UNIVERSIDADEDE COIMBRA FACULDADEDECINCIAS ETECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA- BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL Por:Pedro Manuel Ferreira Gonalves Dissert ao submet ida aoDepart ament o de Engenharia Mecnica da Faculdade deCinciase Tecnologia da Universidade de Coimbra para a obt eno do grau de MESTRADO EM CINCIAS DE ENGENHARIA MECNICA SETEMBRODE2008 UNIVERSIDADEDE COIMBRA FACULDADEDECINCIAS ETECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA- BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL Por:Pedro Manuel Ferreira Gonalves Dissert ao submet ida aoDepart ament o de Engenharia Mecnica da Faculdade deCinciaeTecnologia da Universidade de Coimbra para a obt eno do grau de MESTRADO EM CINCIAS DE ENGENHARIA MECNICA SETEMBRODE2008 CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 3 RESUMO Com o objectivo de conceber ummotor de elevado rendimento energtico para aplicar aoveculoprottipodaEquipaEcoVeculodoDepartamentodeEngenhariaMecnicada Faculdade de Cincias e Tecnologia da Universidade de Coimbra, neste trabalho foi possvel desenvolver e utilizar ferramentas avanadas de simulao e projecto mecnico, aplicando os conceitos fsicos fundamentaisnos processos envolvidos e verificando a sua validade atravs dosresultadosexperimentais.Osestudosparamtricosdeprevisodocomportamentodo motor em toda a sua gama de operao foram feitos num modelo computacional desenvolvido que combina anlise dinmica e termodinmicaemmotores de combusto interna. Com esta anlise, por variao dos parmetros de entrada, propriedades de combusto do combustvel, temposdeinjeco,instantesdeignioetempodeaberturadasvlvulasetemposde injecofoiconcebidoummotorde31,65cm3 (M3165)queminimizasseoseuconsumo especfico para as condies previstas na prova. Foram comparados os resultados do modelo e dostestesexperimentaisefectuadosedeterminadososefeitosdacarga,regime,instantede ignio,riquezadamisturaar-combustvelepotnciaaofreionoconsumoespecficode combustvel do motor. O motor funciona em modo de injeco indirecta, com elevada relao de compresso e segundo o ciclode Atkinson, com aumentos de eficincia, relativamente ao motor similar Honda GX22, na ordem dos 30 %.CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 4 AGRADECIMENTOS UmespecialagradecimentoaoProf.DoutorPedroCarvalheira,portodosos conhecimentosquemetransmitiu,pacinciaparacomigonalgunsmomentosepelasempre prontadisponibilidade.AtodososmembrosdaEquipaEcoVeculo,pelointeresseefora quesempremostraramaolongodetodoodesenvolvimentodoprojecto.Emespecialao colegaAntnioLoio,pelosseusensinamentosemCAMeCNC,sempreteisnafasede qualquerprojectomecnico.FundaoparaaCinciaeTecnologia(FCT),pelo financiamentodesteprojecto,semoqualnopoderiaserexecutado.Finalmenteaosmeus pais,irmoseamigosquesempreestiveramcomigoemeapoiaramaolongodetodoeste projecto. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 5 NDICE RESUMO ..................................................................................................................... 3 AGRADECIMENTOS.................................................................................................. 4 NDICE ........................................................................................................................ 5 NOMENCLATURA E SMBOLOS ............................................................................. 8 CAPTULO UM ......................................................................................................... 14 1Introduo e Objectivos .................................................................................. 14 CAPTULO DOIS ...................................................................................................... 17 2O Estado da arte .............................................................................................. 17 2.1MotoresdeCombustoInternaaplicadosnosveculosprottiposque participam na Shell Eco-Marathon................................................................................ 17 2.2Motores de Ciclo de Atkinson .................................................................. 18 2.3EcoVeculoXC01i:umveculoprottipodeextra-baixoconsumode combustvel ................................................................................................................ 21 2.4TrabalhodesenvolvidonoDepartamentodeEngenhariaMecnica Faculdade de Cincias e Tecnologia da Universidade de Coimbra (DEM-FCTUC) ...... 22 CAPTULO TRS ...................................................................................................... 23 3Consideraes iniciais de projecto e caracterizao preliminar do motor ......... 23 3.1Caracterizao preliminar do motor ......................................................... 23 3.2Consideraes de projecto para a cmara de combusto ........................... 24 3.3Influncia da relao de compresso em motores de ignio por fasca .... 25 3.4Caractersticas do sistema de injeco/ignio electrnica programvel ... 25 3.5Sistema de arrefecimento ......................................................................... 29 CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 6 3.6Sistema de lubrificao ............................................................................ 29 CAPTULO QUATRO ............................................................................................... 30 4ModelaodociclotermodinmicoemMotoresdeCombustoInterna(MCI-SI) ....................................................................................................................... 30 4.1Programa de simulao: 4SSI ............................................................... 31 4.2ModelaodosprocessosenvolvidosemMCI-SIde4temposfeitano programa 4SSI .......................................................................................................... 35 CAPTULO CINCO ................................................................................................... 69 5Simulaoeoptimizaodosparmetrosdomotorutilizandooprograma 4SSI[23] ....................................................................................................................... 69 5.1Validaodosresultadostericosobtidoscomoprograma4SSI, utilizando o motor Honda GX160 ................................................................................. 69 5.2Determinao da geometria ptima .......................................................... 70 CAPTULO SEIS ....................................................................................................... 78 6Projecto e anlise estrutural por elementos finitos (FEA), utilizando o ANSYS... ....................................................................................................................... 78 6.1Projecto e anlise estrutural (FEA) do mbolo sob condies de servio .. 78 CAPTULO SETE ...................................................................................................... 92 7Resultados Experimentais ............................................................................... 92 7.1Descrio do banco de ensaios ................................................................. 92 7.2Freios Aerodinmicos .............................................................................. 93 7.3Funcionamento do Sistema de Injeco/Ignio ....................................... 95 7.4O motor prottipo desenvolvido ............................................................... 97 7.5Mquina analisadora de gases Medio de riqueza ................................ 98 7.6Procedimento dos ensaios ...................................................................... 100 7.7Apresentao de resultados .................................................................... 100 7.8Anlise de erros ..................................................................................... 107 CAPTULO OITO .................................................................................................... 115 CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 7 8Concluses e trabalho futuro ......................................................................... 115 REFERNCIAS ....................................................................................................... 117 ANEXO I Caracterizao da Instrumentao ...................................................... ii ANEXOS II Fotografias dos componentes do motor.......................................... vi Ilustrao i Fotografia da cabea do motor......................................................... vi ANEXO III Modelos CAD 3D do motor ......................................................... viii CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 8 NOMENCLATURA E SMBOLOS a Raio da manivela da cambota, m a Nmero de tomos de carbono da molcula de hidrocarboneto Area, m2

