Análise Experimental Da Defasagem de Abertura

Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica

Dissertao de Mestrado

ANLISE EXPERIMENTAL DA DEFASAGEM

DE ABERTURA DAS VLVULAS DE ADMISSO EM MOTORES DE COMBUSTO INTERNA

Leonardo Vincius Mendes Pereira

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da PUC Minas como parte dos requisitos para obteno do ttulo de MESTRE EM CINCIAS EM ENGENHARIA MECNICA.

ORIENTADOR: Prof. Srgio de Morais Hanriot, D.Sc. CO-ORIENTADOR: Prof. Jos Ricardo Sodr, Ph.D.

Banca Examinadora: Prof. Srgio de Morais Hanriot, D.Sc. - PUC Minas - Presidente, Orientador Prof. Ramn Molina Valle, D.Sc. - UFMG - Examinador Externo Prof. Joo Nildo de Souza Vianna, D.-Ing - UnB - Examinador Externo Prof. Jos Ricardo Sodr, Ph.D. - PUC Minas - Examinador Interno

Belo Horizonte, 19 de maro de 2004.

Esta dissertao dedicada a meus pais,

minha namorada, a todos os meus

familiares e a Deus. Sem a compreenso

e o apoio de todos no seria possvel a

sua realizao.

i

AGRADECIMENTOS

Muitos foram os que contriburam para que essa dissertao chegasse ao seu

final, assinalando meu reconhecimento especial:

ao orientador prof. Dr. Srgio de Morais Hanriot;

ao co-orientador prof. Jos Ricardo Sodr, Ph.D.;

aos amigos do Centro de desenvolvimento de Tecnologia Mecnica (CDTM), em

especial ao prof. Marcley Lazarini Pereira;

aos amigos do Laboratrio Banco de Fluxo da PUC Minas, em especial aos

futuros engenheiros Alahdjin Atan Pinto, Gabriel Godoy Pereira Russi e Paulo

Srgio Meinberg de Moraes;

Eng. Luciana Bassi Marinho Pires;

ao Eng. Ivan Jos de Santana;

aos tcnicos Pedro Kapler, Vincius Maia de S e Carlos Eduardo dos Santos,

pelo auxlio na parte experimental;

PUC Minas, instituio responsvel pelo programa de ps-graduao;

CAPES, pela bolsa de estudos;

FIAT Automveis, pelo fornecimento das motores para o experimento;

A todos que me ajudaram de alguma forma, meus sinceros agradecimentos.

ii

RESUMO

Os movimentos alternativos das vlvulas de admisso e do pisto geram ondas

de presso que se propagam pelo conduto de admisso. Tais ondas, se

oportunamente aproveitadas, podem aumentar a quantidade de massa de ar

admitida. No presente trabalho foi realizado um estudo experimental da

defasagem das vlvulas de admisso em um motor, objetivando analisar sua

influncia na quantidade de massa de ar admitida pelo cilindro. Foi utilizado um

motor de produo de 1.0 litro e 16 vlvulas, com duas vlvulas de admisso

por cilindro. Os testes foram conduzidos inicialmente em um banco de fluxo,

simulando as condies do escoamento de ar na admisso de motores, e,

posteriormente, com o motor montado em um dinammetro. Os resultados no

banco de fluxo demonstraram que a carga induzida de ar aumenta at um

ngulo de defasagem de cerca de 30 graus. No dinammetro, os resultados

no apresentaram vantagens em relao abertura das vlvulas, mas

sugerem melhorias na performance do motor com a sintonizao do mdulo de

comando eletrnico da injeo de combustvel e do ngulo de ignio para

velocidades de rotao inferiores a 3500 rev/min.

PALAVRAS CHAVE: Motores de Combusto Interna, Ondas de presso,

Vlvulas de Admisso, Banco de Fluxo.

iii

ABSTRACT

The piston and intake valves alternate movements produce pressure waves that

propagate throughout the intake conduit. Such waves can adequately increase

the intake air mass charge to the engine cylinders. In the present work an

experimental study on the engine intake valves phase shift was carried out with

the objective to analyze its influence on the intake air mass charge. A

production 1.0-liter, 16-valve engine was used, with two intake valves per

cylinder. Preliminary tests were conducted in a flow bench, simulating the

engine intake air flow conditions, and, then, the engine was tested in a

dynamometer bench. The results in the flow bench showed that the intake air

mass charge is increased up to a phase shift angle of about 30 degrees. In the

dynamometer tests, the results did not show advantages with respect to the

valve opening, but suggests that improvements on engine performance can be

obtained if the fuel injection and ignition timing electronic control module is

tuned accordingly for engine speeds below 3500 rev/min.

KEY WORDS: Engines, Pressure Waves, Intake Valves, Flow Bench.

iv

NDICE

Dedicatria............................................................................................................i

Agradecimentos...................................................................................................ii

Resumo...............................................................................................................iii

Abstract...............................................................................................................iv

ndice....................................................................................................................v

Lista de figuras..................................................................................................viii

Lista de tabelas.................................................................................................xiv

Nomenclatura.....................................................................................................xv

Captulo 1 Introduo...................................................................................01 1.1 Motivao.................................................................................................01

1.2 Objetivos...................................................................................................02

1.3 Estado da Arte..........................................................................................02

1.4 Escopo da Dissertao.............................................................................03

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica.................................................................05 2.1 Introduo.................................................................................................05

2.2 A inrcia do gs........................................................................................06

2.3 Pulsao do gs.......................................................................................07

2.4 Geometria do conduto de admisso.........................................................14

2.5 Escoamento atravs das vlvulas............................................................17

2.5.1 Parmetros geomtricos e levante das vlvulas.........................18

2.5.2 Coeficiente de descarga..............................................................21

2.6 Flexibilidade no acionamento das vlvulas...............................................25

2.7 Dinmica da mistura admitida no cilindro do motor MWM........................29

Captulo 3 Aparato Experimental................................................................31 3.1 Introduo.................................................................................................31

3.2 Banco de fluxo..........................................................................................31

3.2.1 Insuflador de ar...........................................................................33

3.2.2 Conjunto de vlvulas...................................................................33

3.2.3 Medidor de fluxo laminar.............................................................34

3.2.4 Computadores utilizados.............................................................35

3.2.5 Motor de acionamento do cabeote............................................36

v

3.2.6 Sistema de lubrificao...............................................................36

3.3 Dinammetro hidrulico............................................................................37

3.3.1 Medidor de vazo........................................................................38

3.3.2 Sensor de rotao e tacmetro...................................................39

3.3.3 Sensores de temperatura............................................................40

3.4 Analisador de gases.................................................................................41

3.5 Motor utilizado para o experimento...........................................................42

Captulo 4 Metodologia................................................................................46 4.1 Introduo.................................................................................................46

4.1.1. Testes Estacionrios e Transientes em Banco de Fluxo..............46

4.1.1.1. Teste em banco estacionrio...........................................47

4.1.1.2. Teste em Banco No-Estacionrio..................................47

4.1.2. Testes em Dinammetro de Bancada...........................................48

4.2 Experimentos............................................................................................50

4.2.1 Metodologia empregada no banco de fluxo................................50

4.2.1.1 Montagem do sistema...................................................52

4.2.1.2 Definio do conduto de admisso experimental..........53

4.2.1.3 Instalao dos sensores de presso.............................57

4.2.1.4 Sistema de defasagem das vlvulas de admisso........57

4.2.1.5 Posicionamento do sensor de rotao e fase...............61

4.2.1.6 Bomba de lubrificao...................................................62

4.2.1.7 Teste experimental de defasagem no banco de

fluxo..............................................................................................63

4.2.2 Montagem do motor no dinammetro.........................................66

4.2.2.1 Procedimento do experimento do dinammetro............67

4.2.2.2 Mtodo de Correo de Potncia por Condies

Atmosfricas................................................................................72

4.2.3 Montagem e procedimento do analisador de gases...................73

Captulo 5 Resultados e Discusso............................................................74 5.1 Introduo.................................................................................................74

5.2 Comparao entre as vazes...................................................................74

5.3 Vazes em Regime Permanente..............................................................82

5.3.1. Vazo mssica em funo do ngulo do eixo comando...............83

5.3.2. Levante da Vlvula de Admisso..................................................87

vi

vii

5.3.3. Coeficiente de descarga................................................................88

5.4 Variao de presso no conduto de admisso.........................................89

5.5 Anlise do sinal de presso no conduto de admisso..............................96

5.6 Razes de abertura das vlvulas de admisso......................................103

5.7 Anlise espectral das ondas de presso................................................106

5.8 Comparao entre os dados obtidos no dinammetro...........................110

Captulo 6 Concluses...............................................................................119 6.1 Introduo.............................................................................................119

6.2 Concluses no banco de fluxo................................................................119

6.3 Concluses no dinammetro e analisador de gases..............................120

6.4 Sugestes para trabalhos futuros...........................................................121

Referncias Bibliogrficas...........................................................................122

APNDICE I Motores de combusto interna................................................128

APNDICE II Limites de emisses veiculares..............................................141

APNDICE III Anlise de Incerteza das Medies Experimentais...............143

ANEXO I Modelo das tabelas para aquisio de dados...............................155

