Cálculos Térmicos em Motor Otto

A seção introdutória destaca a importância da modelagem de motores de combustão interna (MCI) devido à grande dependência da sociedade em relação a eles para transporte, comércio e geração de energia. Mesmo pequenas melhorias na eficiência desses motores geram grande impacto econômico e ambiental (Reitz, 2013). O texto menciona modelos ideais como uma forma simples de reproduzir os ciclos do MCI, porém com imprecisões para aplicações reais. A modelagem termodinâmica zero-dimensional (0D) surge como uma alternativa para pesquisa e desenvolvimento, utilizando hipóteses simplificadoras para prever pressão e temperatura na câmara de combustão. Modelos zero-dimensionais, baseados na Primeira Lei da Termodinâmica com o tempo como única variável independente, são contrastados com modelos quasi-dimensionais (estudo do atraso de ignição e evolução da combustão, divisão de zonas no cilindro) e multidimensionais (baseados em equações diferenciais da conservação de massa, energia e quantidade de movimento, para estudos detalhados do escoamento da mistura ar/combustível e geometria da frente de chama). A pesquisa se concentra em modelos 0D, fornecendo uma previsão da pressão e temperatura na câmara de combustão, que são dados essenciais para a previsão de características de funcionamento do motor. A escolha de um modelo 0D é justificada pela necessidade de uma abordagem que equilibre simplicidade e precisão, representando um bom custo-benefício para as análises de desempenho do motor.

Esta seção descreve as metodologias empregadas no estudo, incluindo o cálculo térmico e a simulação computacional utilizando o software Siciclo. O cálculo térmico, baseado na Primeira Lei da Termodinâmica e desenvolvido em uma planilha eletrônica, serve como uma abordagem mais simplificada para a análise termodinâmica do motor. O software Siciclo, desenvolvido em ambiente acadêmico, simula as curvas de pressão e temperatura no interior do motor através de uma lei de combustão imposta e da resolução da Primeira Lei da Termodinâmica. Ambos os métodos são comparados com resultados de ensaios experimentais realizados em uma bancada de testes TecQuipment TD200, composta por um motor monocilíndrico de ciclo Otto acoplado a um dinamômetro hidráulico. O motor é instrumentado com um transdutor de pressão, um codificador de ângulo de manivela e termopares para a coleta de dados. A análise comparativa entre os três métodos – cálculo térmico, simulação Siciclo e ensaios experimentais – visa verificar a exatidão dos resultados teóricos e simulados em relação aos resultados reais obtidos experimentalmente. Uma diferença crucial é observada: o cálculo térmico superestima a pressão máxima em 44%, devido à hipótese de combustão instantânea a volume constante; enquanto o Siciclo, usando a lei de queima de Wiebe, superestima a pressão máxima em apenas 2%. A análise posterior se concentra na justificativa das diferenças na curva característica exterior da velocidade, baseando-se nos dados de pressão obtidos por cada metodologia.

A revisão bibliográfica aborda diferentes níveis de aproximação na modelagem de MCI, desde ciclos padrões até modelos 3D complexos (López e Nigro, 2010). O objetivo é ilustrar as diversas abordagens publicadas na literatura. O texto menciona o cálculo do calor específico a pressão constante (cp) utilizando uma equação polinomial de 5º grau, realizada antes, durante e depois da combustão, com hipóteses simplificadoras como câmara de combustão perfeitamente vedada (sem blow-by), efeitos de turbulência não considerados, e pressão uniforme na câmara. A transferência de calor pela parede do cilindro é modelada pela Lei de Resfriamento de Newton. São citadas diversas referências bibliográficas, incluindo trabalhos de Melo (2007), Payri et al. (2011), Gogoi e Baruah (2010), Sezer e Bilgin (2008), e Lounici et al. (2011), cada um com diferentes abordagens e níveis de complexidade na modelagem do ciclo termodinâmico, incluindo modelos zero-dimensionais, quasi-dimensionais e multidimensionais, abordando diferentes aspectos como a função de Wiebe para modelar a combustão, equações para transferência de calor (Woschni, Annand, Eichelberg, Hohenberg, Sitkei), e modelos para blow-by e crevice. A revisão demonstra a diversidade de abordagens na literatura para a modelagem de MCI, e justifica a escolha dos métodos utilizados nesse trabalho.