Abrea esfrica de queima, m2 Amrea mnima de passagem, m2 Arrea de referncia da vlvula, m2 AL rea laminar queimada, m2 b Nmero de tomos de hidrognio da molcula de hidrocarboneto Bm Parmetro para o clculo da celeridade de chama laminar B| Parmetro para o clculo da celeridade de chama laminar de referncia CDCoeficiente de descarga da vlvula pc~Capacidade calorfica molar a presso constante, J/(mol.K) pc Capacidade calorfica mssica a presso constante, J/(kg.K) vc~Capacidade calorfica molar a volume constante, J/(mol.K) vc Capacidade calorfica mssica a volume constante, J/(kg.K) BDimetro do cilindro, m bmepPresso mdia efectiva ao freio, Pa bsfcConsumo especfico de combustvel ao freio, g/(kW.h) CfactorNmero de tomos de carbono em cada molcula HC que est a ser medida DDimetro, m DmDimetro mdio da sede da vlvula, m2 DpDimetro interior da sede da vlvula, m2 DsDimetro da haste da vlvula, m2 DvDimetro da cabea da vlvula, m2 DveDimetro da cabea da vlvula de escape, m2 CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 9 DviDimetro da cabea da vlvula de admisso, m2 EaErro absoluto e Espessura do filme lubrificante, m FFora, N h~Entalpia especfica molar, J/mol ch Coeficiente de transferncia de calor por conveco, W/m2.K jh Altura do componente j, m HEntalpia, J HcvRelaoatmicadetomosdehidrognioparatomosdecarbonono combustvel imepPresso mdia efectiva indicada, Pa isfcConsumo especfico de combustvel indicado, g/(kW.h) I Intensidade de corrente elctrica, A k Condutibilidade trmica, W/m.K KConstante de equilbrio da equao dos gases de gua lComprimento da biela, m LCurso do mbolo, m LveLevantamento da vlvula de escape, m LviLevantamento da vlvula de admisso, m mMassa, kg m|Polinmio de 2 grau em funo de|fm Caudal mssico de combustvel, (kg/s) MMassa molar, kg/mol n Nmero de moles, mol Velocidade de rotao da cambota, rpm nfrNmero de moles de frescos no cilindro quando termina a admisso, mol; npNmero de moles dos produtos, mol nrNmero de moles dos reagentes, mol nRNmero de rotaes da cambota por ciclo ntNmero de moles total no final da combusto, mol; NVelocidade de rotao da cambota, rot/s p Presso, Pa CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 10 patmPresso atmosfrica, Pa p0Presso de estagnao a montante da vlvula, PapmPresso no cilindro no caso de no ocorrer ignio da mistura, Pa pTPresso imediatamente a jusante da vlvula, PaPbPotncia do motor ao freio, W PfPotncia de frico do motor, W PiPotncia indicada do motor, W fQCaudal volmico de combustvel, (m3/s) OcvRelaoatmicadetomosdeoxignioparatomosdecarbonono combustvel rcRelao de compresso Coordenada da frente de chama rbRaio dos gases queimados rfRaio da frente de chama RRelao comprimento da biela/raio da manivela da cambota RbsRelao dimetro do cilindro/curso do mbolo RuConstante universal dos gases (8,314472 J/mol.K) s Distncia entre o eixo da cambota e o eixo do cavilho do mbolo, m Sb Velocidade de queima, m/s SLCeleridade de chama laminar, m/s SL,0 Celeridade de chama laminar temperatura e presso de referncia, m/s SpVelocidade do mbolo, m/s pS Velocidade mdia do mbolo, m/s tTempo, s TbBinrio do motor ao freio, N.m TiBinrio do motor indicado, N.m TTemperatura, K T0Temperatura de estagnao a montante da vlvula, K Temperatura de referncia (298,15 K), K TbvTemperatura dos gases queimados isocrica adiabtica, K TB1Temperatura dos gases no queimados na fase de compresso, K TB2Temperatura dos gases queimados na fase de expanso, K; TsccTemperatura da superfcie da cmara de combusto, K CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 11 TuTemperatura dos gases no queimados, K ub Velocidade de expanso dos gases queimados, m/s ug Velocidade mdia do gs junto frente de chama, m/s , T EAu' Intensidade de turbulncia, m/s v Velocidade, m/s VVolume, m3 Vb Volume esfrico queimado, m3 Vf Volume inflamado, m3 Volume de combustvel, m3 ix~Fraco molar do componente i bx Fraco molar dos gases queimados bx Fraco mssica dos gases queimados ybFraco volmica dos gases queimados wLargura da sede da vlvula, m WcTrabalho por ciclo, J zcCoordenada da frente de chama Smbolos gregos oParmetro para o clculo da celeridade laminar de chama ocCoordenada da frente de chama | Parmetro para o clculo da celeridade laminar de chamangulo da sede das vlvulas i|ngulo da sede da vlvula, grau | Riqueza da mistura ar-combustvel | ngulo de inclinao da biela, rad |m Riquezadamisturaparaaqualaceleridadedechamatemumvalormximo com o valor de Bm Coeficiente de expanso isentrpica cq Rendimento da combusto vq Rendimento volumtrico CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 12 mq Rendimento mecnico fq Rendimento de converso de combustvel , f bq Rendimento de converso de combustvel ao freio AVariao/Intervalo Viscosidade dinmica, Pa.s u ngulo de rotao da cambota, rad Massa volmica, kg/m3 t Tenso tangencial, Pa Coeficiente de frico do escoamento no sistema de admisso ndices arAr atmofrico adAdiabtico b Gs queimado c Cilindro frFrescos grGases Residuais u ngulo de rotao da cambota 0u ngulo de incio de combusto (u 1)ngulo de rotao da cambota anterior a u iEspcie qumica indicado mixMistura jComponente do sistema de admisso parcela de rea da cmara de combusto p Produtos r Reagentes u Gs no-queimado Abreviaturas A/FRelao ar-combustvel ABDCDepois do ponto morto inferior, grau CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 13 ATDCDepois do ponto morto superior, grau BBDCAntes do ponto morto inferior, grau BDCPonto morto inferior, grau BTDCAntes do ponto morto superior, grau EVCFecho da vlvula de escape, grau EVOAbertura da vlvula de escape, grau IVCFecho da vlvula de admisso, grau IVOAbertura da vlvula de admisso, grau TDCPonto morto superior, grau TIInstante de ignio, grau ACCAC Relaoentreareadacabeadocilindroeareadesecotransversaldo cilindro LBFRelaoentreadistnciamximapercorridapelachamaeodimetrodo cilindro RONndice de octano pelo mtodo research WOTVlvula de borboleta completamente aberta MBTMximo binrio ao freio CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 14 CAPTULO UM 1Introduo e Objectivos Desdeoinciodarevoluoindustrialquevriostiposdemquinasbaseadasna conversodeenergiapotencialqumicadeumcombustvelemtrabalhomecnicoforam desenvolvidas. Dependendo do local onde se d a combusto e do modo de operao de cada mquina,osmotoresdecombustopodemsercategorizadosemdoisgruposprincipais: motoresdecombustointerna(MCI)emotoresdecombustoexterna(MCE).Umaoutra classificaodeummotordecombustointernabaseadanaformacomoaignioocorre: ignioporfasca(SI)ouignioporcompresso(CI).Estadissertaotrataapenasde motoresdecombustointernadeignioporfasca(MCI-SI).actualmenteaceitequeo motor de combusto interna representa nomundoindustrializado, uma das principaisformas deproduodetrabalho.Desdeasuainvenoem1837,oMCItemsidotemade investigaoedesenvolvimentocontnuos.Nopassadorecenteasquestesambientaisea escassezcadavezmaiorderecursosenergticostemsidoamotivaoprincipalparaas actividades de investigao e desenvolvimento.A configurao mecnica mais comum de um motor de combusto interna o sistema biela-manivela, o qual permite a converso de um movimento alternativo linear de um mbolo ou pisto, em movimento rotacional da cambota [1]. Uma outra configurao de um motor de combustointernaochamadomotorrotativooumotorWankel.Esteummotormais compactoqueosmotoresalternativoscorrentesetendomenospartesmveisqueestes, permite ter um menor peso e uma potncia especfica mais elevada. No entanto, estes motores tmassuasprpriasfraquezasesorepresentadaspelafaltadevedaoencontradana interface entre o rotor e a caixa e o maior consumo especfico de combustvel ao freio. Omotordecombustointernaumamquinarelativamenteineficientecujo rendimento varia entre 20 e 50 %, cujo limite mximo correspondente aos motores de ignio CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 15 porcompresso[1].Assim,apenasumapequenaquantidadedaenergiacontidano combustvel transformada emtrabalho til, o resto perdido sob aforma de calor eatrito. Osesforosparamelhorarorendimentoglobaldeumsistemaconvencionaltipobiela-manivelaestoactualmenteconcentradosnomelhoramentodaeficinciadociclo termodinmico, no entanto as perdas mecnicas associadas com o atrito tambm tm sido alvo demelhoramentos atravs dosmateriais e o controlo dos acabamentos superficiais das peas em movimento relativo. Num motor convencional de quatro tempos (tambm designado pormotor de ciclo de Otto), presente na maioria dos veculos comuns, a fase de compresso e expanso tm sempre a mesma taxa, isto , a mistura fresca ar-combustvel comprimida at um determinado grau fixo, equivalente a uma determinada taxa (por exemplo, 10:1), e de seguida, aps a ignio, o volume da cmara de combusto expande mesma taxa, cedendo a energia da combusto. No entanto, a melhor taxa para a extraco de mxima energia (taxa de expanso) no a mesma que a mxima taxa permitida pelas caractersticas da gasolina. Assim, os motores funcionando segundo o ciclo deOttono trabalhamnaeficinciamxima porque a taxa de expanso no podesersuperiortaxadecompressoparaaqualamisturaar-combustveldetona.Paraa resoluodestesproblemas,em1882umengenheirobritnicochamadoJamesAtkinson, inventou um tipo de motor de combusto interna, designado por motor de ciclo de Atkinson. O motordeAtkinsontemdoiscursosdiferentesatravsdeummecanismoconjugado:curso pequeno na admisso e compresso e curso longo na expanso e escape. Isto reduz a taxa de compresso efectiva e permite ter taxas de expanso superiores de compresso. As elevadas taxas de expanso permitem tempos de potncia mais longos, permitindo uma maior expanso dosgasesdacombusto,reduzindoassimocalorperdidopeloescape.Istopermiteterum motor mais eficiente, tendo comeado a ser aplicado recentemente em aplicaes modernas de veculos hbridos. O tema desta dissertao consiste no projecto, desenvolvimento, concepo e teste de um motor de extra-baixo consumo de combustvel, funcionando segundo o ciclo de Atkinson, deinjecoindirecta,paraaplicaoaumveculodeextra-baixoconsumodecombustvel, que participa todos os anos em Frana, desde 1999, numa prova de economia de combustvel, aShellEco-Marathon.Tendo-seatingidoomximodesempenhocomoanteriormotor, HONDA GX22 e por ausncia no mercado de motores compactos com os consumos desejados paraeste tipodeveculos,aEquipaEcoVeculodoDepartamentodeEngenhariaMecnica da Faculdade de Cincias e Tecnologia da Universidade de Coimbra, sentiu a necessidade de CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 16 conceber o seu prprio motor para este tipo de aplicao, melhorando assim o conhecimento e experincianestareadeactividade.Estadissertaoenglobamodelaodeciclo termodinmicodefuncionamentodomotor,utilizandoumprogramaconcebidoemFortran: 4SSI;anliseparamtricadevariveisgeomtricas,termodinmicasedeoperaode motoresparaseobterasmelhoresprestaesemtermosdeconsumoespecficode combustvelaofreioparaestaclassedemotores.Foramfeitasanlisesestruturaisdos componentesdomotor,selecodosmelhoresmateriais,definiodastolerncias dimensionaisedeforma,acabamentossuperficiaisedurezasuperficial.Ostestesde optimizao dos tempos de injeco e avanos de ignio permitiram a afinao do motor em bancodeensaioseaconfrontaoposteriordosresultadosobtidosporsimulaoeporvia experimental.Emboraovalordeconsumoespecficoaofreiodosmotoresnosejamuitas vezesreveladopelasmelhoresequipas,dadoqueodesempenhoglobalmedidopelo conjunto(motor+veculo),ovalormnimoanunciadoporalgumasdelas,situa-senos230 g/kWh.nossoobjectivotentaratingirestevalor,concebendointegralmentetodosos componentes.CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 17 CAPTULO DOIS 2O Estado da arte 2.1MotoresdeCombustoInternaaplicadosnosveculosprottiposque participam na Shell Eco-Marathon Osmotoresdecombustointernaaplicadosnosveculosdeextra-baixoconsumode combustvelqueparticipamnaEuropeanShellEco-Marathonsoclassificadospelotipode ignio da mistura ar-combustvel (ignio por fasca e ignio por compresso) e pelo tipo de combustvelutilizado(Gasolina,Diesel,Etanol,GPLeBiodiesel).Novastecnologias, materiais,desenvolvimentoseoconhecimentoacumuladopelasequipasaolongodosanos tempermitidomelhorarodesempenhodestesveculos,permitindo,quasetodososanos, atingirumnovorecordeemtermosdequilmetrospercorridoscomamesmaquantidadede combustvel.Emtermosglobais,osveculosequipadoscommotoresdecombustointerna temobtidomelhoresdesempenhosqueosveculosequipadoscomclulasdecombustvel, que contudo tem conseguido avanos considerveis de ano para ano. HmuitoqueosveculosqueparticipamnaShellEco-Marathonutilizammotores desenvolvidos pelas prprias equipas, utilizando as tecnologias consideradasmais avanadas em termos de desempenho para este tipo de competio. Desta forma, pretende-se ummotor debaixopesoespecfico,comdimensesreduzidasparanoafectarnegativamentea aerodinmica dos veculos e com baixo consumo especfico de combustvel ao freio. Embora o desempenho global dosveculosno dependa s do motor, mas de outros factores comoa aerodinmica do veculo, o atrito de rolamento dos pneus, massa global do conjunto e outros, pretende-se que o motor seja o mais eficiente possvel. