na ig.8 ara diferentes taxas de comressão efectivas. Como se ode verificar, o rendimento deste ciclo aumenta com a diminuição da carga. Mais uma vez, a assagem das linhas contínuas ara interromidas indica que foi atingida a ressão atmosférica no final da exansão, que neste caso reresenta o máximo de rendimento ara essa taxa de comressão efectiva. Este onto corresonde ao ciclo de Atkinson, no qual a exansão é feita até à ressão atmosférica. TC g TC g TC g 8 TC ef TC ef TC ef 8 igura 7 Rendimento térmico função de σ ara diferentes taxas de comressão (geométricas) igura 8 - Rendimento térmico função de σ ara diferentes taxas de comressão (efectivas) As igs.9 e reresentam os valores ótimos de σ ara diferentes taxas de comressão efectivas e o valor do rendimento máximo (ciclo de Atkinson) função desta taxa de comressão.

6 igura 9 Ótimo valor de σ ara diferentes taxas de comressão efectivas igura Rendimento máximo função da taxa de comressão efectiva Ciclo de Diesel No ciclo de Diesel a carga é controlada ela quantidade de combustível injectado, ois a quantidade de ar não é limitada. Assim, a combustão faz-se com uma mistura cada vez mais obre e resulta num atamar a ressão constante cada vez mais curto, no diagrama - (ig.). O rendimento deste ciclo ode calculado [] or: η D [ A( Φ) ] [ A( Φ) ] [ A( Φ) ] [ A( Φ) ] () com A( Φ) ( ) Q + R T PC + ( A ) Φ est e ( A ) est Φ A. A ( ) A est O resultado aarece na ig.. Q - Pressão Q - olume igura Diagrama - do ciclo de Diesel igura Rendimento térmico função de Φ ara o ciclo de Diesel Como ode ser visto, o rendimento aumenta com a diminuição da carga, ois a menor quantidade de calor fornecida ao ciclo resulta em menor ressão e menor temeratura na altura da abertura da válvula de escae, erdendo-se menos entalia neste rocesso.

7 Ciclo misto O ciclo misto mostra com maior realidade o funcionamento teórico dos motores Diesel ráidos, ois aresenta um fornecimento inicial de calor, que nos motores modernos ode ser considerado o resultante das ré-injecções. Seguidamente dá-se o restante fornecimento de calor a ressão constante (ig.). Neste estudo considera-se que o calor fornecido inicialmente (nas ré-injecções) é / do otencialmente fornecido se a mistura fosse estequiométrica. Na ig. ode-se identificar o ciclo a carga arcial com exansão ela linha interromida. O rendimento ode ser escrito [] como: ηm C ( Φ, Ψ) + ( Φ, Ψ) + ( ) A( Ψ) ( Φ, Ψ) () Pressão ' ' olume igura - Diagrama - ara o ciclo misto com: C A ( Φ, Ψ) ( Ψ) + ( Φ, Ψ) ( ) Ψ Q R T ( ) PC Q + R T PC Ψ Q Φ + R A PC + + ( A ) est ( A ) Φ est ( Ψ) ( A T ) + Φ est Considerando QT ' Φ Q T Q Ψ Q T Q Ψ ' Q' T resulta Ψ Ψ' Φ O factor de carga é, neste caso, Φ. Reare-se que a quantidade de calor fornecida a volume constante é semre constante, sendo a carga variada exclusivamente ela extensão do fornecimento de calor a ressão constante. A ig. mostra a variação do rendimento com a carga (Φ) ara uma taxa de comressão de 8:, mostrando o aumento de rendimento com a diminuição da carga. igura Rendimento térmico do ciclo misto função de Φ ara 8:

8 Comarações entre ciclos A comaração entre os ciclos aresentados função da carga é aresentada na ig.. Nesta ode-se ver que o ciclo de Miller CR (com variação de taxa de comressão) é semre o melhor, sendo o ciclo de Otto o que aresenta mais baixos rendimentos teóricos, seguido de erto elo ciclo de Miller sem controlo da taxa de comressão. Estes são os únicos ciclos em que o rendimento baixa com o abaixamento da carga. Na ig. faz-se uma comaração entre os ciclos de Miller e o misto com taxas de comressão entre : e :. Mesmo com este valor mais elevado, o ciclo de Miller CR aresenta maior rendimento ara cargas inferiores a.7. misto (TC) misto (TC) misto (TC) Miller CR Otto Miller CR Carga Diesel misto (TC) Miller igura Comaração do rendimento térmico dos vários ciclos, função da carga Carga igura Comaração do rendimento térmico do ciclo Miller com