A comparação entre os três métodos (cálculo térmico, simulação Siciclo e ensaios experimentais) revela diferenças significativas na predição da pressão máxima do ciclo. O cálculo térmico, baseado em uma simplificação da combustão como um processo instantâneo a volume constante, superestima a pressão máxima em 44%. Em contraste, a simulação com o software Siciclo, que utiliza a lei de queima de Wiebe para modelar o processo de combustão de forma mais realista, apresenta uma superestimação muito menor, de apenas 2%. Essa discrepância significativa demonstra a influência da modelagem da combustão na precisão dos resultados. A escolha da lei de queima de Wiebe no Siciclo, um modelo mais sofisticado, se mostra crucial para obter resultados mais próximos da realidade experimental. A diferença acentuada entre os métodos destaca a importância de considerar um modelo de combustão mais preciso na predição do comportamento do motor, impactando diretamente na determinação da pressão máxima no cilindro. A conclusão indica que a simplificação do cálculo térmico em relação à combustão é uma fonte importante de erro na predição.

A análise comparativa não se limita à pressão máxima, mas estende-se às curvas de pressão completas obtidas por cada método. As diferenças na pressão máxima se refletem na forma das curvas de pressão ao longo do ciclo. Consequentemente, essas diferenças impactam diretamente na predição da curva característica exterior da velocidade do motor, que representa o comportamento do motor em termos de potência, torque e consumo específico. A análise qualitativa da curva de pressão mostra uma similaridade de tendência entre os resultados obtidos pelo cálculo térmico e pelos ensaios experimentais. No entanto, em termos quantitativos, as discrepâncias são significativas. A sobreestimação da pressão máxima no cálculo térmico acarreta em previsões incorretas de outros parâmetros de desempenho. A comparação das curvas permite entender como as simplificações no cálculo térmico afetam as previsões do comportamento dinâmico do motor. A precisão da simulação Siciclo, em relação ao cálculo térmico, é novamente evidenciada pela melhor aproximação com os resultados experimentais na curva de pressão e consequentemente na curva característica exterior da velocidade.

A validação dos modelos de simulação (cálculo térmico e Siciclo) é realizada através da comparação com dados experimentais obtidos em ensaios. Esses ensaios foram conduzidos em uma bancada de testes específica, permitindo a medição precisa de diversas variáveis, como pressão no cilindro, ângulo de manivela, e temperatura. A análise do coeficiente de variação (COV) da pressão máxima e da pressão média indicada (IMEP) foi realizada para garantir a confiabilidade dos dados experimentais, seguindo o critério estabelecido por Heywood (1988) (COV < 10%). Os resultados dos ensaios revelam que a metodologia utilizada garante resultados confiáveis, servindo de base sólida para a comparação com os modelos teóricos. A comparação com os resultados obtidos por Altin e Bilgin (2015) também é apresentada, onde o modelo Siciclo apresentou discrepâncias aceitáveis na predição de potência e torque. Por outro lado, o cálculo térmico mostra diferenças significativas em relação aos dados experimentais para parâmetros relevantes como pressão média indicada, pressão média efetiva, e pressão média das perdas mecânicas, o que evidencia a limitação do modelo simplificado na predição do desempenho real do motor.

O software Siciclo, desenvolvido no Departamento de Máquinas Térmicas da Universidade Politécnica de Valência, na Espanha (Carretero, 2014), é um modelo preditivo zero-dimensional (0D) ou termodinâmico para simulação de motores de combustão interna (MCI). Sua principal função é simular as curvas de pressão e temperatura dentro do motor, utilizando uma lei de combustão imposta e a solução da Primeira Lei da Termodinâmica. O software é classificado como um modelo preditivo 0D, indicando sua abordagem simplificada, mas eficiente, para análise termodinâmica. A utilização do Siciclo neste trabalho visa fornecer uma ferramenta de simulação para comparação com os resultados do cálculo térmico e com dados experimentais obtidos em testes reais de motor. A capacidade do Siciclo de prever pressão e temperatura no interior do motor, com base em uma lei de combustão definida pelo usuário, o torna uma ferramenta poderosa para análise de diferentes cenários e parâmetros operacionais. A origem acadêmica do software sugere sua validação em ambiente controlado, o que contribui para sua credibilidade como ferramenta de simulação para pesquisa e desenvolvimento.

