Ednir Luís Pedro Nigra Júnior
Análise da Influência da Temperatura e da
Pressão de Injeção e do Tipo de Combustível
nas Características do Spray de Injetores PFI
CAMPINAS 2016
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Rose Meire da Silva - CRB 8/5974
Nigra Júnior, Ednir Luís Pedro,
N568e NigAnálise da influência da temperatura e da pressão de injeção e do tipo de combustível nas características do spray de injetores PFI / Ednir Luís Pedro Nigra Júnior. – Campinas, SP : [s.n.], 2016.
NigOrientador: Rogério Gonçalves dos Santos.
NigDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica.
Nig1. Atomização. 2. Automóveis - Motores - Sistemas de injeção eletrônica de combustível. 3. Etanol. 4. Gasolina. I. Santos, Rogério Gonçalves dos,1978-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Analysis of temperature influence and the injection pressure and
the fuel type in the spray characteristics of PFI injectors
Palavras-chave em inglês:
Atomization
Automobiles - Spark ignition engines - Electronic fuel injection systems Ethanol
Gasoline
Área de concentração: Térmica e Fluídos Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica Banca examinadora:
Rogério Gonçalves dos Santos [Orientador] Erick de Moraes Franklin
Guenther Carlos Krieger Filho
Data de defesa: 29-02-2016
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica
Aos meus pais Ednir Luíz e Maria, por serem grandes exemplos a quem eu pudesse me espelhar. A minha noiva Mariele, que abdicou de tantos momentos juntos a mim para realização deste trabalho. Ao meu irmão Fabiano e familiares que me apoiaram e incentivaram a atingir os meus objetivos.
Agradeço primeiramente a Deus que colocou em meu caminho apenas pessoas que foram extre-mamente dedicadas e fraternas, que me ajudaram diretamente ou indiretamente para a conclusão deste trabalho.
Ao meu orientador, Professor Dr. Rogério Gonçalves dos Santos, um companheiro de percurso e de discussões profícuas, dentro e fora do contexto deste trabalho, que além de acreditar em mim, me incentivou e sempre esteve pronto para me ajudar, sanando as inúmeras dúvidas que surgiram durante o percurso.
A empresa Magneti Marelli Sistemas Automotivos Ltda. - Divisão Powertrain Brasil, por fi-nanciar meu projeto e disponibilizar o aparato experimental laser para a realização de testes, em especial aos senhores: Fernando Luiz Windlin, Guilherme H. Mayer Alegre, Diogo Pereira Bessa, Clóvis de Araújo Belcari, Arthur Vieira de Oliveira, Alessandro Carlos da Silva e Adri-ano da Silva Mata.
Ao Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, que disponibilizou o Laboratório de Combustão e equipamentos para a realização de testes, em especial Professor Guenther Carlos Krieger Filho, Newton Kiyoshi Fukumasu e Rafael da Cruz Ribeiro Berti.
Ao Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, que disponibilizou o Laboratório de Combustíveis e Combustão e equipamentos para a realização de testes, em especial Professor José Eduardo Mautone Barros, Carlos Alberto Gomes Júnior e Márcio Expedito Guzzo.
Aos engenheiros Thomas Maciel Moura e Marco Antônio Leal Pilato e ao físico Marcelo Re-nato Cavaglieri que me auxiliaram no projeto e modificação do PDPA - aparato experimental Unicamp.
Aos técnicos do laboratório CEPETRO-Unicamp Carlos Eduardo Perles e Marta Chagas Fer-nandes pelo apoio prestado na medição da densidade dos fluidos de testes.
Aos docentes e funcionários do Departamento de Energia da Faculdade de Engenharia Me-cânica da Unicamp que contribuíram diretamente ou indiretamente no desenvolvimento deste trabalho, em especial aos técnicos Adriano Navarro de Moraes, Alcimar A. Silveira e Luiz Carlos Biason Júnior.
Aos colegas de departamento pela amizade, apoio e incentivo, em especial ao Allan Gilmour Anderson, Bruno Pelisson Chimetta, Fernando David Cúñez Benalcázar, Henrique Pelisson Chimetta, Jan Mateu Armegol, João Luis Wenzel, Marcos Roberto Mendes Penteado e Marina Weyl Costa.
A CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, pelo indispensável apoio financeiro.
impedem de caminhar. Mesmo as críticas nos auxiliam muito.
Os fenômenos físicos que ocorrem nos sprays formados por injetores de combustível em-pregados em motores de combustão interna, têm sido amplamente estudados por pesquisadores do mundo inteiro. O interesse em estudar esses fenômenos advém da necessidade de reduzir a emissão de poluentes e o consumo de combustível, aumentar a eficiência de combustão do motor e analisar o comportamento dos diferentes combustíveis de nova geração que estão sendo inseridos no mercado. O processo de atomização que ocorre nos injetores de combustível apresenta forte relação com a posterior reação de combustão e, consequentemente, com a efici-ência do motor, além de ter um papel fundamental na partida a frio dos motores. No presente trabalho, experimentos foram realizados com o objetivo de analisar a influência da temperatura e pressão de injeção e do tipo de fluido de teste nos parâmetros de atomização (características microscópicas) e nos ângulos do cone do spray (característica macroscópica) de injetores empregados em sistemas de injeção indireta. Etanol hidratado, gasolina comercial padrão tipo C e n-heptano foram usados como fluidos de testes. Três diferentes aparatos experimentais foram utilizados para a realização das medições, sendo que dois deles foram usados para a determinação das características microscópicas do spray. A técnica de diagnóstico óptico Analisador de Partículas por Efeito Doppler (PDPA) foi utilizada para medir a distribuição dos diâmetros e a componente axial da velocidade das gotas, enquanto que os ângulos do cone do spray foram determinados através de técnica fotográfica. As medições dos ângulos do cone do spray ocorreram a 100 mm do orifício de descarga do injetor com os fluidos de testes a temperatura ambiente e pressão de injeção constante. Os parâmetros de atomização foram determinados para três diferentes temperaturas dos fluidos de testes, duas pressões de injeção e em seis diferentes posições axiais do orifício de descarga. O resultado para os ângulos do cone do spray, mostraram que o etanol hidratado tem o ângulo de abertura entre dois jatos consecutivos ligeiramente maior comparado aos outros fluidos de testes. Para os parâmetros de atomização, os resultados indicaram que a distribuição das gotas tende a apresentar gotas com menores diâmetros e maiores velocidades ao se aumentar a temperatura dos fluidos de testes, assim como as pressões de injeção. Além disso, verificou-se que quanto mais distante do injetor, maior será o diâmetro das gotas e menor será a sua velocidade. O comparativo entre os fluidos de testes apresentou que o n-heptano tende a ter maiores velocidades de gotas, en-quanto que a gasolina exibiu gotas com menores diâmetros para as condições de testes adotadas.
Palavras-chave: Ângulos do cone do spray, Atomização, Distribuição dos diâmetros das gotas, Injetores de combustível, Etanol, Gasolina, N-heptano, PDPA.
The physical phenomena that occur in the spray formed by the fuel injectors used in internal combustion engines have been widely studied by researchers worldwide. The interest in studying these phenomena arises from the need to reduce pollutant emissions and fuel consumption, to increase the engine combustion efficiency and analyze the behavior of different new generation of fuel being placed on the market. The atomization process that occur in the fuel injector has a strong relationship with the subsequent combustion reaction and thus with the engine efficiency as well as having a key role in cold starting of the engine. In the present study, experiments were conducted in order to analyze the influence of temperature and injection pressure and the type of test fluid in the atomization parameters (microscopic characteristics) and the spray cone angle (macroscopic characteristic) of the injectors used in port fuel injection systems. Hydrous ethanol, Brazilian standard commercial gasoline type C and n-heptane were used as test fluids. Three different experimental apparatus were used for carrying out the measurements, two of which were used to determine the microscopic spray characteristics. The optical diagnostic technique known as Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA) was used to measure the distribution of the diameters and the axial component of velocity of the droplets, while the spray cone angles were determined using photographic technique. Measurements of the spray cone angles occurred at 100 mm from the nozzle with the test fluid at room temperature and constant injection pressure. The atomization parameters were determined for three different temperatures of the test fluid, two injection pressures and six different axial distances of the nozzle. The result for the spray cone angles showed that hydrous ethanol has the angle between two consecutive jets slightly higher compared to the other test fluids. For the atomization parameters, results indicated that droplet distributions tend to droplets with smaller diameters and higher velocities to increase the temperature of the test fluid as well as injection pressures. Moreover, it was found that further the nozzle, the droplet diameter will be larger and its velocity will be lower. The comparison between the test fluids showed that n-heptane tends to have higher droplet velocities, while the gasoline droplets exhibited smaller diameters for the adopted test conditions.