o misto ara diferentes taxas de comressão MODELO NUMÉRICO Um modelo numérico foi usado ara simular o funcionamento de motores de combustão interna, ermitindo a comaração entre diferentes estratégias de funcionamento. O modelo foi escrito em MATLA/SIMULINK e ermite rever o funcionamento de um motor de ignição comandada com diferentes aberturas de válvulas e diferentes taxas de comressão. O modelo usado ermite a esecificação de vários arâmetros geométricos do motor incluindo geometria do sistema biela-manivelo e abertura das válvulas, embora tenha a desvantagem de não considerar os efeitos do escoamento de ar e imulsos de ressão nas várias condutas. Esta desvantagem ode ser minimizada ela introdução de coeficientes calculados a artir da avaliação do motor em funcionamento. O modelo revê o funcionamento de um monocilindro de temos e inclui o cálculo do volume, ressão, temeratura, esécies químicas, entrada e saída de massa, combustão, transferência de calor e atrito em instantes sucessivos. O modelo é de uma zona e baseia-se na ª Lei da Termodinâmica: du dq dw + hin dmin houtdmout, baseando-se na análise de gás ideal. As várias roriedades são calculadas, ara cada esécie química, à temeratura instantânea, e semre em condições de estequiometria. Durante a combustão, os gases frescos (combustível e ar) são transformados em rodutos de combustão (CO, H O e N ) de acordo com uma função de Wiebe []: θ θ x b ex a θ m+ com a e m, θ é o local do início da ignição e θ é a sua extensão, em ângulos de cambota. A quantidade de calor libertada será então: dq Q dt R dx dt b

9 Durante arte do ciclo as válvulas de admissão e de escae estão abertas, ermitindo escoamento de e ara o interior do cilindro. De notar que, deendendo das ressões existentes no cilindro e nos colectores de admissão e escae, ode haver entrada e saída de gases frescos ou queimados de/ara a admissão ou escae. O modelo considera volumes de fluidos diferentes: gases queimados no escae; gases frescos (mais uma equena quantidade de gases queimados que aí entram aquando da abertura da válvula) no colector de admissão; e uma mistura de gases frescos (antes da combustão) e queimados (rovenientes do volume da câmara de combustão) que se transformam em rodutos de combustão aquando da reacção (combustão), dentro do cilindro. A assagem dos gases através das válvulas é modelada usando a equação de gases comressíveis assando or uma restrição, ara a qual se alica a limitação à velocidade do som nessa assagem. A transferência de calor é calculada em suerfícies, coroa do istão, área do cilindro descoberta elo istão e câmara de combustão. Cada uma destas áreas é considerada a temeratura constante durante todo o ciclo (mas diferentes entre elas), elo que o sentido da transferência de calor deende da temeratura dos gases. Para o cálculo do coeficiente de transferência de calor (α) usa-se a metodologia de Annand [], baseada nos números de Nusselt e Reynolds, este relativo ao diâmetro do cilindro (D) e à velocidade média do istão (S): D Re S µ ρ.7 Nu.9 Re C Nu α k conv D O cálculo do atrito inclui o cálculo relativo às várias chumaceiras da cambota, ao istão e ao sistema de distribuição, e faz-se considerando o modelo de Sandoval e Heywood [], no qual entra também a viscosidade do óleo, além de inúmeras dimensões e asectos de desenho. O cálculo do desemenho do motor consegue-se ela integração dos vários arâmetros ao longo de um ciclo. Assim calculam-se os trabalhos indicado, inerente, de bombagem e de atrito, o consumo de combustível e as erdas térmicas e destes o rendimento do motor e o seu binário e otência efectivos. Como modelo usou-se o motor que serviu ara testes em banco, um motor de temos, com cm, taxa de comressão que ode ser variada entre : e 9: e variação variável da abertura da válvula de admissão. Desta forma consegue-se modelar os motores de ciclo de Otto e de Miller com e sem variação de taxa de comressão. Considerou-se