O Siciclo, como um modelo preditivo 0D, utiliza submodelos para representar aspectos cruciais do funcionamento do motor, como a combustão e a transferência de calor. O modelo de combustão utilizado pelo Siciclo é a lei de queima de Wiebe, que se mostrou mais precisa que a hipótese de combustão instantânea a volume constante empregada no cálculo térmico. A inclusão da lei de Wiebe no Siciclo permite modelar a combustão de maneira mais realista, capturando sua evolução temporal. Outro submodelo importante é o de transferência de calor, provavelmente baseado na equação de Woschni, que considera a troca de calor entre os gases no cilindro e as paredes. A combinação desses submodelos permite uma simulação mais detalhada do ciclo termodinâmico, conduzindo a previsões mais precisas do desempenho do motor, ao contrário do cálculo térmico que utiliza hipóteses simplificadoras que levam a erros na predição da pressão máxima. A utilização de submodelos mais complexos, como a lei de queima de Wiebe e o modelo de transferência de calor baseado em Woschni, justificam a diferença na precisão dos resultados em relação ao cálculo térmico mais simplificado. O software necessita de dados de entrada específicos para realizar os cálculos, conforme descrito na seção correspondente do documento.

A performance do Siciclo é comparada com outros métodos de modelagem, incluindo o cálculo térmico simplificado e resultados experimentais. A comparação demonstra a superioridade do Siciclo em relação ao cálculo térmico, principalmente na predição da pressão máxima, que é significativamente superestimada pelo cálculo térmico devido à sua hipótese de combustão instantânea a volume constante. O Siciclo, usando a lei de Wiebe e modelos de transferência de calor mais sofisticados, oferece uma estimativa consideravelmente mais próxima dos dados experimentais. A validação do Siciclo, através da comparação com os dados experimentais, mostra menores desvios em parâmetros importantes como pressão média efetiva, potência e torque. A menor discrepância em relação aos dados experimentais confirma a maior precisão e confiabilidade do Siciclo na predição do desempenho do motor. Resultados de outros estudos, como o de Altin e Bilgin (2015), reforçam a confiabilidade do Siciclo na predição de potência, embora o documento também destaque as limitações e as diferenças entre os métodos, como o consumo específico. A superioridade do Siciclo evidencia a importância de modelos de simulação mais sofisticados e precisos, que considerem a complexidade do processo de combustão e transferência de calor para uma melhor previsão do desempenho do motor.

Os ensaios experimentais foram conduzidos utilizando uma bancada de testes TecQuipment TD200, que consiste em um motor monocilíndrico de ciclo Otto acoplado a um dinamômetro hidráulico. Esta configuração permite a medição precisa de diversos parâmetros operacionais do motor. O motor encontra-se instrumentado com sensores para aquisição de dados essenciais à análise do ciclo termodinâmico. Um transdutor de pressão mede a pressão no interior da câmara de combustão, fornecendo dados para a construção da curva de pressão. Um codificador de ângulo de manivela registra a posição do virabrequim, essencial para o estudo temporal do ciclo. Termopares medem a temperatura em pontos estratégicos do motor. A combinação desses sensores fornece informações detalhadas do funcionamento do motor durante os testes. A escolha do dinamômetro hidráulico permite o controle da carga aplicada ao motor e a medição precisa do torque produzido, fornecendo dados para a análise de desempenho. A precisão do dinamômetro hidráulico é mencionada como suficiente para os testes de motores, garantindo a confiabilidade dos resultados obtidos.

A metodologia experimental envolveu a realização de múltiplos ensaios para garantir a confiabilidade dos resultados. Para cada ponto de operação, os ensaios foram repetidos três vezes, e a média dos resultados foi utilizada na análise. A aquisição de dados foi realizada utilizando o software da AVL, que auxiliou na medição e registro dos dados dos sensores. O consumo de combustível foi medido manualmente através de uma bureta, com a repetição de medições para reduzir erros. Para cada velocidade estabilizada do motor, 50 curvas de pressão foram registradas pelo software ECA100, permitindo uma análise estatística mais robusta. O uso do software ECA100 permitiu a geração de gráficos de pressão em função do ângulo de manivela (P-θ) e pressão em função do volume (P-V), bem como o cálculo automático da pressão média indicada (IMEP) e da potência indicada. O sistema de aquisição de dados versátil (VDAS) também foi empregado, fornecendo dados precisos em tempo real, permitindo gerar gráficos e tabelas para análise. A combinação de medições manuais e softwares automatizados garante a precisão e a eficiência da coleta de dados, minimizando os erros durante os testes e a posterior análise dos resultados.