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 18 Relativamenteaoestadodaartedosmotoresdecombustointernaqueequipameste tipo de veculos, os motores so monocilndricos, caracterizam-se por ter uma elevada relao decompresso,portrabalharemnormalmentecommisturaspobres(relaoar-combustvel elevada),porteremrelaescurso/dimetrobastantesuperioresunidadeeumvolume cilindradasituadonormalmenteentreos30cm3e40cm3.Relativamenteconfiguraoda rvore de cames, a generalidade dos motores utilizam a tecnologia de duas rvores de cames cabea(DOHC),emboraexistamequipasqueutilizamapenasuma(SOHC).Tambmo tempodeaberturadasvlvulasumparmetrovariveldemotorparamotoreum parmetro que merece uma ateno especial dado queinfluencia todo o ciclo termodinmico domotor,quantidadedemisturafrescaadmitida,relaodecompressoreal,energia dissipadasobaformadecalor,contribuindodeformadecisivaparaorendimentoglobaldo ciclo.Convmqueaexpansodosgasesdeescapesejatotal,paraextrairomximode energia dos mesmos (Ciclo de Atkinson). Emtermosdeconsumoespecficodecombustvelaofreio,osvaloresmaisbaixos anunciadospelasequipascommelhoresresultados,situam-senos230g/kWh.nosso objectivo, atravs de um estudo de optimizao detalhado para cada parmetro geomtrico e de funcionamento do motor, atingir valores desta ordem ou inferiores.OQuadro2.1seguintemostraalgunsvalorescomparativosdeparmetrose desempenhosdosmotoresutilizadospelasequipascommelhoresprestaesnaprovaShell Eco-Marathon. Quadro 2.1. Valores comparativos de alguns parmetros e desempenhos dos motores utilizados pelas equipas com melhores prestaes na Shell Eco-Marathon 2.2Motores de Ciclo de Atkinson OmotordeciclodeAtkinsonumtipodemotordecombustointernainventadopor James Atkinson em 1882. Este tipo de motor at cerca de 10 % mais eficiente que um motor convencionaldecicloOtto,emcargatotal[2].Oaumentoderendimentoderiva CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 19 essencialmentedareduodotrabalhodecompressoedoaumentodoaproveitamentoda energia (contida nos gases presentes no cilindro) durante a fase de expansoNos motores de ciclo de Atkinson reduzido o trabalho de compresso da mistura fresca uma vez que se pretende que no tempo de compresso uma pequena quantidade de mistura de ar-combustvel regresse conduta de admisso sem ser admitida no cilindro reduzindo assim a cilindrada efectiva do motor. Adicionalmente, uma vez que a razo de expanso maior que arazodecompresso,permitequemaiorquantidadedecalorsejaretiradodosgasesde escape, levando a um aumento adicional do rendimento global do ciclo. O problema com este projectooriginaleraqueosmecanismosenvolvidosparaterdiferentescursoseram complexos,aumentandoassimasprobabilidadesdefalhamastambmoaumentodeperdas devidofricodentrodomotor.Comoresultado,oprojectodomotordeAtkinson permaneceucomoumacuriosidadehistricaataoSculoXX.Em1946,oengenheiro americano Miller encontrou uma engenhosa verso do projecto de Atkinson que resolve estes problemas. Mais do que variando o comprimento do curso real de compresso, idealizou que poderiasimplesmenteatrasarofechodavlvuladeadmisso.Assim,partedamisturaar-combustvel regressava conduta de admisso. A compresso ocorreria apenasnomomento emqueavlvulafechavaatopistoencontraropontomortosuperior.Assim,se dinamicamentepossvelvariarotempodefechodavlvuladeadmisso,possveldesta forma variar a taxa de compresso de um motor, ficando esta abaixo da relao de volumes do cilindro.Assim,ataxadeexpansopodeestarprximadaideal(17:1)requeridaparauma melhor extraco de energia.AversomodernadestemotortambmcostumaserchamadademotordeCiclode Atkinson-Miller,masamaioriadasrefernciastrataapenasporciclodeAtkinson.Nesta dissertao ser sempre designado por motor de ciclo de Atkinson. A vantagem do motor de ciclo de Atkinson o aumento do rendimento de converso do combustvelaofreio,noentanto,esteaumentoderendimentoacompanhadoporperdade binrioepotnciaaofreioabaixarotao.Estetipodemotoresmuitomenospotenteem todaagamadevelocidadeetrabalhanormalmentecommisturaspobres.Noentanto,seo rendimentoelevadooprincipalobjectivo,entoexcelentesresultadospodemseratingidos utilizando este tipo de motor. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 20 2.2.1O ciclo de funcionamento e o efeito no rendimento de converso de combustvel Apressodosgasesdentrodocilindronummotordequatrotemposnomomentode aberturadavlvuladeescapemaiorqueapressoatmosfrica.Aenergiadisponvelnos gasesdocilindronessemomentoentoperdidapelosistemadeescape.Umaexpanso adicional dos gases dentro do cilindro poder aumentar o trabalho indicado por ciclo, como mostradonaFig.2.1, ondeaexpansocontinuaabaixodoPonto4[1].O tempodeescape expandido4-5-6.Otempodeadmisso6-1.Area14451foiadicionadaaociclo convencionalp-V,paraamesmaquantidadedemisturaadmitidaaumentadoassimo rendimento global do motor. Fig. 2.1. Diagrama Presso-Volume para motores de ciclo de expanso extensa (1234561). rc e re so a razo de compresso volumtrica e razo de expanso volumtrica, respectivamente [1]. 2.2.2Principais aplicaes actuais: Veculos hbridos EmboraosmotoresdequatrotemposdeciclodeAtkinsonpermitamterganhos considerveis em termos de economia de combustvel, tm como custo umnvelmaisbaixo de potncia por cilindrada que os motores tradicionais de ciclo de Otto. Se um motor de ciclo deAtkinsonestsujeitoaaltosnveisdepotnciaintermitentemente,podeserauxiliadopor ummotorelctricoquandoonveldepotnciaexigidomaiselevado.Esteoconceito utilizadonossistemasdepropulsodosmodernosveculoshbridos.Osmotoreselctricos podemserusadosdeformaindependente,ouemcombinaocommotoresdeciclode Atkinson, permitindo meios mais eficientes de produo da potncia desejada. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 21 2.3EcoVeculoXC01i:umveculoprottipodeextra-baixoconsumode combustvel OEcoVeculoXC01iumveculoprottipodeextra-baixoconsumodecombustvel desenvolvidopelaequipaEcoVeculo,umaequipaconstitudaporprofessoresealunosdo DepartamentodeEngenhariaMecnicadaFaculdadedeCinciaseTecnologiada Universidade de Coimbra que participa todos os anos desde 1999 na Shell Eco-Marathon, um eventoorganizadoanualmentepelaShellFrana,nocircuitodeNogaro(Frana).uma competiodeclassemundialondeparticipamequipasdeUniversidades,Institutos Politcnicos,EscolasSecundriaseEquipasIndependentes,comautomveisprojectados, construdosetestadosporelasondeoobjectivofazer7voltasaocircuito(fechado)num total de 25,272 km a uma velocidade mdia igual ou superior a 30 km/h consumindo a menor quantidade de combustvel possvel. AShellEco-Marathonumacompetioqueteveorigememmeadosde1939,como ShellMileageMarathon,resultadodeumadiscussoentreempregadosdolaboratriode investigaodaShellOilsemWoodRiverIllinois,sobrequaloveculocommenor consumo.Asregraseramtosimplesquantooconceito:pretendia-sepercorreromaior nmero de quilmetros com o menor consumo de energia possvel. A Fig. 2.2 mostra o Eco Veculo XC01i durante a competio Shell Eco-Marathon, em 2007,Nogaro (Frana). Fig. 2.2. Eco Veculo XC01i durante a competio Shell Eco-Marathon em Nogaro, Frana. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 22 Tratando-sedeumaprovadeeconomiadecombustvel,cujaeficinciaoprincipal objectivo e em que no so exigidos grandes prestaes em termos de potncia aos veculos, torna-sepossvelautilizaodemotoresdeciclodeAtkinsonnestetipodeveculos,que emboracomdensidadesdepotnciabaixastmeficinciassuperioresaosmotores convencionais de ciclo de Otto. 2.4TrabalhodesenvolvidonoDepartamentodeEngenhariaMecnica FaculdadedeCinciaseTecnologiadaUniversidadedeCoimbra (DEM-FCTUC) Embora o projecto e construo de um motor de raiz seja um desafio novo e ambicioso no DEM-FCTUC, este no teria sido possvel sem o trabalho desenvolvido ao longo dos anos poralunosemembrosdaEquipaEcoVeculoeemespecialpeloProf.DoutorPedro Carvalheira,principaldinamizadoreimpulsionadordoprojecto.Oprojectopreliminarque deuorigempresentedissertaofoielaboradonombitodeumtrabalhodeSeminriode David Guilherme e Joo Ramos [2]. Osmelhoramentosimplementadosnoanteriormotor:HondaGX22:amodificaodo sistemadealimentaoparaumsistemadeinjeco/ignioelectrnica,modificaoda relaodecompressoeosvriostestesexperimentaisrealizadospermitiramum conhecimento prtico fundamental do funcionamento e operao de motores. Desta forma, s com todo o conhecimento acumulado, pesquisa bibliogrfica e conversas com outras equipas quedesenvolvemtambmosseusprpriosmotoresfoipossvelaconcretizaoesucesso deste projecto. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 23 CAPTULO TRS 3Consideraesiniciaisdeprojectoecaracterizao preliminar do motor 3.1Caracterizao preliminar do motor Combasenaliteraturadisponvelsobremotores,tipodeaplicaoetendoemvistao objectivopretendidodeconceberummotordebaixoconsumoespecfico,comprestaes superioresaosmotoresqueexistemnomercadoparaamesmadimenso,asuaconcepo partiu de umasrie deconsideraesiniciaisbaseadasnaexperincia, pesquisabibliogrfica ou tecnologia conhecida: i.Motor de 4 tempos de ignio por fasca; ii.Ciclo termodinmico de funcionamento: Atkinson; iii.Cmara de combusto hemisfrica, com duas velas de ignio; iv.Dupla rvore de cames cabea; v.Distribuio por correia HTD-3M; vi.Elevada relao de compresso; vii.Arranque por motor elctrico; viii.Embraiagem centrfuga; ix.Sistema de injeco/ignio electrnica; x.Sistema de refrigerao do motor (em banco de ensaios): gua; xi.Sistema de lubrificao: por chapinhagem. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 24 3.2Consideraes de projecto para a cmara de combusto Aconcepodacmaradecombustoinfluenciaodesempenhoeasemissesdos motores, de modo que o seu projecto teve em conta: i.Processos de combusto rpidos, com baixa variabilidade de ciclo-para-ciclo; Somuitososmtodospropostosparaacelerarosprocessosdecombusto.Estes incluem cmaras de combusto mais compactas, vela de ignio colocada na posio central, ousodeduasvelasdeignio,criaodeswirlduranteafasedeadmisso.Estudos experimentais [3] e de simulao [4] mostram ganhos de eficincia relativamente modestos da passagem de processos de combusto moderados para processo de combusto rpidos. ii.Grande eficincia volumtrica com a vlvula borboleta completamente aberta; Agrandeeficinciavolumtricarequeridaparaobteramaiordensidadedepotncia possvel.Aformadacabeadocilindroafectaotamanhodasvlvulasquepodemser utilizadas. A rea efectiva de passagem, que depende do dimetro da vlvula e levantamento, afecta directamente a eficincia volumtrica. iii.Mnimo de perdas de calor pelas paredes da cmara de combusto; Areadetransfernciadecaloratravsdasparedesdacmaradecombusto temum impacto significativo na eficincia do motor. Deve procurar-se ter cmaras com baixa rea de transferncia de calor. iv.Baixo requerimento de ndice de octano do combustvel. Aocorrnciadedetonaolimitaarelaodecompressomximapermitidaparaum determinado motor. Isto afecta directamente a eficincia de um motor. Estudos de simulao de ciclos [6] indicam que a durao dos processos de combusto diminuiu medida que aintensidade de turbulncia aumenta. No entanto, importante notar queaeficinciadeconversodecombustveldecmarasdeelevadaturbulncia,paraas mesmascondiesdeoperaopodesermenorqueparacmarasdecombustonormais, apesar das altas taxas de queima devido s altas taxas de transferncia de calor. A eficincia de converso de combustvelindicada diminui cerca de 6 % devido a uma previso de 15 % de aumento das perdas por transferncia de calor [6]. Perante os factos acima mencionados, e como o nosso principal objectivo obter baixo consumo e obter elevado rendimento de converso de combustvel, optou-se por uma cmara decombustodegeometriahemisfrica,combaixareadetransfernciadecalorpara CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 25 reduo das perdas trmicas e a colocao de duas velas de ignio para acelerar os processos de combusto, dada a baixa turbulncia deste tipo de cmara. 3.3Influncia da relao de compresso em motores de ignio por fasca Paraavaliardamelhorformaoefeitodavariaodarelaodecompressona eficinciadeconversodecombustvel,muitosdosdadosobtidossonormalizadose comparados com a eficincia deconverso de combustvel para uma relao de compresso, rc = 8, para motores em operao com vlvula borboleta completamente aberta (vd. Fig. 3.1). Fig. 3.1. Evoluo da melhoria relativa de eficincia de converso de combustvel com o aumento da relao de compresso, em MCI-SI com vlvula borboleta completamente aberta (WOT): CN [7], KT [8]. DentrodagamaderelaesdecompressomaiscomunsemmotoresSI( 12crs ),a eficinciadeconversodecombustvelaumentacercade3%porunidadedeaumentoda relao de compresso [1]. 3.4Caractersticas do sistema de injeco/ignio electrnica programvel Osistemadeinjeco/igniocomandadoporummicroprocessadorprogramvel HALTECH,modeloE6Seinclui:microprocessador,sensoresparaomotor(sensorde temperaturadoblocodomotor,sondalambda,sensordeposioangulardaborboletado CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 26 acelerador, sensor de temperatura do ar no interior do colector de admisso, sensor da presso do ar no interior do colector de admisso e sensor de posio angular da cambota), cablagem de ligao e software para programao. Osparmetrosutilizadospelomicroprocessadorso:temperaturaepressodoarno interior do colector de admisso, temperatura do bloco do motor, regime do motor, e posio angular da cambota. A Fig. 3.2 procura esquematizar o funcionamento do sistema de injeco - ignio utilizado. Fig. 3.2. Funcionamento do sistema de injeco/ignio electrnica A programao do microprocessador faz-se com valores fixos de rotao com intervalos de500rpm,atravsdemapasdeduraodotempodeinjecoeavanodoinstantede ignio em funo da presso do ar no interior do colector de admisso ou da posio angular da vlvula borboleta do acelerador.3.4.1Sistema de injeco Ainjecodecombustvelfeitaporuminjectordecombustvel(gasolina)auma presso de 2,4 bar. O injector consiste num corpo de uma vlvula que contm um enrolamento desolenide,aguiadaagulhadavlvulaeaagulhadavlvulaquecontmaarmadurado solenide. Quando no existe nenhum fluxo de corrente atravs do enrolamento do solenide, CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 27 aagulhadavlvulacomprimidadeencontroaoseuassentoporumamolahelicoidal.Na presenadeumfluxodecorrenteprovenientedomicroprocessadoratravsdoenrolamento solenide,aagulhadavlvulalevantadapermitindoainjecodecombustvelatravsdo orifcio de preciso. A extremidade final da agulha injectada possui uma ranhura que permite uma atomizao da gasolina injectada. A quantidade de gasolina injectada determinada pela durao do impulso elctrico, para uma dada diferena de presso entre a entrada e sadano injector. A Fig. 3.3 mostra o injector BOSCH EV6 Court B 280 431 198/1 utilizado. Fig. 3.3. Injector BOSCH EV6 Court B 280 431 198/1 3.4.2Sistema de ignio Osistemadeigniodevesercapazdeinflamaramisturacomprimidanumcerto instante e deformafivel,mesmoemfases defuncionamento transitrio onde omovimento da mistura e da relao ar-combustvel flutua fortemente.Aenergiadeignionecessriadependefortementedarelaoar-combustvel. AnalisandoaFig.3.4,sendooheptanoohidrocarbonetomaisparecidocomagasolina, verifica-seumaenergiamnimadeigniode1mJparaumariquezaestequiomtrica valores em condies padro: p = 100 kPa; T = 298,15 K. No entanto, a presso dentro de uma cmara de combusto no instante antes de saltar a fascadeigniodaordemdos8-13bar,taispressesinfluenciamaenergiamnimade ignio.Segundo[9],verifica-sequeumaumentodepressodiminuiaenergiamnimade ignio. Ofactodeseutilizaremvelascommaiordistnciaentreoselctrodos,umamaior projecodoelctrododavelaoumesmoummenordimetrodoelctrodocentral,melhora consideravelmente a qualidade de ignio. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 28 Fig. 3.4. Energia mnima de ignio [mJ] em funo da riqueza para vrias misturas de ar-combustvel [9]. A unidade de controlo do sistema de ignio tem a capacidade de determinar quando se deve ligar o circuito primrio da bobina, o ngulo e a durao do fecho (regulao automtica dongulodeDwell),devedeixarpassartemponecessrioparaqueacorrenteprimria alcance o seu valor ptimo sem ter em conta o regime de funcionamento do motor e, por sua vez, induzir alta tenso no circuito secundrio.Estaunidadedecontroloutiliza-sejuntamentecomumabobinadebaixaresistncia primria,produzindocorrentedearranqueelevadacombaixastensesnabateria,sem necessidade de resistncia compensadora.O sistema de ignio constitudo pelos seguintes componentes: Vela de ignio. A vela de ignio utilizada tem a referncia: NGK CMR6H; Bobinadeignio,nesteelementoquegeradaacorrenteelctricaquepermite vela de ignio soltar uma fasca. A bobina de ignio utilizada foi fornecida pela Haltech e uma unidade que funciona a 12V; Mdulo de ignio, esta unidade tem a capacidade de determinar quando se deve ligar ocircuitoprimrio,onguloeaduraodofecho,devendoaindadeixarpassarotempo necessrio para que a corrente primria alcance o seu valor ptimo sem ter em conta o regime defuncionamento do motor. O mdulo deignio utilizado tem a referncia: BOSCH 1 227 022 008. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 29 3.5Sistema de arrefecimento Dadaaaplicaoemquestoedevidoaofactodenohavernecessidadede arrefecimento do motor durante a prova, no haveria necessidade de implementar um sistema de arrefecimento do motor. Durante a prova conveniente que o motor esteja completamente isolado,esuficientementequente,levandoaqueaviscosidadedoleonoatinjavalores abaixodosquaisasperdasporatritosejamsignificativas.Noentanto,nafasedetestes(em contnuo)necessrioimplementarumsistemadearrefecimentoadequadoparamanter estveis as temperaturas e assim ter resultados experimentais vlidos e reprodutveis. Assim, o sistema de arrefecimento que melhor responde a estes objectivos o sistema de arrefecimento a gua por ter maior condutibilidade que o ar para extraco do calor. 3.6Sistema de lubrificao O lubrificante e o sistema de lubrificao tm as seguintes funes [10]: 1.Reduzir a resistncia de frico do motor ao mnimo para garantir a mxima eficincia mecnica; 2.Proteco do motor ao desgaste; 3.Contribuir para o arrefecimento do motor e das regies do motor onde o trabalho por frico perdido; 4.Remover todas as impurezas das zonas lubrificadas. O sistema de lubrificao utilizado para a lubrificao das superfcies de contacto mbolo-cilindro foi o sistemaconvencional dechapinhagem, em que a cambota aorodar bate com a superfcie livre do leo no crter, criando gotculas e vapores que se depositam nas paredes do mboloecilindro.Paraaschumaceirasdasrvoresdecameseparaosrolamentosda distribuionofoiimplementadonenhumsistemadelubrificaoemcircuitofechadocom bombadeleo,porqueomotornotrabalharemcontnuodurantelongosperodosem condies normais de operao, permitindo assim reduzir as perdas e diminuir os consumos. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 30 CAPTULO QUATRO 4ModelaodociclotermodinmicoemMotoresde Combusto Interna (MCI-SI) OobjectivodestecaptulofazerumaintroduomodelaoemMCI-SIefazera descrio dos modelos matemticos relevantes para a criao do modelo, no qual baseado o programacomputacionalutilizado,4SSIquepermitiufazerassimulaeseoptimizao necessrias ao projecto e concepo do motor, que est na base desta dissertao. Osmodelosdesimulaodofuncionamentodemotoresdecombustointernapodem serclassificadosemdoisgruposprincipais:modelostermodinmicosno-dimensionaise modelosdimensionais.Osmodelostermodinmicossomuitasvezesreferidoscomono-dimensionais,porquenotemresoluoespacialnadescrioparticulardeumaevoluo termodinmica.Naprimeiracategoria,osmodelostermodinmicospodemserclassificados em dois subgrupos, baseado na forma como o enchimento do cilindro tratado: modelos uni-zona ou modelos multi-zona. Nos modelos uni-zona a temperatura, a presso e a composio dentro do cilindro so considerados uniformes em toda a cmara de combusto. Este tipode modelosuni-zonarepresentaumaferramentamuitotildemodelaoemmotores.Nos modelos multi-zona, a mistura dentro do cilindro dividida em zona de queimados e zona de no-queimados, cada uma das quais sendo tratada como um sistema termodinmico separado. Existemmodelosmultidimensionaisaindamaiscompletosquesobaseadosem dinmicadefluidoscomputacional(CFD).Nestesmodelosasequaesquedescrevemo campo de escoamento so resolvidas numericamente em vrios cenrios. O cdigo KIVA, por exemplo,temcapacidadeparacalcularfluxostridimensionaisdentrodoscilindroscom qualquergeometriaarbitrriadopisto,incluindoosefeitosdaturbulncia,injecode CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 31 combustveletransfernciadecaloratravsdasparedesdocilindro.Estesmodelos particulares baseados so bastante caros e requerem poderosos recursos computacionais. 4.1Programa de simulao: 4SSI Oprograma4SSIumprogramademodelaono-dimensional(modelao termodinmica) com discretizao apenas no tempo, neste caso em ngulos de cambotau , e comvaloresmdiosnoespao.Avantagemdestamodelaoaeconomiadetempoe memriadeclculo.Asdesvantagensestodirectamenterelacionadascomano discretizaoespacialdasdiversasvariveis.Assim,nopossvelsimularaformaode heterogeneidades, por exemplo, a nvel da mistura dos diversos gases dentro do cilindro. Omodelodesenvolvidoinfluenciadoporumnmeroelevadodeprocessos fenomenolgicosqueocorremamontante,nointerioreajusantedocilindro.necessrio modelaressesprocessoseasinflunciasrecprocasentreeleseocomportamentodogsno interior do cilindro. Considera-se a anlise termodinmica no interior do cilindro dividida em cinco fases: admisso, compresso, combusto, expanso e escape. (vd. Fig. 4.1) Considera-se o volume de contrololimitado por 5 superfcies distintas: paredes laterais do cilindro, coroa do mbolo, cabea do cilindro, vlvula de admisso, vlvula de escape com temperaturas uniformes e distintas para cada uma delas. Osmodelosutilizadosdescrevemasmudanastermodinmicasequmicasdamistura duranteosprocessosdeadmisso,compresso,combusto,expansoeescapeetmcomo objectivopreveralgumascaractersticasdeoperaodemotorestaiscomo:binrioaofreio, potncia, consumoespecfico, presso mdiaefectiva e outros. Se os resultados obtidos com estes modelos corresponderem aos observados experimentalmente, estes podem ser utilizados para optimizao da configurao do motor ou optimizao de desempenho. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 32 Fig. 4.1. Estrutura lgica na simulao termodinmica de um ciclo real de um motor de combusto interna. O ponto de partida para o modelo de simulao do ciclo de funcionamento de um motor a4temposa1leidatermodinmicaaplicadaaovolumedocilindroparaprocessosde admisso, compresso, combusto, expanso e escape, que nesta sequncia descrevem o ciclo de operao do motor. Paracadaumdestesprocessos,usam-sesub-modelosquedescrevemascaractersticas geomtricasdocilindroedasvlvulas,aspropriedadestermodinmicasedetransportedos gases queimados, a transferncia de massa e calor pelas fronteiras do sistema e o processo de combusto. A presso no cilindro em cada instante obtida atravs do conhecimento da temperatura do gs no cilindro, nmero de moles e volume do cilindro atravs da equao de estado de um gsperfeito,queumaaproximaoperfeitamenteaceitvelfaceselevadastemperaturas atingidas [1]. Otrabalhorealizadopelosgasesnocilindrosobreavizinhananumciclodadopela Eq. 4.1: W pdV = +} (4.1) Oclculodacomposioeactualizaodaspropriedadessofundamentaisparaa obtenoderesultadoscorrectos.Osresultadosglobaise,principalmenteosresultados durante a execuo do ciclo so fortemente dependentes dos valores das propriedades do gs. O programa de simulao de ciclo termodinmico 4SSI, tem ainda em conta: influncia da durao da combusto, rendimento volumtrico, trocas de calor do gs paraas paredes do cilindroevice-versa,propriedadesdosfrescosequeimadosemfunodariqueza,as CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 33 interacesdosescoamentosqueseestabelecemnascondutasdeadmissoeescapequando existem cruzamento de vlvulas e o levantamento das vlvulas em funo do tempo. 4.1.1Dados de entrada 1.Dimetro do cilindro /mm; 2.Curso do mbolo /mm; 3.Relao comprimento da biela/raio de manivela da cambota; 4.Relao de compresso; 5.Nmero de rotaes da cambota por minuto /rpm; 6.ngulo de abertura da vlvula de admisso /graus APMS; 7.ngulo de fecho da vlvula de admisso /graus DPMI; 8.ngulo de abertura da vlvula de escape /graus APMI; 9.ngulo de fecho da vlvula de escape /graus DPMS; 10. ngulo de avano de ignio /graus APMS; 11. Riqueza da mistura ar-combustvel; 12. Perda de carga na vlvula de borboleta /Pa; 13. Altura de folga da cmara de combusto /m; 14. Relao DB/B da cmara de combusto; 15. Dimetro da cabea da vlvula de admisso /m; 16. Levantamento mximo da vlvula de admisso /m; 17. Dimetro da cabea da vlvula de escape /m; 18. Levantamento mximo da vlvula de escape /m; 19. Largura da sede da vlvula de admisso /m; 20. Largura da sede da vlvula de escape /m; 21. ngulo da sede da vlvula de admisso /grau; 22. ngulo da sede da vlvula de escape /grau; 23. Dimetro da haste da vlvula de admisso /m; 24. Dimetro da haste da vlvula de escape /m; 25. Relao rea da cabea do cilindro/rea da seco transversal do cilindro; 26. Relaodistnciamximapercorridapelachama/readasecotransversaldo cilindro; 27. ndice de octano do combustvel pelo mtodo research; CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 34 4.1.2Resultados calculados 1.Binrio ao freio /N.m; 2.Consumo especfico ao freio /(g/kW.h) 3.Potncia ao freio /W; 4.Trabalho por ciclo /J 5.Rendimento volumtrico; 6.ngulo de durao da combusto /deg; 7.Presso mdia efectiva ao freio /Pa; 8.Trabalho de bombagem /J; 9.Fraco de gases residuais; 10. Factor de detonao; 11. Presso mdia efectiva de frico /Pa; 12. Velocidade mdia do mbolo /(m/s); 13. Celeridade de chama laminar nas condies padro /(m/s); 14. Celeridade de chama turbulenta /(m/s); 15. Presso mxima no cilindro /(Pa); 16. Celeridade de chamalaminarcorrigida para a presso e temperatura mdia dos gases frescos /(m/s) 17. Celeridade de chama corrigida para a fraco de gases residuais /(m/s); 18. Celeridadedechamaefectivamdia,relativamenteaumreferencialligadoaomotor /(m/s); 19. Rendimento de combusto. 20. Densidade de fluxo mdio de calor transferido para o mbolo /(W/m2) A Fig. 4.2 mostra a interface grfica de apresentao de resultados no programa 4SSI. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 35 Fig. 4.2. Interface grfica de apresentao de resultados no programa 4SSI (n = 4000 rpm; = 0,75; TI = 15; WOT) 4.2ModelaodosprocessosenvolvidosemMCI-SIde4temposfeitano programa 4SSI 4.2.1AdmissoO propsito dos processos de admisso e escape remover os gases queimados no final da expanso e introduzir mistura fresca para o ciclo seguinte. Este processo de troca de gases afectaodesempenhoeasemissesdeummotordecombustointerna,eporissorequer especial ateno na sua modelao. A quantificao deste processo medida pelo rendimento volumtrico,quedependedoescoamentonascondutasdeadmissoedeescapee especialmentenasvlvulas.Basicamenteamodelaodosprocessosdetrocasgasosas compreendedoisaspectos:umamodelaodoescoamentonascondutasdeadmissoe escape e outro a modelao do escoamento em torno das vlvulas. As vlvulas representam amaisimportanterestrioaoescoamentonossistemasdeadmissoeescape.Areade escoamento instantneo depende do levantamento e geometria das vlvulas, cabea, assento e haste. Aquantidadedemisturafrescaadmitidaduranteafasedeadmissodependedos seguintes factores: a.Resistncia aerodinmica do sistema de admisso, o que reduz a presso da mistura um incrementop A ; CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 36 b.Presena de produtos da combusto no cilindro ou gases residuais que ocupam parte do seu volume; c.Trocas de calor da mistura fresca admitida com a superfcie do sistema de admisso, paredes da cmara combusto e gases residuais, que resultam num aumento de temperatura,T A da mistura fresca.Desde o incio da admisso instante em que a vlvula de admisso abre at ao fim da admissoinstanteemqueavlvuladeadmissosefecha,admitidamassanocilindro. Durante o processo de admisso, os gases residuaisexpandem,misturando-se com amistura fresca admitida, reduzindo assim a quantidade de mistura fresca admitida.Paraovolumecorrespondenteaoinciodaadmisso,onmerodemolesdegases residuais, grn ,queocupamestevolumeinicialobtidoatravsdaequaodosgases perfeitos, Eq. 4.2: , , com = IVOatmgru grp VnR Tuuuu = (4.2) Paraoclculodonmerodemolesdegasesresiduais, grn ,considera-seaquantidade que existe no cilindro no momento de abertura da vlvula de admisso, = IVO u . Onmerodemolesnointeriordocilindroemcadainstante,emfunodongulode posio da cambota,nu, dado pela Eq. 4.3: , ,1fr bfr bm mn n t tM Mu uu u | || |= + A A | | |\ .\ . (4.3) Com 1 , para = IVOgrn nu uu= (4.4) Considera-se0frm > , quando se trata de mistura fresca que entra no cilindro e0bm> , paraocasodegasesqueimadosquesaemdocilindronocasodehavercruzamentode vlvulas. A massa de gases frescos admitidos, , frmuA , dada pela Eq. 4.5: ( )( ) , , , , 1 fr fr fr frm m m m tu u u u A = = A (4.5) O fim do processo de escape ocorre quando se verificam simultaneamente as condies: CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 37 720ec atmp p u > s .Nocasodehaversobreposiodefases,poderogasesdeescape queimados voltar a entrar na fase de admisso, da o termo, , bbmtMu| |A |\ .na Eq. 4.3. A massa de gases queimados expulsos, bm A , no caso do processo de escape ainda no ter terminado dada pela Eq. 4.6. ( )( ) , , , , 1 b b b bm m m m tu u u uA = = A (4.6) Ointervalodetempocorrespondenteaoincrementoangular) 1 ( = A u u u dado pela Eq. 4.7: 1t t tu uA= (4.7) Amassamolardamisturafresca, frM ,podeserobtidaapartirdaequao estequiomtrica dos gases reagentes e dada pela Eq. 4.8. 2 2 2 2O O N N1kfr i i f fiM x M x M x M x M== = + + (4.8) Onde ix fraco molar do componente i da mistura e iM a sua massa molar. A composio da mistura fresca obtida da equao dos gases reagentes, Eq. 4.9: ( )( )2 2/ 4C H O 3, 773 N produtosa ba b|++ + =

