SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE MOTOR DIESEL MARÍTIMO UTILIZANDO SOFTWARE DIESEL RK. Michel Millem Camara

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1 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE MOTOR DIESEL MARÍTIMO UTILIZANDO SOFTWARE DIESEL RK Michel Millem Camara Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Prof. Marcelo José Colaço, Dsc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARÇO DE 2015

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DEM/POLITÉCNICA/UFRJ SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE MOTOR DIESEL MARÍTIMO UTILIZANDO SOFTWARE DIESEL RK Michel Millem Camara PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Aprovado por: Prof. Marcelo José Colaço; DSc. Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz; DSc. Prof. Manuel Ernani de Carvalho Cruz; PhD. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARÇO DE 2015

3 Camara, Michel Millem. Simulação computacional de motor diesel marítimo utilizando software Diesel RK / Michel Millem Camara Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, X, 98p.:il.; 29,7 cm Orientador: Prof. Marcelo José Colaço, DSc. Projeto de Graduação UFRJ / Escola Politécnica / Curso de Engenharia Mecânica, Referências Bibliográficas: p Simulação de motor Diesel. 2. Software Diesel RK. 3. Motor marítimo. 4. Emissão de poluentes em motores Diesel. I. Colaço, Marcelo. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Engenharia Mecânica. III. Simulação computacional de motor Diesel marítimo utilizando software Diesel RK. i

4 Dedico aos meus avós, Celeste, Miguel e Guy, que olham por todos nós lá de cima. ii

5 AGRADECIMENTOS A Deus, por todas as bênçãos que recebi, e principalmente, pela família que me deu. A meus pais, Mario e Laura, por todo o amor, carinho e apoio que me proporcionam desde sempre. É meu maior privilégio ser filho de vocês. A minha avó, Sônia, por suas orações e torcida, e sempre disposta a ajudar no que for preciso. A meu quase-irmão Eurico, por toda a amizade, apoio e companheirismo de tantos anos. Um amigo que levarei para a vida toda. A minha namorada Karina, pelos ótimos momentos juntos, e pelos muitos outros que ainda virão em sua companhia. A família e amigos, pelo suporte e apoio nos bons e maus momentos, que serviram para que chegasse até aqui. Aos amigos que a Engenharia Mecânica trouxe, por todo o estudo e trabalho árduo para atingirmos juntos nossos objetivos. Aos amigos Cláudio Pedro, Hélio, Leandro e Benone da Armco Staco, por toda a ajuda e ensinamentos passados, vocês mudaram a forma com que eu vejo a engenharia. Ao professor Marcelo Colaço pela disponibilidade em me orientar neste projeto, pelos importantes ensinamentos teóricos e práticos e pela disposição em me ajudar sempre que preciso. Aos professores Daniel Cruz e Manuel Ernani, por aceitarem o convite de participar da banca examinadora. iii

6 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE MOTOR DIESEL MARÍTIMO UTILIZANDO SOFTWARE DIESEL RK Michel Millem Camara Março/2015 Orientador: Marcelo José Colaço, DSc. Curso: Engenharia Mecânica Com o passar das décadas, o avanço da tecnologia e a demanda de energia também crescem de forma acelerada, e faz-se necessária a pesquisa de novas fontes de energia, além de aprimoramento das já existentes. Um dos maiores problemas relacionados a motores de combustão é a emissão de gases poluentes à atmosfera, principalmente em um momento de preocupação constante com o meio ambiente. Este projeto visa elaborar e validar uma simulação da operação do motor MAN Innovator 4C, analisando seus resultados e comparando-os com os valores obtidos na bancada de experimentos no bunker do Laboratório de Máquinas Térmicas da Universidade Federal do Rio de Janeiro, onde o motor fica instalado. Para realizar o ensaio computacional, serão coletados os parâmetros do motor a partir dos manuais de operação do mesmo. Com os dados corretos, a simulação será feita e os resultados serão avaliados. As curvas de pressão e potências geradas serão comparadas aos valores reais. Posteriormente, será feita a análise dos resultados de diversos parâmetros, visando validar a simulação e verificar se os modelos utilizados pelo programa são adequados. Por fim, será feita a comparação entre os valores das emissões dos compostos mais poluentes, e que usualmente são regulados por normas em diversos países. Estes dados também serão coletados experimentalmente no laboratório e os resultados serão confrontados. Palavras-chave: Simulação de motor Diesel, Software Diesel RK, Motor marítimo, Emissão de poluentes em motores Diesel. iv

7 Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer. COMPUTATIONAL SIMULATION OF MARITIME DIESEL ENGINE USING SOFTWARE DIESEL RK Michel Millem Camara March/2015 Advisor: Marcelo Colaço, DSc. Course: Mechanical Engineering Within decades, the advances of technology and energy demand also increase greatly, and it is a necessity the research for new sources of energy and the improvement of the already used ones. One of the biggest problems related to combustion engines is the emission of pollutant gases to the atmosphere, particularly in a moment of constant concern with the environment. This project aims to elaborate and validate the simulation of the operating engine MAN Innovator- 4C, analyzing its results and comparing them with the ones obtained in the experimental cell installed at the Thermal Machines Laboratory of Federal University of Rio de Janeiro. To perform the computational test, the engine parameters are going to be gathered from the operational manuals. With the correct data, the simulation will be executed and the results will be analyzed. The internal pressure graphics and engine power will be compared to the real values The analysis of different parameters will also be made, aiming to validate the simulation and verify the adequacy of the models used by the software. Finally, the quantity of pollutant gases emitted by the engine will be simulated, and the results Will be compared to the experimental ones. These gases usually are regulated by norms and laws in different countries. Keywords: Diesel engine simulation, Software Diesel RK, Maritime engine, Pollutant emission in Diesel engines. v

8 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVO REVISÃO CONCEITUAL CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES Motor Alternativo Motor Rotativo Motor de Ignição por Centelha Motor de Ignição por Compressão CICLOS PADRÃO A AR E O CICLO DIESEL Ciclo-Padrão de Carnot Ciclo-Padrão de Diesel PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO Razão de Compressão Volume do Cilindro Torque e Potência Efetiva Pressão Média Efetiva (mep) ATRASO DE IGNIÇÃO Avanço de Injeção Quantidade de Combustível e Carga Temperatura e pressão do ar de admissão Rotação Swirl Concentração de O Pulverização de Combustível Cetano EMISSÕES Monóxido de Carbono Material Particulado Hidrocarbonetos Óxidos de Nitrogênio Enxofre SOFTWARE DIESEL RK vi