que a limitação de knock corresonde ao funcionamento do motor em carga total, atingindo-se 8 K e 7 bar de temeratura e ressão máximas. Assim, consideram-se estes os valores limites ara o caso do ciclo de Miller com variação da taxa de comressão (CR variable comression ratio). Neste motor variam-se a abertura da válvula de admissão e a taxa de comressão de modo a estabelecer esta limitação de aarecimento de knock. No controlo da carga do motor Miller CR considerou-se dois casos: a válvula era fechada significativamente antes do PMS (EIC early intake valve closure) e significativamente deois (LIC late intake valve closure). Resultados da modelação numérica O resultado da análise do modelo ode ser vista na ig.7, onde se aresentam linhas ara o motor funcionando como Otto, Miller e Miller CR (duas linhas, uma corresondente a EIC e outra a LIC). Como ode ser visto, o motor Otto é o que aresenta ior rendimento e o Miller CR EIC o que aresenta os melhores valores, sendo a diferença entre estes motores variável com a carga. A estratégia de fechar a válvula de admissão antes do PMS (EIC) é referível à LIC, ois reduzem-se as erdas or bombagem resultantes dos gases frescos entrarem no cilindro e voltarem a sair aquando de arte da subida do istão (ig.8).

10 ... Miller CR Otto Miller CR EIC Miller CR LIC Miller η Miller Otto me [bar] Miller CR EIC Miller CR LIC Miller LIC Otto igura 7 Comaração do rendimento térmico dos vários tios de motores meb [bar] me [bar] igura 8 Comaração das erdas de bombagem dos vários tios de motores Os diagramas de consumo esecífico (g/kwh) ara os motores Otto e Miller CR odem ser vistos nas igs.9 e. consumo esecífico [g/kwh] consumo esecífico [g/kwh] me [bar] RPM igura 9 Consumo esecífico do motor Otto me [bar] RPM igura Consumo esecífico do motor Miller CR 7 Comaração entre os motores consumo esecífico As grandes diferenças entre estes dois motores situam-se nas cargas baixas, como se ode comrovar na ig.. Os ganhos máximos de que se odem identificar nas igs.7 e não se odem comarar directamente com as obtidos na ig., ois nesta não estão consideradas as erdas or atritos nem as erdas or bombagem existentes no motor Miller, elo que a análise teórica inicial aresentada neste trabalho deverá ser vista somente como um indicador da tendência ara o funcionamento dos motores. Infelizmente não se imlementou o funcionamento do motor Diesel no modelo aresentado, elo que as tendências me [bar] igura Diferença ercentual entre os consumos esecíficos do motor Otto e Miller CR teóricas não se uderam comrovar no ciclo indicado. Este será o róximo asso na evolução do resente trabalho. 8 > RPM TESTES EXPERIMENTAIS De modo a ser ossível fazer uma comaração exerimental entre o mesmo motor funcionando sob os ciclos Otto, Miller e Diesel escolheu-se um motor monocilíndrico Diesel de injecção directa que mais tarde foi modificado de

11 modo a oder funcionar a gasolina. O motor era um Yanmar L8 AE (ig.), cujas características odem ser vistas na Tab.. Tabela Características do motor Modelo L8AE Tio monocilindro temos Sistema de combustão injecção directa Diesel Cilindrada [cm ] elocidade [rm] Potência máxima [h]..7 Potência contínua [h].8. Arrefecimento ar forçado Lubricação ressão de óleo igura - Motor Yanmar no dinamómetro Alterações ao motor original As alterações comreenderam a colocação de uma vela no local do injector de gasóleo, da alteração do colector de admissão ara incluir uma válvula de borboleta e o injector de gasolina e um sensor de osição na cambota como fonte dos sinais que comandam o sistema de injecção e ignição. Um controlador electrónico foi usado ara comandar a injecção e a ignição do motor. A taxa de comressão teve de ser diminuída, e tal foi conseguido elo uso de diferentes istões com maiores volumes de câmara. A cavidade original do istão Diesel foi sendo sucessivamente aumentada ara a redução da taxa de comressão (igs. e ). Para o