Keywords: Spray cone angles, Atomization, Drop Size Distributions, Fuel injectors, Ethanol, Gasoline, N-heptane, PDPA.
2.1 Sistemas de injeção de combustível: (a) Sistema de injeção indireta e (b) Sis-tema de injeção direta. Fonte: Bosch (2016). . . 23 2.2 Sistema de alimentação de ar/combustível empregados em motores de injeção
indireta. Fonte: Fajgenbaum (2013). . . 24 2.3 Componentes que compõem os injetores PFI. Fonte: Fajgenbaum (2013). . . . 25 2.4 Diagrama esquemático do spray de injetores de combustível. Adaptado de:
McAllister e outros (2011). . . 25 2.5 Ângulos do cone do spray. (Cortesia da Magneti Marelli Sistemas Automotivos
Ltda.). . . 26 2.6 Técnicas não intrusivas para a medição das características de sprays. Fonte:
Souza (2009). . . 32 2.7 Padrão de franjas interferométricas formada pelo entrecruzamento de dois
fei-xes laser. Adaptado de: Artium (2010). . . 33 2.8 Sinal tipo Doppler formado pela passagem de partículas esféricas em diferentes
posições do padrão de interferência. Adaptado de: Artium (2010). . . 34 2.9 Diferenças de fase que ocorrem quando partículas com diferentes diâmetros
passam através do padrão de franjas de interferências: (a) Partícula com menor diâmetro e (b) Partícula com maior diâmetro. Adaptado de: Artium (2010). . . . 34 3.1 Injetor de combustível PFI quatro furos. Fonte: Autor. . . 37 3.2 Injetor de combustível PFI mono-furo. Fonte: Autor. . . 38 3.3 Densímetro DMA4500 - Anton Paar. Fonte: PETROTECH Analytical Company
(2016). . . 40 3.4 Variação da densidade em função da temperatura do etanol, gasolina e n-heptano. 41 3.5 Reômetro rotativo HAAKE MARS III. Fonte: Fajgenbaum (2013). . . 41 3.6 Variação da viscosidade dinâmica do etanol em função da temperatura. Fonte:
Fajgenbaum (2013). . . 42 3.7 Variação da viscosidade dinâmica da gasolina em função da temperatura. Fonte:
Fajgenbaum (2013). . . 42 3.8 Variação da viscosidade dinâmica do n-heptano em função da temperatura.
Fonte: Matos e outros (2001). . . 43 3.9 Variação da tensão superficial do etanol em função da temperatura. Fonte:
Váz-quez e outros (1995). . . 44 3.10 Variação da tensão superficial do n-heptano em função da temperatura. Fonte:
Mohsen-Nia e outros (2010). . . 45 3.11 Esquema do aparato experimental laser. . . 46
3.14 Fonte de alimentação e multímetro utilizados em conjunto com o sistema óptico de medição. Fonte: Autor. . . 48 3.15 Configuração do conjunto de lentes. Fonte: Autor. . . 49 3.16 Matrix do Patternator. Fonte: Luccioni Mobility (2014). . . 50 3.17 Distribuição de massa de um injetor PFI quatro-furos. (Cortesia da Magneti
Marelli Sistemas Automotivos Ltda.). . . 50 3.18 Configuração esquemática de teste do Patternator. Fonte: Hung e outros (2008). 51 3.19 Imagem característica do spray do n-heptano. Fonte: Autor. . . 51 3.20 Diagrama esquemático dos ângulos do cone do spray: 𝛽 esquerdo, 𝛼 e 𝛽 direito.
(Cortesia da Magneti Marelli Sistemas Automotivos Ltda.). . . 52 3.21 Diagrama esquemático do PDPA - aparato experimental UFMG. . . 53 3.22 Vaso de pressão do PDPA - aparato experimental UFMG. Fonte: Autor. . . 54 3.23 Medição das características microscópicas do spray através da técnica PDPA.
Fonte: Autor. . . 55 3.24 Configuração de posicionamento forward scattering. Fonte: Artium (2010). . . 56 3.25 Bancada experimental antes da modificação. Fonte: Fajgenbaum (2013). . . 57 3.26 Dispositivo portátil: a) diagrama esquemático do dispositivo e b) dispositivo
acoplado no traverse. . . 58 3.27 Esquema dos sistemas hidráulico e térmico do PDPA - aparato experimental
Unicamp. . . 59 3.28 Trocador de calor e tanque de combustível do PDPA - aparato experimental
Unicamp. Fonte: Autor. . . 60 3.29 Termopar instalado na entrada do injetor. Fonte: Autor. . . 60 3.30 Diagrama esquemático do sistema eletrônico do PDPA - aparato experimental
Unicamp. Fonte: Fajgenbaum (2013). . . 61 3.31 Imagem característica de uma medição utilizando o equipamento PDI-300 MD.
Fonte: Autor. . . 62 3.32 Painel de controle do driver de pilotagem para seleção dos parâmetros de
fun-cionamento do injetor. Fonte: Autor. . . 63 3.33 Dispositivo de calibração do entrecruzamento dos feixes laser do PDI. Fonte:
Autor. . . 64 4.1 Centro de massa dos jatos do injetor PFI quatro furos. . . 67 4.2 Relação jato/orifício de descarga do injetor testado no Patternator. . . 68 4.3 Medição dos ângulos do cone do spray do n-heptano através do aparato
experi-mental laser. . . 69 4.4 Velocidade das gotas em função de seus diâmetros para o etanol, E50 e gasolina. 72 4.5 Distribuição dos diâmetros das gotas do etanol, E50 e gasolina. . . 74
(c) 50 mm; (d) 75 mm; (e) 100 mm e (f) 125 mm. . . 78 4.7 Função densidade de probabilidade da velocidade das gotas de etanol para a
pressão de injeção de 300 kPa e posições axias de medições: (a) 10 mm; (b) 25 mm; (c) 50 mm; (d) 75 mm; (e) 100 mm e (f) 125 mm. . . 79 4.8 Função densidade de probabilidade do diâmetro das gotas de etanol para a
pres-são de injeção de 420 kPa e posições axias de medições: (a) 10 mm; (b) 25 mm; (c) 50 mm; (d) 75 mm; (e) 100 mm e (f) 125 mm. . . 81 4.9 Função densidade de probabilidade da velocidade das gotas de etanol para a
pressão de injeção de 420 kPa e posições axias de medições: (a) 10 mm; (b) 25 mm; (c) 50 mm; (d) 75 mm; (e) 100 mm e (f) 125 mm. . . 82 4.10 Componente axial da velocidade das gotas em função de seus diâmetros para a
temperatura de 0 ∘C do etanol: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa. . . 84 4.11 Componente axial da velocidade das gotas em função de seus diâmetros para a
temperatura de 60∘C do etanol: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa. . . 85 4.12 Componente axial da velocidade das gotas em função de seus diâmetros para a
temperatura de 30∘C do etanol: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa. . . 87 4.13 Função densidade de probabilidade do diâmetro das gotas de gasolina para 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. . . . 88 4.14 Função densidade de probabilidade da velocidade das gotas de gasolina para 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. . . . 90 4.15 Componente axial da velocidade das gotas em função de seus diâmetros para a
temperatura de 0∘C da gasolina: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa. . . 91 4.16 Componente axial da velocidade das gotas em função de seus diâmetros para a
temperatura de 60∘C da gasolina: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa. . . 93 4.17 Função densidade de probabilidade do diâmetro das gotas de n-heptano para 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. . . . 94 4.18 Função densidade de probabilidade da velocidade das gotas de n-heptano para
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. . . . 95
(c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa. . . 98 4.20 Componente axial da velocidade das gotas em função de seus diâmetros para a
temperatura de 60∘C do n-heptano: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa. . . 99 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. . . 101 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. . . 103 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. . . 105 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. . . 106
2.1 Diâmetro médio das gotas e suas aplicações. Fonte: Lefebvre (1989) . . . 28
3.1 Especificações técnicas do injetor de combustível PFI quatro furos. . . 37
3.2 Especificações técnicas do injetor de combustível PFI mono-furo. . . 38
3.3 Propriedades dos combustíveis. . . 39