9 4.1. HISTÓRICO MODELO DE WIEBE MODELO RK VAPORIZAÇÃO DO COMBUSTÍVEL CORRELAÇÃO DE WOSCHNI CÁLCULO DE EMISSÃO DE NO CONFIGURANDO O SOFTWARE SIMULAÇÃO DO MOTOR MAN INNOVATOR 4C E RESULTADOS CURVA DE PRESSÃO TEMPERATURA NO INTERIOR DO CILINDRO PRESSÃO MÉDIA EFETIVA (BMEP) POTÊNCIA DE SAÍDA RAZÃO A/F EQUIVALENTE E CYCLE FUEL MASS EMISSÕES DE NO X E SO CONCLUSÕES REFERÊNCIAS APÊNDICE A CONVERSÃO DE UNIDADES PARA EMISSÃO DE SO ANEXOS ANEXO I RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA 100% DA CARGA NOMINAL DIESEL RK ANEXO II RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA 75% DA CARGA NOMINAL DIESEL RK ANEXO III RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA 50% DA CARGA NOMINAL DIESEL RK ANEXO IV RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA 25% DA CARGA NOMINAL DIESEL RK ANEXO V PARÂMETROS UTILIZADOS NAS SIMULAÇÕES DIESEL RK ANEXO VI RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA EMISSÕES HORIBA ANEXO VII NORMA DIN EN 590 PARA ÓLEO DIESEL DIERSCH & SHRÖDER GROUP vii

10 LISTA DE SÍMBOLOS U velocidade média do pistão (m/s) m vazão mássica (kg/h) θ d : duração da combustão difusiva (graus) θ p : duração da combustão pré-misturada (graus) a raio da manivela (mm) B diâmetro do pistão (mm) C Concentração do composto (g/kw.h) C p calor específico a pressão constante (J/kg.K) c v calor específico a volume constante (J/kg.K) d s diâmetro de superfície (mm) d v diâmetro volumétrico médio (mm) d v/s diâmetro médio de Sauter (mm) l comprimento da biela (mm) m d fator de forma da câmara para a fase da combustão difusiva (adimensional) MM massa molar do composto (kg/kmol) m p fator de forma da câmara para a fase da combustão pré-misturada (adimensional N rotação do motor (rpm) n cilindros número de cilindros (adimensional) n r número de revoluções da manivela (adimensional) P potência (kw) p pressão no interior do cilindro (kpa) PMI ponto morto inferior (adimensional) PMS ponto morto superior (adimensional) r c razão de compressão (adimensional) s distância entre o eixo da manivela e o eixo do pino do pistão (mm) T temperatura (K) Trq torque (N.m) V c volume do cilindro (mm³) V d volume deslocado pelo pistão (mm³) w i fração mássica (%) viii

11 x d x p fração de combustível queimado na fase da combustão difusiva (adimensional) fração de combustível queimado na fase da combustão pré-misturada (adimensional) y i fração molar (%) θ ângulo da manivela (graus) λ razão ar-combustível equivalente (adimensional) γ Quantidade de SO 2, obtida na emissão experimental (ppm) ix

12 GLOSSÁRIO Autoignição situação adversa ao motor, ocorre um queima espontânea e independente da centelha. Biela peça conectada ao pistão que serve para transmitir ou transformar o movimento retilíneo alternativo em circular contínuo. Ciclo termodinâmico qualquer série de processos termodinâmicos tais que, ao fim de todos, o sistema regresse ao seu estado inicial. Cilindro do motor espaço do motor onde ocorre a queima do combustível e movimento do pistão. Deve resistir a altas temperaturas e desgaste. Combustão queima entre o combustível e um gás (denominado comburente da mistura) para liberação de energia na forma de luz e calor. Dinamômetro equipamento projetado para a medição de força, torque ou potência. No caso do motor, calcula a força a partir dos valores medidos para torque e rotação. Pistão peça cilíndrica do motor, que se move no interior do cilindro, geralmente fabricada em alumínio ou outra liga metálica. Ponto Morto Inferior - posição mais baixa do embolo no interior do cilindro. Ponto Morto Superior posição mais alta do êmbolo no interior do cilindro. Smog tipo de poluição atmosférica que resulta na formação de um nevoeiro contaminado por fumaças, dificultando a visão. x

13 Swirl turbulência gerada na parte superior do cilindro, devido à injeção de ar no motor Diesel. Facilita a mistura entre o combustível injetado e o ar no interior da câmara. Virabrequim também chamado de eixo de manivelas ou árvore de manivelas, tem a função de transformar uma força em um momento. No motor de combustão, é fabricado com materiais duros, para resistir tração e fadiga. xi

14 1. INTRODUÇÃO Os primeiros motores de combustão interna datam de 1876, quando o engenheiro alemão Nikolaus Otto criou e implementou o primeiro motor de ignição por centelha, e em 1892 quando Rudolf Diesel fez o mesmo com um motor de ignição por compressão. Com o tempo, novas tecnologias foram surgindo, assim como novas demandas por energia e diferentes contextos ambientais. Durante os últimos anos, houve e ainda há um investimento crescente em pesquisas e desenvolvimento dessa tecnologia, visando principalmente um aumento de energia obtida para um menor consumo de combustível, além da redução da emissão de gases poluentes à atmosfera. A Figura 1.1 mostra a magnitude do que, pelo menos até 2012, era considerado maior motor de combustão do mundo: o Wärtsilä RT-flex96C possui 13.5m de altura e 27.3m de comprimento e produz mais de cavalos de potência nos seus 14 cilindros. Figura Motor de dois tempos Wärtsilä RT-flex96C [14] Os motores de combustão têm como propósito a conversão de energia química (presente no combustível utilizado) em energia mecânica. Diferentemente de um motor de combustão externa, os motores de combustão interna convertem essa energia através da queima ou oxidação do combustível dentro do motor. Com isso, a mistura ar- 1