(4.9) Sendo que: Nmero de moles de combustvel,C Ha b,mol 1 =fn ; Nmero de moles de2O , 2O/ 4 mola bn|+= ; Nmero de moles de2N , 2N/ 43,773 mola bn|+= . A fraco molar dos componentes da mistura fresca dada pela Eq. 4.10 a Eq. 4.12: 773 , 44 /11~|b axf++= (4.10) CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 38 2O/ 4/ 41 4, 773a bxa b||+=++ (4.11) 2N/ 43, 773/ 41 4, 773a bxa b||+=++ (4.12) Amassamolardamisturanocilindro, , mixMu,paracadangulou derotaoda cambota dada pela Eq. 4.13: 1 , 1,1mix fr bmixfrbfr bn M m t m tMmmn t tM Mu uuu + A A=+ A A (4.13) Amassamolar dos queimados, bM , ser tratada mais frente e depende da riqueza da mistura fresca. Aquecimento da mistura pelo sistema de admisso e pelas paredes do cilindro Quandoamisturasemoveatravsdosistemadeadmissoeparadentrodocilindro, estaentraemcontactocomasparedesquentesecomosgasesresiduaisqueficaramna cmaradecombustodocicloanterioresofreumaumentodetemperaturaT A .Ograude aquecimentodependedavelocidadedeentradadamistura,daduraodaadmisso,da diferena de temperatura entre amistura e as paredes e dacomposio,massa e temperatura dos gases residuais.Avariao de temperatura,T A devida transferncia de calor tratada mais frente. A temperatura da mistura em funo deu , durante o processo de admisso,Tu, dada pela Eq. 4.14: ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )0 , , , , 0 , , , , 0 , 1 , , 1 1, 0, , , , , , , 1 , , 1fr p fr fr b p b b mix p mixmixfr p fr b p b mix p mixm c T T m tc T T m tc T TT T Tm c m tc m tcu u u u u u u u uuu u u u u u + A A = + + A+ A A (4.14) CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 39 Perdas de carga no sistema de admisso Duranteotempodeadmisso,devidoaperdasdecargaemcadapartedosistemade admissoapressodentrodocilindro,cp ,inferiorpressoatmosfrica, atmp .Esta diminuiodapressoasomadapressoperdidaemcadacomponentedosistemade admisso. ParacadacomponenteadiminuiodepressodadapelaequaodeBernoulli,Eq. 4.15: 221j j jv p = A (4.15) Emque j ocoeficientederesistnciaparacadacomponente,quedependedassuas caractersticas geomtricas, e jv a velocidade local, assumindo o fluxo quase esttico jv que est relacionado com a velocidade mdia do mbolo pela Eq. 4.16: j j p cv A S A = (4.16) Onde jA areamnimadofluxo,queconsideramoscomosendoareamnimade passagem do escoamento no componente do sistema de admisso em questo, e cA a rea da seco transversal do cilindro. Assim, a perda de presso dada pela Eq. 4.17: A = j c atmp p p (4.17) Oprocessodeaberturadasvlvulaspodeserdefinidoatravsdeequaesque descrevem o levantamento da vlvula em funo do ngulo de rotao da cambota,u . Areamnimainstantneadofluxoatravsdavlvuladeadmissodependedo levantamento da vlvula e das caractersticas geomtricas da cabea, sede e haste da vlvula. Segundo Kaster et al. (1963), existem trs estgios separados para o desenvolvimento da rea mnima do fluxo quando se procede ao levantamento da vlvula. No incio do levantamento, a rea mnima do fluxo corresponde a um tronco de cone (com a face cnica entre a vlvula e a sede da vlvula) perpendicular sede da vlvula. Para este estgio vlida a Eq. 4.18: 0cos . sin> >vLw| | (4.18) A rea mnima dada pela Eq. 4.19: CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 40 ( ) cos 2 sin 22vm v vLA L D w t | || |= + |\ . (4.19) Onde| o ngulo da sede da vlvula, vL o levantamento da vlvula, vD o dimetro da cabea da vlvula (dimetro exterior da sede da vlvula) e w a largura da sede da vlvula que a diferena entre o raio exterior e interior da sede da vlvula. Para o segundo estgio, a rea mnimacontinua a ser a superfcie de um tronco cnico circular, mas a sua superfcie deixa de ser perpendicular sede da vlvula. Ongulo da base do cone aumenta de) 90 ( | para o ngulo de um cilindro, 90. Para este estgio vlida a Eq. 4.20: 1/ 222 22. tan4. sin .cosp svmD Dww w LD|| | (| | ( + > > | | (\ . (4.20) A rea mnima dada pela Eq. 4.21: ( )1/ 22 2. tanm m vA D L w w t | (= + (4.21) Onde pD o dimetro interior da sede da vlvula, sD o dimetro da haste da vlvula e mD o dimetro mdio da sede da vlvula) ( w Dv Quandoolevantamentodavlvulasuficientementegrandeareamnimadofluxo deixadeserentreacabeadavlvulaeasede,passandoaserareacorrespondenteao dimetro interior da sede da vlvula menos a rea da haste da vlvula. Neste estgio vlida a Eq. 4.22:1/ 222 22. tan4.p svmD DL w wD| (| | (> + | | (\ . (4.22) A rea mnima dada pela Eq. 4.23: ( )2 24s p mD D A = t (4.23) Oescoamentoatravsdavlvuladeadmissopodeocorreremdoisregimes:regime subsnico ou regime snico. Oregimesubsnicoverifica-sequandoavelocidadedogsnamenorsecode passagem da vlvula subsnica, e ocorre quando se verifica a seguinte condio: ) 1 (012||.|