ANEXO II Efeitos da Defasagem de Abertura das Vlvulas de Admisso na

Eficincia Volumtrica de Motores..................................................................159

ANEXO III Analysis of the Fluid Flow in Two Intake Pipes with a Junction..166

ANEXO IV Estudo Experimental da Defasagem de Vlvulas de Admisso em

Motores de Combusto Interna.......................................................................176

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Onda de presso em funo da posio............................................08

Figura 2.2 - Presso na admisso x ngulo de movimento do pisto....................09

Figura 2.3 - Esquema de um pulso de presso inicial e refletido...........................10

Figura 2.4 - Variao da presso em funo do tempo para uma rotao do eixo

comando de vlvulas de 200 rev/min.....................................................................12

Figura 2.5 - Variao da presso em funo do ciclo............................................13

Figura 2.6 Dimetro da seo reta do conduto de admisso..............................14

Figura 2.7 Comprimentos do conduto de admisso (Heisler, 1995)....................15

Figura 2.8 Rendimento volumtrico x rotao (Heisler, 1995)............................15

Figura 2.9 Parmetros geomtricos da vlvula...................................................18

Figura 2.10 Curvas do levante da vlvula de admisso e a rea de escoamento

correspondente em funo do ngulo do eixo comando de vlvulas (Heywood,

1988).......................................................................................................................18

Figura 2.11 Estgios distintos de escoamento do fluido atravs da vlvula....... 19

Figura 2.12 Esquema mostrando os trs estgios de levante distintos da vlvula

e as relaes Lv/D para os dois primeiros estgios (Heywood, 1988)...................20

Figura 2.13 Coeficientes de descarga tpicos de vlvulas de admisso.............22

Figura 2.14 Motor MWM Sprint (mwm.com)........................................................28

Figura 2.15 Diagrama de vlvulas do motor MWM Sprint...................................30

Figura 2.16 Escoamento gerado no motor MWM................................................30

Figura 3.1 Vista geral do banco de fluxo.............................................................32

Figura 3.2 Esquema geral do banco de fluxo......................................................33

Figura 3.3 Esquema do medidor de fluxo............................................................34

Figura 3.4 Sistema de lubrificao......................................................................37

Figura 3.5 Dinammetro hidrulico......................................................................37

Figura 3.6 Medidor de vazo tipo turbina............................................................39

Figura 3.7 Medidor de vazo montado no dinammetro.....................................39

Figura 3.8 Sensor de rotao montado no dinammetro (a) e o tacmetro

(b)............................................................................................................................40

Figura 3.9 Analisador de gases...........................................................................41

viii

Figura 3.10 Tela do analisador de gases.............................................................42

Figura 3.11 Cabeote superior e inferior desmontados.......................................43

Figura 3.12 Modelo de acionamento das vlvulas...............................................44

Figura 3.13 Motor completo montado no dinammetro.......................................44

Figura 4.1 Vista geral do banco de fluxo.............................................................51

Figura 4.2 Desenho esquemtico da seo de testes.........................................53

Figura 4.3 Experimento com tubo de 1000 mm...................................................54

Figura 4.4 Experimento com tubo de 2000 mm...................................................55

Figura 4.5 Foto do modelo dos transdutores utilizados.......................................57

Figura 4.6 Eixo de comando de vlvulas de admisso original...........................58

Figura 4.7 Cabeote com alteraes e as engrenagens instaladas no

prolongamento dos eixos de comando de vlvulas................................................59

Figura 4.8 Marcao da polia da correia dentada onde se encontra o sensor de

rotao (direita) e do eixo com o came defasado...................................................59

Figura 4.9 Diagrama de vlvulas do teste realizado com o eixo de comando das

vlvulas de admisso defasado de 10 entre os cames.........................................60

Figura 4.10 Diagrama de vlvulas do teste realizado com o comando de vlvulas

de admisso defasado de 40 entre os cames.......................................................60

Figura 4.11- Sensor de rotao do experimento....................................................61

Figura 4.12 - Posicionamento do sensor de rotao e fase...................................62

Figura 4.13 Bomba de engrenagem com o motor eltrico acoplado...................63

Figura 4.14 - Variao da temperatura em funo do tempo na realizao de um

teste experimental no banco de fluxo.....................................................................64

Figura 4.15 Vazo mssica em funo da rotao do eixo de manivelas para o

experimento com tucho hidrulico e mecnico para uma configurao com 2

metros de conduto..................................................................................................66

Figura 4.16 Montagem do motor no dinammetro (dinammetro em primeiro

plano)......................................................................................................................67

Figura 4.17 Esquema representando o sistema..................................................68

Figura 4.18 Montagem do motor no dinammetro (motor em primeiro plano)....68

Figura 4.19 Diagrama de vlvulas do teste A (comando de vlvulas de admisso

do motor 1.016V original).......................................................................................69

ix

Figura 4.20 Diagrama de vlvulas do teste B (comando de vlvulas de admisso

do motor 1.316V original).......................................................................................70


de admisso defasado de 5 (atrasado) entre os cames.......................................71


de admisso defasado de 5 (adiantado) entre os cames......................................71

Figura 5.1 Vazo mssica em funo da rotao do eixo de comando de

vlvulas com tubo de 1 metro sem defasagem......................................................75

Figura 5.2 Vazo mssica em funo da rotao do eixo de comando de

vlvulas com tubo de 2 metros sem defasagem.....................................................75

Figura 5.3 - Vazo mssica em funo da rotao do eixo comando de vlvulas de

admisso com o desvio padro dos dados, para o conduto de 1 metro e 10 de

defasagem entre os cames....................................................................................76






defasagem entre os cames.....................................................................................77













x

Figura 5.10 - Vazo mssica em funo da rotao do eixo comando de vlvulas

de admisso com o desvio padro dos dados, para o conduto de 2 metro e 40 de



de admisso para as diferentes defasagens com o tubo de 1 metro.....................80


de admisso para as diferentes defasagens com o tubo de 2 metros...................80

Figura 5.13 Vazo mssica mdia em funo da defasagem entre as vlvulas de

admisso do eixo de comando...............................................................................82

Figura 5.14 Vazo mssica em funo do ngulo do eixo de comando de

vlvulas com defasagem de 0...............................................................................84


vlvulas com defasagem de 10.............................................................................85







Figura 5.19 Cabeote e relgio comparador montado na estrutura metlica para

levantar o perfil da vlvula de admisso.................................................................87

Figura 5.20 Levante da vlvula de admisso obtido experimentalmente.............88

Figura 5.21 - Variao do coeficiente de descarga em funo do levante da vlvula

de admisso obtido de forma experimental................................................89

Figura 5.22 Presses ao longo do conduto de admisso na rotao do eixo de

comando de vlvulas de 1200 rev/min sem defasagem.........................................90

Figura 5.23 Comparao entre a presso na porta das vlvulas e a posio P1

na rotao do eixo de comando de vlvulas de 1200 rev/min sem defasagem.....91

Figura 5.24 Variao da Presso P1 e do desvio padro na rotao do eixo de

comando de vlvulas de 202 rev/min com defasagem de 0.................................92

Figura 5.25 Variao da Presso P1 e do desvio padro na rotao do eixo de

comando de vlvulas de 400 rev/min com defasagem de 0.................................93

xi

Figura 5.26 Variao da presso P1 em funo do ngulo do eixo de comando

de vlvulas, rotao de 1200 rev/min para as defasagens....................................94





Figura 5.29 Variao da vazo mssica com o ngulo do eixo virabrequim com

defasagem de 0.....................................................................................................98

Figura 5.30 Variao da vazo mssica com o ngulo do eixo virabrequim com

defasagem de 20...................................................................................................98 Figura 5.31 - Curva da rea do grfico de presso na porta da vlvula de

admisso em funo da rotao do eixo de comando de vlvulas, comparando

com a curva de vazo, sem defasagem...............................................................100

Figura 5.32 - Curva da rea do grfico de presso na porta da vlvula de


com a curva de vazo, defasagem 10.................................................................101









com a curva de vazo defasagem 40..................................................................102

Figura 5.36 - Curva seno com o comprimento efetivo para cada quarto de onda

com o seu tempo percorrido para a permanncia da vlvula fechada.................105

Figura 5.37 Anlise espectral para a rotao de 1000 rev/min do eixo de

comando de vlvulas de admisso.......................................................................107



xii

xiii



Figura 5.40 Onda estacionria para a rotao de 1600 rev/min do eixo de

comando de vlvulas de admisso para a freqncia fundamental.....................109

Figura 5.41 Onda estacionria para a rotao de 1600 rev/min do eixo de

comando de vlvulas de admisso para o primeiro harmnico............................109

Figura 5.42 Curvas de potncia corrigida do motor com o comando original 1.0

16V e o comando defasado de 15 (abertura atrasada em relao ao PMS)......111

Figura 5.43 Curvas de torque corrigido do motor com o comando original 1.0 16V

e o comando defasado de 15 (abertura atrasada em relao ao PMS).............112

Figura 5.44 Curvas de consumo especfico do motor com o comando original 1.0


Figura 5.45 Curvas de emisses de CO2 do motor com o comando original 1.0


Figura 5.46 Curvas de emisses de CO do motor com o comando original 1.0


Figura 5.47 Curvas de emisses de O2 do motor com o comando original 1.0


Figura 5.48 Curvas de emisses de HC do motor com o comando original 1.0


Figura 5.49 Curvas de fator lambda calculado pelas emisses de gases

provenientes da combusto do motor com o comando original 1.0 16V e o

comando defasado de 15 (abertura atrasada em relao ao PMS)...................117

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1 Relao das freqncias de ressonncia para os dois condutos

experimentais (abertos nas duas extremidades)....................................................56