15 combustível (antes da queima) e os gases produzidos no processo (após a queima) são os fluidos de trabalho [3]. A importância dessa fonte de trabalho mecânico é inegável nos dias modernos. Desde a indústria, passando pelo setor de transporte e até pela agricultura, a aplicação de motores para geração de energia é extremamente vasta. E, por sua intensa propagação, investir no desenvolvimento desse setor para, principalmente, reduzir as emissões poluentes, é essencial. Essa redução é especialmente desejada quando são observadas fotos como as da Figura 1.2, que trazem a intensa poluição na cidade de Pequim, durante a manhã em 2007, na hora do rush. Figura Smog na cidade de Pequim, em 2007 [16] 2

16 2. OBJETIVO O objetivo deste projeto é realizar uma simulação computacional de um motor Diesel MAN Innovator 4C, que se encontra no Laboratório de Máquinas Térmicas (LMT) do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio de Janeiro, na ilha do Fundão. A simulação é feita através do software Diesel RK, cujas possíveis aplicações são a predição de consumo de combustível, curva de potência, análise de emissões, entre outros dados. Inicialmente, os dados operacionais e de fabricação do motor são coletados. Utilizando os manuais disponíveis no laboratório, e outros arquivos fornecidos pelo fabricante, foi possível reunir todas as informações necessárias para que a simulação fosse executada. Foram feitas simulações para 100%, 75%, 50% e 25% das cargas nominais do motor. Depois, são comparados os valores obtidos na simulação com os experimentais, de forma a validar o ensaio computacional e averiguar a confiabilidade de seus resultados. Para isso, foram verificadas a potência gerada e as curvas de pressão, para cada carga nominal. Por fim, são avaliados os valores para as emissões de poluentes, temperaturas, e pressões médias efetivas, a fim de garantir que a simulação é válida e que o modelo do software pode ser utilizado de forma eficaz. 3

17 3. REVISÃO CONCEITUAL Os motores de combustão são maquinas geradoras de força motriz, trabalhando com princípios da termodinâmica e com conceitos de compressão e expansão de fluidos gasosos para isso. Ela é capaz de converter a energia química, presente nos combustíveis utilizados, em energia mecânica, através da queima desses combustíveis. Classificamos como motores de combustão interna aqueles em que a combustão ocorre no interior de suas câmaras, e com isso a operação ocorre utilizando a combinação arcombustível como fluido de trabalho. Um exemplo deste tipo de motor é apresentado na Figura 3.1. Figura Seção de um motor Diesel de 2 tempos [4] Os conceitos apresentados neste capítulo têm como fontes principais as referências [4]e [13]. 4

18 3.1. CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES Os mecanismos utilizados pelos motores permitem uma classificação diversificada para cada tipo. São eles: Motor Alternativo Através de repetidos movimentos de translação dos pistões, alteram o volume da câmara de combustão, comprimindo ou expandindo os fluidos dentro da mesma. Os motores alternativos podem operar em dois ou quatro tempos Motor Dois Tempos A cada volta do eixo, temos um ciclo de admissão, compressão, expansão e exaustão. Utilizam o próprio pistão como válvula, já que o mesmo é responsável pela abertura e fechamento de aberturas nas paredes da câmara. Para motores de maior porte, entretanto, essa opção não é viável, logo é utilizada uma válvula no cabeçote. Este ciclo é ilustrado na Figura 3.2. Na etapa retratada no lado esquerdo, as entradas de transferência e exaustão estão bloqueadas pelo pistão, e o termo exhaust blowdown refere-se ao atraso entre o início da exaustão e a abertura da passagem entre o cárter e o cilindro, para que a nova mistura ar-combustível possa ser queimada [19]. À direita, o processo de scavenging, que consiste na exaustão da mistura dos gases já queimados e entrada da nova mistura. Se essa etapa for incompleta, haverá problemas no momento da queima. 5

19 Figura Ciclo de operação dois-tempos [4] Motor quatro tempos Para completarmos um ciclo termodinâmico, precisamos completar duas voltas no eixo do virabrequim. A admissão e compressão ocorrem em uma das voltas, e a transferência de calor na volta seguinte. Por essa complexidade, não é possível utilizar o pistão como um controlador da entrada e saída de fluidos da câmara, logo se faz necessário o uso de um (ou mais) comando de válvulas Motor Rotativo Seu funcionamento envolve a rotação de um pistão especial em uma câmara de combustão adequada, e realiza as mesmas 4 etapas de um motor alternativo, porém essas etapas ocorrem de forma simultânea, mas em diferentes setores da carcaça. Permite uma operação muito mais silenciosa, além de ser mais leve e compacto que um motor alternativo, entretanto apresenta problemas de vedação e exige maior consumo de lubrificantes. São exemplos os motores Wankel e Quasiturbine. Para facilitar a visualização do funcionamento deste tipo de motor, um esquema está apresentado na Figura 3.3. Nele, podemos observar as diferentes etapas da combustão ocorrendo em regiões distintas, simultaneamente. 6

20 Figura Funcionamento de um motor Wankel [17] Podemos classificá-los também pelo tipo de ignição utilizada na combustão. Isso também determina o tipo de combustível utilizado no processo. São eles: Motor de Ignição por Centelha Uma mistura ar-combustível é admitida na câmara de combustão e comprimida pelo pistão, apresentando por isso um aumento de temperatura e pressão. Uma centelha provocada por uma vela gera a energia inicial necessária ao processo de combustão, e a mistura queima, expandindo a câmara e empurrando o pistão para baixo. A razão de compressão acaba sendo limitada pela resistência à autoignição do combustível utilizado. O motor de ciclo Otto, por exemplo, utiliza esse tipo de ignição Motor de Ignição por Compressão Na fase de admissão, ar é forçado a entrar na câmara de combustão. Depois de sua compressão, e já apresentando elevadas temperatura e pressão, o combustível é injetado. Entrando em contato com o ar aquecido, a combustão ocorre sem a ajuda da 7