\|+> ppT (4.24) CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 41 Oregimesnicoocorrequandoavelocidadedogsnamenorsecodepassagemda vlvula snica, e ocorre quando se verifica a condio seguinte: ) 1 (012||.|

\|+s ppT (4.25) Emcondiesderegimesnicoocaudalmssicoatravsdavlvuladeadmissos depende das condies a montante da vlvula, e dado segundo [1], pela equao Eq. 4.26: ) 1 ( 2) 1 (2 / 12 / 10012) (+||.|

\|+=RTp A CmR D (4.26) Nocasodoregimesubsnico,ocaudalatravsdavlvuladependedascondiesa montante e a jusante da vlvula, e dado segundo [1], pela Eq. 4.27: 1/ 21/ ( 1)/01/20 0 021( ) 1D R T TC A p p pmRT p p (| | | | ( = `|| (\ . \ . ) (4.27) Seapressonointeriordocilindroformaiorqueapressonaportadavlvula,o escoamentod-senosentidodocilindroparaaportadavlvula,seapressonointeriordo cilindro for menor que a presso na porta da vlvula, o escoamento d-se no sentido da porta da vlvula para o cilindro. Em ambos os casos0p a presso a montante da vlvula e Tp a presso a jusante da vlvula, definidos de acordo com o sentido do escoamento. Nasequaesanteriores, DC ocoeficientededescarga,queseassumiucomosendo 6 , 0 quando o escoamento se d da porta da vlvula para o cilindro e de 0,7 quando se d do cilindro para a porta da vlvula. RA a rea de referncia que aqui se considerou como sendo a rea mnima de passagem do gs na vlvula. 4.2.2Compresso Afasedecompressodesenvolve-seentreoinstanteemqueavlvuladeadmisso fecha e o instante em que salta a fasca na vela de ignio. No incio deste tempo considera-se que o gs no interior do cilindro uma mistura de ar, gasolina e gases residuais. No fim da admisso, a fraco de gases residuais dada pela Eq. 4.28: fr grgrgrn nnx+=~ (4.28) CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 42 Em que: grn =nmerodemolesdegasesresiduaisnocilindro+gasesqueimadosquepodem entrar na fase de admisso, no caso de cruzamento de vlvulas; frn =nmerodemolesdegasesfrescosadmitidosnocilindroduranteafasede admisso; Apartirdovalordariquezadamisturaadmitidacalcula-seacomposiodamistura frescaedosgasesresiduais,oquepermiteconhecerafracomolardetodososgasesque compe a mistura: gasolina, 2O ,2N ,2CO , 2H ,2H O eCO. Asfracesmolaresdecadacomponentedamisturasocalculadasdeacordocomas equaes 4.10 a 4.12: Osgasesresiduaissoconstitudosporvrioscompostosquevariamdeacordocoma riqueza da mistura. Para uma mistura estequiomtrica ou pobre,1, 00 | s vlida a Eq. 4.29: 2 2 2 2 2 23, 773 1 4C H (O 3, 773N ) CO H O N 1 O2 4 4a bbab b ba a a| | || |+ || | | | | |\ .+ + = + + + + + |||\ . \ . \ . (4.29) O nmero total de produtos, pn , dado pela Eq. 4.30: ||.|

\||.|

\|+ + + = 1773 , 44 2 |baba np (4.30) A fraco molar de cada um dos produtos formados dada pelas Eq. 4.31 a Eq. 4.34: 2COPaxn= (4.31) 2H O/ 2Pbxn= (4.32) 2N3, 7734Pbaxn|| |+ |\ .= (4.33) 2O114Pbaxn|| | | |+ ||\ . \ .= (4.34) Para misturas ricas,1 | > vlida a Eq. 4.35: CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 43 2 2 2 2 2 2/ 4 4C H (O 3, 773N ) CO CO H O H 3, 773 Na bbaa bw x y z| || |+ || | +\ .+ + = + + + + |\ . (4.35) O nmero de moles dos produtos dado pela Eq. 4.36: 43, 773Pban w x y z|| |+ |= + + + + | |\ . (4.36) O problema fica com quatro incgnitas (w, x, y, z), pelo que para o resolver necessrio empregar balanos aos elementos C, H e O e utilizar a constante de equilbrio da equao dos gases de gua, ( ) K T , que dada pela Eq. 4.37 [11]. ( )2 22CO HCO H O( / )( / )1( / )( / )p p p pw zK T p p p p x y= = (4.37) OusodaEq.4.37permiteaconstruodeumsistemadeequaesnolineares (quadrticas). Resolvendo o balano dos elementos em termos do coeficiente desconhecido w, vem: x a w = (4.38) / 42a by w a|| | += |\ .(4.39) / 422a b bz w a|| | += + + + |\ .(4.40) Substituindo as Eq. 4.38 a Eq. 4.40, na Eq. 4.37 d uma equao quadrtica emw cuja soluo dada pela Eq. 4.41: ( )( )( )( ) ( )1/ 222/ 4 12 1212 11 / 4 1 4 1 / 42 1 1 22 ( )12 1a b baK TwK Ta b b a ba a aK T K T K TK T|| || || | + + + | |\ .\ .=| | |\ . (| | | | | | | | | | | | + + ( + + |||||| ||| ( | |\ . \ . \ . \ . \ . \ . |\ . (4.41) CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 44 As fraces molares podem ser expressas em termos dew e so dadas pelas Eq. 4.42 a Eq. 4.45: 2COPwxn= (4.42) COP Px a wxn n= = (4.43) 2H O/ 42P pa bw ayxn n|| | + |\ .= = (4.44) 2H/ 422P pa b bw azxn n|| | + + + + |\ .= = (4.45) Aconstantedeequilbrio( ) K T podeserdeterminadaapartirdacurvaajustadas tabelas JANAF [12], dada pela Eq. 4.46[1]: ( )3 6 92 31, 761 10 1, 611 10 0, 2803 10ln 2, 743 K TT T T = + (4.46) Onde T est expresso em K. Segundo McBride e Gordeon [13], para cada espcie qumica, o calor especfico molar a presso constante funo da temperatura, e dado pelos polinmios: ( ) ( ),2 1 2 3 41 2 3 4 5 6 7p iou i i i i i i ic T R a T a T a a T a T a T a T = + + + + + + (4.47) Assumindo que os gases tm um comportamento de gs ideal, temos: , , v i p i uc c R = (4.48) Ovalorde pc e vc damistura,paracadaespciei,eparacadangulou sodados pelas equaes seguintes: , , ,,,i p ipi ix ccx Mu uuu= (4.49) , , ,,,i v ivi ix ccx Mu uuu= (4.50) Ovalorde damisturaparacadanguloderotaodacambota,u ,calculadopela Eq. 4.51: CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 45 ,,pvccuuu = (4.51) A massa molar da mistura, mixM , dada pela Eq. 4.52: mix i iM x M =

(4.52) A massa da mistura, mixm , obtida pela Eq. 4.53: ( )mix gr fr mixm n n M = + (4.53) Oprocessodecompressofoiconsideradocomoumasucessodeprocessosde compresso elementares constitudos por um processo de compresso adiabtico e reversvel seguido de um processo de transferncia de calor a volume constante.Paraoprocessodecompressoadiabticoereversvel(isentrpico)elementar possvel relacionar o estado inicial e final pela Eq 4.54.( ) ( ) 1 1, 1 1 adT V T Vu u u u u u + += (4.54) Nacompressoconsidera-seovalorde u dadopelaEq.4.46eadmite-sequea temperatura de incio da compresso igual temperatura do gs no fim da admisso. Ocalortransferidodasuperfciedacmaradecombustoparaogsdurantea compresso, segundo Heywood (1988) pode ser dado pela Eq. 4.55. 5, , ,1( )j c w jjQ A h T T tu u u u== A (4.55) Onde,t A o tempo para a cambota rodar o incremento de ngulo considerado.

Aexplicaodetalhadadestaexpresso,dossmbolosutilizadoseoclculodo coeficiente hc da transferncia de calor so tratados no pargrafo 4.2.6.AovariarovolumedeVupara 1Vu+calcula-seprimeiroatemperaturadecompresso adiabtica correspondente variao de volume, depois adiciona-se a variao de temperatura devida transferncia de calor. Com essa temperatura calcula-se a nova constante adiabtica. 1 1, 1 1 adT V T V u u u u + += (4.56) Com: CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 46 1 , 1 adT T Tu u u + += + A (4.57) Onde .vQTc muuu uA = (4.58) Sabendo a temperatura real, e uma vez que durante a compresso o nmero de moles constante,pelaequaodosgasesperfeitos,podedeterminar-seapressoemcadainstante, dada por: 11 11uTP n RVuu uu++ ++= (4.59) 4.2.3Combusto O processo de combusto ocorre atravs de um processo de propagao de chama onde severificammudanas de estado e demovimento dos gasesqueimados eno queimados.A libertaodeenergiaduranteoprocessodecombustonoconstantenotempo,tendo velocidadesbaixasnoincioefimdamesma.Duranteacombusto,apressonocilindro aumentadevidoprincipalmenteaoaumentode temperaturadosgasesnocilindroprovocado pela libertao de energia qumica do combustvel. Cada elemento da mistura ar-combustivel que queimado, a sua massavolmicadiminui cerca de umfactor de 4 [1]. A expanso dos gases comprime amistura no queimadajunto frente de chamana direco das paredes da cmara.Destaforma,oselementosdamisturanoqueimados,quequeimameminstantes diferentestmdiferentespressesetemperaturasduranteoprocessodecombusto.Todoo processo varivel em termos de composio e velocidade ao longo do tempo. Celeridade de chama laminar A celeridade de chama laminar definida como a componente normal frente de chama davelocidadecomqueosgasesnoqueimadossemovemrelativamentefrentedechama sob condies de escoamento em regime laminar. A celeridade de chamalaminar paratemperatura e presso damistura fresca diferentes dos valores de referncia so dados pela seguinte lei de potncia: CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 47 ,,00 0uL LTpS ST po |uu| | | |= ||\ . \ . (4.60) Onde 0298 K T= e 01 atm p = so respectivamente a temperatura e presso de referncia; ,0 LS ,o e| so funes da riqueza da mistura, que para a gasolina, so dadas por: 3,512, 4 0, 271o | = (4.61) 2,770,357 0,14| | = + (4.62) 2,0( )L m mS B B|| | = (4.63) Onde m| a riqueza da mistura para a qual a celeridade da chama laminar tem o valor mximo com o valor de mB . Osvaloresde m| ,mB ,B|foramobtidosajustandoumpolinmiode2graupelo mtodo dos mnimos quadrados aos resultados experimentais de celeridade laminar de chama demisturasar-gasolinatemperaturainicialdamisturade300Kepressoinicialda mistura de 1 atm [1]. Os valores utilizados foram: 0,35614 m/smB = 1, 4151 m/s B| = 1,13m| = Napresenadegasesresiduaisqueimadosnocilindroverifica-seumareduo substancial na celeridade de chama laminar. A presena de gases queimados na mistura fresca admitidareduzopodercalorficoporunidadedemassadamistura,reduzindoassima temperatura de chama adiabtica. Aevoluodaceleridadedechamalaminarcomafracomolardegasesresiduais essencialmente independente da riqueza da mistura, presso e temperatura dentro do intervalo de interesse em motores, sendo dada pela Eq. 4.64 [1]: 0, 77( ) ( )(1 2, 06 )L b L b bS x S x x = (4.64) Onde bx a fraco molar de gases queimados. De notar que paraigual capacidade calorfica adicionada a umamistura no-queimada, a fraco molar de gases residuais tm muito mais influncia naceleridade de chama laminar CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 48 quetemoexcessodear.Avariaodaceleridadedechamalaminardeumamistura estequiomtrica para uma mistura pobre com0,8 | = reduzida cerca de 23 %. Adicionando a mesma capacidade calorfica em termos de gases queimados, a velocidade de chama laminar reduzida 55 % [1] Evoluo da celeridade de chama com a intensidade de turbulncia Para cmaras de combusto abertas, na ausncia de swirl, como a utilizada no modelo desenvolvido, a intensidade de turbulncia no ponto morto superior igual a cerca de metade de velocidade mdia do mbolo [16], [17]: (PMS) 0, 5F pu S ' ~ (4.65) A celeridade de chama turbulenta, , bSu, dada pela Eq. 4.61, obtida por ajustamento de uma recta aos pontos apresentados na Fig. 4.3. [1]. ( )0,75,,(PMS)( ) 1 1, 5Fb L bL b mp uS S xS x puuu| || | | | '= +| || |||\ . \ . \ . (4.66) Onde , mpu dada por: ,TITIm TIVp pVuu| |= |\ . (4.67) Onde, mpu a presso no cilindro no caso de no ocorrer ignio da mistura. Fig. 4.3. Evoluo da relao entre a celeridade de chama turbulenta e a celeridade de chama laminar com a intensidade de turbulncia CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 49 Relao entre velocidade mdia de expanso dos gases queimados e a celeridade de chama Aanlisetermodinmicadosdadosdapressodentrodocilindropermite-nosdefinir alguns parmetros geomtricos teis na obteno das expresses necessrias para a modelao da propagao de chama. Umaboaaproximaoparaasuperfciequedefineafrentedechamaturbulentaa parte da superfcie de uma esfera. Os parmetros que definemessa superfcie dependem das coordenadas do centro de chama (cr , co , cz ), do raio do crculo mais aproximado da silhueta da frente de chama, fre da geometria das paredes da cmara de combusto. O raio dos gases queimados, br ,oraiodasuperfcieesfricadentrodacmaradecombustoquecontm todos os gases queimados e cujo volume,( ) , , ,b b c c cV r r z o, funo da presso, p e ngulo de rotao da cambota,.( ) , , , ( , )b b c c c bV r r z V p o u = (4.68) A rea esfrica de queima, bA , definida pela Eq. 4.69: ( , )bbbV pAru c=c (4.69) Areadequeimalaminar, LA ,definidacomoasuperfciequesechamateriase queimasse celeridade de chama laminar, LS , e definida pela Eq. 4.70: /bLu Ldm dtAS = (4.70) Seconsiderarmosqueentreoincioefimdacombustoomboloseencontraem posiofixa,todasasvariaesdevolumeverificadas,devem-seexclusivamenteaos processosdecombusto.Nestecaso,avelocidademdiadeexpansodosgasesqueimados, bu , dada pela Eq. 4.71: /bbbV dtuAc= (4.71) Uma vez que se trata de um sistema fechado, a velocidade mdia de expanso dos gases queimados, bu , difere da celeridade de chama, bS , dada pela Eq. 4.66, uma vez que medida que a combusto se desenvolve, a expanso dos gases queimados leva a um aumento efectivo daceleridadedechamarelativamenteaoreferencialfixoaomotor.Destaforma,podemos CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 50 definir a velocidade mdia do gs no queimado junto frente de chama, gu , que dada pela Eq. 4.72. g b bu u S = (4.72) Umaimportanterelaoentreafracodemassaqueimada,/b bx m m = ,afracode volume ocupado pelos gases queimados,/b by V V = pode ser obtida a partir das entidades. u bm m m = + (4.73) u bV V V = + (4.74) E a lei dos gases ideais: 111 1ubb bxy ( | |= + (|\ .

