PROCESSOS DE ADMISSÃO E DESCARGA NOS MOTORES
Dinâmica dos condutos de admissão Além da admissão do ar, os condutos possuem também as seguintes funções: a) otimizar o rendimento rendimento volumétrico dos motores, b) produzir baixas perdas de pressão ao longo do escoamento do do ar, c) distribuir uniformemente uniformemente a massa massa de ar entre os cilindros. GEOMETRIA⇒Projetada de acordo com as características do motor.
Processo de admissão⇒Afetado pelo movimento das válvulas e o pistão que atuam como fonte de excitação do conduto de admissão, o qual responde à excitação de acordo com sua própria geometria. Movimento do gás⇒Afetado pelos efeitos de inércia (movimento do gás) e pelos efeitos pulsantes ou oscilatórios (ondas de pressão originadas pelo movimento de válvulas e pistão) Efeitos pulsantes⇒Aumento do rendimento volumétrico mediante ajuste das fases dos pulsos de pressão que chegam à porta da válvula de aspiração, no momento em que a válvula está no final da fase de admissão. Este ajuste depende da relação entre a freqüência da válvula e a freqüência do conduto de admissão. Este fenômeno de “sintonia” (tuning) pode
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induzir uma maior quantidade de massa de ar que entra no cilindro (melhoria do rendimento volumétrico).
Processo teórico de admissão .
Processo real de admissão ) m m ( a l u v l á v a d o t n e m a c o l s e D
Cruzamento de válvulas Válvula de descarga
Válvula de admissão
Deslocamento angular da árvore manivela (graus)
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Alta velocidade
Mistura fresca
Inércia do gás
Efeito do cruzamento (“overlap”) das válvulas de admissão e descarga
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Diagrama do tempo de abertura da válvula ) r a b ( o r d n i l i c o n o ã s s e r P
Ân ulo manivela
rau
Pressão no cilindro x ângulo manivela
Movimento das válvulas Efeito Ram⇒Atraso no fechamento da válvula de admissão para depois do BDC (na fase de compressão) com o objetivo de utilizar a inércia da mistura de ar fresco movendo-se em direção à porta da válvula. Isto proporciona um tempo maior de entrada do ar no interior do cilindro, aumentando a densidade de ar no interior do mesmo, com um conseqüente aumento do rendimento volumétrico em situações de alta rotação do motor. Baixas velocidades⇒Efeito ram induz o pistão a empurrar para o conduto de admissão a mistura de ar fresco inicialmente admitida, causando uma redução do rendimento volumétrico
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M i st u r a fresca
A u m e n to d a densidade da mistura
Efeito do atraso do fechamento da válvula de admissão
) % ( o c i r t é m u l o v o t n e m i d n e R
6000 Rotação do motor (rpm)
Rendimento volumétrico x rotação para vários ângulos de fechamento da válvula de admissão
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Efeitos negativos do ângulo de cruzamento na emissão dos gases de descarga. 1 - A válvula de exaustão fechando atrasada induz a carga de mistura fresca a entrar na câmara de combustão durante uma parte do curso do pistão na fase de admissão, quando o motor está a um regime de rotação mais elevado. Entretanto, quando a velocidade do motor é reduzida, uma parcela da carga de ar fresco não entra efetivamente no cilindro, mas somente é carregada para o sistema de descarga em conjunto com os gases queimados do processo de combustão. A perda de carga fresca para o sistema de exaustão torna-se mais pronunciada se o atraso no fechamento da válvula de descarga é elevado e a rotação é baixa. Conseqüentemente, haverá um aumento de gases não queimados e larga quantidade de hidrocarbonetos e monóxido de carbono na composição dos gases de descarga. 2 - Quando a válvula borboleta é progressivamente fechada, o aumento da depressão no conduto de admissão pode induzir os gases não queimados a caminhar em direção ao conduto de admissão, tal como mostrado na figura.