21 centelha. A razão de compressão precisa ser suficientemente alta para causar a autoignição do combustível. O motor Diesel, como o MAN Innovator-4C, utiliza a ignição por compressão CICLOS PADRÃO A AR E O CICLO DIESEL Uma análise mais teórica de um ciclo térmico de um motor de combustão interna o classificaria como um ciclo aberto, com um fluido de trabalho composto por uma mistura de gases. Entretanto, uma boa aproximação prática do ponto de vista da engenharia é considerá-lo um ciclo fechado, com um fluido de trabalho considerado padrão (ar). Para essa análise, consideramos verdadeiras as seguintes hipóteses: I. Uma massa fixa de ar (gás perfeito) é considerada durante todo o processo. Desta forma, não seria necessário considerar os fluxos de fluidos através das válvulas; II. O processo de combustão é substituído por uma transferência de calor de uma fonte externa; III. Os processos de entrada e saída de ar são substituídos por processos de transferências de calor; IV. Todos os processos de compressão e expansão são considerados reversíveis; V. C p e C v são considerados constantes Ciclo-Padrão de Carnot O ciclo-padrão de Carnot é um ciclo termodinâmico teórico proposto por Nicolas Léonard Sadi Carnot, em Consiste na alternância entre processos isotérmicos e adiabáticos, que garantem uma menor perda de calor para o meio externo. Esse ciclo tem um rendimento que não chega a 100%, e é uma referência de máxima eficiência possível para uma máquina térmica operando entre dois níveis de temperatura pré-determinados. Mesmo assim, um equipamento capaz de recriar um ciclo tão perfeito até hoje não pôde ser construído na prática. Um diagrama do ciclo de Carnot está representado na Figura

22 Figura Diagrama do Ciclo de Carnot [18] Os quatro processos do ciclo são: 1. O ciclo se inicia com o gás em contato com o reservatório de alta temperatura. Isso permite que o sistema realize uma expansão isotérmica do volume V 1 para o volume V 2, mantendo a temperatura T 1 constante. É nesse processo que o gás realiza trabalho no pistão ; 2. Ao atingir o volume V 2 e pressão p 2, o sistema continua sua expansão, mas dessa vez adiabaticamente. Isso resulta em uma queda de temperatura durante esse processo; 3. Quando a temperatura atinge o valor T 2, o gás entra em contato com uma fonte de baixa temperatura, no momento em que o volume é V 3 e a pressão p 3. Nesse momento, o gás começa a ser comprimido istoermicamente, rejeitando calor para a fonte de baixa temperatura; 9

23 4. Finalmente, ao atingir o volume V 4 e pressão p 4, o contato entre o gás e o reservatório é interrompido e a compressão continua de forma adiabática, até que o estado do gás retorne ao da etapa 1, ou seja, volume V 1 e pressão p Ciclo-Padrão de Diesel Os motores Diesel utilizam um ciclo termodinâmico para a conversão da energia química do combustível para energia mecânica. Esse ciclo consiste de quatro fases, descritas abaixo e representados no diagrama da Figura 3.5. Na figura, o ciclo Diesel segue o caminho ) Admissão: O pistão, inicialmente no ponto morto superior (PMS) desloca-se até o ponto morto inferior (PMI), permitindo a abertura da válvula de admissão. Devido à diferença de pressão, o ar entra na câmara de combustão, passando pelo filtro de ar e pela tubulação de admissão. Esta etapa equivale ao processo 1-2 do diagrama. 2) Compressão: Com as válvulas de admissão e escape fechadas, o pistão sobe para diminuir o volume da câmara, comprimindo assim o ar dentro dela. Devido à compressão, a temperatura do ar também aumenta. No fim da compressão, o bico injetor pulveriza o combustível para a parte interna da câmara. Entrando em contato com o ar aquecido, o óleo diesel se inflama, dando início à combustão. Representado pelo processo 2-3 na figura. 3) Expansão: O pistão se desloca do PMS ao PMI, enquanto a expansão do ar ocorre dentro da câmara. É nesta etapa em que a energia mecânica é obtida. Devido à energia liberada pela combustão e pela expansão do ar, o pistão é forçado para baixo, girando o virabrequim através da biela. Isso é o que permite a rotação do motor. Este processo é representado pelo caminho 3-4 do diagrama. 10

24 4) Exaustão: O pistão desloca-se novamente ao PMS, desta vez com a válvula de escape aberta. Com o movimento, os gases queimados são empurrados para fora da câmara. Indicado pelo processo 4-1 na figura. Figura Diagrama P x v de ciclo Diesel [13] 3.3. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO A seguir, algumas das relações geométricas e parâmetros comumente utilizados para caracterizar o modo de operação do motor serão desenvolvidos [4] Razão de Compressão É o valor numérico da relação entre o volume da câmara de combustão completamente distendida e o volume da mesma completamente comprimida. É dada pela fórmula [4]: volume máximo do cilindro r c = volume mínimo do cilindro = V d + V c V c 11

25 Onde V c é o volume geométrico da câmara, e V d é o volume deslocado pelo movimento do pistão (entre o ponto morto superior e o ponto morto inferior) Volume do Cilindro O volume V do cilindro, em qualquer posição da manivela, pode ser descrito pela fórmula [4]: V = V C + πb2 4 (l + a s) Onde s é a distância entre o eixo da manivela e o eixo do pino do pistão. Seu valor também pode ser descrito como: s = a cosθ + (l 2 a 2 sen 2 θ) 1/2 Com isso, a equação para o volume pode ser reescrita da seguinte forma: V = V C + πb2 4 l + a + acosθ l 2 a 2 sen 2 θ A geometria do cilindro está representada no esquema da Figura 3.6. Nele, verificamos as representações do diâmetro do pistão (B), seu curso (L), comprimento da biela (l), raio da manivela (a) e ângulo da manivela (Θ). Figura Esquema da geometria do pistão, biela, manivela e cilindro [3] 12

26 Torque e Potência Efetiva O torque de um motor normalmente é medido com um dinamômetro (Figura 3.7). Seu rotor é conectado ao volante do motor em uma bancada de testes. O torque é dado, portanto, pela fórmula [4]: Trq = F x b Onde F é a força e b é a distância entre o eixo do rotor do dinamômetro e a célula de carga. A potência, por sua vez, será: P = 2πNT Onde N é a rotação do motor. Figura Dinamômetro automotivo de bancada [19] Pressão Média Efetiva (mep) É importante definir um parâmetro de comparação, mensurável, entre dois motores distintos. O torque gerado é um parâmetro capaz de medir a capacidade de um motor em produzir trabalho, mas depende do tamanho físico do equipamento. Para medir de forma mais adequada o desempenho do motor, utilizamos a pressão média 13

