Vazão de ar no coletor de admissão

A borboleta de restrição de ar foi posicionada no sistema de admissão, antes do ponto de injeção de etanol/água, visando redução da vazão mássica de ar para estudo de sua influência nos parâmetros de operação e desempenho. Foram realizados ensaios em duas posições diferentes: totalmente aberta e a 60° da posição aberta. A posição de 60° foi adotada mediante avaliação prévia, na qual foi realizado fechamento de 10 em 10° e observado o comportamento do motor, quanto a estabilizada de velocidade angular. Com ângulos maiores

que 60° o motor passou a operar com rotação instável e em queda, observando então o limite de fechamento na posição anterior. A Figura 6.5 apresenta de forma geral o comportamento do fluxo mássico de ar em função da fração energética de etanol para todos os ensaios realizados.

Figura 6.5 – Vazão mássica de ar medida para as condições: (a) borboleta aberta; (b) borboleta parcialmente fechada (b). Incerteza = 1,5%.

Verifica-se que há redução da vazão mássica de ar ao fechar parcialmente a borboleta, conforme esperado. A maior diferença entre todos os valores obtidos para borboleta aberta foi igual a 3,04%, enquanto entre todos os valores obtidos com a borboleta parcialmente fechada foi igual a 4,34%. Não se notou nenhuma tendência de variação do fluxo mássico de ar em função do aumento da fração mássica de etanol ou de água, sendo que em alguns ensaios a vazão apresenta pequena variação para mais ou para menos, sempre dentro da faixa de incerteza do medidor de fluxo. Lopéz et al., 2015, também concluíram em seu estudo que a razão de equivalência não apresentou variação significativa quando usado o álcool em comparação com o uso apenas de óleo diesel, da mesma forma que obtido neste trabalho. Como a variação do fluxo de ar foi baixa, os resultados apresentados a seguir para vazão são as médias dos valores obtidos para as diferentes frações mássicas de etanol ensaiadas.

Para fins de comparação com o valor medido, calculou-se também o fluxo mássico de ar considerando as condições ambientais locais, cilindrada e velocidade angular do motor (conforme item 6.3.1 e Equações 5.2 e 5.3). Os resultados são mostrados na Figura 6.6. Os valores medidos apresentados são as médias dos ensaios realizados com diferentes frações mássicas de etanol nas mesmas proporções de misturas de etanol e água. Por exemplo, a primeira coluna em azul a esquerda, com valor 15,70, é a média dos 4 valores obtidos para

12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 ṁar , g /s FEE E100W0_BA E100W0_BF E90W10_BA E90W10_BF E80W20_BA E80W20_BF E70W30_BA E70W30_BF Testemunha (a) (b)

E100W0_BA mostrados na Figura 6.5. Os valores calculados foram obtidos usando-se equações de estado, levando em consideração a temperatura no coletor de admissão (antes da injeção de etanol/água) e as pressões ambientes médias medidas durante o ensaio.

Figura 6.6 – Vazão mássica de ar: medida x calculada.

Para o ensaio testemunha a vazão de ar média foi 15,67 g/s e a calculada 15,49 g/s. A maior diferença entre os valores medidos e calculados para borboleta aberta foi igual a 1,83%, observado nos ensaios E70W30_BA. Em média, a restrição de ar causada pela borboleta reduziu o fluxo mássico em 14,7%. Para a condição da borboleta parcialmente fechada não foi realizado o cálculo da vazão de ar devido à restrição imposta pela borboleta tornar a modelagem não tão simplificada como aquela aplicada para uma condição de fluxo livre na entrada.

Ao analisar a eficiência volumétrica para os casos apresentados na Figura 6.6, verifica- se que seu valor é próximo a 1 quando a borboleta se encontra aberta, e aproximadamente 0,86 quando a borboleta está parcialmente fechada. Há, portanto, uma redução de aproximadamente 14% da eficiência volumétrica.

Calculou-se a partir da vazão mássica de ar medido, apresentado na Figura 6.6, e das vazões mássicas de combustíveis medidas (diesel e etanol), o coeficiente de excesso de ar (lambda) usando-se a Equação 4.9 em cada condição. Os resultados são apresentados na Figura 6.7 e os valores apresentados são as médias dos ensaios realizados com diferentes frações mássicas de etanol nas mesmas proporções de misturas etanol-água.

12 13 14 15 16

E100W0 E90W10 E80W20 E70W30

ṁar

, g

/s

Borboleta aberta - medido Borboleta parcialmente fechada - medido Calculado Incerteza (medido) = 1,5%

Figura 6.7 – Excesso de ar.

Para os casos apresentados na Figura 6.7, a maior diferença entre os valores de lambda com a borboleta aberta foi 2,12%, enquanto para borboleta parcialmente fechada a maior diferença entre os quatro valores foi igual a 1,77%. Ao se comparar as duas condições distintas, a média do excesso de ar com a borboleta aberta foi 19,96% maior que a média do excesso de ar com a borboleta parcialmente fechada. Mais uma vez nota-se que o uso de diferentes parcelas de água, ou de etanol, aparentemente não apresenta influência sobre a vazão mássica de ar que o motor admite, como já citado anteriormente na análise da Figura 6.5.

Uma das vantagens do uso de biocombustíveis é a presença de oxigênio na sua composição, o que contribui para melhorar a combustão, podendo levar a redução das emissões de monóxido de carbono e hidrocarbonetos não queimados [Mariasiu et al., 2015]. Desta forma, analisou-se a carga de oxigênio adicionada no ciclo através do etanol, conforme a composição apresentada no capítulo 4.

Com a borboleta aberta o maior percentual de O2 (em massa) adicionado no fluxo pelo etanol foi 2,63%, enquanto para borboleta parcialmente fechada foi 3,15% do total de O2 admitido pelo motor juntamente com o ar. Estes valores máximos foram apresentados nos ensaios realizados com injeção somente de etanol (E100W0), obviamente pela maior quantidade de etanol injetada nestes ensaios, pois nos demais havia redução da parcela de etanol pela adição de água. Para a condição de borboleta parcialmente fechada, o fluxo de ar é reduzido, mas a vazão de etanol é mantida, por isto o percentual é maior nesta condição do que com a borboleta aberta. Em relação ao excesso de ar (lambda) o O2 adicionado pelo

1,69 1,71 1,73 1,72 1,42 _1,41 1,44 1,44 1,25 1,45 1,65 1,85

E100W0 E90W10 E80W20 E70W30

λ

Calculado - MAF BA Calculado - MAF BF Incerteza aproximada de 1,53%

etanol ao fluxo causa aumento de 1,98% neste parâmetro para borboleta aberta enquanto para borboleta parcialmente fechada o valor de lambda sobe 3,14%.