Tabela 4.2 Relao das freqncias de ressonncia para os dois condutos

experimentais (fechado em uma extremidade).......................................................56

Tabela 5.1 Anlise de sinais de presso na porta da vlvula de admisso

considerando o comprimento L do tubo..................................................................96

Tabela 5.2 Anlise de sinais de presso na porta da vlvula de admisso

considerando o comprimento L* do tubo................................................................97

Tabela 5.3 reas referentes aos clculos das integrais....................................100

Tabela 5.4 Tempo de abertura da vlvula de admisso sem defasagem......103

Tabela 5.5 Tempo de abertura da vlvula de admisso defasagem de 10...103



Tabela 5.8 Tempo de abertura da vlvula de admisso defasagem de 40....104

xiv

NOMENCLATURA

A rea da seo reta do conduto (m2)

a velocidade do som (m/s)

AA Vlvula de admisso abre

AF Vlvula de admisso fecha

Ab rea de passagem do escoamento atravs da vlvula borboleta (m2)

Ac rea de cortina (m2)

Am rea mnima (m2)

AR rea de referncia (m2)

c Velocidade do som no ar (m/s)

CD Coeficiente de descarga (adimensional)

CF4 fator de correo de potncia indicada (adimensional)

CO Monxido de carbono (%)

CO2 - Dixido de carbono (%)

D Dimetro do conduto (m)

DA Vlvula de descarga abre

DF Vlvula de descarga fecha

D Dimetro interno do assento da vlvula (m)

Dm Dimetro mdio do assento da vlvula (m)

Dp Dimetro da porta da vlvula (m)

Ds Dimetro da haste (m)

Dv Dimetro da vlvula (m)

e Energia interna especfica (J/kg)

Ec Energia cintica do ar no conduto (J)

F rea de seo transversal (m2)

F Fora (N)

f Freqncia (Hz)

HC Hidrocarbonetos (ppm)

IP potncia corrigida para as condies ambientes requeridas (kW)

IPm potncia indicada nas condies de atmosfera padro (kW)

k Nmero de onda

Ki Fator de efeitos de inrcia

L Comprimento do tubo (m)

xv

LV Deslocamento da vlvula (m)

m& - Vazo mssica atravs do conduto de admisso (kg/s)

m& c Vazo mssica atravs de cada cilindro (kg/s)

N Rotao do motor (eixo virabrequim) (rev/min)

n Rotao do eixo de comando de vlvulas (rev/min)

O2 Oxignio (%)

P Presso (Pa)

P presso baromtrica (Pa)

Pv presso parcial de vapor dgua (Pa)

PMS Ponto morto superior

PMI Ponto morto inferior

pi Presso na porta da vlvula de admisso (Pa)

pme presso mdia efetiva (Pa)

po Presso de estagnao (antes da vlvula de admisso) (Pa)

pT Presso no cilindro (Pa)

R Constante especfica do gs

S rea (m2)

t tempo (s)

T Temperatura (K)

To Temperatura de estagnao (antes da vlvula de admisso) (K)

TBS Temperatura de bulbo seco (K)

TBU Temperatura de bulbo mido (K)

u Velocidade (m/s)

U Partcula de velocidade adimensional

Vd Volume deslocado pelo pisto (m3)

w Freqncia angular (rad/s)

w Largura do assento da vlvula (m)

xvi

xvii

SMBOLOS GREGOS

Massa especfica do fluido (kg/m3)

o Massa especfica do fluido nas condies padro (kg/m3)

a massa especfica do ar admitido (kg/m3)

- comprimento de onda (m)

Fator lambda (adimensional)

- Razo entre os calores especficos

V Rendimento volumtrico

- ngulo de assento da vlvula (rad)

- Deslocamento angular do pisto (rad)

Fator de mistura ar-combustvel (adimensional)

Captulo 1

Introduo

1.1. Motivao

Devido ao crescimento da indstria automotiva no Brasil e da comercializao

de automveis com motores de combusto interna multi-vlvulas com ignio

por centelha, identificou-se a necessidade de um estudo com relao ao

desempenho desses motores. Atualmente, esto sendo propostas diversas

alternativas de melhoria em seu desempenho, passando por turbo -

compressores, sobre - alimentadores, injeo direta de combustvel e a

compactao do conjunto moto - propulsor, na tentativa de atingir maior

flexibilidade em regime de cargas intermedirias.

Com a possibilidade de aumentar a eficincia volumtrica dos motores de

ignio por centelha, foram analisadas modificaes nas caractersticas

geomtricas e de operao do coletor e do comando de admisso.

Consideraes a respeito das emisses de poluentes so feitas referente a

possveis alteraes nos constituintes da combusto e dos limites de emisses

de poluentes institucionalizado pelo PROCONVE (Programa de Controle da

Poluio do Ar de Veculos Automotores) no Brasil.

No mercado atual existem poucos veculos disponveis que utilizam algum tipo

de dispositivo mecnico de modo a permitir variaes no perodo de

permanncia da abertura das vlvulas de admisso. Contudo, vrios projetos

tm sido propostos apresentando diferentes tipos de acionamentos mecnicos,

mecnico-hidrulicos, hidrulicos e eltricos.

1

Captulo 1 Introduo 2

1.2. Objetivos

Este trabalho tem como objetivo geral um estudo experimental dos efeitos da

defasagem no perodo de permanncia da abertura das vlvulas de admisso

em motores de combusto interna alternativos, com o intuito de definir um

ngulo de fase entre as duas vlvulas para a maximizao da eficincia

volumtrica em uma determinada faixa de rotao. O trabalho apresenta os

seguintes objetivos especficos:

estudo experimental utilizando uma bancada de teste (Banco de Fluxo) em

condies de escoamento em regime permanente e transiente para avaliar

os efeitos da defasagem da abertura das vlvulas de admisso sobre o

fluxo de massa de ar induzido nos motores de combusto interna. Os testes

foram realizados apenas com o cabeote de um motor de 16 vlvulas em

vrios regimes de rotao do eixo comando de vlvulas, com o intuito de

identificar um comportamento da vazo mssica e da presso no conduto

de admisso;

identificar as caractersticas geomtricas mais favorveis (comprimento do

conduto de admisso e ngulo de defasagem das vlvulas de admisso) ao

aumento da massa de ar induzida no interior do cilindro;

utilizao de um motor de produo seriada de 999 cm3 montado no

dinammetro, adaptado para operar nas condies identificadas nos testes

no Banco de Fluxo, visando a avaliao de seu desempenho global e

anlise das emisses dos gases de descarga.

1.3. Estado da Arte

Em face da crescente competio do diesel e fontes alternativas de energia,

alguns dos prottipos mais recentes e a produo de motores alimentados

gasolina mostram como o desenvolvimento contnuo da engenharia est

atendendo a demanda por mais potncia, reduzindo o consumo de combustvel

e emisses e moto-propulsores mais eficientes (Jost, 2001). O

desenvolvimento de motores de ignio por centelha passa pelas reas de

transferncia de calor, perdas por bombeamento, eficincia da combusto e


atrito. Dentre o conceito de tecnologia estudado temos como tendncias o

sistema de injeo direta, a variao do diagrama de vlvulas, taxa de

compresso varivel e a sobre-alimentao.

Poucos veculos disponveis hoje no mercado utilizam algum tipo de

acionamento mecnico que permite certa flexibilidade nos tempos de abertura

das vlvulas de admisso e descarga, optando-se por alteraes do diagrama

de vlvulas. Contudo, nenhum dos mecanismos incorpora um completo ajuste

independente de sincronizao de abertura e fechamento da vlvula. Alguns

motores de produo da BMW, Porsche, Honda e Toyota cumprem esta

crescente demanda por mais potncia, maior economia de combustvel e

emisses reduzidas e tamanho reduzido para o estrito espao sob o cap nos

projetos modernos. Dresner e Barkan, 1989, Hara et al., 2000, Pierik e

Burkhard, 2000, e Schirm, 2003, apresentaram projetos de diferentes tipos de

acionamentos mecnicos. Seguidos pela mesma motivao Urata et al., 1993,

e Lenz et al.,1989, apresentaram sistemas de acionamento mecnico-

hidrulico e Cunha et al., 2000 estudaram um conceito alternativo de

acionamento hidrulico das vlvulas. Alguns estudos foram realizados com o

intuito de buscar alternativas para a fabricao do mecanismo de variao do

ngulo de fase das vlvulas e realizao dos testes em banco de fluxo e em

dinammetro de bancada. Estes trabalhos so mencionados no Captulo 2.