Retorno do gás de exaustão
Mistura fresca e gás de exaustão
Mistura fresca Gás de exaustão
Efeito do cruzamento das válvulas em baixas velocidades
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INÉRCIA DO GÁS INÉRCIA DO GÁS⇒Energia de movimento ou conteúdo energético que pode gerar uma compressão dentro do cilindro no momento em que a válvula de admissão se fecha, criando uma fonte de sobrealimentação natural. RENDIMENTO VOLUMÉTRICO⇒ Definido como sendo a vazão mássica de ar
no conduto de admissão pela taxa que o volume de ar é deslocado pelo pistão, relaciona a capacidade que o motor possui em admitir ar atmosférico, sendo um parâmetro de medida da eficiência nos processo de admissão do ar. É dado por
η V =
& 2m ρ a V d N
sendo: Vd : o volume deslocado pelo pistão (entre BDC e TDC); N : rotação do motor (árvore manivela); ρa : a densidade do ar admitido; m& : a vazão mássica através do conduto de admissão. FATOR DE EFEITOS DE INÉRCIA⇒ É definido por:
m& K i = , sendo m& o
m&
a
vazão mássica do sistema com o conduto de admissão e m& o a vazão mássica sem o conduto de admissão. PULSAÇÃO DO GÁS⇒ Resposta dinâmica do gás contido no conduto de
admissão à excitação periódica produzida pelo conjunto pistão-válvula (fenômenos pulsantes).
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Velocidade da onda ) p ( o ã s s e r P
Onda de compressão
Onda de expansão
Posição (x)
Geração da onda de pressão CONDUTO DE ADMISSÃO⇒O pulso de rarefação originado no cilindro
encontra algum ponto no conduto em que ele é refletido em direção ao cilindro. Este local onde o pulso de pressão é refletido é de particular interesse para o projeto da geometria do conduto de admissão. Dentre outros pontos, as extremidades do conduto e junções são exemplos típicos de locais de reflexão da onda. Nessas situações, a forma do pulso de pressão e seu desenvolvimento ao longo do conduto de admissão são bem complexos, sendo estes pulsos refletidos superpostos a pulsos de pressão incidentes. DECOMPOSIÇÃO DA PRESSÃO⇒ pulso primitivo e o refletido EVOLUÇÃO DO PULSO DE PRESSÃO ORIGINADO NA PORTA DA VÁLVULA⇒O pulso de pressão original (onda de rarefação)
produzido pelo conjunto pistão-válvula e o pulso refletido estão presentes simultaneamente na porta da válvula, e sua composição dá origem a um sobre-pulso de pressão (over-pressure pulse) no fechamento da válvula de aspiração.
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Pulso refletido
Pulso original
Pressão instantânea
Esquema de um pulso de pressão inicial e refletido
FORMA DOS PULSOS⇒Depende basicamente da posição de fechamento da válvula de aspiração e de sua reflexão, sendo sua amplitude reduzida em cada reflexão. O tempo em que cada pulso refletido retorna à porta da válvula é caracterizado por um ângulo de fase θ, relacionado entre pontos análogos dos pulsos refletidos e os pulsos primitivos. O valor de θ depende basicamente da velocidade de propagação do pulso, do comprimento do tubo e da velocidade de rotação do motor. Em um motor mono-cilíndrico, o ajuste do conduto de admissão se baseia na determinação de um valor de θ ótimo, em conjunto com uma amplitude conveniente.
ÂNGULO DE FASE θ⇒obtido utilizando-se uma relação entre o intervalo de tempo que o pulso de pressão leva para viajar da válvula até a entrada do conduto de admissão e retornar. O tempo gasto é dado por: t = 2L/c sendo: c : velocidade do som no ar; L : distância que o pulso viaja de uma fronteira à outra (comprimento do tubo de admissão); t : tempo que o pulso gasta para viajar da porta da válvula à entrada do conduto e retornar.
