Comparativo entre os fluidos de testes

As Figuras 4.21 a 4.24 apresentam as PDFs dos diâmetros e das velocidades axiais das gotas dos três fluidos de testes utilizados no PDPA - aparato experimental Unicamp para as seguintes condições de testes: pressão de injeção de 300 e 420 kPa, posições axiais de medições de 25 e 100 mm a jusante da sede do injetor e temperatura dos fluidos de 0 e 60 ∘_{C. Cada} PDF foi obtida a partir de 20.000 gotas detectadas e validadas pela técnica PDPA ao longo de múltiplos ciclos de injeção.

Similarmente ao procedimento adotado para a análise dos resultados da gasolina tipo C (seção 4.3.2) e do n-heptano (seção 4.3.3), a comparação entre os fluidos de testes será realizada apenas para as posições axiais de 25 e 100 mm a jusante da sede do injetor. Referente as tempe- raturas dos fluidos, os resultados serão apresentados somente para 0 e 60∘_{C, pois correspondem} à menor e à maior temperatura dos fluidos utilizados no presente estudo. Além disso, as análises anteriores revelam que os resultados obtidos em 30∘_{C tendem a ter valores intermediários entre} aqueles de 0 e 60∘_C.

Para a temperatura de 0 ∘_{C, pode-se observar que as PDFs dos diâmetros das gotas dos} fluidos de testes (Figura 4.21) apresentam comportamentos similares para a mesma posição axial e diferentes pressões de injeção (Figuras 4.21a e 4.21b, 4.21c e 4.21d), com exceção do etanol que apresenta PDF com formato bi-modal para a posição de 100 mm e pressão de 300 kPa (Figura 4.21c). Nota-se, também, que para a mesma pressão de injeção e diferentes posições axiais (Figuras 4.21a e 4.21c, 4.21b e 4.21d) o comportamento das PDFs são distintos.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (b) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (c) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano

(d)

Figura 4.21: Função densidade de probabilidade do diâmetro das gotas dos três fluidos de testes utilizados no presente estudo para a temperatura de 0∘_{C e as seguintes pressões de injeção e} posições axias de medições: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa.

Para a posição de 25 mm, as pressões de injeção de 300 kPa (Figura 4.21a) e 420 kPa (Figura 4.21b) apresentam PDFs com formato mono-modal. Nota-se que em 300 kPa a gasolina possui a maior probabilidade de ter gotas com menores diâmetros, isto é, 8,5 𝜇m, enquanto que o etanol apresenta a maior probabilidade de conter gotas com maiores diâmetros, 11 𝜇m. Já o n-heptano tem uma probabilidade de ter gotas em torno de 10 𝜇m. Em relação a pressão de injeção de 420 kPa, verifica-se que ocorre um ligeiro deslocamento dos máximos das funções PDFs da gasolina e do etanol comparado com os de 300 kPa. Para essa pressão, a gasolina e o etanol passam a ter PDFs ao redor de 8 𝜇m e 10 𝜇m, respectivamente. Porém, o n-heptano mantém a mesma probabilidade daquela de 300 kPa, diâmetros de gotas em torno de 10 𝜇m, ou seja, ele foi mais insensível a temperatura.

Para o ponto de medição a 100 mm, observa-se que em 300 kPa (Figura 4.21c) e 420 kPa (Figura 4.21d) as PDFs da gasolina e do n-heptano apresentam formato mono-modal. No entanto, verifica-se que há uma mudança no formato da PDF do etanol, passando de bi-modal com picos em 12 e 45 𝜇m na pressão de 300 kPa para uma mono-modal centrada em 11 𝜇m na pressão de 420 kPa. Em relação a Figura 4.21c (pressão de injeção de 300 kPa), nota-se que as funções PDFs da gasolina e do n-heptano apresentam os máximos das funções PDFs em aproximadamente 5 𝜇m e 16 𝜇m, respectivamente. Já para a Figura 4.21d (pressão de injeção de 420 kPa), observa-se que a gasolina tem o máximo da função em 13 𝜇m e o n-heptano em 12 𝜇m.