motor Otto foi usado um istão que originou uma taxa de comressão de.:. Para o motor Miller usaram-se diferentes istões que ermitiram variar a taxa de comressão geométrica entre 9. e 7.: (igs. e ). Esta forma de câmara de combustão não é a mais eficiente ara um motor de ignição comandada, mas é a ossível com este motor. A variação da abertura de válvulas foi conseguida elo uso de diferentes árvores de cames, com diferentes extensões de abertura do came de admissão. Usaram-se duas técnicas ara reduzir a abertura efectiva da admissão. A rimeira consistiu em estender a abertura da válvula muito além do PMS (LIC), fazendo com que arte da carga inicialmente admitida fosse retornada ao colector de admissão. A segunda técnica consistiu na redução da abertura da válvula (EIC). A abertura de cada came ode ser vista na ig. e a resultante redução de carga ode ser inferida a artir da consequente diminuição da eficiência volumétrica (ig.). O came de escae foi semre o mesmo. Para todos os testes com gasolina, a mistura foi mantida estequiométrica de modo a eliminar mais um arâmetro. Todos os testes com o motor Miller foram realizados sem limitação de entrada de ar (admissão atmosférica), enquanto que no motor Otto a carga era controlada or uma válvula de borboleta na entrada do colector de admissão. 9.9: 7.:.:.: câmar original TC9.9: TC7.: TC.: TC.: TC.: TC.: TC.: TC.:.:.:.:.: igura Os 8 istões usados igura Desenho do istão ara obtenção das várias taxas de comressão

12 abertura da válvula (mm) 7 EIC Ângulos de cambota [º] igura Perfis dos cames de admissão º º º LIC Eficiência volumétrica (%) Otto - WOT EIC LIC EIC LIC LIC [RPM] igura Eficiência volumétrica dos cames usados Resultado dos testes motor Diesel consumo esecífico [g/kwh] Os rimeiros testes foram realizados com o motor funcionando como motor Diesel, na sua versão comercial. Estes resultados foram mais tarde comarados com os do motor alterado ara funcionar a gasolina. O maa dos consumos esecíficos ode ser visto na ig.7. Seguidamente alterou-se o motor ara funcionar a gasolina e estabeleceram-se os maas de injecção (estequiometria) e de ignição (máximo binário) ara todas as condições de carga e velocidade (motor Otto). A velocidade máxima do motor original Diesel ( rm) foi reseitada. me [bar] 9 [RPM igura 7 - Consumo esecífico do motor Diesel Motor Otto A rimeira tentativa de fazer funcionar o motor como de ignição comandada não foi um êxito. O motor funcionava mal, tinha baixo rendimento e emitia uma elevada quantidade de HCs elo escae, o que mostrava que não queimava toda a mistura. Uma análise detalhada às condições de funcionamento mostraram que o elevado swirl do motor Diesel comrometia a combustão do motor a gasolina, ois arte da mistura não era queimada. Tal era visível na vela de ignição, que ficava queimada somente de um dos lados (ig.8). Assim, foi decidido estudar e otimizar a entrada dos gases, de modo a haver menor rotacionalidade da mistura aquando da ignição e combustão. A cabeça do motor foi montada numa instalação de visualização de escoamentos (ig.9) e o desenho da conduta de admissão foi alterado de modo a roorcionar uma rotacionalidade mais baixa. A rotacionalidade do escoamento foi avaliada com recurso a fumo e com um medidor de rotacionalidade. A culassa foi montada sobre um cilindro de vidro (ig.9), onde era ossível verificar-se o asso da hélice roduzida elo escoamento, usando fumo. O medidor de rotacionalidade foi usado a diferentes alturas (, 7 e 9 mm). A alteração da conduta de admissão consistiu na eliminação de um deflector e na alteração do canal a montante da válvula. O índice de swirl utilizado refere-se ao usado or Annand and Roe [7]. Como se ode ver na ig., a redução da rotacionalidade variou entre e 8%. Os resultados, em termos de consumo esecífico, odem ser vistos na ig.. Como seria de eserar, o binário e a otência do motor a gasolina foram aumentados em % e 9%, resectivamente.