1.4. Escopo da Dissertao

No Captulo 2 apresentada uma reviso bibliogrfica sobre os motores de

combusto interna, identificando a dinmica do processo de admisso e

trabalhos de pesquisadores e fabricantes automotivos sobre modelos que

analisam a variao do fluxo de ar no conduto de admisso. Enfoca, tambm,

testes estacionrios e transientes em banco de fluxo e testes dinmicos de

motores em bancada. O Captulo 3 apresenta todo o aparato experimental para

a realizao dos testes. As alteraes realizadas no cabeote e as

metodologias experimentais que foram utilizadas em cada etapa da execuo

dos procedimentos so apresentadas no Captulo 4.


No captulo 5 so apresentados os resultados experimentais dos testes

realizados no banco de fluxo implementado para as diversas situaes, onde

so discutidos detalhadamente os dados obtidos e feitas comparaes com

resultados encontrados na literatura. Os testes de desempenho e anlise de

gases tambm esto includos. O captulo 6 apresenta as concluses do

trabalho, identificando as variveis mais representativas nos processos de

admisso com nfase aos ganhos obtidos a partir das operaes propostas.

Apresenta, tambm, sugestes para trabalhos futuros, e fornece outras

possibilidades para pesquisas com a utilizao do mesmo aparato

experimental, obtendo novas informaes para o conhecimento dos temas

tratados ao longo do trabalho. Em seguida, apresentam-se as referncias

bibliogrficas citadas no trabalho.

Um breve histrico e conceitos de operao de motores de combusto interna

so apresentados no Apndice I. No Apndice II so apresentados os limites

de emisses veiculares. A avaliao dos sistemas de medio, de acordo com

suas caractersticas estticas e dinmicas e a anlise de incertezas dos

resultados obtidos so apresentados no Apndice III. No anexo I so

apresentados os modelos das tabelas para aquisio de dados no banco de

fluxo, dinammetro e analisador de gases, preenchidas com os dados obtidos

do motor original, e os anexos II, III e IV so artigos publicados referentes a

essa dissertao.

Captulo 2

Reviso Bibliogrfica

2.1. Introduo O conduto de admisso e a flexibilidade no movimento das vlvulas interferem na

dinmica da mistura admitida pelo cilindro, pois qualquer alterao em um ou mais

mecanismos afetam o desempenho do motor e a emisso de poluentes. A

eficincia dos motores de combusto interna depende largamente do

aproveitamento dos fenmenos inerciais e transientes que ocorrem nos condutos

de admisso e descarga.

A otimizao das condies de trabalho dos motores de combusto interna passa

necessariamente por uma anlise profunda das diversas variveis envolvidas no

processo. Os sistemas de admisso e descarga possuem dimensionamento e

configuraes geomtricas diferenciados de acordo com suas finalidades, onde

pode ser privilegiado no projeto o consumo, a potncia ou, por exemplo, o

rendimento volumtrico e o torque a baixas rotaes (Hanriot, 2001).

A tarefa principal dos condutos de admisso em motores de combusto interna

alternativos conduzir o ar da atmosfera at os cilindros, distribuindo

uniformemente entre eles a massa de ar admitida. Nos motores com injeo

eletrnica, o gs escoando nos condutos de admisso pode ser considerado

meramente ar atmosfrico, exceto numa pequena seo prxima porta da

vlvula, onde o combustvel injetado. Portanto, pode-se dizer que, alm da

admisso do ar, os condutos tm funes de maximizar o rendimento volumtrico

dos motores, produzir baixas perdas de presso ao longo do escoamento do ar e

5

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 6

distribuir uniformemente a massa de ar entre os cilindros. A ltima funo impe

que o ar admitido da atmosfera escoe atravs de sistemas geomtricos similares

at atingir o cilindro. de se esperar, portanto, que a geometria do conduto de

admisso seja projetada de acordo com as caractersticas do motor. Isto significa

dizer que o comprimento e o dimetro do conduto e, eventualmente, as cmaras

intermedirias, tm um papel fundamental no correto projeto de tais sistemas,

levando-se em conta os complexos efeitos de escoamento transiente com

variaes temporal e espacial (Hanriot, 2001).

Benajes et al, em 1997, analisaram os condutos de admisso levando em conta

dois sub-sistemas separados, o pisto e a vlvula, que se movem periodicamente

e atuam como fonte de excitao, e o conduto de admisso, que responde

excitao de acordo com sua prpria geometria. Esta interao afeta a condio

de escoamento transiente ocasionada na porta da vlvula e, conseqentemente,

todo o processo de admisso do gs da atmosfera para o interior do conduto de

admisso.

2.2. A Inrcia do Gs O ar no interior do conduto possui energia cintica (energia de movimento). Este

contedo energtico de ar, se oportunamente aproveitado, pode determinar uma

compresso no interior do cilindro exatamente no momento em que a vlvula de

admisso se fecha. criada assim uma fonte de sobre-alimentao natural

devido inrcia do gs. O rendimento volumtrico v est relacionado com a

capacidade que o motor possui em admitir ar atmosfrico, sendo um parmetro de

medida da eficincia nos processo de admisso do ar. definido como sendo a

vazo mssica de ar no conduto de admisso pela taxa que o volume de ar

deslocado pelo pisto (Heywood, 1988):

m 2

a NVdV

&

= (2.1)

sendo:


Vd : o volume deslocado pelo pisto (entre PMI e PMS) (m3);

N : rotao do motor (virabrequim) (rev/s);

a : a densidade do ar admitido na temperatura de referncia (kg/m3);

m& : a vazo mssica atravs do conduto de admisso (kg/s).

Um outro fator importante na determinao dos efeitos inerciais em um motor

chamado de fator de efeitos de inrcia, Ki. definido por:

oi m

mK&

&= (2.2)

sendo a vazo mssica do sistema com o conduto de admisso e m a vazo

mssica sem o conduto de admisso.

m& o&

Como j comentado, o efeito RAM ocorre a partir da presso produzida pelo

choque da massa de ar contra a parede do pisto, aumentando assim a densidade

de ar, exatamente no momento em que a vlvula se fecha. A densidade do ar e,

portanto, a massa de ar dentro do cilindro, pode aumentar a ponto de anular os

efeitos negativos das perdas de presso e levar o rendimento volumtrico a

valores elevados. por esse motivo que se costuma chamar o rendimento

volumtrico de coeficiente de reenchimento.

2.3. Pulsao do Gs Morse et al (1938) foram dos primeiros a mostrar a influncia dos efeitos da

produo de pulsos de presso nos condutos de admisso ocasionados pelo

movimento alternativo das vlvulas de admisso. Evidenciaram que o

aproveitamento de tais flutuaes de presso pode ser usado para o aumento do

rendimento volumtrico dos motores. As grandes variaes de volume no cilindro

devido ao movimento do pisto produzem perturbaes que, durante a abertura e

fechamento das vlvulas de admisso e descarga, se propagam como ondas de

rarefao e compresso ao longo do conduto.


Ocorrendo o movimento da vlvula, cria-se uma compresso na camada vizinha

vlvula, que fica com a presso ligeiramente maior que a seguinte, expandindo-se

contra a mesma. A camada vizinha, ento, ficar mais comprimida que a

adjacente, comprimindo-a, e assim por diante. Este processo de compresses e

expanses sucessivas leva um tempo finito, e, portanto, a mensagem da

aplicao de uma perturbao de presso (onda de presso) propaga-se com uma

velocidade finita denominada velocidade de propagao da perturbao da

presso, igual a velocidade do som (Fig. 2.1).

Velocidade da onda

Onda de expansoOnda de compresso

Pres

so

(p)

Posio (x)

Figura 2.1 Onda de presso em funo da posio

A resposta dinmica do gs contido no conduto de admisso excitao peridica

produzida pelo conjunto pisto-vlvula e o correto aproveitamento desses

fenmenos transientes foram estudados por uma srie de autores (Winterbone et

al., 1989; Gindele et al., 1997; Ohata e Ishida, 1982). A descrio fsica dos

fenmenos transientes de presso bem explicada por Benajes et al (1997).

Segundo esse autor, os fenmenos oscilatrios de presso podem ser

considerados supondo inicialmente que no ocorra a reflexo dos pulsos de

presso em direo ao cilindro. Conceitualmente, um conduto reto infinito de

admisso satisfaz esta condio. Neste caso ideal, as perturbaes de presso

dependem unicamente do movimento do conjunto pisto-vlvula.

O movimento do pisto de PMS em direo a PMI produz uma reduo da

presso no interior do cilindro, em relao ao nvel de presso no conduto de

admisso. Esta perturbao de presso viaja do cilindro pelo sistema de


admisso, em direo atmosfera. Se esta evoluo na perturbao da presso

fosse monitorada, o resultado seria similar quele mostrado pela Fig. 2.2 (Benajes

et al., 1997).

Figura 2.2 - Presso na admisso x ngulo de movimento do pisto

No caso de um conduto de admisso com dimenses reais, o pulso de rarefao

originado no cilindro encontra algum ponto no conduto onde refletido em direo

ao cilindro. Este local onde o pulso de presso refletido de particular interesse

para o projeto da geometria dos condutos de admisso. Dentre outros pontos, as

extremidades do conduto, junes e eventualmente cmaras intermedirias so

exemplos tpicos de locais de reflexo da onda. Nessas situaes, a forma do

pulso de presso e seu desenvolvimento ao longo do conduto de admisso so

bem mais complexos que aquela apresentada na Fig. 2.2. Observa-se que pulsos

de presso refletidos so superpostos a pulsos de presso incidentes (Hanriot,

2001).