3.4 Fluidos de testes, parâmetros de injeção e pontos de medição. . . 65
4.1 Ângulos 𝛼 dos quatro jatos obtidos pelo Patternator. . . 67
4.2 Ângulos do cone do spray obtidos pelo aparato experimental laser. . . 68
4.3 Resultados experimentais do SMD dos fluidos de testes utilizados no presente trabalho. . . 71
4.4 Fluidos de testes utilizados no PDPA - aparato experimental Unicamp. . . 76
A.1 Valores medidos dos ângulos 𝛼, 𝛽 esquerdo e 𝛽 direito do cone do spray da gasolina. . . 118
B.1 Valores experimentais do SMD (d32) e da componente axial da velocidade das gotas dos sprays dos fluidos de testes utilizados no presente trabalho. . . 119
C.1 Conjunto de dados operacionais do equipamento PDI-300 MD. . . 125 C.2 Incerteza-padrão combinada de medição das gotas do etanol hidratado à 60∘C. 126
Letras Latinas
𝐴 - Área do orifício de descarga do injetor [m2]
𝐶𝐷 - Coeficiente de arrasto da gota [-]
𝑑 - Diâmetro das gotas [m]
𝑓𝑑 - Frequência Doppler [Hz]
𝑘𝑣 - Coeficiente de velocidade [-]
𝑚 - Índice de refração das gotas [-]
˙
𝑚 - Vazão mássica do injetor de combustível [kg/s]
𝑛 - Número de observações individuais [-]
¯
𝑞 - Média aritmética de n observações [-]
𝑞𝑘 - Valor das observações individuais [-]
𝑠(¯𝑞) - Desvio-padrão experimental da média [-]
𝑠(𝑞𝑘) - Desvio-padrão experimental [-]
𝑠𝑠(¯𝑞) - Quantidade de algarismos significativos para o desvio-padrão experimental da média
[-]
𝑠2(¯𝑞) - Variância experimental da média [-]
𝑠2(𝑞
𝑘) - Variância experimental [-]
𝑢𝑑 - Incerteza-padrão combinada do diâmetro [-]
𝑢𝛾 - Incerteza-padrão do ângulo de intersecção dos feixes la-ser
[-]
𝑢𝑚 - Incerteza-padrão do índice de refração das gotas [-]
𝑢𝜑 - Incerteza-padrão do posicionamento do receptor e do emissor
[-]
𝑢𝑣 - Incerteza-padrão combinada da velocidade [-]
𝑢(𝑥𝑖) - Incerteza-padrão [-]
𝑢2
𝑑 - Variância-padrão combinada do diâmetro [-]
𝑢2
𝑣 - Variância-padrão combinada da velocidade [-]
𝑢2
𝑐(𝑦) - Variância-padrão combinada [-]
𝑣 - Velocidade das gotas [m/s]
𝑋 - Razão entre a área do núcleo de ar com a área do orifício de descarga do injetor
𝛼 - Ângulo do spray entre o centro de dois jatos consecutivos [ ]
𝛽 - Ângulo de abertura do jato do spray [∘]
𝛿 - Espaçamento entre as franjas de interferência [nm]
∆ - Comprimento de onda espacial [nm]
∆𝑃𝐿 - Diferencial de pressão de injeção [Pa]
𝛾 - Ângulo de intersecção entre feixes laser [∘]
𝜆 - Comprimento de onda dos feixes laser incidentes [nm]
𝜑 - Ângulo de direção da dispersão de luz laser [∘]
𝜌 - Densidade do fluido de teste [kg/m3]
Siglas
CTM - Centro de Tecnologia da Mobilidade - UFMG
ECU - Engine Control Unit
MCI - Motor de Combustão Interna
PDA - Phase Doppler Anemometry
PDI - Phase Doppler Interferometry
PDF - Função Densidade de Probabilidade
PDPA - Phase Doppler Particle Analyzer
PFI - Port Fuel Injection
PWM - Pulse Width Modulation
SMD - Sauter Mean Diameter
UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais Unicamp - Universidade Estadual de Campinas
Subscrito d - Diâmetro L - Liquido v - Velocidade
1 INTRODUÇÃO 19
1.1 Objetivos . . . 20
1.2 Organização da dissertação . . . 21
1.3 Recursos . . . 22
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 23 2.1 Sistemas de injeção indireta . . . 23
2.2 Características do spray . . . 24
2.2.1 Características macroscópicas do spray . . . 26
Ângulos do cone do spray . . . 26
Penetração do spray . . . 27
2.2.2 Características microscópicas do spray . . . 27
Diâmetro médio das gotas . . . 27
Distribuição dos diâmetros das gotas . . . 28
2.3 Parâmetros que afetam as características do spray . . . 29
2.3.1 Propriedades do líquido . . . 29
2.3.2 Condições de operação do injetor . . . 31
2.4 Equipamentos ópticos de medição . . . 32
2.4.1 Analisador de partículas por efeito Doppler (PDPA) . . . 33
3 MATERIAIS E MÉTODOS 36 3.1 Injetores de combustível . . . 36
3.1.1 Injetor de combustível PFI multi-furos . . . 37
3.1.2 Injetor de combustível PFI mono-furo . . . 38
3.2 Combustíveis . . . 39
3.3 Aparato experimental laser . . . 46
3.3.1 Sistema de injeção de combustível: aparato experimental laser . . . 46
3.3.2 Sistema óptico de medição: aparato experimental laser . . . 47
3.3.3 Procedimentos e condições de testes . . . 49
3.4 PDPA - Aparato experimental UFMG . . . 52
3.4.1 Sistema de injeção de combustível: PDPA - Aparato experimental UFMG 53 3.4.2 Sistema óptico de medição: PDPA - Aparato experimental UFMG . . . 54
3.4.3 Procedimentos e condições de testes . . . 55
3.5 PDPA - Aparato experimental Unicamp . . . 57 3.5.1 Sistemas hidráulico e térmico: PDPA - Aparato experimental Unicamp . 58
3.5.4 Procedimentos e condições de testes . . . 62
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 66 4.1 Aparato experimental laser . . . 66
4.1.1 Medições do Patternator . . . 66
4.1.2 Medições do aparato experimental laser . . . 68
4.2 PDPA - Aparato experimental UFMG . . . 70
4.2.1 Diâmetro médio de Sauter (SMD) . . . 70
4.2.2 Velocidade das gotas . . . 71
4.2.3 Distribuição dos diâmetros das gotas . . . 74
4.3 PDPA - Aparato experimental Unicamp . . . 75
4.3.1 Etanol hidratado . . . 76
4.3.2 Gasolina tipo C . . . 86
4.3.3 N-heptano . . . 92
4.3.4 Comparativo entre os fluidos de testes . . . 100
5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS 108 5.1 Conclusões . . . 108
5.2 Sugestões para trabalhos futuros . . . 110
Referências 112 APÊNDICES 115 A – Análise de incerteza do aparato experimental laser 116 A.1 Desenvolvimento da análise de incerteza de medição . . . 116
A.2 Resultados da análise de incerteza . . . 117
B – Análise de incerteza do PDPA - aparato experimental UFMG 119 C – Análise de incerteza do PDPA - aparato experimental Unicamp 121 C.1 Desenvolvimento da análise de incerteza de medição . . . 121
C.2 Resultados da análise de incerteza . . . 125
D – Artigo publicado em anais do congresso JEM 2015 127
1
INTRODUÇÃO
A crescente demanda do consumo de combustíveis fósseis, tais como o petróleo, gás na-tural e o carvão, para a obtenção de energia em aplicações comerciais, industriais e meios de transporte tem provocado uma degradação do meio-ambiente, pois a queima desses combustí-veis geram emissões de poluentes e gases do efeito estufa. Além disso, esses tipos de combus-tíveis são derivados de fontes não renováveis, sendo que no futuro tendem a se esgotar.
A fim de atenuar os efeitos adversos do consumo dos combustíveis fósseis, fontes reno-váveis de energia estão sendo desenvolvidas em todo o mundo. Um exemplo de fonte renovável utilizada no Brasil é o bio-combustível etanol que pode ser produzido a partir da cana-de-açúcar e também do seu bagaço e da sua palha, tendo aplicações em diversas áreas, tal como em meios de transporte (ANP, 2016). Dados da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocom-bustíveis (ANP), indicam que a produção de etanol hidratado tem aumentado nos últimos anos atingindo o valor de aproximadamente 29 milhões de metros cúbicos em 2014 e também in-formam que no mesmo ano houve um aumento de 10,5% em sua venda comparado a 2013 (ANP, 2015).
O etanol tem sido amplamente utilizado como o único combustível ou em misturas com gasolina e diesel nos meios de transporte brasileiros. Tais meios de transporte, utilizam os mo-tores de combustão interna (MCI) como a principal forma de converter a energia química dos combustíveis em energia mecânica. Para que ocorra essa conversão, primeiramente é necessário vaporizar e formar uma mistura de ar/combustível, também conhecida como mistura carburada, para posteriormente poder ocorrer a combustão e assim obter a energia desejada.
