m V r r ar, u ar, V, p, p (3)

Transcrição

1 4 Redução de Dados No presente capítulo apresenta-se a etodologia adotada na redução de dados e a análise das incertezas experientais. No Apêndice I, trata-se das propriedades tero-físicas dos cobustíveis e do ar atosférico, necessárias à avaliação dos vários parâetros aqui apresentados. Nas condições atosféricas de referência ( e ), a vazão ássica do ar úido consuido pelo otor,, foi deterinada co base nas edições da vazão voluétrica,, e a assa específica,, isto é: V (1) ar, u ar, u ar, u onde: V ar, u T p r r ar, u ar, u Vr ar, u Tar, u pr r (2) A curva de calibração do edidor de tipo lainar fornece a expressão para a vazão voluétrica do ar,, e função do diferencial de pressão edido, : V, p, p 2 r (3) poré, essa relação foi deterinada usando-se ar seco às condições de referência. Sendo assi, na Equação ( ), as relações da viscosidade, teperatura, pressão e densidade separadas respectivaente por parênteses representa os fatores de correção necessários para o cálculo da vazão voluétrica da istura (ar seco co vapor de água) efetivaente consuida pelo otor (ver detalhes de cálculo no Apêndice II).

2 79 O consuo de ar seco aditido pelo otor, valores do consuo de ar úido, e a razão de uidade, :, foi calculado através dos ar, s ar, u (4) 1 As vazões de óleo diesel, etanol e gás natural (, e ) fora obtidas diretaente dos equipaentos de edição. Poré, para obter a vazão do etanol (substancia pura) foi necessário ultiplicar os resultados obtidos das edições do Coriollis pelo fator de 0,933 (93,3 INPM), de odo a desconsiderar o teor da água presente no cobustível hidratado. O teor alcoólico do etanol e sua istura co água foi deterinado usando a nora técnica ABNT NBR A razão ou taxa de substituição Diesel/etanol ou Diesel/gás,, foi calculada e função do consuo original de diesel,, e do consuo deste eso cobustível,, após o forneciento do cobustível alternativo. TS d 1 (5) d,o As razões de equivalência ar-etanol e ar-gás, e, definidas coo a razão entre a vazão de ar que seria necessária à queia estequioétrica do cobustível alternativo e o ar efetivaente consuido pelo otor, fora deterinadas através de: e 9, 07e 14, 6 ar,s d (6) g 16, 9 ar,s g 14, 6 d (7) onde os valores, e corresponde, respectivaente, às razões estequioétricas ar-etanol, ar-diesel e ar-gás natural (ver detalhes de cálculo no Apêndice III).

3 80 As razões de equivalência total nos odos Diesel/etanol,, e Diesel/gás,, fora obtidas co base e seus respectivos consuos de cobustíveis e vazão de ar seco: 14, 6 d 9, 07e RETe (8) ar,s RET g 14, 6 d 16, 9g (9) ar,s Caso a razão de equivalência total seja igual à unidade, a istura no interior do cilindro estaria e ua condição estequioétrica (istura global ideal). Poré, sabe-se que otores de ignição por copressão, funcionando no odo Diesel ou bicobustível, opera co excesso do ar de cobustão e, portanto, apresenta valores de riqueza global inferior à unidade. Na operação bicobustível a fração da restrição da vazão de ar,, foi definida coo: ar,sr RA 1 (10) ar,so onde e são, respectivaente, as vazões de ar seco na operação bicobustível co restrição e no odo Diesel original se restrição. O rendiento térico efetivo,, necessário à estiativa do desepenho do otor testado, foi calculado através da razão entre a potência efetiva desenvolvida pelo otor (produto do torque efetivo,, pela rotação, ) e a energia total fornecida pelos cobustíveis utilizados: T e T RPM PCI PCI d d e e (11) T g PCI T RPM PCI d d g g (12)