Comparando os resultados obtidos entre as posições axiais de medições, verifica-se que em 100 mm, tanto para 300 kPa quanto para 420 kPa, as PDFs indicam que há um aumento na probabilidade de se encontrarem gotas com diâmetros maiores do que aquelas da posição de 25 mm, com exceção da gasolina que para a pressão de 300 kPa (Figura 4.21c) tem comportamento oposto. Também pode ser observado que a gasolina a 100 mm (Figuras 4.21c e 4.21d) apresenta uma aumento significativo da probabilidade de se obter gotas na faixa de 20 a 100 𝜇m quando comparado com a posição de 25 mm. Outra observação que pode ser realizada é que o n-heptano para a posição de 25 mm apresenta o máximo da função PDF centrada em 10 𝜇m tanto para 300 kPa quanto para 420 kPa.

As PDFs da componente axial das velocidades das gotas dos fluidos de testes para a temperatura de 0∘_{C podem ser vistas na Figura 4.22. Para os pontos de medições a 25 e 100} mm bem como para as pressões de injeção de 300 e 420 kPa, o etanol apresenta PDFs com formato mono-modal enquanto que a gasolina e o n-heptano possuem PDFs com formato bi- modal.

Para o ponto de medição a 25 mm (Figuras 4.22a e 4.22b), o etanol contém o máximo da função PDF centrado em 1,0 m/s para a pressão de 300 kPa (Figura 4.22a) e 1,2 m/s para 420 kPa (Figura 4.22b). A Figura 4.22a, indica que a gasolina bem como o n-heptano têm velocidade axial das gotas com o primeiro máximo em 1,0 m/s enquanto que para o segundo máximo a gasolina apresenta 26 m/s e o n-heptano 27,5 m/s. Analisando a Figura 4.22b, observa-se que há um deslocamento dos máximos das funções PDFs da gasolina e do n-heptano comparado com a Figura 4.22a. Verifica-se que o primeiro pico das PDFs da gasolina e do n-heptano é de 1,2 m/s enquanto que o segundo pico é de 31,5 m/s para a gasolina e de 32,5 m/s para o n-heptano.

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (a) -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (b) -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (c) -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano

(d)

Figura 4.22: Função densidade de probabilidade da velocidade das gotas dos três fluidos de testes utilizados no presente estudo para a temperatura de 0∘_{C e as seguintes pressões de injeção} e posições axias de medições: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa.

A posição de 100 mm (Figuras 4.22c e 4.22d), apresenta funções PDFs similares àquelas de 25 mm. Para a pressão de 300 kPa (Figura 4.22c), o etanol contém o máximo da função mono-modal em torno de 1,2 m/s. Já a gasolina possui os picos de maiores probabilidades centrados em 1,5 e 27 m/s e o n-heptano em 3,3 e 25,5 m/s. Para a pressão de 420 kPa (Figura 4.22d), pode-se observar que todos os máximos das PDFs têm um leve deslocamento para a direita ao comparar-se com aqueles de 300 kPa, o que indica um aumento na velocidade das gotas dos fluidos de testes. O etanol apresenta o máximo da função centrado em 1,3 m/s. A gasolina e o n-heptano possuem o primeiro pico de maior probabilidade centrado em 2,4 e 3 m/s, respectivamente, e o segundo pico em 31 m/s para ambos os fluidos.

verifica-se que o n-heptano é o fluido de teste que possui a probabilidade de ter gotas com maiores velocidades, seguido da gasolina e por último do etanol, para as configurações de posi- ções e pressões adotadas no presente estudo. Conforme já explicado, a velocidade das gotas está relacionado diretamente com a densidade do fluido. Assim, o fluido que contém a menor den- sidade terá a maior velocidade, caso do n-heptano. No que se diz respeito à pressão de injeção, observa-se que para as diferentes posições axiais de medições, a pressão de 420 kPa exibi gotas com maiores velocidades do que para 300 kPa. Em relação aos pontos de medições, nota-se que há uma tendência de haver gotas com menores velocidades para a posição de 100 mm.

A Figura 4.23 apresenta as PDFs dos diâmetros das gotas dos três fluidos de testes para a temperatura de 60∘_{C. Nesta temperatura, todos os fluidos apresentam distribuições similares} para o mesmo ponto de medição e diferentes pressões de injeção (Figuras 4.23a e 4.23b, 4.23c e 4.23d). No entanto, apresentam pequenas diferenças entre os pontos de 25 e 100 mm para a mesma pressão de injeção (Figuras 4.23a e 4.23c, 4.23b e 4.23d).