Payri et al. (1995) mostraram que a presso no conduto pode ser decomposta em

dois componentes: o pulso primitivo e o refletido. Seguindo este modelo, a Fig. 2.3

mostra o esquema da evoluo do pulso de presso originado na porta da vlvula


em um caso simples de um motor mono-cilindro com um tubo de admisso. O

pulso de presso original (onda de rarefao) produzido pelo conjunto pisto-

vlvula e o pulso refletido esto presentes simultaneamente na porta da vlvula, e

sua composio d origem a um sobre-pulso de presso (over-pressure pulse)

durante o fechamento da vlvula de admisso.

Figura 2.3 - Esquema de um pulso de presso inicial e refletido

O pulso de rarefao original mostrado na Fig. 2.3 ainda uma simplificao do

pulso real, pois se considera que sua durao de 180o do ngulo do eixo de

manivela, iniciando no PMS. Uma suposio adicional, empregada por Benajes et

al. (1997), que a composio do pulso de presso linear. Alm disso, se a

propagao do pulso considerada sem atrito, o pulso refletido mantm o perfil e

amplitude originais. O sobre-pulso de presso ser refletido na vlvula e

novamente viaja em direo atmosfera, onde sofre o mesmo processo.

A forma dos pulsos depende basicamente da posio de fechamento da vlvula

de admisso e de sua reflexo, sendo sua amplitude reduzida em cada reflexo

(Hanriot, 2001). O tempo em que cada pulso refletido retorna porta da vlvula

caracterizado por um ngulo de fase , relacionado entre pontos anlogos dos

pulsos refletidos e os pulsos primitivos. O valor de depende basicamente da

velocidade de propagao do pulso, do comprimento do tubo e da velocidade de

rotao do motor. Em um motor mono-cilndrico, o ajuste do conduto de admisso


se baseia na determinao de um valor de timo, em conjunto com uma

amplitude conveniente.

Em uma considerao mais simples, pode-se dizer que o ngulo de fase pode

ser obtido utilizando-se uma relao entre o intervalo de tempo que o pulso de

presso leva para viajar da vlvula at a entrada do conduto de admisso e

retornar. O tempo gasto dado por:

t = 2L/c (2.3)

onde:

c : velocidade do som no ar (m/s);

L : distncia que o pulso viaja de uma fronteira outra (comprimento do tubo de

admisso) (m);

t : tempo que o pulso gasta para viajar da porta da vlvula entrada do conduto e

retornar (s).

O deslocamento angular do pisto durante o mesmo intervalo de tempo dado

por (Heisler, 1995):

= (360N)(2L) / (60c) (2.4)

onde:

N : rotao do motor (rev/min);

: deslocamento angular do pisto (grau).

Enquanto o gs possui uma velocidade em direo ao cilindro, a onda de

rarefao produzida se move em direo oposta ao sentido do escoamento do

gs. Tal variao de presso se apresenta como uma oscilao de presso de

alguma regio da massa gasosa. A velocidade com que esta onda se move a do

som, que para o ar da ordem de 340 m/s; muito superior, portanto, velocidade

do gs, que pode atingir valores em torno de 90 m/s (Heisler, 1995).


Logo, o gs se move a aproximadamente 90 m/s em direo ao cilindro, enquanto

a onda de rarefao se movimenta a 340 m/s, distanciando-se do cilindro. Quando

chega parte oposta do conduto, a onda de rarefao (depresso) se torna uma

onda de compresso (Hanriot, 2001); a perturbao se propaga agora em direo

ao cilindro (no sentido do escoamento do gs), sob a forma de onda de

compresso. Desta forma, uma poro do gs se aproxima do cilindro na forma de

sucessivas e rpidas ondas de presso. Quando a vlvula de admisso se abre,

cria-se uma onda que viaja velocidade do som no sentido oposto ao cilindro e

posteriormente em direo oposta ao mesmo. Se o comprimento do conduto ou o

regime de rotao so tais que a onda de compresso chega exatamente quando

a vlvula se fecha, tem-se o mximo rendimento volumtrico (Fig. 2.4).

A onda gerada na abertura da vlvula de admisso chamada de pulso de

presso negativo (onda de rarefao), enquanto que a onda refletida que viaja em

direo porta da vlvula denominada onda de compresso. A diferena de

presso resultante entre o pulso gerado e o refletido determina a presso efetiva

que se traduz em um aumento do rendimento volumtrico do motor (Hanriot,

2001).

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Tempo [seg]

Pres

so

[bar

]

Vlvula aberta Vlvula fechada

Figura 2.4 - Variao da presso em funo do tempo para uma

rotao do eixo comando de vlvulas de 200 rev/min


Pode-se concluir que o ajuste entre os vrios componentes de um sistema de

admisso traz benefcios ao rendimento volumtrico dos motores, em particular

quando pulsos de presso positivos (ondas de compresso) chegam na porta da

vlvula, no instante do fechamento da vlvula de admisso. Isto foi mostrado por

Ohata e Ishida (1982), que modelaram os efeitos da presso na porta da entrada

da vlvula e sua influncia no rendimento volumtrico considerando e existncia

de pulsos de presso no conduto de admisso.

Na situao em que a vlvula se fecha na presena de depresso, a massa de ar

que entra no cilindro diminui e o rendimento volumtrico cai (e como conseqncia

os valores de presso mdia efetiva e torque). Deve-se observar que as pulsaes

esto presentes continuamente, e em todos os regimes de rotao. Entretanto,

somente em determinados regimes de rotao a massa de ar que entra no cilindro

mxima (quando do fechamento da vlvula de admisso).

Figura 2.5 - Variao da presso em funo do ciclo

A Fig. 2.5 mostra a variao da presso na porta da vlvula ao longo do tempo

para duas revolues do eixo comando de vlvulas, para um motor mono-cilindro

com um conduto reto de admisso de 2 metros de comprimento, com ngulo de

permanncia da vlvula de admisso de 102,5, a uma velocidade de rotao do

eixo de manivela de 800 rev/min. Pode ser observada a atenuao da propagao


dos pulsos de presso quando a vlvula de admisso encontra-se fechada. A

atenuao est relacionada basicamente com o comprimento do tubo, a rotao, o

dimetro e o nmero de Reynolds (Hanriot, 2001).

2.4. Geometria do Conduto de Admisso Em projetos de condutos de admisso a escolha da rea da seo que produza o

mnimo de perdas fundamental. Portanto, deve existir um compromisso entre o

dimetro do conduto e a rotao do motor (Fig. 2.6), particularmente sob

revolues reduzidas, em que baixas velocidades de admisso podem causar

uma mistura pobre e altas velocidades podem reduzir o rendimento volumtrico do

motor.

Heisler (1995), a partir de testes experimentais, afirma que o valor mnimo na

velocidade de admisso do ar gira em torno de 14 m/s e a mxima em torno de 75

m/s. Altas velocidades na admisso podem causar uma diminuio da densidade

de massa de ar admitido com conseqente diminuio do rendimento volumtrico.

Figura 2.6 Dimetro da seo reta do conduto de admisso

As flutuaes da energia cintica na coluna de massa de ar admitido na porta da

vlvula, causada pela abertura e fechamento peridicos da vlvula de admisso,

podem ser aproveitadas para melhorar o rendimento volumtrico dos motores pelo


j comentado efeito RAM. Um outro parmetro geomtrico que influencia no

rendimento volumtrico o comprimento do conduto de admisso (Fig. 2.7).

Figura 2.7 Comprimentos do conduto de admisso (Heisler, 1995)

Rotao do motor (rpm)

Ren

dim

ento

vol

umt

rico

(%)

Dimetroconstante40 mm

3,5 Litrosmotor 6cilindros

Sem tubo

Compri-mento dotubo

Figura 2.8 Rendimento volumtrico x rotao (Heisler, 1995)

A Fig. 2.8 ilustra o compromisso existente entre o comprimento do conduto e o

rendimento volumtrico obtido sob vrios regimes de rotao de um motor de 6

cilindros com 3,5 litros. Pode-se observar que para motores sem conduto de


admisso, ocorre uma brusca diminuio do rendimento volumtrico em funo da

rotao, enquanto que motores com condutos de admisso com comprimentos

maiores tendem a apresentar um rendimento volumtrico mais elevado (Heisler,

1995).

Um parmetro importante que est intimamente ligado ao comprimento do tubo de

admisso denominado parmetro de freqncia q, definido como sendo a razo

entre a freqncia do tubo de admisso (freqncia natural do tubo quando a

vlvula de admisso est fechada) e a freqncia da vlvula (metade da

freqncia de rotao do eixo de manivelas).

vlvulaf

fq sistema= (2.5)

Morse (1938) mostra que quando ocorre a ressonncia do tubo no terceiro, quarto

e quinto harmnicos da freqncia da vlvula, isto , quando q = 3,4 e 5, h um

aumento da presso mdia efetiva (pme) e, conseqentemente, do rendimento

volumtrico. Este parmetro importante na medida que fornece uma relao de

otimizao do projeto de motores, uma vez que motores que apresentam valores

mais elevados de pme conseguem extrair uma potncia motriz mais elevada que

similares que apresentem um valor de pme mais reduzido. Benajes (1997)

tambm mostra que o parmetro de freqncia terico para o caso de conduto de

admisso de tubo reto igual a quatro.