27 efetiva (ou mean effective pressure, mep). Esse valor é obtido dividindo o trabalho gerado por ciclo pelo volume deslocado no cilindro [4]. Trabalho por ciclo = P. n R N Onde n R é o número de revoluções da manivela para cada estágio do ciclo que gere potência. No caso de um ciclo de 4 tempos, 2 deles geram força, e os outros não. Com isso, o valor para a mep é: mep = P. n R V d. N Os modelos mais eficientes de motores tendem a possuir, independente do tamanho, um valor constante para a pressão média efetiva máxima. Logo, é um parâmetro bem estabelecido e serve para verificar se um projeto é viável e bem executado. O BMEP (brake mean effective pressure) é medido diretamente no eixo do motor, enquanto que o IMEP (indicated mean effective pressure) é calculado na câmara de combustão. A Tabela 3.1 traz alguns valores típicos para BMEP máximo de diferentes tipos de motores [4]. Tabela Valores típicos para a pressão média efetiva [4]. Tipo de motor BMEP Máximo [kpa] Otto - Aspiração normal Otto com Turbocompressor Diesel 4 Tempos Aspiração Natural Diesel 4 Tempos Turbocompressão Diesel 4 Tempos com Turbocompressão e Afterblow 1400 Diesel 2 Tempos, Grande porte ATRASO DE IGNIÇÃO Os motores Diesel apresentam um atraso de ignição, que é descrito pelo intervalo de tempo (medido em ângulos da manivela) entre o início da injeção e o início 14

28 da combustão. O primeiro é definido como o momento em que o bico injetor se abre e o combustível entra na câmara. O segundo já mais complicado de ser definido, e depende de diversos fatores. Sua detecção pode ser a mudança de inclinação do gráfico da taxa de liberação de calor, que ocorre justamente no momento da ignição. Em um motor de ignição por centelha, esse momento pode ser controlado pelo momento em que a vela do motor é acionada e a centelha é produzida. Para motores de ignição por compressão, como o motor diesel, diversos fatores (alguns químicos, outros físicos) interferem neste processo. As etapas físicas que devem acontecer para que haja a ignição são: a atomização do jato de combustível líquido, a vaporização das gotículas e a mistura do vapor de combustível ao ar. Os processos químicos são as reações de précombustão do combustível com o ar aquecido e pressurizado, para que a autoignição aconteça. O atraso de queima nos motores Diesel é um fenômeno natural. É preciso controlar esse atraso para que a queima ocorra no momento certo, para que a eficiência do motor seja a melhor possível. Um maior atraso de ignição resulta em maior liberação de energia da região pré-misturada, o que pode provocar danos ao motor. Alguns fatores afetam o atraso de ignição. Eles serão descritos a seguir Avanço de Injeção O atraso é mínimo se o combustível for injetado entre 10 e 15 antes do PMS [4]. Ao afastar muito o valor dessa faixa, a pressão e temperatura não seriam adequadas. Se a injeção começar antes, temperatura e pressão iniciais do ar serão menores, e por isso o atraso aumenta. Se começar depois, esses parâmetros serão levemente maiores no inicio, mas depois diminuem com o atraso Quantidade de Combustível e Carga A quantidade de combustível não interfere significativamente no atraso de ignição, já que as primeiras parcelas injetadas de combustível são as que de fato iniciam a queima. Logo, uma maior quantidade de combustível vai apenas contribuir para uma maior duração da combustão. No que diz respeito à carga, quanto maior a mesma, maior será a temperatura e, consequentemente, menor o atraso. 15

29 Temperatura e pressão do ar de admissão Um aumento da temperatura e da pressão do ar de admissão facilita a ignição e contribuem para um menor atraso. A Figura 3.8 apresenta as diferenças observadas no atraso de ignição para diferentes condições de temperatura e pressão do ar de admissão. Na figura 3.6(a), quanto maior o valor da pressão média efetiva, menor será o atraso de ignição. E, para uma pressão inicial de 103kPa, essa diferença é ainda mais acentuada. Na figura 3.6(b), o atraso é notavelmente menor para a temperatura de 66 C, se comparado com o delay para 25 C, analisando-se o mesmo valor do bmep [4]. Figura Efeito das propriedades do ar de admissão, e combustível com cetano 50. (a) Motor com um aumento de 1 atm e temperatura de 25 C. (b) Motor naturalmente aspirado, com temperaturas de 25 C e 66 C, com número de cetano de 34 e 50 [4] Rotação Um aumento da rotação do motor acarreta numa discreta diminuição no atraso de ignição quando medido em milissegundos; quando medido em graus do virabrequim, esse atraso aumenta quase linearmente. Além disso, o aumento de rotação também acarreta um aumento na pressão de injeção, o que facilita a ignição. 16

30 Swirl O swirl facilita e melhora a mistura do ar com o combustível injetado. Por isso, facilita também o inicio da queima e, portanto, diminui o atraso. Também afetam a transferência de calor nas paredes durante a compressão, e assim, a temperatura da injeção Concentração de O 2 A concentração de O 2 pode ser alterada se, por exemplo, houver no motor um sistema de recirculação de gás, que utiliza os gases de exaustão na admissão para controle de emissões. Em testes realizados com diferentes valores para as concentrações de oxigênio, é possível observar que, com a diminuição de O 2, há um aumento do atraso. A Figura 3.9 mostra o efeito da densidade de oxigênio no delay de queima. É possível constatar que uma maior quantidade de oxigênio resulta numa diminuição do atraso, e essa diferença é considerável mesmo se mantivermos constante a massa específica da mistura [4]. Figura Densidade relativa de oxigênio e a diferença nos atrasos de ignição para um motor com razão de compressão de 15 e operando a 1800 rpm [4]. 17

31 Pulverização de Combustível Os motores Diesel são normalmente classificados em duas categorias, que se diferem no design de suas câmaras de combustão. São os motores de injeção direta e os de injeção indireta. O primeiro possui uma única câmara de combustão, na qual o combustível é injetado; o segundo conta com uma câmara dividida em duas regiões e o combustível é injetado numa pré-câmara conectada à principal. No caso dos motores de maior porte, a injeção direta é mais utilizada. Durante esse processo, é importante que os jatos de óleo Diesel contem com momento e energia suficientes para que a distribuição da quantidade de combustível misturada ao ar seja adequada à queima. Para motores de menor porte, ou caso necessário, alguns artifícios podem ser utilizados para aumentar a movimentação do ar no interior do cilindro, para que a mistura fique mais homogênea. Entre eles, a injeção de ar para a formação de um turbilhamento, ou swirl, que pode ser controlada e ficar mais intensa à medida que o pistão se aproxima do ponto morto superior. A Figura 3.10 mostra diferentes tipos de pistão e injeções com swirl [4]. Figura Tipos de injeção direta para motores Diesel: (a) câmara mais compacta e um injetor com múltiplas saídas, típico de motores de maior porte; (b) câmara do pistão com swirl e mútiplas saídas do injetor; (c) câmara do pistão com swirl e única saída no injetor [4] 18