Para a pressão de 300 kPa (Figuras 4.23a e 4.23c), as PDFs apresentam formato mono- modal em ambas as posições de medições. Nota-se que em 25 mm (Figura 4.23a), o pico de maior probabilidade para o etanol e para a gasolina está centrado ao redor de 8,5 𝜇m e para o n-heptano em torno de 10 𝜇m. Já em 100 mm (Figura 4.23c), observa-se que há um aumento na probabilidade de se encontrarem gotas com maiores diâmetros para todos os fluidos. A ga- solina possui o máximo da função PDF centrada em 10 𝜇m, enquanto que o pico de maior probabilidade do etanol e do n-heptano está em 11 𝜇m e 14 𝜇m, respectivamente.

Para a pressão de 420 kPa (Figuras 4.23b e 4.23d), as PDFs também apresentam formato mono-modal em ambas as posições de medições. Observa-se que em 25 mm (Figura 4.23b), as PDFs têm o mesmo comportamento que aquelas de 300 kPa para essa posição, o pico de maior probabilidade para o n-heptano está ao redor de 10 𝜇m e o etanol e a gasolina novamente está centrado em torno de um único diâmetro, isto é, 8 𝜇m. Em 100 mm (Figura 4.23d), pode-se verificar que o máximo da função PDF do n-heptano está em 12 𝜇m e o etanol assim como a gasolina está em 10 𝜇m.

Comparando os resultados obtidos em cada posição axial, nota-se que o ponto de medi- ção em 100 mm apresenta uma maior probabilidade de se encontrarem gotas com diâmetros maiores do que para o ponto de medição em 25 mm. Conforme já mencionado, acredita-se que esse aumento no tamanho dos diâmetros advém da coalescência das gotas. Similarmente ao ob- servado nos gráficos da Figura 4.21, há uma tendência de se encontrarem gotas com menores diâmetros em 420 kPa do que em 300 kPa para a temperatura dos fluidos de 60∘_C.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 2 4 6 8 10 12

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 2 4 6 8 10 12

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (b) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 2 4 6 8 10 12

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (c) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 2 4 6 8 10 12

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano

(d)

Figura 4.23: Função densidade de probabilidade do diâmetro das gotas dos três fluidos de testes utilizados no presente estudo para a temperatura de 60∘_{C e as seguintes pressões de injeção e} posições axias de medições: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa.

A Figura 4.24 apresenta as PDFs da componente axial das velocidades das gotas dos fluidos de testes para a temperatura de 60∘_C.

Para a pressão de 300 kPa (Figuras 4.24a e 4.24c), as PDFs dos três fluidos de testes contêm o mesmo comportamento para ambas as posições de medições. O etanol apresenta PDF com formato bi-modal com probabilidade de se obter gotas com velocidades de 0,7 e 26,3 m/s no ponto de medição a 25 mm (Figura 4.24a) e de 2 e 27,5 m/s para o ponto de medição a 100 mm (Figura 4.24c). A gasolina e o n-heptano também contêm PDFs com formato bi-modal em ambas as posições. Na posição axial de 25 mm, a gasolina e o n-heptano contêm o primeiro pico de maior probabilidade centrado em 1,0 m/s e o segundo pico está em torno de 28 m/s para a gasolina e 28,8 m/s para o n-heptano. Na posição axial de 100 mm, observa-se que a gasolina

apresenta os máximos da função PDF centrados em 1,5 e 26,3 m/s e o n-heptano em 3,3 e 26,5 m/s. -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (a) -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (b) -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano (c) -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Função Densidade de Probabilidade (%)

Etanol Gasolina N-Heptano

(d)

Figura 4.24: Função densidade de probabilidade da velocidade das gotas dos três fluidos de testes utilizados no presente estudo para a temperatura de 60 ∘_{C e as seguintes pressões de} injeção e posições axias de medições: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa.