A energia cintica do fluido no conduto est relacionada a variveis geomtricas e

de funcionamento. A energia cintica da massa de ar que entra no cilindro est

relacionada com o comprimento e seo transversal do conduto de admisso

conforme a seguinte proporcionalidade (Bocchi, 1988):

2CE DL (2.6)

onde:


Ec : energia cintica do ar no conduto (w);

L : comprimento do conduto (m);

D : dimetro do conduto (m).

O efeito RAM , portanto, proporcional ao comprimento do conduto e

inversamente proporcional rea da seo transversal. Logo, se o objetivo

conseguir um forte efeito inercial, deve-se produzir um conduto longo e de seo

reta reduzida (deve-se, entretanto, observar que condutos longos levam a perdas

de presso maiores que podem prevalecer sobre os efeitos inerciais).

O conduto de admisso varivel tambm empregado para impulsionar os pontos

de baixo torque e proporcionar uma melhora no consumo de combustvel ou na

potncia em altas velocidades, e outra opo de flexibilidade do motor. Um

conduto de admisso fixo tem sua geometria otimizada para um melhor

desempenho do motor, no privilegiando a potncia em altas velocidades nem o

torque em baixas velocidades. O conduto de admisso varivel introduz dois ou

mais estgios para tratar das diferentes rotaes do motor.

2.5. Escoamento atravs das Vlvulas

As restries da admisso de ar tm seu incio no filtro de ar, em seguida o

conduto e a borboleta de acelerao at chegar no coletor de admisso. Temos

ento as vlvulas e os condutos na porta das vlvulas de admisso dentro do

cabeote inferior, que so os principais dispositivos de restrio no ciclo de

admisso em plena carga de um sistema em motores de quatro tempos. Os

principais parmetros geomtricos na configurao das vlvulas so mostrados na

Fig. 2.9.


Figura 2.9 Parmetros geomtricos da vlvula

2.5.1. Parmetros Geomtricos e Levante das Vlvulas Alguns valores tpicos de deslocamento e as reas de abertura das vlvulas de

admisso para motores de combusto interna com ignio por centelha de quatro

tempos so mostrados na Fig. 2.10 (Heywood, 1988).

Figura 2.10 Curvas do levante da vlvula de admisso e a rea de escoamento

correspondente em funo do ngulo do eixo comando de vlvulas

(Heywood, 1988)


O escoamento de fluido atravs da vlvula depende do levante e de

caractersticas geomtricas como haste, cabea e assento. Existem trs estgios

distintos de escoamento do fluido atravs da variao do levante da vlvula (Fig.

2.11).

Figura 2.11 Estgios distintos de escoamento do fluido atravs da vlvula

Em pequenos levantes da vlvula em relao a sua sede, um escoamento mnimo

desenvolvido que corresponde rea de um tronco de cone circular

compreendido entre a vlvula e seu assento (Heywood, 1988):

0 L cos sen v

>>

w (2.7)

e a rea mnima dada por:

2 sen2

2D cos

+= vvvm

LwLA (2.8)

onde:

: ngulo do assento da vlvula (grau);

Lv : deslocamento da vlvula (m);

Dv : dimetro da cabea da vlvula (m);

w : largura do assento da vlvula (m).

Em um segundo estgio, a rea mnima est relacionada ainda com a inclinao

da superfcie do tronco de cone circular, porm no mais perpendicular ao


assento da vlvula e o ngulo base do cone cresce de (90o-) at 90o. Para este

estgio tem-se :

cos senw L tan

4 v

2/1

222

>+

ww

DDD

m

sp (2.9)

( )[ ] 2/122 tan wwLDA vmm += (2.10)

onde:

Dp : dimetro da porta da vlvula (m);

Ds : dimetro da haste da vlvula (m);

Dm : dimetro mdio do assento da vlvula (Dv-w) (m).

Valores tpicos da razo Lv /D para os dois primeiros estgios so fornecidos na

Fig. 2.12. Finalmente, quando a vlvula est no seu curso prximo abertura

mxima, a menor rea de escoamento do fluido dada pela rea da porta da

vlvula menos a rea do eixo da vlvula. Assim,

tan 4

2/1

2

222

wwDDD

Lm

spv +

> (2.11)

( )224 spm

DDA = (2.12)

Figura 2.12 Esquema mostrando os trs estgios de levante distintos da

vlvula e as relaes Lv/D para os dois primeiros estgios (Heywood, 1988)


2.5.2. Coeficiente de Descarga A vazo mssica atravs da vlvula usualmente descrita pela equao de

escoamento compressvel atravs de uma restrio, sendo que foi levantada em

funo do ngulo do eixo comando de vlvulas. A equao derivada de uma

considerao de escoamento unidimensional, compressvel, isentrpico, em que

os efeitos do escoamento real so includos atravs do coeficiente de descarga

CD, obtido experimentalmente. Este coeficiente importante na medida em que

fornece uma relao da vazo mssica real que passa pelo conduto de admisso

em funo da abertura da vlvula.

O escoamento do ar est relacionado com a presso e temperaturas de

estagnao, po e To , imediatamente antes da vlvula (porta da vlvula), com a

presso esttica, pT , imediatamente aps a restrio e uma rea de referncia,

AR, caracterizada por um valor de projeto (Heywood, 1988):

2/1/)1(/1

2/1 112

)(

=

o

T

o

T

o

oRD

pp

pp

RTpACm&

(2.13)

onde:

CD : Coeficiente de descarga; : Razo entre os calores especficos a presso constante e a volume constante; p0 : Presso na porta da vlvula;

pT : Presso no cilindro

T0 : Temperatura na porta da vlvula;

R : Constante do ar (considerando como gs ideal);

AR: rea de referncia.

Alguns valores tpicos de coeficiente de descarga so mostrados na Fig. 2.13 para

configuraes da vlvula de admisso em funo da razo levante dimetro nos

estgios 1, 2 e 3, referenciados a Fig. 2.11.


Figura 2.13 Coeficientes de descarga tpicos de vlvulas de admisso

Os coeficientes de descarga dependem da referncia considerada, os valores

apresentados foram obtidos com uma rea de referncia denominada rea da

cortina da vlvula, que por convenincia calculada por:

VpC LDA = (2.14)

onde:

AC : rea da cortina;

Lv : deslocamento da vlvula;

Dv : dimetro da cabea da vlvula;

Blair et al. (1995) descreveram a avaliao experimental de modelos matemticos

da propagao da onda da presso no conduto de admisso de um motor. Um

aspecto interessante foi os coeficientes de descarga para as vrias condies

testadas. O mtodo experimental para a deduo dos coeficientes da descarga

adota a experimentao do fluxo constante, quando este mtodo puder ser

utilizado, totalmente adequado. Est demonstrando que a aproximao terica

est nas incertezas das medies. O autor apresenta os resultados experimentais

para os coeficientes de descarga para diversas geometrias da extremidade do

duto tais como orifcios, extremidades lisas, bellmouth (boca de sino) e a porta

da vlvula de exausto de um cilindro do motor de dois tempos. Demonstra que a


equao de escoamento compressvel atravs de uma restrio pode ser usada

somente como um comparador para estas geometrias, mas conduz em erros se

usado dentro de uma simulao computacional. O autor compara os valores dos

coeficientes de descarga determinados pela equao e os experimentos.

Danov (1994) definiu equaes matemticas para coeficientes de descarga das

vlvulas e dos condutos para motor com turbo - compressores. O procedimento

desenvolvido para a identificao baseado em considerao simultnea do

modelo matemtico dos processos de troca de gs e do histrico experimental do

ngulo do eixo de manivelas e da presso diferencial no mesmo processo. Em

conseqncia, os coeficientes de descarga podem ser definidos pela geometria da

vlvula e do conduto, pelo levante da vlvula e pela relao da presso. As

equaes matemticas obtidas para o coeficiente da descarga podem ser usadas

para outros motores.

Blair e Drouin (1996) descrevem aspectos relacionados aos coeficientes de

descarga das vlvulas para relacionar a dinmica dos gases no processo de

admisso. Tais coeficientes de descarga so requeridos em funo do levante e

da relao de presso, um modelo matemtico para cada configurao durante o

processo, o valor deve ser obtido para as vazes mssicas dos gases, do valor

das ondas da presso criadas, e da termodinmica do cilindro. Os coeficientes da

descarga, Cd, so requeridos para as vlvulas de admisso e descarga. O

experimento foi realizado com as quatro vlvulas de um motor de motocicleta de

600 cm3 de alto desempenho.