4 81 onde os teros se refere ao poder calorífico inferior dos respectivos cobustíveis. A carga do otor foi especificada e teros da pressão édia efetiva,. Esse parâetro, uito usado para fins de coparação entre otores, relaciona o trabalho desenvolvido e o volue deslocado pelos cilindros do otor,. A é definida tabé coo a pressão hipotética que seria necessária no interior do cilindro, durante o curso de expansão, para desenvolver ua potência igual à potência no eixo: 2P 2T pe V n V c c (13) Cabe encionar que os valores observados de torque, potência, pressão édia efetiva e consuo específico de cobustível fora corrigidos para condições padrão de referência e ensaios de otores de cobustão interna (25 C e 100 kpa), utilizando a nora técnica ABNT NBR No que tange aos parâetros analisados na cobustão, a posição da ignição foi deterinada através da análise do expoente politrópico da copressão e do cálculo das derivadas da pressão no cilindro, cujos detalhes serão descritas nos próxios parágrafos. Durante as etapas de copressão e expansão do ciclo do otor, a relação entre a pressão e o volue da istura gasosa do cilindro é estritaente descrita pela expressão politrópica: n pv cte. (14) Deste odo, o expoente politrópico pode, efetivaente, refletir as diferentes características de tais processos. Analisando terodinaicaente o processo de copressão da istura confinada entre as paredes do cilindro e cabeça do pistão (fronteira), verifica-se que nesse sistea, alé da realização de trabalho externo, existe a troca de calor. No estágio inicial da copressão, a teperatura da istura é enor do que a teperatura das paredes. Ocorre, então, o aqueciento do fluido (isto é:, onde é a relação de calores específicos da istura processo

5 82 isentrópico). À edida que o pistão se desloca para o, a istura continua auentando sua teperatura (co o increento da pressão), resultando e ua diinuição da troca de calor entre as paredes e o fluido aditido. Quando as udanças téricas terina, ocorre u processo adiabático instantâneo ( ) e, confore a copressão prossegue, a elevação da teperatura da istura inverte a passage da energia térica, e direção à fronteira ( ). Essa fase estendese até o pistão atingir a posição correspondente ao início da cobustão. Apesar das variações existentes no expoente politrópico, e uitos casos, considera-se u valor édio de, representativo do processo de copressão. A estiativa desse valor é possível através do diagraa ( ) ( ), já que nessas coordenadas os dados apresenta-se praticaente coo ua linha reta, desde o início da copressão até o início da cobustão. Portanto, o valor da declividade da reta é equivalente ao valor édio do expoente politrópico. Fato seelhante ocorre no processo da expansão, onde a reta coeça no fi da cobustão. No diagraa logarítico, os pontos correspondentes ao início e fi da cobustão estão arcados por u afastaento notável da tendência linear, pois o efeito da cobustão é equivalente à adição de calor, co a consequente alteração nos valores de. Deste odo, nas diversas condições ensaiadas, a posição do foi deterinada identificando o ponto final da linha reta associada à copressão (ver Figura 21). Por outro lado, Syriis et al. (1996) e Assanis et al. (2003), entre outros pesquisadores, tê deonstrado que o início da cobustão é identificado diretaente dos dados da pressão no cilindro, através da seguinte expressão: IC 2 áx d p d 2 (15) Certaente, o valor pico da segunda derivada é ua fora siples de avaliação do ponto de inflexão relacionado à ignição, onde a curva da função pressão, ( ), apresenta ua concavidade voltada para cia nas vizinhanças de. Poré, Katrasnik et al. (2006) deonstrara, tanto analitica quanto experientalente, que o uso do pico da segunda derivada de ( ) pode acarretar e ligeiras posições atrasadas de. E prieiro lugar, eles afirara que a

6 83 posição ais adequada para o início da cobustão seria no instante e que o valor da taxa de calor liberado pelo cobustível,, se afasta significativaente do zero, i.e., no ponto de sua áxia curvatura. Sendo assi, tais pesquisadores sugere que, na Equação (15), a função taxa de liberação de calor, ( ), seja usada no lugar de ( ). E segundo lugar, coprovara que e ua apla faixa angular e torno do, onde noralente ocorre a ignição nos otores Diesel, a taxa de liberação de calor é principalente influenciada pela prieira derivada da pressão no cilindro. Dessa fora, Katrasnik e seu grupo de pesquisa aproxiara o início da cobustão usando os dados de pressão indicada, por eio da seguinte equação: IC 3 áx d p d 3 (16) Neste trabalho, o instante da ignição foi deterinado, a princípio, usando as Equações (14), (15) e (16). Entretanto, a análise por eio do expoente politrópico da copressão (Equação 14) e pelo valor áxio da terceira derivada da pressão (Equação 16) fora as que apresentara elhor correlação entre si, sendo, portanto, as técnicas que auxiliara na identificação de nas diversas condições ensaiadas (ver Figura 21). Figura 1 Início da cobustão obtido através do expoente politrópico da copressão e dos valores picos da segunda e terceira derivada da pressão.