Para a pressão de 420 kPa (Figuras 4.24b e 4.24d), verifica-se que o etanol apresenta um comportamento diferente dos outros fluidos de testes. Na posição de 25 mm (Figura 4.24b), o etanol contém PDF com formato bi-modal com picos em 1,0 e 32 m/s passando para uma mono-modal centrada em 2,2 m/s na posição de 100 mm (Figura 4.24d). Já para a gasolina e para o n-heptano, observa-se que as suas PDFs têm formato bi-modal nas duas posições axiais de medições. Nota-se, também, que ocorre um deslocamento entre os máximos das funções PDFs entre as posições axiais. Para 25 mm, a gasolina e o n-heptano apresentam o primeiro máximo centrado em 1,2 m/s, enquanto que o segundo máximo da gasolina está centrado em aproximadamente 33,5 m/s e do n-heptano em 34,5 m/s. Para 100 mm, a gasolina e o n-heptano

têm picos de maior probabilidades em 3,0 e 3,6 m/s, respectivamente, enquanto que o segundo pico de ambos os fluidos está centrado em 31,2 m/s.

Comparando os resultados obtidos em cada posição axial, nota-se que o ponto de medi- ção em 100 mm apresenta uma maior probabilidade de se encontrarem gotas com velocidades menores do que para o ponto de medição em 25 mm. Conforme já explicado, o decréscimo na velocidade ocorre devido à atuação das forças de arrasto aerodinâmico das gotas. Similarmente ao observado nos gráficos da Figura 4.22, há uma tendência de se encontrarem gotas com mai- ores velocidades em 420 kPa do que em 300 kPa para a temperatura dos fluidos de 60∘_{C e,} novamente, o n-heptano é o fluido de teste que possui a probabilidade de ter gotas com maiores velocidades.

Analisando os resultados obtidos para as temperaturas de 0 e 60∘_{C (Figuras 4.21 a 4.24)} dos diâmetros e das velocidades das gotas dos três fluidos de testes, observa-se de forma clara que o spray do etanol tem o seu comportamento influenciado igualmente por três fatores: tem- peratura do fluido, pressão de injeção e posição de medição. Por sua vez, o spray da gasolina tem os diâmetros de gotas influenciados mais pela posição de medição e pela pressão de injeção do que pela temperatura, enquanto que a velocidade das gotas é mais sensível a mudança dos três fatores. Já o spray do n-heptano, apresenta que o seu diâmetro de gotas é mais influenciado pela posição de medição, porém a velocidade das gotas é igualmente influenciada pela variação dos três fatores.

Em relação à velocidade de gotas, o n-heptano é o fluido de teste que apresenta maiores velocidades em todas as combinações de testes utilizadas no presente trabalho, seguido da ga- solina e por último do etanol. Esse comportamento já é esperado, pois conforme já mencionado, o fluido de teste que contém a menor densidade terá a maior velocidade.

Adicionalmente, nota-se que para o ponto de medição a 25 mm, o n-heptano foi o fluido de teste que apresentou os maiores diâmetros de gotas para as diferentes temperaturas bem como para as diferentes pressões de injeção. Em contrapartida, a gasolina contém uma maior probabilidade de conter menores diâmetros de gotas tanto para a posição de 25 mm quanto para a posição de 100 mm e em ambas as temperaturas e pressões de injeção. Para o ponto de medição a 100 mm, observa-se que novamente o n-heptano tem maior probabilidade de conter maiores diâmetros de gotas, com exceção na pressão de 300 kPa a 0 ∘_{C, pois o etanol foi o} fluido que apresenta o maior diâmetro de gotas.

5

CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS

5.1 Conclusões

Neste trabalho de pesquisa, foram analisadas as influências das temperaturas dos fluidos de testes, das pressões de injeção e dos tipos de combustíveis sobre o comportamento das carac- terísticas macroscópicas e microscópicas do spray de injetores PFI. As características micros- cópicas estudadas foram aquelas referente à atomização do spray: tamanho de gotas, através do diâmetro médio de Sauter (SMD), distribuição dos diâmetros de gotas e velocidades das gotas. Já a característica macroscópica estudada concerne aos ângulos do cone do spray. Dois tipos de injetores PFI foram empregados em três diferentes aparatos experimentais para a finalidade de analisar as características do spray.