Fleck e Cartwright (1996) definem o coeficiente da descarga para uma restrio de

vazo como a relao da vazo real e a vazo ideal. Em motores de combusto

interna, a vazo ideal considerada como um gs ideal e o processo livre de

atrito, tenso superficial, etc.. Os coeficientes de descarga so extensamente

utilizados para monitorar a eficincia do fluxo atravs dos vrios componentes de

motor e so teis para melhorar o desempenho destes componentes. Modelando

o fluxo de ar que atravessa os motores importante ter valores para coeficientes

da descarga com as combinaes das vlvulas, da porta das vlvulas e dos


condutos. importante para a modelagem dos motores do dois tempos de alto

desempenho, devido as taxas de fluxo relativamente elevadas e os sentidos de

fluxo em constante mudana. Estes motores contam com um pulso de fechamento

do sistema de descarga ajustado para forar no sentido contrrio a carga fresca

que escapa no cilindro, antes do fechamento do ciclo da descarga. Neste caso,

um elevado coeficiente de descarga desejvel para o fluxo de admisso (fluxo

reverso) atravs da porta de descarga. Os coeficientes de descarga podem ser

medidos sob condies de fluxo constante para cada escala das presses e de

fluxos. Os autores apresentam resultados experimentais para o coeficiente de

descarga relacionado a motores dois tempos de alto desempenho.

White e Passmore (1998) descrevem um estudo detalhado do uso do tubo de Pitot

para medir o fluxo de ar em torno de uma vlvula de admisso em regime

permanente. O estudo avaliou este mtodo para otimizar reas da porta da vlvula

que pudessem contribuir para uma reduo do coeficiente de descarga. Este

mtodo fornece uma ferramenta experimental simples e barata para o uso durante

todo processo. O artigo apresenta os resultados obtidos para levantes diferentes

da vlvula em um cilindro de um motor de produo. O efeito da orientao da

ponta do tubo de Pitot discutido e a vazo comparada com aquela obtida em

um medidor de fluxo do ar. O mtodo mostrado para diversas vazes para

pequenos levantes e utilizado para mostrar a mudana no fluxo devido s

modificaes na porta da vlvula, responsvel a uma pequena reduo no

coeficiente de descarga.

No presente trabalho, para o levantamento dos dados experimentais para o

coeficiente de descarga, foram realizados dois experimentos, um para levantar o

escoamento da vazo mssica em funo do ngulo do eixo comando de vlvulas

de admisso em um banco de fluxo e o segundo para os dados de levante da

vlvula de admisso em funo do ngulo do eixo comando de vlvulas de

admisso em uma bancada especfica.


2.6. Flexibilidade no Acionamento das Vlvulas

Depois que a tecnologia das multi-vlvulas se tornou difundida em projetos dos

motores, o sincronismo varivel das vlvulas foi a etapa seguinte para a

transformao do motor, aumentando a potncia ou o torque. O sincronismo das

vlvulas de admisso e descarga do motor controlado pela forma geomtrica

dos cames e pelo ngulo de fase. Para otimizar a admisso, geralmente requer-se

um sincronismo diferente das vlvulas para diferentes rotaes. Quando as

revolues aumentam, a durao dos cursos de admisso e descarga diminui de

modo que o ar fresco seja admitido de maneira suficiente para que ocorra a

combusto, e a descarga seja suficiente para que os gases saiam do cilindro.

Conseqentemente, a melhor soluo deveria ser a abertura adiantada das

vlvulas de admisso e o fechamento atrasado das vlvulas de descarga. Ou seja,

sobrepor entre o perodo de admisso e descarga um aumento no tempo de

permanncia aberta, quando as revolues do motor forem aumentadas. Em

alguns projetos, o levante da vlvula pode tambm ser variado de acordo com a

rotao. Para altas rotaes, uma maior elevao das vlvulas deve ser

empregado para um aumento da admisso e descarga, otimizando assim o

processo.

Estudos tm demonstrado que o progresso de desempenho em motores de

combusto interna pode ser obtido atravs do sincronismo de vlvula varivel. A

seguir so apresentados estudos publicados em congressos e os modelos

desenvolvidos por algumas montadoras que utilizam algum sistema de

flexibilidade no acionamento das vlvulas.

Leone et al. (1996) identificaram quatro estratgias que podem ser aplicadas para

a variao de fase: utilizando somente o eixo de comando de vlvulas de

admisso, utilizando somente o eixo de comando de vlvulas de descarga,

utilizando os eixos de comando de vlvulas de admisso e descarga defasados

igualmente e utilizando os eixos de comando de vlvulas de admisso e descarga

defasados independentemente. Estas variaes visam reduzir o tempo de fase


das vlvulas com o intuito de conseguir uma alta eficincia volumtrica para

condies de plena carga e rotaes dos motores sem causar, ao mesmo tempo,

a deteriorizao em operaes de baixas cargas e rotaes.

Schirm (2003) adaptou um mecanismo que permitiu o fechamento retardado da

vlvula de admisso, proposta esta que foi uma adaptao da terceira vlvula do

professor Stumpf da UFMG. Nesse trabalho foram realizados ensaios com o motor

operando com ou sem a borboleta do acelerador, plena carga e em cargas

parciais. Os resultados dos testes de fechamento retardado indicaram um ganho

na eficincia do motor e uma reduo nas emisses de poluentes.

Em alguns projetos, o levante da vlvula tambm pode ser variado de acordo com

a rotao do motor. Para otimizar o processo em altas rotaes, uma maior

elevao necessria para um aumento no tempo de permanncia aberta da

admisso e descarga. Naturalmente, para rotaes mais baixas o levante

provocar efeitos contrrios prejudicando o processo, sendo necessrio um

levante menor para baixas rotaes, tornando assim o levante varivel de acordo

com a rotao do motor. Um exemplo de mecanismo com sistema de levante de

vlvula varivel pode ser visto em Kreuter et al. (1999).

Outra maneira de se variar as vlvulas em relao ao tempo. Devido

dificuldade de gerar um mecanismo com vlvulas variveis no tempo com custos

aceitveis, durabilidade e confiabilidade, poucos motores automotivos com

produo seriada vm sendo equipados at hoje com tal variao. Pesquisas

relacionadas variao do tempo das vlvulas podem ser vistas em Cunha et al.

(2000) e Hosoya et al. (2000), que se dedicaram a mecanismos de acionamento

hidrulico, Pischinger et al. (2000), que estudaram os benefcios de um trem de

vlvula eletromecnico, e Lancefield et al. (2000), que pesquisaram a aplicao do

tempo de vlvula varivel para um moderno motor diesel.

Muitos pesquisadores esto desenvolvendo mecanismos conjuntos desses

mtodos. Este o caso de Hara et al. (2000), que descrevem um novo sistema de


vlvulas variveis capaz de controlar continuamente a fase da vlvula e o perodo

de tempo enquanto a vlvula est aberta. Em Flierl e Klting (2000) pode-se

constatar que a BMW tem desenvolvido completos trens de vlvula variveis como

uma possvel soluo tcnica para realizar controle de carga pelo ajuste do

levante da vlvula e o tempo de fechamento da vlvula de admisso. Neste caso,

a variabilidade pode ser conseguida por trens de vlvulas mecnicos variveis ou

sistemas mecatrnicos.

Atualmente, alguns modelos de motores j apresentam mecanismos similares aos

citados, levando ento o motor a assumir diversos diagramas de vlvulas ou

comandos. Abaixo so citados algumas marcas e modelos de automveis e qual a

sua flexibilidade de acionamento:

- Audi 3.0 V6 e V8 - Variadas fases na admisso e dois estgios na descarga;

- BMW VANOS - Variadas fases na admisso;

- BMW Dual VANOS - Variadas fases na admisso e descarga com dois estgios

de variao de levante na admisso;

- Ferrari 360 Modena - Dois estgios de variao de fase na admisso;

- Ford VCT - Dois estgios de variao de fase na admisso;

- Honda VTEC - Dois estgios de variao de levante na admisso e na descarga;

- Honda iVTEC 2 - Variadas fases na admisso e dois estgios de variao de

levante na admisso;

- Honda iVTEC 3 - Variadas fases na admisso e trs estgios de variao de

levante na admisso e na descarga;

- Jaguar AJ-V8 - Variadas fases na admisso;

- Mazda VVT - Variadas fases na admisso;

- Mercedes-Benz V6 e V8- Dois estgios de variao de levante na admisso;

- Mitsubishi MIVEC - Trs estgios de variao de levante na admisso e na

descarga;

- Nissan VVT - Variadas fases na admisso;

- Nissan Neo-VVL - Trs estgios de variao de levante na admisso e na

descarga;

- Porsche VarioCam - Trs estgios de variao de fase na admisso;


- Porsche VarioCam Plus - Trs estgios de variao de fase na admisso e dois

estgios de variao de levante na admisso;

- Renault V6 - Dois estgios de variao de fase na admisso;

- Subaru AVCS - Dois estgios de variao de fase na admisso;

- Toyota VVTi - Variadas fases na admisso;

- Toyota VVTLi - Variadas fases na admisso e dois estgios de variao de

levante na admisso e na descarga ;

- Volvo - Variadas fases na admisso.

Entretanto, esses modelos apresentados possuem a defasagem variada. O

modelo que mais se aproxima da idia proposta nesse trabalho, onde se tem

como anlise uma defasagem fixa, o MWM Sprint (Fig.2.14), que equipa as

caminhonetes da linha Ford e GM e o jipe Troller, com trs vlvulas por cilindro,

duas de admisso e uma de descarga, sendo as vlvulas de admisso defasadas

uma em relao outra com a finalidade de gerar uma turbulncia controlada no

interior da cmara de combusto, melhorando as condies de formao da

mistura ar/combustvel.