Para garantir a confiabilidade dos dados experimentais, uma análise do coeficiente de variação (COV) da pressão máxima e da IMEP foi realizada, seguindo os critérios propostos por Heywood (1988). Heywood estabelece que dados de pressão são confiáveis se o COV for menor que 10%. Este procedimento é fundamental para assegurar a qualidade dos dados utilizados na validação dos modelos de simulação (cálculo térmico e Siciclo). A aplicação deste critério aos dados obtidos nos três ensaios permitiu verificar a consistência e a precisão das medições. A inclusão desta etapa na metodologia experimental reforça a credibilidade dos resultados obtidos, garantindo que as conclusões do estudo sejam baseadas em dados confiáveis. Somente após a confirmação da confiabilidade dos dados experimentais, é que a comparação com os resultados dos modelos de simulação foi realizada, o que fortalece a validação e as conclusões do trabalho.

A metodologia experimental empregada se baseou em ensaios realizados em um motor monocilíndrico acoplado a um dinamômetro hidráulico, utilizando a bancada de testes TecQuipment TD200. Para garantir a confiabilidade dos resultados, cada ponto de operação foi testado três vezes, e a média dos resultados foi utilizada na análise. A aquisição de dados foi efetuada com auxílio do software AVL, que facilita a medição e o registro das informações coletadas pelos sensores. A pressão no cilindro foi medida com um transdutor de pressão piezoelétrico, enquanto um sensor de relutância detectou o ângulo de manivela, permitindo o estudo do ciclo termodinâmico em função do tempo. Termopares registraram informações de temperatura. A medição do consumo de combustível foi feita manualmente, usando uma bureta, e repetida três vezes para minimizar erros. Foram registrados 50 ciclos completos do motor para cada velocidade avaliada, utilizando o software ECA100, que também gerou gráficos P-θ e P-V, calculando automaticamente a pressão média indicada (IMEP) e a potência indicada. Ao todo, foram analisados 18 pontos de operação, totalizando 54 ensaios para coletar os dados utilizados na validação dos modelos.

A aquisição e o processamento dos dados foram auxiliados por diversos equipamentos. O dinamômetro hidráulico, parte integrante da bancada de testes TecQuipment TD200, permitiu o controle da carga aplicada ao motor e a medição do torque. O software AVL facilitou a medição e o registro dos dados coletados. Um analisador de ciclo do motor (ECA100), com seus componentes de hardware e software, gerou gráficos P-θ e P-V, calculando automaticamente a pressão média indicada (IMEP) e a potência indicada, além de registrar automaticamente 5 ciclos do motor. O sistema de aquisição de dados versátil (VDAS) também foi utilizado, permitindo a aquisição e o registro precisos de dados em tempo real, facilitando a análise dos resultados. Adicionalmente, foram utilizados um transdutor de pressão piezoelétrico para medir a pressão no cilindro, um sensor de relutância para detectar o ângulo de manivela, termopares para medição de temperatura, e uma bureta para a medição manual do consumo de combustível. A escolha desses equipamentos e softwares visou a obtenção de dados precisos e confiáveis para a validação dos modelos de simulação.

Para assegurar a confiabilidade dos resultados experimentais, um método para avaliar a variabilidade dos dados foi implementado. O coeficiente de variação (COV) da pressão máxima e da IMEP foi calculado para cada ponto de operação. Seguindo o critério proposto por Heywood (1988), a confiabilidade dos dados foi validada ao verificar se o COV era inferior a 10%. Este método estatístico garante que as variações nos dados são dentro dos limites aceitáveis, minimizando a influência de erros aleatórios nas medições. A análise do COV para os três ensaios realizados em cada ponto de operação confirmou que os dados coletados se enquadravam nos critérios de Heywood (1988), reforçando a confiabilidade dos resultados experimentais. Essa etapa rigorosa na análise dos dados é crucial para a validação dos modelos de simulação (cálculo térmico e Siciclo), garantindo que a comparação seja feita com dados consistentes e representativos do funcionamento do motor.