32 Além disso, uma boa atomização do combustível depende também de características como a pressão de injeção, o diâmetro do bico injetor, a viscosidade do óleo e a pressão do ar no interior do cilindro durante este processo. Para uma melhor vaporização das gotículas, interferem o tamanho das mesmas, sua distribuição e velocidade durante o jato, pressão e temperatura no interior do cilindro, e volatilidade do fluido. Alguns pistões são desenhados de forma que o espaço entre eles e o cabeçote contribua para a formação de pequenos redemoinhos e cause turbulência, o que resulta em uma mistura mais homogênea Cetano A ignição por compressão depende também das propriedades do óleo combustível. O tempo de atraso dessa ignição deve ser adequado para garantir que o motor funcione de forma suave, com maior eficiência de conversão de energia do combustível, reduza vibrações, ruídos e emissão de fumaça. A propriedade que dita a qualidade da ignição do combustível é sua cetanagem, ou número de cetano. Este também é um parâmetro que influencia no atraso de queima do combustível, como pode ser observado na Figura Nela, é possível constatar que quanto maior o valor da cetanagem, mais fácil o combustível será queimado e, portanto, menor será o atraso. 19

33 Figura Influência do número de cetano no atraso de ignição [4] 3.5. EMISSÕES Os motores de combustão são potenciais poluentes atmosféricos devido a suas emissões formadas após a queima. Os combustíveis mais utilizados, como por exemplo a gasolina e o diesel, possuem enxofre em sua composição, e além disso, podem formar hidrocarbonetos e nitratos prejudiciais à saúde quando são queimados. O grande volume de veículos a gasolina e a diesel é responsável pelos altos índices poluentes nos grandes centros urbanos Monóxido de Carbono O monóxido de carbono é um gás incolor, insípido e de alta toxicidade. Ele forma com a hemoglobina do sangue um composto mais estável do que a própria com o oxigênio, impedindo assim o transporte de O 2 às células pelo sangue. Concentrações maiores do que 400ppm no ar são potencialmente mortais. É formado pela combustão incompleta do combustível, que ocorre mais comumente quando temos uma mistura rica em combustível e pobre em oxigênio durante a queima. A extinção das chamas próximo à parede mais fria da câmara e a dissociação de CO 2 também são causas para a formação do CO. 20

34 As emissões de CO são controladas primariamente pela razão ar/combustível. Nos motores Otto, que trabalham com misturas estequiométricas, as emissões de CO são mais relevantes. Nos motores Diesel, por outro lado, o volume emitido possui um valor baixo o suficiente para não ser considerado uma preocupação constante, uma vez que o ciclo de ignição por compressão sempre opera com uma mistura relativamente pobre em combustível [4] Material Particulado A emissão de material particulado também é muito frequente em motores Diesel. A composição desse material depende das condições de exaustão do motor e do sistema de retenção de partículas, mas em média podemos considerar a presença de 70% em massa de carbono, 20% em oxigênio, 3% em enxofre, 1,5% em hidrogênio, menos que 1% em nitrogênio e aproximadamente, 1% em elementos traços [6]. Podem ser substâncias em estado sólido ou líquido, e são responsáveis pela densa fumaça que ocasionalmente pode ser vista na descarga de veículos a Diesel como ônibus ou caminhões. Este material é cancerígeno e um potencial contaminante mecânico aos pulmões. Também podem ser formados pela combustão incompleta ou por problemas na filtragem e coleta de partículas na descarga Hidrocarbonetos Os hidrocarbonetos liberados na descarga do motor não foram queimados durante a combustão, e tornam-se um problema ao serem liberados à atmosfera. Vários hidrocarbonetos estão relacionados com o fenômeno smog, além de causarem irritações nos olhos e nas mucosas, possuem um cheiro desagradável e podem até ser cancerígenos. A principal causa da queima incompleta desses hidrocarbonetos é a folga entre os pistões e o cilindro. Ao entrarem nessas folgas antes de queimarem, os gases não são alcançados pela chama devido ao espaço muito pequeno, e são liberados após o fim da combustão. Além disso, depósitos na parede do cilindro e o óleo lubrificante do motor também podem absorver esses gases, liberando-os após a combustão [4]. 21

35 Óxidos de Nitrogênio Os óxidos de nitrogênio (óxido nítrico e dióxido de nitrogênio) são agrupados como emissões de NO x, apesar de a maior parte ser de óxido nítrico (NO). A principal causa de formação do óxido nítrico é a oxidação do nitrogênio do ar atmosférico que entra no cilindro através da mistura ar-combustível. Consequentemente, é possível perceber que, quanto maior a concentração de O 2 na câmara de combustão (misturas pobres), mais fácil será a formação do óxido nítrico. Adicionalmente, caso o combustível utilizado na queima contenha em sua composição uma grande quantidade de N, pode também se tornar uma fonte de NO. Os fatores que influenciam nessa oxidação são a razão ar-combustível, a quantidade fracional de gases residuais do último ciclo presentes no cilindro durante o novo processo, mas principalmente as altas temperaturas na câmara de combustão. No motor Diesel, diminuir o avanço de injeção de combustível resulta, no fim das contas, numa menor emissão de NO. A qualidade do combustível utilizado também influencia esse volume Enxofre Por fim, os compostos de enxofre, com destaque para o dióxido de enxofre (SO 2 ). É um gás denso, tóxico, não inflamável com um odor sufocante. O SO 2, associado à água na atmosfera, forma o ácido sulfuroso, sendo portanto um dos agentes causadores da chuva ácida. Além disso, quando presente em grandes quantidades na atmosfera, já causa danos aos pulmões, além de comprometer a vida da vegetação local. A principal fonte de emissão desse gás é a combustão de matérias que tenham enxofre em sua composição. É por isso que, ao longo do tempo, diversas normas e regulamentações foram adotadas visando banir a comercialização de óleos Diesel com altas concentrações de enxofre em sua composição, como o caso do S-1800 (1800 ppm de enxofre). A partir de dezembro de 2013, esse óleo deixou de ser vendido no interior do Brasil, sendo substituído pelo S-500, com uma quantidade menor do composto. Para os grandes centros urbanos, em que a concentração de veículos é maior, o óleo utilizado é o S-10, com teores ainda mais baixos [21]. 22