O conjunto de componentes atualmente utilizado e responsável por fornecer a mistura de ar/combustível desejada aos MCIs é denominado de sistema de injeção eletrônica. Esse sistema é composto por um conjunto complexo de sensores e atuadores que tem como objetivo controlar a quantidade de combustível a ser adicionada ao ar, a fim de se obter a melhor relação ar/com-bustível para os diversos níveis de carga solicitados ao motor durante o seu funcionamento.
Nos dias atuais, os sistemas de injeção eletrônica empregados nos carros de passeio que utilizam MCIs ciclo Otto são conhecidos como sistemas de injeção indireta (em inglês: Port Fuel Injection ou PFI) e sistemas de injeção direta (em inglês: Gasoline Direct Injection ou GDI). Nos sistemas de injeção indireta, normalmente os injetores de combustível são posicio-nados no fim dos condutos do coletor de admissão com o propósito de direcionar o spray no sentido da entrada da válvula de admissão, local onde a mistura de ar/combustível ocorrerá para posteriormente ser utilizada na câmara de combustão do motor.
Os injetores de combustível, também denominados de bicos injetores, são responsáveis tanto por fornecer a quantidade correta de combustível e direcionar o spray, quanto por atomizar o combustível a ser utilizado. A finalidade em atomizar o fluido que passa pelos injetores é transformar a fase líquida contínua em pequenas gotículas. Isso facilita a evaporação para que, assim, ocorra mais facilmente a mistura de ar/combustível e a subsequente reação de combustão. Muitas das pesquisas relacionadas com os sprays formados em injetores de combustível, têm sido conduzidas no mundo inteiro a fim de se entender a física das características macros-cópicas e microsmacros-cópicas do spray com o objetivo de reduzir a emissão de poluentes, diminuir o consumo de combustível e aumentar a eficiência de combustão do motor. No entanto, os fenô-menos físicos que ocorrem nos sprays de etanol e misturas de etanol com gasolina formados por injetores de combustível utilizados em sistemas PFI, ainda têm sido pouco estudados. Assim, poucas referências são encontradas na literatura que possam auxiliar no desenvolvimento de novos injetores (ANANDe outros, 2012). Portanto, o estudo de tal fenômeno se mostra
impor-tante para o levantamento de dados com o propósito de serem utilizados no desenvolvimento de injetores mais eficientes.
Com o objetivo de agregar novas informações à literatura sobre os fenômenos envolvidos nos sprays de injetores PFI, o presente trabalho almeja estudar a influência da temperatura e da pressão de injeção e do tipo de fluido de teste nas características microscópicas e macroscópicas do spray de injetores PFI. Para se determinar as características microscópicas ou parâmetros de atomização, a técnica de diagnóstico óptico denominada de Analisador de Partículas por Efeito Doppler (PDPA) foi utilizada de maneira a medir o diâmetro médio de Sauter (SMD), as dis-tribuições dos diâmetros e das velocidades das gotas de três diferentes fluidos de testes: etanol hidratado, gasolina comercial padrão tipo C e n-heptano. Para a caracterização macroscópica do spray, um aparato experimental laser que utiliza técnica fotográfica de medição foi usado a fim de determinar os ângulos do cone do spray.
1.1 Objetivos
O presente trabalho tem como objetivo principal analisar a influência das temperaturas dos fluidos de testes, das pressões de injeção e dos tipos de combustíveis no comportamento das características macroscópicas e microscópicas do spray de injetores PFI. Para isto, foram estabelecidos os seguintes objetivos específicos:
∘ Levantamento experimental do aspecto macroscópico denominado de ângulos do cone do spray de três diferentes fluidos de testes formado por um injetor PFI quatro furos.
∘ Adaptação do PDPA - aparato experimental Unicamp para medições das características microscópicas do spray;
∘ Investigação experimental dos parâmetros de atomização do spray de três diferentes flui-dos de testes formado por um injetor PFI quatro furos e um mono-furo;
∘ A partir dos dados experimentais, determinar as distribuições dos diâmetros e das ve-locidades das gotas dos três fluidos de testes para cada temperatura do fluido, ponto de medição e pressão de injeção;
1.2 Organização da dissertação
Essa dissertação está dividida nos seguintes capítulos:
No capítulo 1 foi apresentada a introdução, contextualizando o leitor sobre o tema e os objetivos do presente trabalho.
O Capítulo 2 apresentará uma breve revisão da literatura, onde abordará os principais de-talhes dos sistemas de injeção indireta, das características macroscópicas e microscópicas do spray e dos parâmetros que afetam essas características, e por último será mostrado os funda-mentos da técnica óptica de medição PDPA.
No capítulo 3 será descrito os aparatos experimentais e as técnicas de medição utilizadas, assim como o procedimento experimental adotado para a realização dos testes em cada aparato. No capítulo 4 será apresentado e discutido os resultados das características macroscópicas e microscópicas do spray obtidas por meio dos três diferentes aparatos experimentais.
No capítulo 5, a conclusão sobre o que foi realizado no decorrer do presente trabalho e sugestões de estudos futuros serão feitas;
O apêndice A traz uma breve descrição da análise de incerteza dos resultados obtidos no aparato experimental laser.
No apêndice B, será apresentado as incertezas de medições dos resultados obtidos no PDPA - aparato experimental UFMG.
No apêndice C, a metodologia para a obtenção das incertezas de medições dos resultados obtidos no PDPA - aparato experimental Unicamp será apresentada.
O apêndice D contempla o artigo publicado em anais de congresso da IV Jornadas em Escoamentos Multifásicos (JEM).
O apêndice E traz o artigo publicado em anais de congresso do 23𝑜 ABCM Congresso Internacional de Engenharia Mecânica (COBEM).
1.3 Recursos
O presente trabalho de pesquisa foi financiado por três instituições:
∘ Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) - Bolsa-auxílio financeiro ao aluno no decorrer dos 24 meses de seu mestrado através do processo número 33003017;
∘ Empresa Magneti Marelli Sistemas Automotivos Ltda. - Divisão Powertrain Brasil - For-necimento de matéria-prima, know-how, manutenção de equipamentos e construção do novo dispositivo para o PDPA - aparato experimental Unicamp;
∘ Fundo de Apoio ao Ensino, à Pesquisa e à Extensão (FAEPEX-Unicamp) - Auxílio à pesquisa concedido para a compra de materiais de consumo, materiais permanentes, con-tratação de serviços e encargos.
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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo será realizada uma breve revisão da literatura, apresentando os detalhes principais dos sistemas de injeção indireta, descrevendo as características macroscópicas e mi-croscópicas do spray, inclusive dos parâmetros que afetam essas características e por último será mostrado os fundamentos da técnica óptica de medição PDPA.
2.1 Sistemas de injeção indireta
O atual cenário automotivo brasileiro, emprega em seus motores de combustão interna (MCIs) ciclo Otto, dois tipos de sistemas de injeção de combustível: injeção indireta e injeção direta (SOUZA, 2009).
O sistema de injeção indireta ou port fuel injection (PFI), Figura 2.1a, tem como carac-terística principal gerar o spray e a mistura de ar/combustível no coletor de admissão e operar com pressões na faixa de 300 a 600 kPa. Já o sistema de injeção direta ou gasoline direct injec-tion (GDI), Figura 2.1b, a injeção de combustível e a formação da mistura carburada ocorrem no interior da câmara de combustão e esse sistema opera com pressões na ordem de 1 MPa
(FAJGENBAUM, 2013).
(a) (b)
Figura 2.1: Sistemas de injeção de combustível: (a) Sistema de injeção indireta e (b) Sistema de injeção direta. Fonte: Bosch (2016).
Os modernos sistemas PFI utilizam múltiplos pontos de injeção de combustível. Neste tipo de sistema, os injetores são fixados à galeria de combustível, que por sua vez, é fixada na porção final dos condutos do coletor de admissão (Figura 2.2). O spray de combustível é
direcionado na entrada da válvula de admissão do motor, pois o contato das gotículas do spray com a válvula relativamente quente irá beneficiar a evaporação das mesmas e, ainda, auxiliar no resfriamento da vávula (PULKRABEK, 2004). Os injetores de combustível utilizados nesse tipo
de sistema de injeção, também, são denominados de PFI (port fuel injector).
Figura 2.2: Sistema de alimentação de ar/combustível empregados em motores de injeção indi-reta. Fonte: Fajgenbaum (2013).
Os injetores de combustível são responsáveis tanto por fornecer a quantidade correta de combustível para os diversos níveis de carga solicitadas ao motor durante o seu funcionamento, quanto direcionar e atomizar o spray. A quantidade de combustível a ser injetada, é contro-lada por uma central eletrônica que envia pulsos elétricos ao injetor. Os pulsos elétricos irão energizar o componente do injetor denominado de carretel (Figura 2.3). No interior do carretel, um campo magnético se formará. Esse campo magnético comprimirá a mola, que por sua vez, irá deslocar o obturador que obstrui os orifícios de descarga do injetor. Assim, a passagem do fluido é liberada durante a duração do pulso elétrico.
