O projeto de pesquisa intitulado “Estudo conceitual de um motor avançado a etanol” busca avaliar as possibilidades de aplicação de tecnologias avançadas associadas às características específicas do etanol como combustível.
Algumas tecnologias não testadas ainda em motores dedicados a etanol são:
- Taxa de compressão e cilindrada variáveis;
- Comando de válvulas variável;
- Turbo-alimentação com recirculação de gases queimados (EGR);
- Injeção direta de combustível – estratégia de pré-mistura;
- Injeção direta tardia – estratégia de carga estratificada;
- Injeção de água para controle de emissões e detonação;
- Uso massivo de sensores, atuadores e estratégias de controle;
Todas estas opções tecnológicas estão sendo avaliadas de forma isolada ou combinada no sentido de incrementar a eficiência do motor, aproveitando a elevada octanagem do etanol, sua maior velocidade de queima e alta entalpia de vaporização.
Aspectos detalhados da fenomenologia da formação de mistura (spray) e do processo de combustão do etanol sob condições de injeção direta na câmara constituem parte fundamental do projeto e deverão auxiliar nas definições de sistemas de injeção, bem como nas estratégias de controle a adotar.
Para abordar as múltiplas facetas do projeto de pesquisa é necessário coordenar diferentes competências dos diferentes grupos de pesquisa ligados às instituições envolvidas neste Projeto, para gerar a sinergia desejada:
- Desenvolver estudos e conhecimentos fenomenológicos básicos sobre os detalhes do processo de formação da mistura etanol-ar através de sprays. Isto compreende técnicas de CFD para modelagem e validação experimental da formação de spray, distribuição de tamanho das gotículas, taxas de evaporação de combustível, penetração de jato, eventuais impactos do spray com paredes, etc;
- Estudar as características fundamentais da combustão do etanol hidratado, incluindo determinação da velocidade da chama, limites de inflamabilidade a alta pressão e limites de detonação;
- Modelar a termodinâmica de processos internos em motores de pistão aspirados ou sobrealimentados: admissão, compressão, combustão, expansão e exaustão. Simular o desempenho e analisar de forma paramétrica as variáveis operacionais do motor, a fim de explorar suas tendências e orientar a escolha dos testes experimentais a serem realizados;
- Utilizar bancos de ensaio para motores, seja para identificar áreas ou processos que requeiram estudos mais fundamentais, ou para a avaliação experimental das alterações propostas e realizadas;
- Avaliar a cinemática, dinâmica e esforços em peças e componentes de motores sob as novas condições de solicitação;
- Elaborar desenhos mecânicos de novos sistemas ou dispositivos modificados que reduzam o atrito, permitam taxas de compressão variáveis ou, de alguma outra forma, contribuam para melhorar o desempenho e reduzir o consumo do motor.
As instituições envolvidas têm peculiaridades que podem se complementar. O Instituto Mauá de Tecnologia tem vários bancos de ensaio para motores e grande tradição na prestação de serviços para montadoras. Essa infra-estrutura será a base para testes em motores modificados. Os principais pesquisadores do Laboratório de Combustão, Propulsão e Energia (LCPE/ITA) e do Laboratory of Environmental and Thermal Engineering - (LETE/USP) trabalham no estudo da formação de sprays e fundamentos de combustão e já possuem uma base de colaboração científica estabelecida pela utilização de equipamentos de investigação partilhados. Os três principais pesquisadores da UNICAMP, que trabalham em áreas complementares (modelagem termodinâmica de motores, análise dinâmica de motores e projeto de peças mecânicas e componentes) também têm uma colaboração contínua.
Atividades experimentais de natureza teórica, simulações termodinâmicas ou de CFD e ensaios experimentais de motores se complementam e realimentam:
- Ensaios experimentais de motores indicam áreas em que as pesquisas de fenomenologia básica devem ser aprofundadas, e são usadas para validar simulações termodinâmicas do motor e de processos;
- Pesquisas em fenomenologia básica (experimentais e de simulação CFD) fornecem base para o desenvolvimento de modelos termodinâmicos mais robustos e auxiliam o entendimento e interpretação de resultados experimentais;
- Modelos de simulação de desempenho de motores são usados para direcionar as modificações mais promissoras no motor base, assim como direcionar os ensaios experimentais do motor, reduzindo custos de ensaios e de prototipagem.