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O deslocamento angular do pistão durante o mesmo intervalo de tempo é dado por: θ = (360N)(2L) / (60c)
sendo: N : rotação do motor (rpm); θ : deslocamento angular do pistão. IMPORTANTE: Quando a válvula de aspiração se abre, cria-se uma onda que viaja a velocidade do som no sentido oposto ao cilindro e posteriormente em direção oposta ao mesmo. Se o comprimento do conduto ou o regime de rotação são tais que a onda de compressão chega exatamente quando a válvula se fecha, tem-se o máximo do rendimento volumétrico.
Válvula aberta
Válvula fechada
a)
b)
Válvula aberta
Válvula fechada
a)Rendimento volumétrico minimizado, b)rendimento volumétrico maximizado. 72
0 -0,02 ) r a b ( o ã s s e r P
-0,04 -0,06 -0,08 -0,1 -0,12 -0,14 -0,16 -0,18 0
0,1 554
tempo (s)
Variação da pressão com o tempo na porta da válvula de aspiração do cilindro número um de um motor de 1000 cc com quatro cilindros operantes, para uma rotação fixa de 1200 rpm (eixo comando de válvulas). Neste caso esta variação da pressão é ocasionada apenas pela abertura e fechamento da válvula de aspiração e pela interferência dos demais condutos de admissão. 0,25
8
0,2
7
0,15
6
0,1 ) r a b ( o ã s s e r P
5
0,05 4 0 3
-0,05
) m m ( a l u v l á v a d a r u t r e b A
2
-0,1
1
-0,15 -0,2
0 0
60
120
180
240
300 360 420 Ângulo(graus)
480
540
600
660
720
Variação da pressão (na porta da válvula) ao longo do tempo para dois ciclos (720 graus) do eixo comando de válvulas, para um motor mono-cilindro com um conduto reto de admissão de 500 mm de comprimento, a uma rotação de 2000 rpm (árvore de manivela). Pode ser observada a atenuação da propagação dos pulsos de pressão quando a válvula de aspiração encontra-se fechada. A atenuação está relacionada basicamente com o comprimento do tubo, a rotação, o diâmetro e o número de Reynolds.
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ESCOAMENTO ATRAVÉS DAS VÁLVULAS
As válvulas são o dispositivo principal quanto à restrição ao escoamento dos fluidos, tanto nos condutos de admissão quanto na descarga. Os principais parâmetros geométricos na configuração das válvulas são mostrados na figura
Diâmetro da haste DS
Diâmetro interno do assento D Largura do assento, w
θ
s Ângulo de assento da válvula β
Deslocamento, Lv
Diâmetro da válvula,Dv
Parâmetros geométricos da válvula
IMPORTANTE: O escoamento do fluido através da válvula depende da abertura da mesma e dos detalhes geométricos. O coeficiente de descarga (Cd) depende da elevação da válvula em relação a sua sede e da direção do fluxo.
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Estágios do escoamento do fluido através da válvula. 1o Estágio – Pequeno deslocamento da válvula (saída da válvula da sede). A área mínima de escoamento de fluido corresponde ao tronco de cone circular entre a válvula e o seu assento.
w > Lv > 0 sen β cos β Para este estágio, a área mínima é dada por:
Lv Am = π Lv cos β D v − 2 w + sen 2 β 2 onde β é o ângulo do assento da válvula, L v é o deslocamento da válvula, Dv o diâmetro da cabeça da válvula e w a largura do assento da válvula. Para o coeficiente de descarga são usados ajustes polinomiais de curvas experimentais, dadas por Heywood (fig. 6.18).
0,040≤Lv/Dv≥0,087 L v C D = 0,4616 + 2,5194 − 3,44706 D v
L v D v
0,087 ≤ L v D v ≤ 0,100 L v C D = 1,3172 − 7,6154 D v 2o Estágio - A área mínima está relacionada ainda com a inclinação da superfície do tronco de cone circular, porém não é mais perpendicular ao assento da válvula. 75
2
O ângulo base do cone cresce de (90o - β) até 90o. Para este estágio tem-se:
D p2 − Ds2
− w2 4 Dm
1/ 2
+ w tan β ≥ L v >
w sen β cos β
e a área mínima é dada por:
Am = π Dm ( Lv − w tan β )2 + w 2
1/ 2
onde D p é o diâmetro da porta da válvula, Ds o diâmetro da haste da válvula e Dm o diâmetro médio do assento da válvula (Dv-w). Da mesma forma, Para o coeficiente de descarga são usados ajustes polinomiais de curvas experimentais, dadas por Heywood (fig. 6.18).