O tempo completo do pulso elétrico, ou seja, o tempo de abertura do injetor somado com o tempo de injeção mais o tempo de fechamento da válvula, é denominado de modulação de largura de pulso ou Pulse Width Modulation (PWM).
2.2 Características do spray
Os sprays formados por injetores de combustível apresentam características macroscó-picas e microscómacroscó-picas. Na Figura 2.4, pode ser observado que as características macroscópi-cas estão relacionadas com o comprimento de penetração do jato e com o ângulo do cone do spray, enquanto que as microscópicas envolvem os fenômenos que ocorrem na quebra
primá-Figura 2.3: Componentes que compõem os injetores PFI. Fonte: Fajgenbaum (2013). ria e secundária (também conhecidas como primeira e segunda atomização, respectivamente) e evaporação/formação da mistura.
Figura 2.4: Diagrama esquemático do spray de injetores de combustível. Adaptado de: McAl-lister e outros (2011).
A seguir será realizada uma breve apresentação das características do spray importantes para o entendimento do presente trabalho.
2.2.1 Características macroscópicas do spray
As características macroscópicas do spray formado por injetores de combustível são im-portantes para a avaliação do processo de combustão. Essas características podem ser divididas em diversos parâmetros como: dispersão, ângulos do cone, padronização, distribuição radial e circunferencial (LEFEBVRE, 1989). Na próxima seção, será realizada uma breve definição dos
ângulos do cone do spray, pois foi a característica macroscópica estudada neste trabalho.
Ângulos do cone do spray
O ângulo do cone é um indicador qualitativo de quão bem o spray se dispersa. Para o caso de injetores de combustível automotivos, o atomizador pode conter um ou mais orifícios de descarga. Devido à quantidade de orifícios, o spray pode ser mono-jato, bi-jato e assim por diante. Ainda, dependendo do tipo de atomizador, três diferentes tipos de ângulos podem ser produzidos. A título de exemplo, a Figura 2.5 apresenta os ângulos do cone do spray formado por um injetor que contém quatro orifícios de descarga (também conhecido por injetor quatro furos).
Figura 2.5: Ângulos do cone do spray. (Cortesia da Magneti Marelli Sistemas Automotivos Ltda.).
Analisando a Figura 2.5, visualiza-se que o injetor quatro furos apresenta três ângulos diferentes. O ângulo 𝛽 mede a abertura de apenas um jato (oriundo de um orifício de descarga). O ângulo 𝛼 determina a abertura entre dois jatos consecutivos. O ângulo 𝛾 mede a inclinação dos jatos com relação ao eixo vertical do injetor.
Penetração do spray
Segundo Lefebvre (1989), a penetração pode ser definida como a máxima distância al-cançada pelo jato do spray quando injetado em uma atmosfera estática. Para a medição desse parâmetro, utiliza-se como ponto inicial o orifício de descarga do injetor e como ponto final onde o spray termina.
A penetração do spray é de grande importância no projeto de MCIs. A determinação desse parâmetro, minimiza o choque do spray com as paredes dos condutos e, por conseguinte, a perda de combustível (FAJGENBAUM, 2013).
2.2.2 Características microscópicas do spray
As características microscópicas do spray, também denominadas de parâmetros de ato-mização, utilizadas no presente trabalho serão descritas a seguir.
Diâmetro médio das gotas
Em sprays formados por injetores de combustível automotivos, as gotas não possuem tamanhos uniformes devido à interações entre elas e à sua própria natureza heterogênea
(LEFEBVRE, 1989).
A fim de se criar um parâmetro de atomização relacionado com os diâmetros das gotas dos sprays, estabeleceu-se uma média de diâmetros que pudesse representar um grupo amostral de gotas. Nesse sentido, Mugele e Evans (1951) propuseram uma relação geral para determinar o diâmetro médio das gotas de sprays formados por injetores (Equação 2.1).
𝐷𝑎𝑏 = (︂ ∑︀∞ 𝑖=1𝑁𝑖· 𝐷𝑖𝑎 ∑︀∞ 𝑖=1𝑁𝑖· 𝐷 𝑏 𝑖 )︂𝑎−𝑏1 (2.1) Onde D é o diâmetro representativo , a e b são os índices que dependem do tipo de média que se quer calcular e N é o número de gotas de uma determinada amostra contendo o diâmetro D.
en-contrados na tabela 2.1.
Tabela 2.1: Diâmetro médio das gotas e suas aplicações. Fonte: Lefebvre (1989)
a b (ordem)a+b Símbolo Diâmetro médio Expressão Aplicação
1 0 1 D10 Aritmético ∑︀ 𝑁𝑖· 𝐷𝑖 ∑︀ 𝑁𝑖 Comparações 2 0 2 D20 Superficial (︂ ∑︀ 𝑁𝑖· 𝐷 2 𝑖 ∑︀ 𝑁𝑖 )︂12 Controle de área superficial 3 0 3 D30 Volumétrico (︂ ∑︀ 𝑁𝑖· 𝐷 3 𝑖 ∑︀ 𝑁𝑖 )︂13 Controle de volume, e.g., Hidrologia 2 1 3 D21 Superfície-aritmético ∑︀ 𝑁𝑖· 𝐷𝑖2 ∑︀ 𝑁𝑖 Absorção 3 1 4 D31 Volume-aritmético (︂ ∑︀ 𝑁𝑖· 𝐷 3 𝑖 ∑︀ 𝑁𝑖· 𝐷𝑖 )︂12 Evaporação, Difusão molecular 3 2 5 D32 Sauter (SMD) ∑︀ 𝑁𝑖· 𝐷𝑖3 ∑︀ 𝑁𝑖· 𝐷𝑖2 Transferência de Massa, Reação 4 3 7 D43 De Brouckere ou ∑︀ 𝑁𝑖· 𝐷𝑖4 ∑︀ 𝑁𝑖· 𝐷𝑖3 Combustão, Herdan Equilíbrio
Segundo Bayvel e Orzechowski (1993) e Lefebvre (1989), o diâmetro médio é um parâ-metro que fornece uma avaliação sobre a qualidade da atomização e não fornece informação sobre a gota em si.
Distribuição dos diâmetros das gotas
Conforme apresentado no item anterior, as gotas formadas em sprays de injetores tendem a variar em torno de um valor médio representativo. No entanto, esse valor médio pode ter uma grande variação, dependendo do tempo e da localização da medição. Devido a isso, tem-se adotado determinar a distribuição dos diâmetros das gotas em determinadas posições do spray, com o propósito de se conhecer como as gotas de diferentes diâmetros se distribuem ao longo do spray. Dessa forma, a distribuição dos diâmetros das gotas é outro parâmetro importante no estudo das características microscópicas.
correla-ções para a distribuição dos diâmetros das gotas através de dados de natureza empírica. Atual-mente, as funções empíricas que se destacam são a de Rosin-Rammler e Nukiyama-Tanasawa (PIRES, 2013).
Também se aplicam expressões matemáticas bem conhecidas para determinação da dis-tribuição dos diâmetros das gotas de spray, tais como a disdis-tribuição normal e log-normal
(LEFEBVRE, 1989).
Na literatura, como por exemplo Mugele e Evans (1951) e Lefebvre (1989), pode-se en-contrar um resumo completo das distribuições matemáticas e empíricas desenvolvidas por di-versos pesquisadores.
2.3 Parâmetros que afetam as características do spray
As características microscópicas do spray apresentadas na seção anterior, podem ser influ-enciadas por fatores associados com a geometria do atomizador e pelas condições de operação do injetor e, ainda, pelas propriedades do fluido de teste a ser atomizado e do ambiente no qual o fluido será injetado (LEFEBVRE, 1989).
No presente trabalho, os fatores que principalmente podem influenciar nas características são as condições de operação do injetor e as propriedades do fluido de teste, pois os fluidos de testes foram injetados com três diferentes temperaturas e em duas pressões de injeção. Assim, os fatores associados com a geometria do atomizador e com as propriedades do ambiente não serão descritos por fugirem do escopo do trabalho.
2.3.1 Propriedades do líquido
Conforme Lefebvre (1989), as propriedades do fluido de teste que mais influenciam na atomização são a densidade, a viscosidade e a tensão superficial.
A densidade, segundo Lefebvre (1989) e Bayvel e Orzechowski (1993), é a propriedade do fluido que tem menor influência nos parâmetros de atomização para diversos tipos de ato-mizadores, se comparada com a viscosidade e a tensão superficial. De acordo com os pesqui-sadores, isso ocorre pois essa propriedade pouco varia entre os fluidos que são utilizados em injetores. Além disso, ao se utilizar fluidos com diferentes densidades implica em uma grande alteração nos valores da viscosidade e tensão superficial, o que prejudica a análise da influência
da densidade.