13 direcção do Swirl culassa entrada do ar válvula de admissão cilindro de vidro escoamento medidor da rotacionalidade zona não queimada igura 8 Zona não queimada da vela aós rimeira tentativa de funcionamento do motor com gasolina igura 9 Instalação de visualização de escoamento C 9 mm Original Modificada 9 8 consumo esecífico [g/kwh] mm C mm C Caudal [m /s] igura Medição de swirl antes e deois da alteração na culassa me [bar] 7 8 [RPM] igura - Consumo esecífico do motor Otto 7 Motor Miller e Miller CR O asso seguinte consistiu em dotar o motor a gasolina de diferentes aberturas de admissão (com taxa de comressão constante de.:), convertendo-o no motor Miller. Os consumos esecíficos desta versão odem ser vistos na ig.. Comarando este motor com o Otto, verifica-se uma melhoria de consumo um ouco or toda a área de funcionamento, assando o onto ótimo de ara 8 g/kw.h. Os últimos testes foram realizados com diferentes árvores de cames e diferentes istões, de modo a alterar a carga e a taxa de comressão geométrica, me [bar] igura - Consumo esecífico do motor Miller no que ficou conhecido or motor Miller CR. Para cada árvore de cames (carga) a taxa de comressão foi sequencialmente aumentada até se detectar knock. Nem semre o mínimo de consumo (maior rendimento) foi conseguido ara a maior taxa de comressão. Para taxas de comressão muito elevadas as maiores erdas mecânicas resultantes das maiores ressões eram dominantes relativamente ao aumento de rendimento indicado. Tal ode ser visto na ig. ara o caso da árvore de cames EIC e rm. 8 [RPM 8 consumo esecífico [g/kwh]

14 Os consumos esecíficos referentes a este motor estão mostrados na ig.. Estes valores foram conseguidos usandose os valores ótimos de comressão ara cada árvore de cames (.: no caso da ig., or exemlo). O rendimento deste motor é significativamente melhor que o dos motores anteriores, incluindo o do motor Diesel. O valor mínimo de consumos esecífico é de g/kw.h, enquanto que o ótimo do motor Diesel era de g/kw.h. Consumo esecífico [g/kw.h] Consumo esecífico inário 7 8 Taxa de comressão igura inário e consumo esecífico função da taxa de comressão inário me [bar] 9 consumo esecífico [g/kwh] [RPM] igura Consumo esecífico do motor Miller CR Comaração entre os motores A comaração dos motores a gasolina já foi aresentada nas igs. e 7. Nestas figuras, o maior rendimento a baixas cargas do motor Miller CR é somente referente ao ciclo teórico (fig.), já que nos ciclos reais (ig.) esta diferença desaarece, certamente devido à imortância relativa das erdas mecânicas. Comarando o desemenho dos motores Miller CR e Diesel (ig.), odemos ver que o rimeiro aresenta melhores rendimentos numa extensa área de funcionamento. Parte destas elevadas melhorias corresondem às condições em que o motor Miller CR funciona otimamente e o motor Diesel tem roblemas de estabilidade de funcionamento, aresentando baixo rendimento. Consumo esecífico [g/kw.h] Otto Miller Miller CR me igura Consumo esecífico ara os motores testados a rm. igura Melhoria do motor Miller relativamente ao motor Diesel me [bar] Note-se que o motor Miller CR funcionou semre com mistura estequiométrica. O uso de misturas obres ou extraobres oderiam reduzir ainda mais o seu consumo esecífico, o que amlificaria a melhoria relativamente ao motor Diesel.