7 84 Outro iportante parâetro da cobustão analisado foi a áxia taxa de auento da pressão, ( ). Para isso, fora calculados os respectivos valores ( ) do ciclo do otor representativo de cada teste, utilizando-se a diferenciação nuérica centrada de quarta orde, co pontos igualente espaçados ( ), isto é: dp p i i p p i i 1 p i 2 (17) d 12 Menciona-se tabé que a diferenciação nuérica foi epregada na estiativa da segunda e terceira derivada da pressão, necessárias à identificação do início da cobustão (Equações 15 e 16) Análise das incertezas experientais Kline e McClintok (1953) descreve que a propagação das incertezas relativas na deterinação dos resultados experientais, da edida de variáveis independentes ( ) sobre o cálculo da grandeza de interesse ( ) pode ser estiada da seguinte édia pitagórica: I Y x1 Y x2 Y xn Y IY I1 I2 In IY Y x1 Y x2 Y xn (18) A vazão ássica de ar úido, sendo dada pela Equação (1), te, então, incerteza relativa valendo: ( ) (19) onde, (20)

8 85 Confore sugerido pelo fabricante do edidor lainar, adota-se para o tero referente ao incerteza relativa de. Já o transdutor de uidade relativa,, possuía faixa de operação de a, co incerteza de. A incerteza absoluta na edição de teperatura,, foi de do valor edido. O transdutor de pressão baroétrica utilizados na edida de contava co fundo de escala igual a e incerteza de deste valor. A vazão de ar seco, dada pela Equação 4, te incerteza de: ( ) (21) onde a propagação das incertezas da uidade absoluta,, é dada pela expressão: 2 2 p ar, u p ar, u Iu I r par, u par, u ur p sat par, u ur p sat (22) A taxa de substituição te sua incerteza estiada de: ( ) ( ) (23) adotou-se coo a incerteza absoluta de todas as edidas da vazão de diesel. Este valor, superior ao indicado pelo fabricante da balança de cobustível, é representativo da flutuação da edida noralente observada no instruento. As razões de equivalência total no odo bicobustível, e, Equações 8 e 9, tê incerteza estiada confore as seguintes expressões:

9 86 ( ) ( ) (24) ( ) ( ) (25) onde a incerteza relativa das edições de vazão ássica do etanol e do gás natural, segundo dados do fabricante, fora respectivaente e. A fração da restrição de ar,, te sua incerteza estiada de: ( ) ( ) (26) Os rendientos téricos no odo bicobustível, equações (11) e (12), tê incerteza calculada através de: ( ) ( ) (27) ( ) ( ) (28) Segundo o fabricante do dinaôetro, os valores das incertezas absolutas e vale, respectivaente, e do valor edido. O transdutor piezoresistivo utilizado na edida da pressão no cilindro, ( ), contava co fundo de escala igual a e incerteza de deste valor. Já na deterinação do início da ignição, adotou-se duas vezes o valor do desvio padrão do valor édio de u conjunto sucessivo de ensaios. Contudo, na aioria das condições ensaiadas, a incerteza padrão era

10 87 As incertezas absolutas das edições de CO e NO X, segundo o certificado de calibração do fabricante, fora iguais a do valor edido, enquanto a incerteza absoluta associada ao HC é de do valor edido, para concentrações entre e. Para concentrações enores que, as incertezas pode ser inferiores a. Portanto, nessa faixa de edição, os valores desse poluente representa apenas tendências qualitativas. A incerteza no MP foi de do valor edido.