0,100 ≤ L v D v ≤ 0,165 L v C D = 0,31999 + 2,8627 − 5,0552 D v
L v D v
2
3o Estágio - Finalmente, quando a válvula está no seu curso próximo à abertura máxima, a menor área de escoamento do fluido é dada pela área da porta da válvula menos a área do eixo da válvula. Logo 1/ 2 2 2 2 − D D p s − w2 + w tan β Lv > 4 Dm
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e a área mínima é:
Am =
π
( D p2 − Ds2 ) 4
Da mesma forma, Para o coeficiente de descarga são usados ajustes polinomiais de curvas experimentais, dadas por Heywood (fig. 6.18).
0,165 ≤ L v D v ≤ 0,280 L v C D = 1,25053 − 4,7658 + 6,9920 D v
L v D v
2
Para fluxo reverso (sentido Cilindro/Coletor) e com duto tipo A (Heywood, 1988), tem-se,
0,100 ≤ L v D v ≤ 0,300 L v − 8,8286 C D = 0,5006 − 2,9134 D v
L v D v
2
A área de referência, para efeito de cálculo de vazão é a Área de Cortina da válvula (Av), dada por
Av =
π
Dv Lv
Esta área de passagem real é dividida em três fases dependendo da elevação da válvula. Valores típicos da razão Lv /Dv para os dois primeiros estágios são fornecidos por Heywood (1988): (Lv/Dv) ≤ 0,123 para o primeiro estágio; (Lv/Dv) ≥ 0,125 para o segundo estágio. Valores típicos do deslocamento da válvula e os três diferentes estágios da área de escoamento, em função do eixo comando de válvulas, são mostrados
77
na figura. Nesse esquema, os diâmetros típicos das válvulas de aspiração e descarga são, respectivamente 3,6 e 3,1 cm.
m m a l u v l á v a d . l s e D
2
m c o t n e m a o c s e e d a e r Á
Aspiração
Descarga
Ângulo eixo comando (grau)
Curva de deslocamento da válvula e área de escoamento A vazão mássica através da válvula é usualmente descrita pela equação de escoamento compressível através de uma restrição (Heywood, 1988). A equação é derivada de uma consideração de escoamento unidimensional, compressível, isentrópico, em que os efeitos do escoamento real são incluídos através do coeficiente de descarga CD, obtido experimentalmente. O escoamento de ar está relacionado com a pressão e temperaturas de estagnação, po e To, imediatamente antes da válvula (porta da válvula), com a pressão estática, pT, imediatamente após a restrição e uma área de referência, AR , caracterizada por um valor de projeto. Heywood (1988) mostra que a vazão mássica através da válvula é dada por:
78
1 / γ
C D A R p o pT m& = 1 / 2 p ( RT o ) o
2γ pT 1 − γ − 1 po
(γ −1) / γ 1 / 2
Para o escoamento no interior do conduto de admissão, po é a pressão na porta da válvula, e pT representa a pressão no cilindro. Para escoamento sônico, o estrangulamento na porta da válvula ocorre quando 2 γ /(γ +1) . Nessa situação, Heywood (1988) mostra que a vazão ) p T / po ≤ ( γ + 1
mássica é dada por:
m& =
C D A R p o
( RT o )1 / 2
2 γ + 1
γ 1 / 2
(γ +1) / 2(γ −1)
sendo: CD : Coeficiente de descarga ou coeficiente de efluxo; γ : a razão entre os calores específicos a pressão constante e a volume constante; po : a pressão na porta da válvula; pT : a pressão no cilindro; To : a temperatura na porta da válvula; R : constante do gás (considerado gás ideal); AR : área de referência. O valor de CD e a escolha da área de referência (AR ) estão relacionados. Alternativamente, o coeficiente de descarga pode ser definido como a razão entre a área de referência e a área isentrópica. Na realidade, o produto C D *AR é a área efetiva da restrição do escoamento do fluido ou área isentrópica (A is). Várias áreas de referências já foram utilizadas. Heywood (1988) cita as seguintes expressões utilizadas como áreas de referência: Área da cabeça da válvula: π Dv2/4; Área da porta da válvula: π D p2/4; Área de cortina: π Dv Lv , onde Lv é o deslocamento da válvula ; Os diversos autores comentam que a escolha é arbitrária. Entretanto, a forma mais utilizada é a que referencia à área de cortina (Ac) (Heywood, 1988).