15 CONCLUSÕES Uma análise termodinâmica aos vários ciclos teóricos mostrou que o ciclo de Miller com variação de taxa de comressão tem o mais elevado rendimento de entre os ciclos de motores de combustão interna, incluindo o Diesel e o misto. Isto é verdade ara todas as cargas, mas rincialmente ara cargas baixas, ara as quais o seu rendimento (teórico) chega aos 7%. Tal é ossível orque este ciclo ode ser considerado um ciclo de Otto com a admissão semre a ressão atmosférica e no qual a exansão é estendida, aroveitando-se a entalia dos gases de escae. Uma análise numérica (modelação) aos vários motores com ciclos de funcionamento em ignição comandada, mostrou, também, que o ciclo de Miller com variação de taxa de comressão tem o mais elevado rendimento. Porém, a inclusão das erdas mecânicas no modelo numérico reduziram a enorme diferença entre os ciclos a muito baixa carga, que aarecia na análise teórica. inalmente uma análise exerimental (laboratorial) realizada num motor Diesel de injecção directa que foi alterado ara funcionamento em ignição comandada, também rovou que motor funcionando sob o rincíio Miller com variação de taxa de comressão tem o mais elevado rendimento. A diferença entre os motores Diesel e Miller CR chegou a valores extremos, em condições ara as quais o motor Miller aresenta o seu melhor rendimento, mas o motor Diesel funcionava com instabilidade. De qualquer maneira, na maioria das condições de funcionamento o motor Diesel aresenta maiores consumos que o motor Miller CR, rovando assim que este é o melhor conceito ara motores de combustão interna. AGRADECIMENTOS Agradece-se à CT o suorte, no âmbito dos rojectos POCI/ENR/98/ e POCI/EME/98/. REERÊNCIAS. lierl, R. and Kluting, M., The Third Generation of alvetrains-new ully ariable alvetrains for Throttle- ree Load Control, SAE --7,. Drangel, H., Reinmann, R., Olofsson, E., The ariable Comression (C) and the Combustion Control (CC) Two Ways to Imrove uel Economy and Still Comly With World-Wide Emission Requirements, SAE -- 99,. Martins, J. et al., Thermodynamic Analysis of an over-exanded Engine, SAE --7,. Martins, Jorge, Motores de Combustão Interna ª edição, Publindústria,. Heywood,.J., Internal Combustion Engines undamentals, McGraw-Hill, 988. Sandoval, D., Heywood, J., An Imroved riction Model for Sark-Ignition Engines, SAE --7, 7. Annand, W.J.D., Roe, G.E., Gas low in the Internal Combustion Engine, Haessner Publishing, 97 NOMENCLATURA ARIÁEIS A/ relação ar/combustível (-) m massa (kg) ressão (Pa) Q c oder calorífico (J) R constante universal dos gases (-) T temeratura (K) volume (m ) W trabalho (J) β razão de ressões (-) g taxa de comressão geométrica (-) ef taxa de comressão efectiva (-) quociente dos calores esecíficos (-) η rendimento (-) σ relação de exansão (-) τ relação de ressões (-) Φ riqueza da mistura (-) Ψ relação isocórica/isotérmica de fornecimento de calor (-) ÍNDICES,,,, ontos dos ciclos ef efectivo est estequiométrico g geométrico PMI onto morto inferior PMS onto morto suerior