Um dos objetivos de realizar o processo de atomização de líquidos concerne em aumentar a área superficial do líquido para que, assim, ocorra mais facilmente a sua evaporação ou ab-sorção. No entanto, segundo Lefebvre (1989), a tensão superficial é a propriedade que se opõe ao aumento dessa área superficial. Assim sendo, quanto maior for o valor da tensão superficial mais difícil será a ruptura do filme líquido em gotas. Devido a isso, a tensão superficial é um parâmetro muito importante na análise do processo de atomização.
Em relação à viscosidade, Lefebvre (1989) explica que é a propriedade mais importante na análise da atomização. Isso ocorre, pois uma variação no valor dessa propriedade ocasio-nará alterações tanto na distribuição dos diâmetros das gotas, quanto no padrão do spray e no escoamento através do orifício de descarga do injetor. Similarmente à tensão superficial, a visco-sidade também é relacionada com a dificuldade de quebrar o filme líquido em gotas e gotículas
(LEFEBVRE, 1989).
De acordo com Bayvel e Orzechowski (1993), cada propriedade do líquido descrita acima, pode ser relacionada com os diâmetros das gotas do spray da seguinte forma:
∘ Líquidos com densidade alta geram gotas com diâmetros pequenos;
∘ Líquidos com tensão superficial alta desintegram com diâmetros de gotas maiores; ∘ Líquidos com viscosidade alta desenvolvem diâmetros de gotas maiores.
Pesquisas relacionadas sobre a influência das propriedades do líquido nos parâmetros de atomização podem ser encontradas na literatura, tal como em Chen e outros (1991) e Goldsworthy e outros (2011).
A pesquisa conduzida por Chen e outros (1991), utilizou como fluidos de testes misturas de água e glicerina para obter uma variação na viscosidade num fator de 12 (0,001 a 0,012 kg/m.s). Os fluidos de testes foram injetados em atomizadores do tipo simplex mecânicos-centrífugos. Os pesquisadores concluíram que o aumento na viscosidade diminuiu a unifor-midade do spray gerando distribuições mais amplas de tamanhos de gotas além de conduzir a um aumento de 40% no SMD (de 37 a 52 𝜇m).
Mais recentemente, Goldsworthy e outros (2011) avaliaram o efeito da viscosidade nas velocidades e nos tamanhos das gotas do spray de diesel comum automotivo (0,0022 kg/m.s) e diesel com 75% canola (0,042 kg/m.s) injetados em atomizadores efervescentes. Os resultados
mostraram que o fluido de teste com maior viscosidade apresentou maiores diâmetros de gotas e, também, maiores velocidades.
Ainda relacionado com as propriedades do líquido, a temperatura do fluido de teste é um importante parâmetro que precisa ser levado em conta na análise dos parâmetros de atomização. Isso ocorre, pois ao variar a temperatura do fluido de teste, as suas propriedades também irão sofrer variações.
Em um estudo feito por Fajgenbaum e Santos (2015), buscou-se analisar a influência da temperatura da gasolina tipo C e do etanol hidratado nos parâmetros de atomização do spray de um injetor PFI quatro furos. Os pesquisadores variaram a temperatura dos fluidos na faixa de 16 a 55∘C e realizaram as medições dos parâmetros de atomização em duas posições axiais distantes do orifício de descarga do injetor: 25 e 100 mm. Os resultados obtidos indicaram que os SMDs e os campos de velocidades dos fluidos de testes não foram sensíveis para a faixa de temperatura adotada. Por outro lado, observou-se que a distribuição dos diâmetros de gotas de ambos os fluidos tiveram influência da temperatura, pois forneceram uma maior quantidade de gotas com diâmetros menores para a temperatura mais elevada.
2.3.2 Condições de operação do injetor
As condições de operação do injetor, tais como: a pressão e a frequência de injeção têm grande influência no processo de atomização. De acordo com Fajgenbaum (2013), ao aumentar a pressão ocorrerá o aumento da velocidade do jato líquido, que por sua vez, aumentará as forças inerciais acelerando a quebra do líquido devido ao crescimento mais rápido das instabilidades secundárias, proporcionando, assim, gotas com diâmetros menores.
No trabalho de pesquisa realizado por Aleiferis e outros (2010), a formação do spray e as características da combustão de gasolina e um combustível multi-componente denominado de E85 (85% de etanol misturado com 15% de gasolina) foram estudados para a faixa de tem-peratura de 20 a 120∘C e pressões de injeção de 0.5 MPa e 1 MPa usando um injetor GDI multi-furos. Os resultados mostraram que ao aumentar a pressão de injeção e a temperatura do fluido, houve uma diminuição no SMD de ambos os fluidos de testes.
Em relação à frequência de injeção, Fukumasu e outros (2015) investigaram a influência de três diferentes frequências de injeção (100, 250 e 400 Hz) de combustível na dispersão de gotas em chamas de spray de etanol produzidas por um injetor PFI inserido num queimador. Os resultados obtidos, apresentaram que os padrões de densidade do spray são influenciados pela frequência de injeção de combustível. A menor frequência indicou uma maior concentração
de gotas (spray mais denso) enquanto que em 400 Hz verificou-se que as gotas estão bastante dispersas (spray menos denso). Para o spray menos denso, o processo de mistura com o ar fornecido por um swirler foi mais o homogêneo enquanto que o oposto ocorre com o spray mais denso. Essa variação no padrão de densidade influenciou tanto a interação do spray com o escoamento de ar quanto o formato das chamas.
2.4 Equipamentos ópticos de medição
O atual estado da arte das medições das características dos sprays formados por injetores de combustível está voltado para as técnicas não intrusivas. Essas técnicas têm a vantagem de fornecer resultados instantâneos e realizar a medição de dois ou mais parâmetros de forma simultânea. As principais técnicas não intrusivas podem ser resumidas de forma bastante clara através do esquema apresentado na Figura 2.6.
Figura 2.6: Técnicas não intrusivas para a medição das características de sprays. Fonte: Souza (2009).
No presente trabalho, a técnica não intrusiva denominada de Interferometria por Efeito Doppler foi utilizada para realizar as medições dos parâmetros de atomização. Assim sendo, na próxima seção será apresentada uma breve descrição do método de medição utilizado por essa técnica.
2.4.1 Analisador de partículas por efeito Doppler (PDPA)
A técnica óptica de medição denominada de Interferometria por Efeito Doppler ou Phase Doppler Interferometry (PDI), também conhecida como Analisador de Partículas por Efeito Doppler ou Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA), é uma técnica padrão de diagnóstico a laser que mensura simultaneamente o diâmetro e a velocidade de uma partícula esférica em um escoamento polidisperso (ARTIUM, 2010).
Essa técnica foi intensamente desenvolvida na década de 1980 por Bachalo (1980) e Ba-chalo e Houser (1984). A técnica consiste na medição interferométrica de um padrão de franjas produzido pela intersecção entre dois feixes laser de frequências e comprimento de onda conhe-cidos (Figura 2.7). Quando uma partícula esférica passa através desse padrão de franjas, ela irá refratar e/ou refletir a luz laser produzindo um sinal tipo Doppler (Figura 2.8) nos fotodetectores de um receptor. Esse sinal é composto por uma componente Doppler de alta frequência sobre-posta à uma componente de baixa frequência com distribuição Gaussiana (ARTIUM, 2010).
Figura 2.7: Padrão de franjas interferométricas formada pelo entrecruzamento de dois feixes laser. Adaptado de: Artium (2010).
De acordo com Artium (2010), a velocidade da partícula (v) é diretamente proporcional a frequência Doppler (f𝑑) e ao espaçamento entre as franjas de interferência (𝛿) (Equação 2.2).
𝑣 = 𝑓𝑑· 𝛿 (2.2)
O espaçamento entre as franjas de interferência (Equação 2.3), por sua vez, é relacionado com o comprimento de onda dos feixes laser (𝜆) e com o ângulo de intersecção entre os feixes laser (𝛾).
Figura 2.8: Sinal tipo Doppler formado pela passagem de partículas esféricas em diferentes posições do padrão de interferência. Adaptado de: Artium (2010).