36 4. SOFTWARE DIESEL RK 4.1. HISTÓRICO O software Diesel RK começou a ser desenvolvido entre os anos de 1981 e 1982, no departamento de Motores de Combustão Interna da Bauman Moscow State Technical University. É uma ferramenta que visa a otimização do desempenho de motores e, apesar de ser um software criado em uma universidade, teve diversas opções e procedimentos computacionais introduzidos de forma a atender a demanda industrial. Afinal, foi criado com o propósito de ser uma ferramenta para desenvolvedores e pesquisadores na área de motores de combustão interna, e por isso a forma de introduzir dados, assim como as informações fornecidas por ele, são organizadas de uma forma a atender uma demanda de fabricantes de motores. O programa trabalha de duas formas distintas quanto ao processamento de dados. O primeiro utiliza o servidor remoto dos desenvolvedores para execução do programa. Esse método é gratuito, pois o download do cliente do software não exige nenhum tipo de pagamento, e é visado única e exclusivamente para estudo e desenvolvimento em universidades mundo afora, para graduação, pós-graduação e pesquisa. Por utilizar um servidor remoto, é necessário conexão à internet durante a simulação, além de ter um número limite de simulações simultâneas, para não sobrecarregar o sistema. Mas não é um fator que limite a utilização do software de forma alguma, visto que é difícil encontrar o servidor lotado durante o experimento. A segunda opção é pagar uma licença ao desenvolvedor, que envia um códigochave a ser utilizado na autenticação do programa. Com isso, as simulações passam a ser feitas em um servidor local pelo próprio usuário. Isso pode significar maior estabilidade, independência de uma conexão com a internet, além de garantir que nenhum de seus dados será acessado por terceiros. Essa opção é direcionada a empresas e laboratórios de pesquisa e desenvolvimento privados, que buscam com a simulação algum tipo de ganho financeiro. A proposta do software é apresentar resultados com alto nível de precisão, e por isso são priorizados métodos laboratoriais, utilizados com frequência, para cada tipo de simulação. Apesar disso, as diferentes equações utilizadas são empíricas, pois é possível configurar suas constantes e parâmetros. O programa fornece valores recomendados 23

37 como padrão, para dar ao usuário um ponto de partida. Mas essa customização pode ser útil para melhorar a precisão da simulação, uma vez que, comparando os resultados experimentais com as simulações realizadas, pode-se calibrar o valor dessas constantes, para uma maior acurácia. Os parâmetros do gás nos cilindros e manifolds do motor são definidos pela solução de um sistema de equações diferenciais de conservação de energia, quantidade de movimento, massa e equações de estado para sistemas termodinâmicos abertos. As mudanças de propriedades do gás dependendo de sua composição e temperatura também são levadas em conta. Utilizar um método de equações diferenciais em detrimento das convencionais pode proporcionar um aumento de precisão dos resultados de até 20% [15] MODELO DE WIEBE Os cálculos da combustão, incluindo motores com câmaras de pré-combustão, são feitos através de modelagens por zonas múltiplas, ou multizonas. Este tipo de modelagem, em motores Diesel, consiste na divisão do jato de combustível (pulverizado pelo bico injetor) em múltiplos volumes discretos, chamados zonas. O modelo segue cada zona, permitindo uma análise da câmara enquanto o próprio combustível se propaga por ela desde sua injeção, até durante e após a queima. Essa modelagem é muito utilizada principalmente para a detecção e previsão de emissões. Já para a quantidade de calor emitida durante a queima, o software utiliza o modelo de Wiebe, que é o mais utilizado na literatura. Esse modelo, criado em 1962 e posteriormente modificado por Watson (em 1980), é mais apropriado para a simulação, pois não tem como foco um processo de combustão que dependa de diversas reações químicas ocorrendo simultaneamente. Em vez disso, modela a combustão do motor em duas fases distintas: a primeira, uma queima rápida da mistura ar-combustível recém injetada no cilindro; e a segunda, uma queima mais lenta e gradual do restante da mistura presente e ainda não queimada. A função simples de Wiebe é comandada pela seguinte fórmula [11]: x(θ) = 1 exp a θ θ i θ m+1 24

38 O parâmetro m da equação acima influencia na evolução da combustão, ou seja, como a queima se comporta durante a propagação da frente de chama, representando assim o fator de forma da câmara de combustão. O fator a, por outro lado, controla a duração de tempo da combustão. A função simples de Wiebe, entretanto, não é a mais adequada para o caso descrito, uma vez que não retrata de forma satisfatória os dois picos de liberação de calor, observados em um motor de ignição por compressão. Seguindo as modificações propostas por Watson, adotamos para a modelagem a função dupla de Wiebe, formulada abaixo [10]: mp+1 x(θ) = 1 x p e a θ θ m i d +1 θ p + x d e a θ θ i θ d Onde: x p : fração de combustível queimado na fase da combustão pré-misturada (queima inicial, mais rápida); x d : fração de combustível queimado na fase da combustão difusiva (combustão gradual). θ p : duração da combustão pré-misturada; θ d : duração da combustão difusiva; m p : fator de forma da câmara para a fase da combustão pré-misturada; e m d : fator de forma da câmara para a fase da combustão difusiva MODELO RK A formação da mistura nos motores Diesel é simulada utilizando o Modelo RK. É um método de modelagem desenvolvido entre os anos de 1990 e 1994, sendo posteriormente modificado e complementado pelo Dr. Andrey Kuleshov, um dos desenvolvedores do software. O modelo leva em conta [15]: Forma do perfil da injeção, incluindo injeção dividida; Tamanho das gotículas (ou seja, a eficiência da pulverização); Direção do spray na câmara de combustão; Dinâmica da evolução do spray de combustível; Dinâmica do swirl; 25