(4.75) Enquantoarazodedensidades( / )u b dependedariquezadamistura,fracode gasesqueimadosnamisturafresca,temperaturaepressodogseoseuvalorpertode4 para motores de ignio por fasca.Assim, a relao entre bu e bS dada pela Eq. 4.76. ( )( )/1/ 1 1b u u bb bb b u b buy yS x = + = ( + (4.76) Quando, 0b bx y ,/b bu S aproxima-sedarazodeexpanso/u b .Quando , 1b bx y ,/ 1b bu S=Umavezdeterminadaavelocidademdiadeexpansodogs,podecalcular-sea durao da combusto, sabendo a distncia que a chama tem de percorrer. Considera-sequeadistnciamximaapercorrer pelachama,paraestemotor,serde aproximadamente0, 6 B , tendo em conta a geometria da cmara de combusto. Duranteacombusto,arelaodecaloresespecficosvaivariar,sendocalculada atravs da Eq. 4.77. ,,pvccuuu = (4.77) Aformaderepresentarafracomssicadosqueimados,xb,emrelaoaongulode rotao da cambota dada pela funo de Wiebe, Eq. 4.78: CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 51 10,1 expmbx auu uu+ ( | |= ( |A\ . ( (4.78) Ondeu o ngulo de rotao da cambota; 0u o ngulo de incio da combusto;u A a duraototaldacombustode ,0bxu= at ,1bxu= ;a e msoparmetrosajustveis, normalmente tomam valores de 5 e 2, respectivamente [1]. Onmerodemolesduranteacombustovaivariar,dependendode , bxu,segundoa equao Eq. 4.79: ,1pt fr brnn n n xnu u| |= + |\ . (4.79) Em que tn o nmero de moles no final da admisso. prnn arazoentreonmerodemolesdeprodutosereagentesparaaquantidadede mistura fresca admitida que contm uma mole de combustvel. pn onmerodemolesdeprodutosdacombustodaquantidadedemisturafresca admitida que contm uma mole de combustvel; rn onmerodereagentesdecombustveldaquantidadedemisturafrescaadmitida que contm uma mole de combustvel; frn o nmero de moles de frescos no cilindro quando termina a admisso. A razo entre o nmero de moles dos produtos e dos reagentes dada pela equao Eq. 4.80, deduzida e vlida para misturas pobres ( 1 | < ): 4, 773 (4 )4, 773(4 ) 4prnb a bn a b||+ +=+ + (4.80) Ou pela Eq. 4.81, deduzida e vlida para misturas estequiomtricas e ricas ( 1 | > ). (4 2 ) (4 )3, 7734, 773(4 ) 4prna b a bn a b||+ + +=+ +(4.81) Onde| a riqueza damistura,a eb so respectivamente o nmeromdio de tomos decarbonoehidrognionasmolculasdecombustvel.Paraagasolinaconsideradanos clculos a=8,26 e b=15,50, respectivamente. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 52 A temperatura dos produtos queimados depende da riqueza da mistura e da temperatura inicial da mistura fresca e pode ser determinada atravs da Eq. 4.82: ( )0, , 0ubv T bv T uT T m T T|= + (4.82) Onde: 3 26,9611- 16,860 + 12,523 - 2,2855 m|| | | = (4.83) Vlida para0,7 1, 2 | s se ( )03 2,-2610,6 + 4213,0 + 70,532 + 1090,2bv TT | | | = (4.84) Vlida para0,7 1, 2 | s s A Eq. 4.83 foi obtida do seguinte modo: i.paraumadeterminadariquezafixa,variou-seatemperaturadosfrescose determinou-se a temperatura de chama isocrica adiabtica; ii.ajustaram-seospontosdogrfico(temperaturachamaisocricaadiabtica=f (temperatura de frescos)) por meio de uma recta e determinou-se o seu declive; iii. repetiu-se os pontos i. e ii. para vrias riquezas no intervalo 0,7 a 1,2; iv.comospontos(riqueza,declive)determinados,ajusta-seumpolinmiode3 grau e encontra-se a expresso,m| AEq.4.84foiobtidacomoresultadodeumajustamentopolinomialpelomtododos mnimosquadradosaosresultadosdoprogramadeclculoUVFLAMEemregimede combustoisocricaparagasolinadecomposioC8.26H15.50,comentalpiapadrode formaoa298,15Kiguala-112,702kJ/mol,paraumatemperaturainicialde298,15Ke uma presso inicial de 1,0 MPa. Parateremcontaapresenadegasesresiduaisnamisturafresca,atemperaturade chama isocrica adiabtica obtida pela Eq. 4.85: ( ) ( )03 2, , 720-2610,6 + 4213,0 + 70,532 + 1090,2 1grbv T x gr grT x T xu| | |== + (4.85) A temperatura dos gases no queimados dada pela Eq. 4.86: CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 53 11,TITIB TIVT TVuu| |= |\ . (4.86) Para obter uma aproximao da temperatura mdia dos gases na cmara de combusto, emfunode bx ,paracadau duranteafasedecombustoatombolochegaraoPMS utilizamos a Eq. 4.87: ( ), 1, , 2, 1, ad B b B BT T x T Tu u u u u= + (4.87) Com ( )2, , , 1, 0o grB bv T x BT T m T Tu | u= + (4.88) A temperatura mdia dos gases na cmara de combusto, em funo de bx , para cadaudurante a fase de combusto depois do mbolo chegar ao PMS dada pela Eq. 4.89: ( )( ), 2, , 2, 1,1ad B b B BT T x T Tu u u u u= + (4.89) Com ( )12, , , 1, 0o grPMSB bv T x B PMSVT T m T TVuu | uu=| | (= + | \ .(4.90) Onde 1, BTu dado pela Eq. 4.86. As perdas trmicas durante o processo de combusto so calculadas de acordo com a Lei de Annand: 5, , , ,1( )j c j w jjQ A h T T tu u u u== A (4.91) Onde, vQTC muuu uA = (4.92) Podecalcular-seavariaodetemperaturadevidotransfernciadecalor,pelaEq. 4.93: , adT T Tu u u= + A

(4.93) A determinao do coeficiente de conveco de calor tratada no ponto 4.2.6. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 54 O valor da presso em cadau dado pela equao dos gases perfeitos, Eq. 4.94: uTp n RVuu uu= (4.94) Durante a combusto, em quese d a reaco qumicaentre o ar e o combustvel,vo estar presentes dentro do cilindro ar, combustvel, gases residuais e os produtos da combusto so constitudos por vrios compostos que variam consoante a riqueza da mistura. Oconhecimentodacomposiodosgasesnointeriordocilindroexpressaemfraco molar necessrio para o clculo das propriedades termodinmicas dos mesmos. O calor especfico molar a presso constante do combustvel no estado gasoso presente no cilindro dado pela Eq. 4.95 [1]. 5 2 3, 1 2 3 4 2fp f f f f fAc A A t A t A tt= + + + + (4.95) Com(K) /1000 t T = ;Para a gasolina temos: 124, 078fA = ;2253, 63fA = ;3201, 68fA = ;464, 750fA = ;50, 5808fA =Os gases dentro do cilindro so constitudos por vrios compostos cuja fraco molar varia com o avano da combusto, de acordo com as Eqs. 4.96 a 4.102. ( )( ),1 1f f fr gr bx x x x = (4.96) ( ) ( )( )2 2 2 2O O , O , O ,1 . 1fr gr gr gr b p bx x x x x x x x = + + (4.97) ( ) ( )( )2 2 2 2N N , N , N ,1 1fr gr gr gr b p bx x x x x x x x = + + (4.98) ( )( )2 2 2CO CO , CO ,1gr gr b p bx x x x x x = + (4.99) ( )( )2 2 2H O H O, H O,1gr gr b p bx x x x x x = + (4.100) ( )( )CO CO, CO,1gr gr b p bx x x x x x = + (4.101) ( )( )2 2 2H H , H ,1gr gr b p bx x x x x x = + (4.102) Talcomonacompresso,aspropriedadestermodinmicassocalculadasdeacordo com as mesmas equaes. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 55 4.2.4Expanso Aexpansoestcompreendidaentreofimdacombustoeoinstantedeaberturada vlvula de escape. Nesta fase, esto apenas presentes os gases queimados. Aspropriedadestermodinmicasdosgasesqueimadossocalculadaspelomesmo mtodo utilizado no clculo das propriedades termodinmicas dos gases do cilindro na fase de compresso. A viscosidade dos gases queimados, b , dada segundo Heywood pela Eq. 4.103. 7 0,73, 3 101 0, 027bbT| =+ (4.103) O n de moles considerado durante a fase de expanso constante e igual ao presente no final da fase de combusto. Oprocessodeexpanso,semelhanadoprocessodecompresso,foiconsiderado comoumasucessodeprocessosdeexpansoelementaresconstitudosporumprocessode expanso adiabtico e reversvelseguido de um processo de transferncia de calor avolume constante. Paraoprocessodeexpansoadiabticoereversvel(isentrpico)elementarpossvel relacionar o estado inicial e final pela Eqs. 4.104 a 4.106. ( ) ( ) 1 1, 1 1 adT V T Vu u u u u u + += (4.104)Com: 1 , 1 adT T Tu u u + += + A (4.105) ,.vQTc muuu uA = (4.106) O calor transferido,Qu, determinado pelo mesmo mtodo utilizado durante a fase de compresso, mas utilizando as propriedades dos produtos da combusto. Sabendoatemperaturareal,eumavezqueduranteaexpansoonmerodemoles constante,pelaequaodosgasesperfeitos,podedeterminar-seapressoemcadainstante pela Eq. 4.107: 11 11uTP n RVuu uu++ ++= (4.107) CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 56 4.2.5Escape Ao iniciar-se o escape, o nmero de moles no interior do cilindro vai diminuir, sendo o nmero de moles em cada instante dado por: ,1bbmn n tMuu u = A (4.108) OndebM = Massa molar dos gases queimados; 1t t tu uA= No incio do escape 1 fcn nu = , com fcn nmero de moles no final da combusto. Utiliza-senovamenteumaexpressodeaproximaoparaoclculodatemperatura, agoraemfunodovolumemolar,vistoqueseassumequemesmodepoisdeseiniciaro escape, a expanso dos gases no interior do cilindro continua a ser isentrpica. 1 1111V VT Tn n u uu uu u | | | |= ||\ . \ . (4.109) Em queu o ngulo de rotao da cambota. Tal como anteriormente, calcula-se a variao da temperatura devida transferncia de calor, sendo todos os parmetros calculados como anteriormente. Apenas se tem em conta que devido ao escape se altera a massa de instante para instante, sendo agora calculada atravs do produto do nmero de molesnupela massa molar. Paraoclculodasperdasdecarganosistemadeescape,utiliza-seomesmomtodo seguido para o processo de admisso, variando apenas as propriedades dos gasesenvolvidos quenestecasosoapenasgasesqueimadoseconsiderandoasperdasdecargaassociadas geometria do sistema de escape. No caso de haver cruzamento de vlvulas, o que implica uma sobreposio das fases de admisso e escape, so consideradas as equaes vlidas para as duas fases em simultneo. 4.2.6Transferncia de calor em motores de combusto interna (MCI) O tratamento das perdas trmicas em MCI muito importante, pelo que essencial que seja bem modelada. Existem diversas abordagens possveis [18], a implementada no programa CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 57 4SSI segue ummodelo tradicional, proposto por Annand [19], com correlaes para amdia especial do coeficiente de transferncia de calor por conveco instantneo. A lei de Annand apresentada como: bpcB SakB h||.|