𝛿 = 𝜆
2· sin(︀𝛾2)︀ (2.3)
A realização da medição do diâmetro de uma partícula esférica pela técnica PDPA, ocorre da seguinte forma. Quando uma partícula esférica passa através do padrão de franjas de interfe-rências (Figura 2.9), essa partícula atuará como uma lente provocando uma distorção no padrão de franjas. De acordo com Artium (2010), gota com diâmetro pequeno (Figura 2.9a) apresenta grande curvatura superficial, o que causa alta divergência e, consequentemente, pequena dife-rença de fase (𝜑). Por sua vez, gota com diâmetro grande (Figura 2.9b) contém menor curvatura superficial, causando baixa divergência e grande diferença de fase. Assim, o diâmetro de uma partícula esférica (d𝑝) pode ser determinado ao se medir o espaçamento entre as franjas (𝛿) e o comprimento de onda espacial (∆) através da Equação 2.4.
(a) (b)
Figura 2.9: Diferenças de fase que ocorrem quando partículas com diferentes diâmetros passam através do padrão de franjas de interferências: (a) Partícula com menor diâmetro e (b) Partícula com maior diâmetro. Adaptado de: Artium (2010).
𝑑𝑝 = 𝐹 · 𝛿
𝑠· ∆ (2.4)
Onde F é a distância focal do receptor e s é o fator de inclinação relativo ao posiciona-mento do receptor e o plano formado pelos dois feixes de laser.
O comprimento de onda espacial (∆) utilizado para o cálculo do diâmetro, é obtido com base em uma função de ponderação (Equação 2.5) entre as diferenças de fase do sinal (𝜑12, 𝜑13 e 𝜑23) e às distâncias entre os fotodetectores (𝑆12, 𝑆13e 𝑆23).
∆ = 360· (︁ 𝐾12·𝑆12 𝜑12 + 𝐾13·𝑆13 𝜑13 + 𝐾23·𝑆23 𝜑23 )︁ (𝐾12+ 𝐾13+ 𝐾23) (2.5) Onde 𝐾12, 𝐾13e 𝐾23são constantes ópticas fornecidas pelo fabricante do equipamento. O fator de inclinação (s) é expresso em função do índice de refração do fluido de teste (m) e do ângulo de posicionamento entre o receptor e o plano formado pelos feixes laser (𝜑). Conforme Artium (2010), o fator de inclinação é relacionado com os modos de espalhamento de luz, sendo que para a refração é calculado pela Equação 2.6.
𝑠 = 𝑚 2 √︂ 2· (1 + cos 𝜑) · [︁ 1 + 𝑚2− 𝑚 ·√︀2 · (1 + cos 𝜑)]︁ (2.6)
3
MATERIAIS E MÉTODOS
O presente trabalho almeja analisar a influência das temperaturas dos fluidos de testes, das pressões de injeção e do tipo de combustível nas características macroscópicas e microscópicas do spray produzido por injetores PFI.
A fim de reproduzir um sistema de injeção de combustível similar aos utilizados nos motores de combustão interna (MCIs) ciclo Otto, três diferentes bancadas experimentais foram utilizadas para o propósito de medir as características do spray dos injetores PFI.
Nas seções a seguir serão apresentados os injetores e os combustíveis utilizados, as ban-cadas experimentais e o procedimento experimental adotado para a realização dos ensaios em cada bancada.
3.1 Injetores de combustível
Os injetores de combustível escolhidos para a realização dos ensaios são aqueles empre-gados em MCIs ciclo Otto com sistemas de injeção indireta de combustível. Para o desenvol-vimento do presente estudo, dois diferentes tipos de injetores foram selecionados: um injetor com quatro furos (multi-furos) e outro com apenas um furo (mono-furo). Os injetores foram fabricados e fornecidos pela empresa Magneti Marelli Sistemas Automotivos Ltda.
No presente estudo, a utilização de dois tipos de injetores se deve aos seguintes motivos:
∘ Os injetores multi-furos são os empregados no atual cenário automotivo, porém o pro-cesso de atomização desses injetores, conforme explica Anand e outros (2012), é extre-mamente complexo, pois envolve a formação e interação de múltiplos jatos ou plumas o que dificulta o entendimento das características microscópicas;
∘ Os injetores mono-furo, por sua vez, produzem apenas um jato o que torna mais simples o entendimento da física que ocorre nas características microscópicas, sendo uma etapa posterior para o melhor entendimento dos injetores multi-furos.
3.1.1 Injetor de combustível PFI multi-furos
O injetor de combustível PFI multi-furos designado para o presente estudo contém quatro furos e tem o nome comercial de IPE009. Esse injetor, produz quatro plumas ou jatos e tem como característica fornecer um spray1cônico.
A Figura 3.1 apresenta o injetor de combustível PFI quatro furos utilizado nesse trabalho com destaque para a sua sede onde podem ser visualizados os quatro furos.
Figura 3.1: Injetor de combustível PFI quatro furos. Fonte: Autor.
As especificações técnicas desse injetor estão descritas na Tabela. 3.1 e foram fornecidas pelo fabricante do injetor.
Tabela 3.1: Especificações técnicas do injetor de combustível PFI quatro furos.
Parâmetros Valores
Ângulo de abertura do cone 15∘± 3,5∘ Vazão dinâmica (g/1000 injeção) @ 2,7 bar 4,4 ± 3,5%
Vazão estática (g/s) 2,5 ± 3,0%
Resistência (Ω) 12,5 ± 5,0%
Indutância (mH) @ 1000 Hz 8,7 ± 20%
Número de furos 4
Diâmetro dos furos (mm) 0,255
Comprimento dos furos (mm) 0,2 ± 0,02%
Razão comprimento/diâmetro 0,78
1No presente trabalho, ao mencionar a palavra "spray do injetor multi-furos", entender-se-á como spray o
3.1.2 Injetor de combustível PFI mono-furo
O injetor de combustível PFI mono-furo, ao oposto do injetor descrito na seção anterior, foi desenvolvido especificamente para a realização dos ensaios do presente trabalho. Esse injetor foi projetado para ter a mesma configuração do injetor quatro-furos divergindo unicamente no número de furos e em ambas as vazões dinâmica e estática. O projeto inicial desse injetor era que ele operasse com 1/4 de ambas as vazões do injetor quatro-furos e com somente um furo (esse furo produzirá um jato que será o spray característico desse injetor). No entanto, as vazões tiveram que ser alteradas, pois com apenas 1/4 das vazões do injetor quatro-furos, o injetor mono-furo não iria operar devido a limitações da estrutura física interna do injetor, onde essas vazões seriam menores que a mínima permitida em projeto.
A Figura 3.2 apresenta o injetor de combustível PFI mono-furo e as especificações técni-cas desse injetor estão descritas na Tabela 3.2.
Figura 3.2: Injetor de combustível PFI mono-furo. Fonte: Autor. Tabela 3.2: Especificações técnicas do injetor de combustível PFI mono-furo.
Parâmetros Valores
Vazão dinâmica (g/1000 injeção) @ 2,7 bar 2,4 ± 3,5%
Vazão estática (g/s) 1,0 ± 3,0% Resistência (Ω) 12,5 ± 5,0% Indutância (mH) @ 1000 Hz 8,7 ± 20% Número de furos 1 Diâmetro do furo (mm) 0,255 Comprimento do furo (mm) 0,2 ± 0,02% Razão comprimento/diâmetro 0,78
3.2 Combustíveis
Os combustíveis gasolina comercial padrão tipo C (E22), etanol hidratado combustível (E100) e n-heptano foram utilizados como fluidos de testes no presente trabalho. A gasolina e o etanol foram adquiridos da empresa Petrobrás Distribuidora S.A. enquanto que o n-heptano foi comprado da empresa Anidrol Produtos para Laboratórios Ltda. Na Tabela 3.3 estão listadas as propriedades dos três combustíveis utilizados e todas elas foram obtidas a partir da folha de especificação dos fabricantes dos combustíveis.
Tabela 3.3: Propriedades dos combustíveis.
Gasolina (Tipo C) Etanol Hidratado N-Heptano
Composição Hidrocarbonetos (75-87%) Etanol (92,6-93,8%) Mínimo 99,5%
Etanol Anidro (13-25%) Água (6,2-7,4%)
Densidade (kg/m3) 730 - 770 809,3 684
Faixa de Destilação 27 - 220∘C @ 101,325 kPa - 97 - 99∘C
Ponto de Ebulição - 220∘C @ 101,325 kPa 98,4∘C
Ponto de Fulgor < 0∘C 15∘C -4∘C
A motivação em estudar os fenômenos que ocorrem na formação do spray de injetores PFI utilizando como fluidos de testes a gasolina, o etanol e o n-heptano ocorreu devido aos seguintes fatores:
∘ No atual cenário automotivo brasileiro, a maioria dos veículos de passeio são equipados com MCIs ciclo Otto multi-combustível, denominados popularmente como motores flex-fuel. Esse tipo de MCI pode operar tanto com gasolina quanto com etanol ou ainda com a mistura de qualquer porcentagem de ambos os combustíveis. Por meio de uma análise preliminar da Tabela 3.3, pode-se observar que há uma variação nas propriedades des-ses combustíveis. Conforme Lefebvre (1989), variações nas propriedades dos fluidos de testes irão afetar as características microscópicas e macroscópicas do spray.