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PROCEDIMENTO PARA OBTENÇÃO EXPERIMENTAL DO CD •Levantamento da vazão mássica em função do ângulo do eixo comando de válvulas no Banco de Fluxo. •Levantamento do lift da válvula de admissão em função do ângulo do eixo comando de válvulas em bancada específica. •Levantamento do coeficiente de descarga em função do lift da válvula
Banco de Fluxo 80
81
O levantamento pode ser realizado de 2 em 2 graus através de uma escala circular graduada. A abertura da válvula produz uma alteração da curva de vazão mássica em função do ângulo do eixo comando.
82
83
Mapa de operação para uma válvula tipo trompete funcionando como admissão (fluxo direto), gás frio. VÁLVULA BORBOLETA Dp
Xp
Fechada
y
Semi-aberta
Dh
Geometria da válvula tipo borboleta onde, Dp é o diâmetro de entrada; D h é o diâmetro da haste; é o ângulo de abertura; y 0 é o ângulo de abertura mínimo da válvula; e Xp é o eixo menor da elipse projetada pelo giro da borboleta. 84
A dependência do CD com o Reynolds, implica em inconvenientes numéricos na determinação do coeficiente de descarga. Assim, é proposta, uma relação direta entre o coeficiente de descarga e o ângulo de abertura da válvula. As constantes da equação mudam apenas quando a válvula troca de regime de escoamento. Necessariamente, a incerteza da previsão aumenta pela eliminação da influência do Reynolds. As equações do modelo empírico proposto são apresentadas a seguir . Para o escoamento subsônico,
C D = 0,0128 exp (2,750 ψ ) Para o escoamento sônico
C D = 0,0142 exp (2,750 ψ ) onde, y é expresso em radianos. As faixas de validade para as relações acima são,
40 ≤ D p ≤ 600 mm e 1,0x10 6 ≤ Re D ≤ 2,5 x10 7 A área de passagem real é dividida em duas fases dependendo do ângulo de abertura da válvula. Para
cos
ψ
<
4 Dh cos π D p
ψ0
D p cos ψ 1 − A p = 4 cos ψ 0 π
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Para ângulos com o escoamento bloqueado pela haste central, tem-se
4 Dh cos π D p
ψ0
≤ cos
ψ
≤ cos
ψ0
D p 4 D h 1 − A p = 4 π D p π
A figura mostra um mapa de operação para uma válvula tipo borboleta, funcionando no coletor de admissão. Nota-se a não linearidade entre o ângulo de abertura da válvula e a vazão mássica. Também, pode-se notar que a válvula borboleta só opera entupida se o motor for sobrecarregado por um compressor. Este tipo de válvula apresenta uma vazão residual mesmo fechada devido a sua característica construtiva de baixa vedação. O regime de válvula totalmente aberta (90º) é chamado de Plena Carga ou WOT (wide open throttle ). Deve-se ressaltar que a válvula borboleta é usada como controle de aceleração do motor e regula o funcionamento deste a cargas parciais.
Mapa de operação para uma válvula tipo borboleta funcionando no coletor de admissão 86