Figura 2.14 Motor MWM Sprint (mwm.com)

Sher e Bar-Kohamy (2002) estudaram as estratgias de sincronismo das vlvulas

para a maximizao do torque do motor e otimizao do consumo especfico de

combustvel em termos da abertura da vlvula de descarga, abertura da admisso

e o fechamento da admisso, tendo os sincronismos de um motor de ignio por


centelha comercial para ser estudado. Um programa computacional que simula

um ciclo motor do sistema de ignio por centelha, foi utilizado. As caractersticas

de desempenho tais como eficincia do ciclo, potncia do motor, e a composio

dos gases de descarga foram calculadas. O modelo foi calibrado com os dados

obtidos de um diagrama de medidas indicadas, e validado de acordo com o teste

de desempenho do motor. Quando foi empregado o VVT, a mxima potncia do

motor foi maximizada em 6%, e o consumo especfico do motor foi minimizado de

13%. O torque mximo foi deslocado para uma velocidade do motor mais baixa.

Os resultados so apresentados como mapas de trabalho para o projeto do motor.

O estudo mostra a influncia do sincronismo das vlvulas de admisso e descarga

no desempenho do motor na escala inteira de condies da operao (carga e

rotao do motor). Outros artigos relacionados ao acionamento de vlvulas

variveis podem ser vistos em Pierik e Burkhard (2000), Butzmann et al. (2000),

Asmus (1982) e Payri et al. (1988).

2.7. Dinmica da Mistura Admitida no Cilindro do Motor MWM A mistura admitida no cilindro est em forma de um jato, possuindo velocidades

radial e axial e flutuaes de velocidades atravs das vlvulas. O escoamento

gerado no cilindro pelo processo de admisso depende do sincronismo das

vlvulas, pois velocidades e caractersticas da turbulncia e movimento da mistura

so gerados com a alterao do diagrama de fase.

O motor MWM Sprint possui trs vlvulas por cilindro, duas de admisso e uma de

descarga. O diagrama do motor MWM (Fig. 2.15) mostra que as vlvulas de

admisso no abrem sincronizadas, com o objetivo de uma alterao nas ondas

de presso no conduto de admisso e um maior turbilhonamento do ar admitido

(Fig. 2.16).


Figura 2.15 Diagrama de vlvulas do motor MWM Sprint

Figura 2.16 Escoamento gerado no motor MWM (mwm.com)

Captulo 3

Aparato Experimental

3.1. Introduo Neste captulo so apresentados os equipamentos para a realizao dos

experimentos. Os aparatos experimentais utilizados foram o banco de fluxo, o

dinammetro, o analisador de gases e o motor de combusto interna.

3.2. Banco de Fluxo A primeira etapa do experimento foi realizada em um equipamento denominado

banco de fluxo, que permite simular as condies de escoamento nos sistemas de

admisso e exausto de um motor de combusto interna. O banco de fluxo produz

uma depresso constante entre a atmosfera e um grande reservatrio ligado

seo de testes. A depresso gerada atravs de um soprador de grande porte.

Reproduz-se o movimento das vlvulas atravs de um motor eltrico acoplado ao

eixo de comando de vlvulas, por meio de uma correia dentada. O banco de fluxo

(Fig. 3.1) utilizado neste trabalho permite o estudo do escoamento em regime

permanente ou transiente. Variveis como vazo mssica, presso, temperatura e

velocidade de rotao do eixo comando de vlvulas podem ser obtidas (Hanriot,

2001). O reservatrio ao qual a seo de testes conectada tem capacidade de

350 litros, e utilizado para atenuar os pulsos de presso produzidos pelas

vlvulas de admisso.

31

Captulo 3 Aparato Experimental 32

Figura 3.1 Vista geral do banco de fluxo

No banco de fluxo so realizados testes experimentais nos processos que

envolvem escoamentos nos sistemas de admisso e descarga em motores de

combusto interna possibilitando a determinao das perdas de presso nas

vlvulas e demais acessrios de todo o sistema. Assim, podem ser realizadas

anlises do sistema tendo como objetivo um aumento do rendimento volumtrico

dos motores.

A Fig. 3.2 mostra o esquema do banco de fluxo montado no Laboratrio de

Fluidodinmica Aplicada da PUC Minas. No esquema mostrada a entrada ou

sada de ar, de acordo com a sua operao, a seo de testes, o cabeote do

motor de combusto interna, a ordem em que o sistema distribudo, o insuflador,

o conjunto de tubulaes e vlvulas mecnicas e eltricas, o motor eltrico que

aciona o cabeote, o sistema de lubrificao e os dois tanques de equalizao e

amortecimento de oscilaes de presso. Os componentes deste sistema so

especificados nos prximos itens.


Figura 3.2 Esquema geral do banco de fluxo

3.2.1. Insuflador de Ar O insuflador um equipamento capaz de admitir ar do exterior quando operado no

processo de descarga dos gases, e admitir do interior da sala quando operado no

processo de admisso dos gases. O insuflador tem como caracterstica a

capacidade de insuflar at 600 m3/h de ar a uma presso manomtrica mxima de

0,7 bar. O acionamento pode ser feito atravs do painel de controle, sendo dotado

de protees e sinalizaes. O motor do compressor tem potncia de 30 HP (22,4

kW).

3.2.2. Conjunto de vlvulas O insuflador est ligado ao cabeote em teste por um conjunto de tubulaes, um

conjunto de vlvulas mecnicas e eltricas que permitem a regulagem da vazo

requerida em teste e determinar o sentido de escoamento do ar (insuflado ou

admitido). As vlvulas so do tipo borboleta com abertura de 90. As vlvulas

motorizadas possuem acionamento manual ou remoto, dispositivos de proteo


trmica, limitadores de fim de curso e potencimetro para indicao remota da

posio de abertura no computador do sistema.

3.2.3. Medidor de Fluxo Laminar O banco de fluxo possui dois equipamentos denominados medidores de fluxo

laminar, marca Cussons, modelos P7205 para 100 litros/s e P7209 para 200

litros/s (237 e 457 litros/s tericos), com sadas de presso diferencial, presso

absoluta e temperatura. A presso mxima de 4 bar, a temperatura mxima de

fluido de 90C, a presso diferencial nominal mxima de 250 mmH2O e a

constante de calibrao relativa a 20C. So medidores que fornecem uma

relao de vazo em funo da diferena de presso.

Figura 3.3 Esquema do medidor de fluxo A Fig. 3.3 mostra o esquema do medidor laminar de fluxo, onde 1 a entrada do

corpo do medidor, 2 a sada do corpo do medidor, 3 o elemento de medio do

fluxo, 4 o filtro de ar da entrada, 5 o bloco de montagem do filtro, 6 o tubo do

sensor de presso, 7 a placa do difusor, 8 o anel de vedao da placa, 9 o pino de

segurana, 10 o anel de vedao do medidor, 11 a rosca da vedao, 12 o

compartimento da rosca da vedao, 13 o compartimento do anel de vedao, 14

o adaptador da rosca do anel de vedao, 15 a gaxeta e 16 o suporte do tubo de

tomada de presso.


Para definir a vazo volumtrica de ar que escoa atravs do cilindro de um motor

de combusto interna naturalmente aspirado pode ser utilizada a Equao (3.1)

(Heywood, 1988), para que se possa selecionar o medidor de vazo mais

adequado.

( ) *max K

NCQ = (3.1)

onde :

Qmax : Mxima vazo volumtrica (litros/s);

C : Capacidade do motor (litros);

N : Mxima rotao do motor (rev/s);

K : 1 para motor de 2 (dois) tempos e

K : 2 para motor de 4 (quatro) tempos.

3.2.4. Computadores Utilizados Dois computadores so utilizados no banco de fluxo. O computador do sistema

do tipo PC-AT, com um sistema de aquisio de dados possuindo 3 placas

Advantech tipos PCLD7115, PCLD780 e PCLD8115 com montagem externa e

2 placas Advantech tipos PCL711B e PCL818HD para montagem interna. J o

computador de fluxo modelo Cussons P7028, utilizando MCU TMS9995, display

com 4 dgitos mais unidades atualizado a cada 300 ms, sada de dados em RS-

232 e analgica na faixa de 0 -10 Vcc. O sistema apresenta exatido de 0,35 %

de final de escala para medio de presso diferencial, 0,38 % para presso

absoluta, 0,5 % para temperatura, 0,36 % para a taxa de escoamento.

equipado com transdutor de presso modelo P7031 da empresa Cussons. A faixa

operacional de 0 a 300 mmH20 para presso diferencial (600 mbar mximo), 4

bar de presso absoluta mxima, 0 a 100 C para temperatura, e de 1,1 ou 3,5 bar

para presso de entrada e sada fornecidas pelos medidores de fluxo laminar.


O computador do sistema interligado ao computador de fluxo. O computador de

fluxo usado em conjunto com os medidores de fluxo laminar para obter as

vazes mssica e volumtrica.

Análise Experimental Da Defasagem de Abertura

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