39 Interações entre o combustível pulverizado, o ar da câmara e as paredes da mesma. Nessa modelagem, assume-se que o processo de liberação de calor ocorre em quatro fases, diferentes entre si física e quimicamente. A primeira, a fase de indução, envolve o início da ativação da mistura, para que haja a queima. A fase da combustão pré-misturada é a etapa inicial da combustão, e a fase de mistura controlada a segue, enquanto o combustível ainda está sendo pulverizado e a frente de chama vai avançando. Por fim, a fase tardia de combustão em que o óleo já não está mais sendo injetado, e há a queima do combustível remanescente na câmara. A análise da presença de óleo Diesel dentro da câmara é feita de forma detalhada. A modelagem inclui distribuições específicas, de acordo com o diagrama da Figura 4.1. Figura Diagrama do spray de combustível vindo do bico injetor [15] Nesta figura, é utilizada a seguinte notação: 1. Região externa diluída do spray; 2. Núcleo denso axial do spray; 3. Frente do spray, mais disperso e com grande quantidade de óleo; 4. Ao encontrar a parede (near wall flow, ou NWF) forma-se uma região externa mais diluída; 5. Núcleo mais denso, na superfície do pistão; 6. Região frontal do NWF; 7. Região cônica do NWF, mais diluída que o núcleo da região 5. 26

40 A trajetória do combustível pulverizado depende, entre outros fatores, do swirl,causado pela turbulência criada na parte superior do cilindro durante a entrada do ar, facilitando a mistura com o combustível quando este for injetado. A Figura 4.2 mostra a representação gráfica utilizada pelo Diesel RK, mostrando o avanço do spray de combustível na câmara. O jato encontra a parede do pistão e forma acúmulos de óleo naquelas regiões. Figura Progresso do spray de combustível, à medida em que o pistão sobe [15] 4.4.VAPORIZAÇÃO DO COMBUSTÍVEL Durante a injeção do combustível, a evolução da combustão é limitada principalmente pela taxa de vaporização do óleo. Quando o jato vindo do bico é lançado no cilindro e se propaga livremente, a região externa (região 1) e a frente do spray (região 3), mais diluídas, tendem a apresentar uma maior troca de calor e mais facilidade de vaporização das gotículas. Em contrapartida, o núcleo axial (região 2), mais denso, absorve menos calor e portanto, tem maior dificuldade de se vaporizar. Após o choque com a parede do cilindro, a vaporização da frente do spray diminui consideravelmente. Isso ocorre pois a temperatura nas paredes é muito mais baixa que a do gás, e pelo fato de que as gotículas (já mais frias) vão se acumulando nessas superfícies, e se unindo a outras vindas do próprio spray. A taxa em que o combustível se vaporiza é sempre maior no volume da câmara. Ao se acumular nas paredes, o óleo pode penetrar no espaço entre a cabeça do pistão e o cabeçote do cilindro. Para tentar mensurar toda esta dinâmica, pode-se considerar que a taxa de vaporização em cada zona de troca intensa de calor é igual à soma das taxas para cada gotícula separadamente. Essas taxas dependem diretamente do diâmetro médio das gotículas, calculado pelo diâmetro médio de Sauter (SMD, d v/s ). Em dinâmica dos 27

41 fluidos, o SMD é o tamanho médio de uma partícula, aproximado pelo diâmetro de uma esfera que tem a mesma razão volume/superfície de área do que a partícula de interesse. Normalmente definida em termos do diâmetro de superfície d s : d s = A p π E do volume do diâmetro volumétrico médio, dado pela raiz cúbica da soma dos diâmetros de n gotículas presentes em uma amostra, dividido pelo número n: 3 d v = n d i 3 i=1 n O diâmetro de Sauter, por sua vez, é dado pela fórmula [6]: O SMD será, portanto: Onde: SD = d v 3 d s 2 d v/s = n i=1 d i 3 n 2 d i d v/s diâmetro volume/superfície, µm d i diâmetro de cada gota, µm i=1 Alguns fatores físicos em cada zona também influenciam na estimativa da taxa de vaporização. Entre outros, podemos citar a massa específica do combustível líquido, pressão dos vapores saturados, temperaturas das paredes do cilindro e fator de difusão para o combustível vaporizado. Depois do fim do período de indução, a mistura é ativada e a combustão se inicia. Nesse momento, temos um primeiro pico na curva de liberação de calor, e o valor dessa quantidade de energia depende do tempo da evaporação, quantidade de combustível vaporizado no período de indução, qualidade de atomização e distribuição 28

42 do óleo, características físico-químicas e dinâmicas da mistura ar-combustível, entre outros. Após este primeiro pico, a taxa de liberação de calor varia com a quantidade de óleo não queimado na câmara, além do oxigênio que ainda não tenha sido utilizado durante a explosão. No fim desse processo, há uma fase de combustão tardia, em que a taxa de liberação de calor decresce continuamente. As frentes de chama avançam até as paredes do cilindro, que estão a temperaturas mais baixas. Caso haja uma quantidade grande de combustível acumulada nessas paredes, observamos mais alguns picos e acréscimos no gráfico de calor, antes de o mesmo voltar a zero CORRELAÇÃO DE WOSCHNI O processo de combustão no interior do cilindro do motor é muito complexo, repleto de mudanças termodinâmicas ao longo de seu acontecimento. As principais mudanças nesse comportamento ocorrem, naturalmente, durante a combustão e a abertura das válvulas de admissão e exaustão. Durante essas mudanças, o coeficiente de troca de calor entre o gás e as paredes do cilindro pode se alterar, dependendo muitas vezes da pressão no interior do cilindro e a velocidade do gás, entre outros fatores. Woschni propôs a correlação de forma [12]: Nu = Re m O modelo de Woschni se diferencia do modelo adotado por Annand, que assumia um perfil de velocidades do gás constante e proporcional à velocidade média de deslocamento do pistão. Durante a admissão, compressão e exaustão, Woschni adotava essa mesma premissa. Porém, durante a combustão, entrava neste cálculo a diferença de velocidade induzida pela mudança de massa específica do gás, resultante da combustão. Durante a admissão, compressão e exaustão a velocidade média do gás (U ) é proporcional a S. b Para a admissão e escape: U = 6.18S b 29