∘ Atualmente, o n-heptano é o fluido de teste padrão recomendado para injetores de com-bustível nas indústrias automobilísticas, conforme aponta Hung e outros (2008). Através dos dados presentes na Tabela 3.3, observa-se que o n-heptano tem propriedades dife-rentes comparado ao etanol e a gasolina. Assim sendo, houve novamente o interesse em analisar o comportamento das características do spray desse fluido de teste a fim de verifi-car suas propriedades de spray comparado aos combustíveis reais utilizados nos veículos brasileiros.
A análise das características macroscópicas e microscópicas do spray de injetores PFI requer o conhecimento das propriedades do fluido a ser injetado. Conforme explicado no
Capí-tulo 2, as propriedades físico-químicas que mais influenciam nas características do spray são a densidade, a viscosidade e a tensão superficial.
Um dos objetivos do presente trabalho é verificar a influência da temperatura do bustível nas características do spray. Nesse sentido, é de grande importância conhecer o com-portamento das propriedades físico-químicas dos fluidos de testes na faixa de temperatura de trabalho dos mesmos.
A fim de determinar a densidade dos três fluidos de testes, utilizou-se um densímetro mo-delo DMA4500 (ilustrado na Figura 3.3), do fabricante Anton Paar, capaz de medir densidades na faixa de 0 até 3000 kg/m3 com uma precisão de ±0,05 kg/m3, na faixa de temperatura de 0 à 90∘C com uma precisão de ±0,03∘C. Esse densímetro se encontra disponível no laboratório do CEPETRO-Unicamp.
Figura 3.3: Densímetro DMA4500 - Anton Paar. Fonte: PETROTECH Analytical Company (2016).
As densidades dos três fluidos de testes foram medidas para a faixa de temperatura estabe-lecida de 0 à 70∘C, variando a temperatura de medição a cada 10∘C. Os resultados encontram-se na Figura 3.4.
Analisando a Figura 3.4, pode-se verificar que o etanol é o fluido de teste que apresentou a maior densidade tanto para a menor temperatura (0∘C) quanto para a maior temperatura (70 ∘C), seguido da gasolina e do n-heptano. Para a faixa de temperatura estabelecida, o etanol proporcionou uma variação na densidade de 8% e ambos a gasolina e o n-heptano de 9%.
A viscosidade dinâmica em função da temperatura do etanol hidratado e da gasolina tipo C foi extraída da dissertação de mestrado de Fajgenbaum (2013). As medições da viscosidade em função da temperatura foram realizadas utilizando um reômetro rotativo do fabricante HA-AKE, modelo HAAKE MARS III (ilustrado na Figura 3.5). Esses testes de viscosidade foram conduzidos no laboratório do CEPETRO-Unicamp.
Figura 3.4: Variação da densidade em função da temperatura do etanol, gasolina e n-heptano.
Figura 3.5: Reômetro rotativo HAAKE MARS III. Fonte: Fajgenbaum (2013).
a temperatura de medição a cada 10 ∘C. As Figuras 3.6 e 3.7 apresentam os resultados da viscosidade em função da temperatura do etanol e da gasolina, respectivamente.
Os valores da viscosidade dinâmica em função da temperatura do n-heptano foram ex-traídos do trabalho de Matos e outros (2001) e estão apresentados na Figura 3.8. As medições da viscosidade foram realizadas utilizando um aparato experimental da Schott-Gerätte e vis-cosímetros Ubbelohde com capilares de diferentes diâmetros. O controle de temperatura do combustível foi feito através de um termostato CT1450/2 com precisão de ±0,01 K. Os
valo-Figura 3.6: Variação da viscosidade dinâmica do etanol em função da temperatura. Fonte: Faj-genbaum (2013).
Figura 3.7: Variação da viscosidade dinâmica da gasolina em função da temperatura. Fonte: Fajgenbaum (2013).
res de cada viscosidade foram obtidos através da média de 6-8 medições com incerteza média dos valores menor que 0,2% para a faixa de temperatura estabelecida de 10 à 40∘C (MATOS e outros, 2001).
Figura 3.8: Variação da viscosidade dinâmica do n-heptano em função da temperatura. Fonte: Matos e outros (2001).
Através da análise das Figuras 3.6, 3.7 e 3.8, verifica-se que o n-heptano é o fluido de teste que apresentou a menor viscosidade dinâmica tanto para a menor temperatura (10∘C) quanto para a temperatura de (40∘C), seguido da gasolina e do etanol. Para a faixa de temperatura de 10 à 60∘C, o etanol proporcionou uma variação na viscosidade de 240% e a gasolina de 155%, enquanto que o n-heptano teve uma variação de 137% para a faixa de temperatura de 10 à 40 ∘C.
A propriedade físico-química tensão superficial em função da temperatura para o etanol, gasolina e n-heptano também foi extraída da literatura, pois não se teve acesso a equipamento adequado para realizar os testes em laboratório.
A fim de obter os valores da tensão superficial do etanol, foi necessário determinar a proporção de etanol e de água que compõe o etanol hidratado utilizado no presente trabalho. Conforme apresentado na Tabela 3.3, o etanol hidratado contém uma variação de 92,6 a 93,8% de etanol. Assim, adotou-se o valor médio de 93,2% para representar a propriedade da tensão superficial.
Para se encontrar a tensão superficial do etanol hidratado, realizou-se uma interpolação linear dos dados obtidos por Vázquez e outros (1995) para misturas de água e etanol, obtendo-se o gráfico da Figura 3.9. Em seu trabalho, Vázquez e outros (1995) efetuaram os testes utilizando um tensiômetro da marca Prolabo e um termostato com precisão de ±0,1∘C para controlar a temperatura do fluido de teste. As medições foram realizadas em intervalos de 5∘C na faixa de temperatura de 20 a 50∘C. Os pesquisadores ainda explicam que as soluções foram preparadas por peso com desvios menores que 0,3% e os resultados obtidos são a média de 5-10 medições com desvios máximos menores que 0,4% (VÁZQUEZe outros, 1995).
Figura 3.9: Variação da tensão superficial do etanol em função da temperatura. Fonte: Vázquez e outros (1995).
Os valores da tensão superficial do n-heptano foram extraídos do trabalho de Mohsen-Nia e outros (2010) e podem ser visualizados no gráfico da Figura 3.10. As medições da tensão superficial foram realizadas utilizando o método de pressão máxima das bolhas (MOHSEN-NIA
e outros, 2010).
Os valores obtidos experimentalmente para a tensão superficial e apresentados no gráfico da Figura 3.10 foram repetidos cinco vezes com o propósito de verificar a reprodutibilidade. Os valores se mostraram reprodutíveis para ±0,04 mN.m−1 (MOHSEN-NIAe outros, 2010).
Através da análise dos gráficos apresentados nas Figuras 3.9 e 3.10, pode-se observar que o etanol teve uma variação da tensão superficial de 12% para a faixa de temperatura de 20 a 50 ∘C enquanto que o n-heptano proporcionou uma variação de 23% para a faixa de temperatura
Figura 3.10: Variação da tensão superficial do n-heptano em função da temperatura. Fonte: Mohsen-Nia e outros (2010).
de 10 a 50∘C.
Em relação a tensão superficial da gasolina, foi necessário realizar o mesmo procedimento adotado para determinar a proporção de etanol e água composta no combustível etanol hidra-tado. De acordo com as propriedades apresentadas na Tabela 3.3, a gasolina comercial tipo C contém uma proporção de hidrocarbonetos que podem variar de 75 a 87%. Com o intuito de encontrar uma proporção que possa representar a propriedade tensão superficial, a média arit-mética dessa variação foi tomada e obteve-se o valor de 81% de hidrocarbonetos e 19% de etanol anidro.
Para a mistura de gasolina com etanol, não foram encontrados na literatura valores da tensão superficial variando com a temperatura. Para a proporção de etanol e hidrocarbonetos estimados para a gasolina utilizada no presente estudo, o valor da tensão superficial para a tem-peratura de 20∘C foi obtida no trabalho de Wang e outros (2006), sendo de 21,59 mN.m−1. No estudo realizado por Wang e outros (2006), o método de dispersão de luz de laser de superfície foi empregado para a obtenção de dados da tensão superficial de misturas de combustíveis e aditivos oxigênicos com componentes variáveis à pressão ambiente. A incerteza das medições foram estimadas em cerca de ±2,0%.
As três próximas seções irão apresentar os aparatos experimentais, assim como o pro-cedimento experimental adotado em cada um, com o objetivo de determinar as características
