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Análise Experimental Da Defasagem de Abertura
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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
Figura 4.21 Diagrama de vlvulas do teste realizado com o comando de vlvulas
de admisso defasado de 5 (atrasado) entre os cames.......................................71
Figura 4.22 Diagrama de vlvulas do teste realizado com o comando de vlvulas
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
Figura 5.4 - 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 10 de
defasagem entre os cames....................................................................................76
Figura 5.5 - 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 20 de
defasagem entre os cames.....................................................................................77
Figura 5.6 - 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 20 de
defasagem entre os cames.....................................................................................77
Figura 5.7 - 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 30 de
defasagem entre os cames....................................................................................78
Figura 5.8 - 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 30 de
defasagem entre os cames.....................................................................................78
Figura 5.9 - 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 40 de
defasagem entre os cames.....................................................................................79
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
defasagem entre os cames....................................................................................79
Figura 5.11 - Vazo mssica em funo da rotao do eixo comando de vlvulas
de admisso para as diferentes defasagens com o tubo de 1 metro.....................80
Figura 5.12 - Vazo mssica em funo da rotao do eixo comando de vlvulas
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
Figura 5.15 Vazo mssica em funo do ngulo do eixo de comando de
vlvulas com defasagem de 10.............................................................................85
Figura 5.16 Vazo mssica em funo do ngulo do eixo de comando de
vlvulas com defasagem de 20.............................................................................85
Figura 5.17 Vazo mssica em funo do ngulo do eixo de comando de
vlvulas com defasagem de 30.............................................................................86
Figura 5.18 Vazo mssica em funo do ngulo do eixo de comando de
vlvulas com defasagem de 40.............................................................................86
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 5.27 Variao da presso P1 em funo do ngulo do eixo de comando
de vlvulas, rotao de 1600 rev/min para as defasagens....................................94
Figura 5.28 Variao da presso P1 em funo do ngulo do eixo de comando
de vlvulas, rotao de 2200 rev/min para as defasagens....................................95
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
admisso em funo da rotao do eixo de comando de vlvulas, comparando
com a curva de vazo, defasagem 10.................................................................101
Figura 5.33 - 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, defasagem 20.................................................................101
Figura 5.34 - 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, defasagem 30.................................................................102
Figura 5.35 - 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 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
Figura 5.38 Anlise espectral para a rotao de 1200 rev/min do eixo de
comando de vlvulas de admisso.......................................................................107
xii
xiii
Figura 5.39 Anlise espectral para a rotao de 1600 rev/min do eixo de
comando de vlvulas de admisso.......................................................................108
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
16V e o comando defasado de 15 (abertura atrasada em relao ao PMS)......113
Figura 5.45 Curvas de emisses de CO2 do motor com o comando original 1.0
16V e o comando defasado de 15 (abertura atrasada em relao ao PMS)......114
Figura 5.46 Curvas de emisses de CO do motor com o comando original 1.0
16V e o comando defasado de 15 (abertura atrasada em relao ao PMS)......115
Figura 5.47 Curvas de emisses de O2 do motor com o comando original 1.0
16V e o comando defasado de 15 (abertura atrasada em relao ao PMS)......116
Figura 5.48 Curvas de emisses de HC do motor com o comando original 1.0
16V e o comando defasado de 15 (abertura atrasada em relao ao PMS)......116
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 5.6 Tempo de abertura da vlvula de admisso defasagem de 20...104
Tabela 5.7 Tempo de abertura da vlvula de admisso defasagem de 30...104
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
Captulo 1 Introduo 3
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.
Captulo 1 Introduo 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:
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 7
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.
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 8
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 9
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 10
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 11
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).
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 12
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 13
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 14
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 15
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 16
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:
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 17
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.
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 18
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)
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 19
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 20
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)
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 21
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.
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 22
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 23
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 24
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.
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 25
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 26
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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 27
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;
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 28
- 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
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 29
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).
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 30
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.
Captulo 3 Aparato Experimental 33
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
Captulo 3 Aparato Experimental 34
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.
Captulo 3 Aparato Experimental 35
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.
Captulo 3 Aparato Experimental 36
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.