\|= |.|

\| (4.110) Onde80 , 0 35 , 0 < < a ,70 , 0 = bNo cdigo utilizou-se a = 0,64. A condutibilidade trmica do gs calculada usando Eq. 4.111. vc k45 9 =

(4.111) A viscosidade dinmica do ar dada pela Eq. 4.112. 7 , 0 710 3 , 3 Tar = (4.112) A viscosidade dinmica dos produtos da combusto dada por: 1 0, 027arp|=+ (4.113) A condutibilidade trmica do gs dada por: (1 )b p b rk x k x k = + (4.114) A viscosidade dinmica do gs dada por: (1 )p p b rx x = + (4.115) Onde bx a fraco mssica de gases queimados. Ocalortransferidodogsnacmaradecombustoparaasparedesdacmarade combusto quando a cambota est na posio angular definida pelo ngulou , considerado dado pela Eq. 4.116, onde , w jT varia consoante a superfcie. 5, , ,1( )j c w jjQ A h T T tu u u u== A (4.116) Onde,t A o tempo para a cambota rodar o incremento de ngulo considerado. , w jT a temperatura da superfcie j que constitui a cmara de combusto. As vrias superfcies que constituem a cmara de combusto so:1 j = Paredes do cilindro 2 j =Vlvula de escape CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 58 3 j =Vlvula de admisso 4 j =Coroa do mbolo 5 j = Cabea do cilindro A rea da parede do cilindro varia comu , e dada pela Eq. 4.117: 2 2 1/ 2,1 1 cos ( sin )2wB LA R Rtu u( = + (4.117) As reas relativas s outras superfcies j=2 a j=5, so dadas pelas Eq. 4.118 a Eq. 4.121. 2,24vewDAt= (4.118)2,34viwDAt= (4.119) (no caso de mbolo plano) 2,44wBAt= (4.120) 2,5 ,2 ,34w ch w wBA K A At= (4.121) Onde chK arazoentreareadacalotedacabeadocilindroeareadaseco transversal do cilindro. A variao de temperatura do gs no cilindro devido transferncia de calor na rotao da cambota do ngulo) 1 ( u para u dada pela Eq. 4.122: , vQTm cuuu uA = (4.122) 4.2.7Detonao OsMCIestosujeitosdetonao,sendoparaissoimportantesaberemque condies defuncionamento o motor detona. Tm sido desenvolvidos e usados dois tipos de modelosdesteprocessodeauto-ignio:(1)correlaesempricasdo tempodeinduo;(2) mecanismosqumicosqueincorporammuitasoutodasascaractersticasdoprocesso completo de oxidao de um hidrocarboneto. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 59 As correlaes de tempo de induo so derivadas ajustando uma funo de Arrhenius a dados medidos de tempo de induo ou auto-ignio, para uma dada mistura ar-combustvel, nos intervalos de presso e temperatura relevantes da mistura. Assim, o tempo de induo, t , dado pela Eq. 4.123: expnBApTu uut| |= |\ . (4.123) AcorrelaomaisextensivamentetestadaapropostaporDouaudandEyzat[21], queparamisturasar-gasolinaexpressapelaEq.4.124,eresultadotrabalhorealizadoao longo de muitos anos no Instituto Francs do Petrleo. 3,4022 1,7RON 38005, 717 10 exp100pTuut | || |= | | |\ .\ . (4.124) Com t em s, p em Pa e T em K. Neste modelo assume-se que a detonao ocorre quando se verifica: 1FCTIttdtt>} A implementao deste modelo permite efectuar diversos tipos de estudos (influncia docombustvel,temperaturadasparedes,docoeficientedetransfernciadecalor,etc)e garantir que nos pontos de funcionamento previstos o motor no detona. Fig. 4.4. Evoluo do factor de detonao de um MCI-SI de 31,65 cm3 com a velocidade de rotao da cambota, riqueza da mistura e avano de ignio CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 60 Aindaquenotenhasidofeitonenhumregistodaevoluodapressonomotor, quando este est em detonao, a Fig. 4.5, retirada de [22], mostra a presso no cilindro para um ciclo com forte ocorrncia de detonao, onde o limite de 1,0, imposto acima largamente excedido. Fig. 4.5. Registo da presso no cilindro de um motor em detonao, Modo D, (PFI-TC), 7000 rpm, 11:1 [22] Nessemesmoestudopossvelobservarosefeitosnefastosquetemofenmenode detonao no mbolo do motor, (vd. Fig. 4.6) Fig. 4.6. Efeitos adversos da ocorrncia de detonao no mbolo do motor [22]. CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 61 4.2.8Rendimento volumtrico No sistema de admisso o filtro de ar, a vlvula de borboleta (em MCI-SI), a conduta de admisso, a porta da vlvula de admisso ea vlvula de admisso restringem a quantidade de ar que um motor de uma determinada cilindrada pode introduzir nos cilindros. O parmetro que se pode utilizar para medir a eficincia do processo de admisso num MCI o rendimento volumtrico, vq . O rendimento volumtrico somente utilizado em motores de quatro tempos, osquaistmfasedeadmissodistinta.definidocomoarazoentreamassadear efectivamenteadmitidanocilindronumcicloeamassadearcorrespondenteaoprodutodo volumecilindradadomotorpelamassavolmicadoarambienteounaportadavlvula. dado pela Eq. 4.125: ,ava i dmVq= (4.125)Onde am a massa de ar admitida dentro do cilindro por ciclo, , a i a massa volmica do ar deentradae dV ovolumecilindradadomotor.Oobjectivodestamodelaocalculara quantidadedearqueentraparaocilindroapartirdageometriadomotor,doseutipo,da velocidade de rotao e da posio da vlvula de borboleta e o seu valor depende da: presso parcialno colector de admisso, aquecimento do ar, perdas de carga, perdas snicas, retorno de ar admisso, entrada de ar devido sua inrcia e efeitos instacionrios nos colectores. A Fig.4.6mostraosdiversosfactoresquecontribuemparaorendimentovolumtricoea influnciadecadaumdelescomarotao.Osvalorestpicosmximosde vq paraMCI naturalmente aspirados variam entre 80 a 90 %. Fig. 4.6. Diversos factores que afectam o rendimento volumtrico [20] CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 62 4.2.9Trabalho indicado por ciclo AinformaodepressodogsdentrodocilindronociclodeoperaodeumMCI podeserusadaparacalcularotrabalhotransferidodogsparaombolo.Apressono cilindroeocorrespondentevolumeatravsdociclodomotorpodemserapresentadosnum grfico p-V, como se apresenta na Fig. 4.7. Fig. 4.7 Grfico p-V obtido com o programa de modelao para um motor de 31,65 cm3, s 4000 rpm, condies de MBT e WOT. Otrabalhoindicadoporciclo,porcilindro, , , c i cilW obtidoporintegraodacurvado diagrama p-V para obter a rea interior do diagrama e dado pela Eq. 4.126: , , c i cilW pdV = }

(4.126) Onde: p a presso no interior do cilindro V o volume do cilindro 4.2.10Potncia indicada por cilindro A potnciaindicada por cilindro, , i cilP , relacionadacom o trabalho por ciclo pela Eq. 4.127: CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 63 , ,,c i cili cilRW NPn= (4.127) Onde Rn o nmero de revolues da cambota por cada ciclo de trabalho. Para motores de quatro tempos2Rn = ; para motores a dois tempos1Rn = . 4.2.11Binrio indicado por cilindro Obinrioindicadoporcilindro, , i cilT ,relacionadacomtrabalhoporciclopelaEq. 4.128. , ,,2 c i cili cilRWTn t= (4.128) Apotnciaindicadaporcilindro, , i cilP ,relacionadacomobinrioindicadopor cilindro Ti, cil pela Eq. 4.129. , ,2i cil i cilP T N t = (4.129) 4.2.12Presso mdia efectiva indicada, imep O binrio um parmetro de desempenho que mede a capacidade de um motor executar trabalhoequedependedacilindrada.Umparmetromuitoutilizadonamediodo desempenho de ummotor obtido dividindo o trabalho por ciclo pelovolumecilindrada.O parmetro obtido de fora por unidade de rea, tambm chamado de presso mdia efectiva (mep). A pressomdia efectivaindicada relacionada com o trabalho por cicloindicado por cilindro pela Eq. 4.130. 3, ,3,[J] 10[kPa][m ]c i cild cilWimepV= (4.130) 4.2.13Rendimento mecnicoExisteumapartedotrabalhoindicadoporcicloqueutilizadoparaintroduzirgases frescoseexpelirgasesqueimadosdocilindro.Umaparteadicionaldessetrabalhousada para vencer os atritos dos rolamentos, mbolo e outros componentesmecnicos presentesno CONCEPO DE UM MOTOR DE COMBUSTO INTERNA PARA UM VECULO AUTOMVEL DE EXTRA-BAIXO CONSUMO DE COMBUSTVEL 64 motor. Todos estes requisitos de potncia esto agrupados na chamada potncia de frico, Pf. Arazoentreapotnciaaofreiofornecidapelomotor,Pb,eapotnciaindicada,Pi, designada de rendimento mecnico, mq , e dada pela Eq. 4.131: 1fbmi iPPP Pq = = (4.131) Embora difcil de determinar com exactido, a potncia de atrito, por cilindro, Pi,cil pode serestimadarecorrendoavaliaodotrabalhodeatritonosprincipaiscomponentesdo motor, sendo Pf,cil dado pela Eq. 4.132. , ,,c f cilf cilRW NPn= (4.132) Sendo , , c f cilW o trabalho de atrito por ciclo e por cilindro. Otrabalhodeatritoporcicloeporcilindro, , , c f cilW dadopelasomadostrabalhosde atrito por ciclo e por cilindro dos seguintes componentes do motor: i.Entre mbolo e segmentos e cilindro do motor; ii.Rolamentos princip