A utilização do aparato experimental laser, teve como objetivo principal verificar a in- fluência do tipo de combustível nos ângulos do cone do spray formado por um injetor PFI quatro furos, por meio de técnica fotográfica. Os parâmetros adotados para o funcionamento do injetor foram: pressão de injeção de 300 kPa e PWM de 5 ms. Etanol hidratado, gasolina tipo C e n-heptano foram utilizados como fluidos de testes a temperatura ambiente. As conclusões principais dos resultados obtidos nesse aparato experimental estão resumidas a seguir:

∘ O ângulo 𝛼 do cone do spray do etanol hidratado tem uma tendência de ser maior que o da gasolina tipo C e do n-heptano, devido a sua maior densidade;

∘ Os ângulos do cone do spray do n-heptano apresentaram valores similares aos do etanol hidratado e da gasolina tipo C (combustíveis reais empregados nos MCIs brasileiro), o que justifica o seu uso como fluido de teste padrão;

∘ A gasolina tipo C e o etanol hidratado têm valores dos ângulos do cone do spray bastante parecidos. Portanto, para essa característica macroscópica, o uso do bio-combustível eta- nol é viável nos MCIs.

Com o PDPA - aparato experimental UFMG, foi possível analisar a influência do tipo de combustível nos parâmetros de atomização do spray formado por um injetor PFI quatro furos, por meio da técnica PDPA. Os parâmetros adotados para o funcionamento do injetor foram: pressão de injeção de 300 kPa, uma simulação de rotação do motor de 5.040 RPM e PWM de 5,9 ms. Etanol hidratado, gasolina tipo C e o combustível multi-componente E50 foram utilizados como fluidos de testes a temperatura ambiente. As medições ocorreram na posição

axial de 25 mm a jusante da sede do injetor. As conclusões dos resultados obtidos nesse aparato experimental são resumidas como segue:

∘ Os valores do SMD dos fluidos de testes não apresentaram variações significativas entre eles. Assim sendo, não foi possível estabelecer uma relação entre os fluidos utilizando este parâmetro;

∘ A distribuição dos diâmetros das gotas, por outro lado, mostraram que a curva de frequên- cia da gasolina tipo C está mais deslocada a esquerda comparada com a curva do etanol hidratado e do E50, indicando que a gasolina tipo C tende a ter diâmetros de gotas meno- res que os outros fluidos de testes;

∘ Os padrões de velocidades dos fluidos de testes, indicaram que a gasolina tipo C tem gotas grandes (d𝑑> 20 𝜇m), assim como gotas pequenas (d𝑑< 20 𝜇m) com maiores velocidades comparado com as do etanol hidratado e do E50, devido sua a menor densidade.

O PDPA - aparato experimental Unicamp foi utilizado com o propósito de analisar a influência da temperatura do fluido de teste, da pressão de injeção e do tipo de combustível nos parâmetros de atomização do spray formado por um injetor PFI mono-furo. Os parâmetros adotados para o funcionamento do injetor foram: pressão de injeção de 300 e 420 kPa, uma simulação de rotação do motor de 5.000 RPM e PWM de 5 ms. Etanol hidratado, gasolina tipo C e n-heptano foram utilizados como fluidos de testes a diferentes temperaturas: 0, 30 e 60∘_C. As medições ocorreram por meio da técnica PDPA e em seis diferentes posições axiais a jusante da sede do injetor: 10, 25, 50, 75, 100 e 125 mm. As conclusões dos resultados obtidos nesse aparato experimental são resumidas a seguir:

∘ Ao aumentar a temperatura dos três fluidos de testes, verificou-se que há uma maior probabilidade de se encontrarem gotas tanto com menores diâmetros quanto com maiores velocidades, com exceção do n-heptano e da gasolina no ponto de medição a 25 mm; ∘ A pressão de injeção de 420 kPa, também indicou uma maior probabilidade de se en-

contrarem gotas tanto com menores diâmetros quanto com maiores velocidades nos três fluidos de testes comparado com a pressão de 300 kPa;

∘ No que se diz respeito às posições axiais de medições, constatou-se que quanto mais distante do injetor maior será a probabilidade de se encontrarem gotas com menores ve- locidades assim como com maiores diâmetros;

∘ Um comparativo entre os fluidos de testes, indicou que o n-heptano é o fluido que apre- sentou maiores velocidades em todas as combinações de testes utilizadas, seguido da

gasolina e por último do etanol. Em relação ao diâmetro das gotas, a gasolina apresentou a maior probabilidade de obter menores diâmetros de gotas em ambas as posições e pres- sões de injeção, seguido do etanol e do n-heptano, com exceção na pressão de 300 kPa a 0∘_{C, onde o etanol apresentou o maior diâmetro de gotas.}